Caminhos de Decomposição Térmica do Ácido Clorogênico (CGA) em Grãos de Café Verde e a Razão de Geração de Ácido Quínico/Cafeico durante a Torra

1. Equações Governantes de Transferência de Calor e Balanço Energético no Processo de Torra

A torra do café é um processo termodinâmico altamente complexo, onde as mudanças físico-químicas dentro dos grãos de café verde são determinadas pela eficiência da transferência de energia dentro do tambor. O calor total absorvido pelos grãos durante a torra é definido como a soma da condução, convecção e radiação. A equação de balanço energético que determina a Taxa de Aumento (Rate of Rise - RoR) no núcleo do grão é expressa da seguinte forma:

$m C_p \\frac{dT_s}{dt} = q_{cond} + q_{conv} + q_{rad} - Q_{evap} + Q_{rxn}$

Aqui, cada termo representa os seguintes significados físicos:

• $q_{cond} = -k A \\nabla T$: Transferência de calor condutiva direta entre a superfície do tambor e as partículas de grãos de café.
• $q_{conv} = h A (T_g - T_s)$: Transferência de calor convectiva entre o fluxo de ar e a superfície do grão, onde o coeficiente de convecção $h$ atua como a força motriz na fase final da torra.
• $q_{rad} = \\epsilon \\sigma A (T_{surr}^4 - T_s^4)$: O processo de energia radiante emitida pelas paredes aquecidas do tambor sendo absorvida pelos grãos.
• $Q_{evap} = \\frac{dm_w}{dt} \\Delta H_{vap}$: O calor latente massivo consumido para a evaporação da água durante a fase inicial de secagem.
• $Q_{rxn}$: A mudança de entalpia que ocorre durante as reações de Maillard e a decomposição térmica do ácido clorogênico; é necessário um controle preciso, especialmente na zona de reação exotérmica próxima a 200°C.

2. Modelagem da Temperatura de Transição Vítrea $(T_g)$ e Transição de Fase da Estrutura da Parede Celular

Os grãos verdes mantêm um estado vítreo em um ambiente seco e transicionam para um estado emborrachado à medida que a umidade atua como um plastificante. Neste ponto, a temperatura de transição vítrea $(T_g)$ pode ser prevista pela relação de Gordon-Taylor:

$\\frac{1}{T_g} = \\frac{w_1}{T_{g1}} + \\frac{w_2}{T_{g2}}$

No início da torra, quando o teor de umidade $(w)$ é alto, a $T_g$ permanece baixa, facilitando a deformação plástica das paredes celulares. No entanto, à medida que a torra progride e a umidade evapora rapidamente, a $T_g$ aumenta e a estrutura torna-se altamente quebradiça. A estrutura porosa formada neste momento está na faixa de aproximadamente $\\epsilon \\approx 0.3 \\sim 0.5$, o que desempenha um papel decisivo no caminho de difusão do ácido clorogênico e na liberação dos compostos de sabor finais.

3. Caminhos de Decomposição Térmica do Ácido Clorogênico (CGA) e Produtos Químicos

O ácido clorogênico (CGA), que modula a acidez e o amargor do café, passa por sua decomposição mais ativa entre 160°C e 200°C durante a torra. A decomposição térmica do CGA segue o seguinte caminho, convertendo-se em ácido quínico e ácido cafeico. Este processo é sensível às mudanças de temperatura, e o espectro de acidez muda à medida que o tempo de torra aumenta.

Faixa de Temperatura	Principal Reação Química	Características do Produto
160°C ~ 180°C	Hidrólise do CGA	Geração de Ácido Quínico (Acidez) e Ácido Cafeico (Corpo)
190°C ~ 210°C	Lactonização	Lactonas de ácido quínico (Amargor moderado)
210°C e acima	Polimerização de Fenilindanos	Fenilindanos (Amargor muito forte e desagradável)

Os fenilindanos gerados durante o estágio de torra escura são estruturas condensadas resultantes da decomposição térmica das lactonas do ácido quínico, tornando o amargor perceptível mesmo em níveis muito baixos. Consequentemente, o núcleo da ciência da torra reside no controle do $Q_{rxn}$ da equação de balanço energético para guiar o CGA em direção à faixa do ácido quínico para obter acidez e doçura ideais, ou na aplicação de perfis de temperatura físicos para suprimir a formação excessiva de fenilindanos. Como a eficiência da transferência de calor varia com as mudanças na porosidade interna após o "first crack"—o ponto onde a fragilidade da estrutura celular é maximizada—o controle preciso do coeficiente de transferência de calor convectivo para regular a velocidade da decomposição térmica é essencial para uma torra de alta qualidade.