Modeling dynamic adsorption isotherms and thermodynamic properties of specialty ground roasted-coffee (Coffea arabica L.)

Abstract

Specialty coffee is highly differentiated product because of its sensorial attributes: aroma, body and brand reputation. In specialized markets, these products are highly valued, and sometimes up to six times their commercial value is paid. Thus, it is essential to preserve their freshness. Sorption isotherms are necessary for determining and studying water sorption changes in specialty coffee during storage. This study aimed to determine the adsorption isotherms of specialty ground roasted-coffee at temperatures of 25 °C, 30 °C and 40 °C and water activities between 0.1 and 0.8 using the dynamic dewpoint method (DDI). The experiment sorption data were modeled using 12 different equations with non-linear regression to represent the dependence of the equilibrium moisture content with both water activity and temperature. In addition, the thermodynamic properties were determined with the experiment adsorption data. The results showed that type III isotherms were obtained according to the Brunauer classification, and the Weibull equation satisfactorily modeled the effect of the temperature on the hygroscopic equilibrium in the specialty ground roasted-coffee. The results of thermodynamic analysis showed that the net isosteric heat of adsorption and Gibbs free energy decreased as the equilibrium moisture content increased, indicating the amount of energy released, a strong bond energy between water molecules in the product components and spontaneity in the adsorption process. The entropy of the adsorption increased with the moisture content, leading to product stability conditions during storage; it was possible to conclude that to guarantee the stability of high quality, ground, roasted coffee should store in environments where the water activity does not exceed 0.5 at temperatures between 25 °C and 40 °C. The results were similar to those reported for the roasted and ground coffee of others cultivars.

O café especial é um produto altamente diferenciado por seus atributos sensoriais: aroma, corpo e reputação da marca. Nos mercados especializados, estes produtos são altamente valorizados e as vezes podem ser pagados em até seis vezes seu valor comercial. Deste modo, é essencial preservar seu frescor. As isotermas de sorção são necessárias para a determinação e o estudo das mudanças da sorção de água no café especial durante o armazenamento. O objetivo deste trabalho foi determinar as isotermas de adsorção de café especial torrado e moído para temperaturas de 25 °C, 30 °C e 40 °C e atividades de água entre 0.1 e 0.8 usando o método dinâmico de ponto de orvalho (DDI). Os dados de sorção experimentais foram modelados usando 12 equações diferentes através de regressão não linear, para representar a dependência do teor de água de equilíbrio com a atividade de água e a temperatura. Adicionalmente, foram determinadas as propriedades termodinâmicas a partir dos dados experimentais de adsorção. Os resultados mostraram que foram obtidas isotermas tipo III, de acordo com a classificação Brunauer e a equação Weibull modelou satisfatoriamente o efeito da temperatura sobre o equilíbrio higroscópico em café especial torrado e moído. Os resultados da análise termodinâmica mostraram que o calor isostérico líquido de adsorção e a energia livre de Gibbs diminuíram com o aumento do teor de água de equilíbrio, indicando a quantidade de energia liberada, uma forte energia de ligação entre as moléculas de água nos componentes do produto e a espontaneidade no processo de adsorção. A entropia de adsorção aumentou com o teor de água, levando a condições de estabilidade do produto durante o armazenamento; foi possível concluir que para garantir a estabilidade do café torrado e moído de alta qualidade deve-se armazenar em ambientes onde a atividade de água não exceda de 0.5 para temperaturas entre 25 °C e 40 °C. Os resultados foram semelhantes aos relatados para café torrado e moído de outras cultivares.