Extração do óleo e diterpenos do café com CO2 supercrítico

Abstract

Foi testada a viabilidade técnica para a extração dos óleos de café verde e café torrado pelo CO2-SC. Foram avaliados o perfil dos ácidos graxos e os teores de cafestol e caveol, diterpenos presentes exclusivamente no café. Foram determinadas as condições operacionais para obter a maior quantidade de óleo para ambos os tipos de café, entretanto, com o maior teor de diterpenos possível no óleo de café verde, e o menor, no óleo de café torrado. Para isso, foram otimizadas primeiramente a temperatura de operação (60oC, 70oC, 80oC e 90oC) e a densidade do CO2 (0,68 g/mL, 0,71 g/mL, 0,74 g/mL, 0,77 g/mL, 0,81 g/mL, 0,84 g/mL e 0,88 g/mL), tanto para o café verde quanto para o torrado, mantendo-se constantes as variáveis tempo de extração estática (5 min); granulometria do café (0,297 mm a 0,35 mm); massa de café submetida a extração (200 mg); fluxo do CO2 (1,5 mL/min), e tempo de extração dinâmico (20 min). Para cada temperatura e densidade, foram escolhidas as três condições de extração para as quais os objetivos pré-estabelecidos foram alcançados. Foram então otimizados, o tempo de extração estática (0 min, 2 min e 5 min); a granulometria do café (0,297 mm a 0,35 mm; 0,35 mm a 0,42 mm, 0,42 mm a 0,50 mm); a massa de café submetida à extração (100 mg, 150 mg e 200 mg); o fluxo do CO2 (1,5 mL/min, 2,0 mL/min e 2,5 mL/min), e o tempo de extração dinâmico (5 min, até a extração de óleo máxima). Os resultados obtidos para o teor de óleo, o perfil de ácidos graxos e o seu conteúdo de diterpenos, foram comparados com o óleo obtido por extração em equipamento de Soxhlet, utilizando hexano como solvente. O perfil de ácidos graxos foi semelhante para os dois métodos extrativos. As diferentes densidades e temperaturas utilizadas na extração por CO2-SC não proporcionaram diferenças no perfil dos ácidos graxos. O CO2-SC proporcionou a extração de todo o óleo presente no café, determinado pela extração com hexano. As características da matéria-prima e as condições utilizadas foram, respectivamente, para o óleo de café verde e torrado: umidade do café de 9,98% e 2,40%; granulometria do café de 0,297 mm a 0,35 mm, para ambos os casos; massa de café submetida à extração igual a 200 mg, para ambos os casos; fluxo do CO2 de 1,5 mL/min e 2,0 mL/min; não utilização de extração estática e emprego de 5 min de extração estática. Para o óleo de café verde, a temperatura da extração e a densidade do CO2 mais eficientes, em termos de quantidade de óleo obtida e consumo de CO2 foram de 90oC e 0,77 g/mL, respectivamente. Estas condições promoveram a completa extração do óleo em 20 min, consumindo 28,6 g de CO2 (7,13 x 10-4 g de óleo por g CO2). Em relação ao teor de diterpenos, a temperatura de 70oC e densidade do CO2 de 0,74 g/mL, foram as que proporcionaram a maior concentração. Os teores de cafestol e de caveol no óleo foram de 201,7 mg/ 100 g e 251,6 mg/100 g, respectivamente. Estes dados são, respectivamente, 52,5% e 52,8%, menores que os teores de cafestol e de caveol no óleo extraído com hexano. Para o óleo de café torrado, o processo extrativo à 70oC e densidade do CO2 de 0,84 g/mL, por 20 min, foi suficiente para promover a sua completa extração. Esta condição foi também a mais eficiente na redução do teor de diterpenos presentes no óleo. Os teores de cafestol e de caveol foram, respectivamente, de 94,4 mg/ 100 g e 114,7 mg/ 100g, representando uma redução de 71,3 % e 71,2 %, em relação aos teores destes componentes determinados no óleo extraído com solvente. De uma forma geral, foi observada uma relação inversa entre a quantidade de óleo obtida e o teor de diterpenos. Por isso, diferentes teores de óleo, com diferentes teores de diterpenos podem ser obtidos por esta técnica, tornando-a potencialmente interessante para a obtenção deste produto. Para o óleo de café torrado, por exemplo, a redução do seu teor de diterpenos em até 71%, aumenta significativamente a sua estabilidade, a sua qualidade sensorial e reduz o seu potencial hipercolesterolêmico.

This study was carried out to test the feasibility of supercritical carbon extraction of oil from both green and roasted coffee beans. The oil composition regarding to fatty acid profile (FA) and levels of the diterpenes cafestol and kahweol (both found exclusively in coffee beans) was evaluated. Operational conditions were initially determined to maximize oil extraction from both green and roasted coffee beans. Also, conditions were study to obtain the highest and the lowest diterpene levels on green and roasted coffee oil, respectively. To accomplish this, operational temperature (60, 70, 80 and 90oC) and CO2 density (0.68, 0.71, 0.77, 0.81, 0.84 and 0,88 g mL-1) were optimized for coffee oil extraction. Time static extraction (5 min), granulometry (0.297 to 0.35 mm), extraction sample weight (200 mg), CO2 flow (1.5 mL min-1), and time of dynamic extraction (20 min) were kept constant. For each temperature and density combination, three extraction conditions were selected to obtain the pre-determined objectives. Therefore, static extraction time (0, 2 and 5 min), granulometry (0.297 to 0.35 mm; 0.35 to 0.42 mm; 0.42 to 0.50 mm), extraction sample weight (100, 150 and 200 mg), CO2 flow (1.5, 2.0 and 2.5 mL min-1) and dynamic extraction time (5 min until the maximum oil extraction) were optimized. Oil content levels, FA and diterpene concentration of the oil were compared to the results obtained with the extraction with Soxhlet apparatus, in which hexane was utilized as solvent. FA profile was similar in both oil extraction methods. In addition, FA composition was not modified by the different density and temperature combinations used in the SC-CO2. However, SC-CO2 was able to completely extract the coffee oil (determined with hexane extraction). Best results were obtained with the following raw material characteristics and extraction conditions for green and roasted coffee beans, respectively: moisture content (9.98 and 2.40%), granulometry (200 mg for both beans), CO2 flow (1.5 and 2.0 mL min-1), non-static extraction and 5 min static extraction utilization. For green coffee oil, the most efficient extraction (mass of oil per unit of CO2 consumption) was obtained with temperature of 90oC and CO2 density of 0.77 g mL-1. These conditions promoted completely oil extraction within 20 min, using 28.6 g of CO2 (7.13 x 10-4 g oil/g CO2). The highest concentration of diterpenes was obtained with 70oC and 0.74 g mL-1 of CO2. The extracted oil contained cafestol at 201.7 mg 100 g-1 and kahweol at 251.6 mg 100 g -1 . These diterpenes values were 52.5% and 52.8% lower when compared to oil obtained with the hexane extraction. Roasted coffee oil was completely extracted in 20 min at 70oC and CO2 density of 0.84 g mL-1. This condition was also the most efficient to significantly reduce the oil diterpene concentrations. Cafestol and kahweol levels were 94.4 and 114.7 g 100 g-1, respectively. These values represented a reduction of 71.3 and 71.2%, compared to levels obtained in oil extraction using hexane. In general, an inverse correlation was observed between the amount of extracted oil and diterpene concentration levels. As a result, different oil contents with different diterpene concentrations could be successfully obtained using this technique. For example, a reduction of 71% on diterpene levels of roast coffee oil significantly increases its stability and sensorial profile, and decreases hypercholesterolemic effect.