L’effetto ‘fermentazione’ – 25 Magazine, Issue 10

L’effetto ‘fermentazione’ – 25 Magazine, Issue 10

IIl viaggio del caffè è complesso e affascinante.

SOPHIA JIYUAN ZHANG e FLORAC DE BRUYN condividono i risultati della ricerca durante una collaborazione di ricerca durata quattro anni che si è concentrata sulla creazione di una comprensione migliore dell’impatto della lavorazione del caffè dopo il raccolto sulla qualità del caffè in diverse collocazioni geografiche.

Mentre procediamo lungo questo percorso tra semi, frutti, bacche di caffè verde, chicchi torrefatti e, infine, la tazzina pronta, possiamo apprezzare lo sforzo che viene messo in ciascuna singola fase dell’intera catena di valore del caffè. Non sorprende che ciascuna di queste fasi sia collegata all’altra e possa essere ottimizzata in modo da offrire un caffè di qualità sempre crescente. La qualità del caffè è di solito valutata al livello delle bacche di caffè verde e della tazzina pronta. Poiché le bacche di caffè verde contengono tutti i precursori del gusto al loro interno, la loro qualità vive un rapporto stretto con la qualità della tazzina finale.

Ma il ruolo della lavorazione dopo il raccolto non può essere ignorato quando si pensa al miglioramento della qualità del caffè. L’obiettivo principale della lavorazione successiva al raccolto è la rimozione degli strati esterni delle bacche di caffè e la trasformazione dei semi in un vettore asciutto e stabile dei precursori del gusto del caffè, cioè il caffè verde. I metodi comuni per ottenere tutto questo sono la lavorazione a umido e a secco, la cui storia può essere ricostruita fino alla nascita dell’industria del caffè. Allo stesso tempo molti metodi ibridi o nuovi hanno ottenuto popolarità nelle regioni produttrici di caffè, ad esempio il ben noto processo ‘miele’ per la polpa o la fermentazione anaerobica alla moda (cioè la limitazione o l’assenza dell’ossigeno durante la fermentazione). Negli ultimi anni molti produttori hanno guidato l’innovazione della lavorazione del caffè e hanno sperimentato diversi metodi in tutte le regioni produttrici. Questo consente di avere una enorme quantità di prove empiriche che riguardano l’influenza dei metodi di lavorazione e dei parametri specifici di lavorazione sulla qualità del caffè. Tuttavia prove scientifiche rigorose a sostegno di tutto questo restano nascoste, in attesa di essere scoperte.

Negli ultimi quattro anni abbiamo lavorato con il caffè attraverso una ricerca bilaterale industria-accademia con la collaborazione tra Vrije Universiteit Brussel (Bruxelles, Belgio) e Nestlé Research (Vers-chez-les-Blanc, Svizzera), che mirava a comprendere la lavorazione del caffè dopo la raccolta. Qui evidenzieremo alcuni dei risultati della nostra ricerca con diverse varietà di caffè in varie zone geografiche: speriamo che le troverete interessanti ed emozionanti come sono sembrate a noi durante il nostro viaggio.

Microbi e metabolismo

Due fenomeni principali sono comparsi durante la lavorazione del caffè dopo il raccolto: le attività microbiche dell’ambiente di lavorazione e il metabolismo interno dei semi delle bacche di caffè. Il carattere dinamico della lavorazione è evidenziato nel consumo continuo dei nutrienti e nella produzione di sostanze da parte di microorganismi, nonché dal continuo mescolare del profilo metabolomico proprio dei semi (cioè un profilo della concentrazione di molte sostanze diverse nelle bacche). La complessità è insita nei passaggi multipli nell’ambito di un singolo metodo di lavorazione e dipende da vari fattori esterni, come temperatura, varietà del caffè e apparecchiature utilizzate per la lavorazione.

I microorganismi sono presenti virtualmente in qualsiasi ambiente e, pertanto, anche nell’ecosistema di lavorazione del caffè. Poiché essi giocano un ruolo fondamentale nelle altre produzioni di alimenti fermentati (“il gusto della fermentazione”), forse non dovrebbe sorprendere l’idea che anche i microorganismi giocano ruoli funzionali importanti durante la lavorazione del caffè. I microorganismi sono già presenti sulla superficie della bacca prima ancora dell’inizio della lavorazione: man mano che la lavorazione procede, questi microorganismi (soprattutto i batteri dell’acido lattico) prosperano sui materiali delle piante ricchi di nutrienti, come la polpa e/o la mucillagine, che sono rilasciati nell’ambiente di fermentazione. Durante la crescita i microorganismi producono metaboliti da questi nutrienti e si accumulano nell’ambiente di lavorazione: questo processo viene definito una fermentazione dai microbiologi. Con grande nostra eccitazione abbiamo scoperto che la fermentazione accade in diverse parti dell’ecosistema del caffè durante la lavorazione a umido e a secco. Durante la lavorazione a umido la fermentazione si verifica nell’acqua della lavorazione, mentre durante la lavorazione a secco la fermentazione si verifica negli strati esterni essiccanti delle bacche. È molto interessante notare che alcuni dei metaboliti prodotti durante la fermentazione restano sulla superficie delle bacche e possono anche sopravvivere all’intero processo. Pertanto, essi si trattengono sulle bacche di caffè verde come firma microbica. Abbiamo definito questo fenomeno ‘effetto di fermentazione’.

Figure 1: Our multiphasic approach decoding the journey of coffee from cherry to cup, including metabolomic (top) and microbiological (bottom) approaches to unravel the coffee processing ecosystem, as well as the sensory evaluations of the brewed cup. For full results, see relevant research papers.

Figura 1: Il nostro approccio a più fasi per decodificare il viaggio del caffè dalla bacca alla tazzina, inclusi gli approcci metabolomici (in alto) e microbiologici (in basso) per svelare l’ecosistema di lavorazione del caffè, nonché le valutazioni sensoriali della tazzina finale. Per i risultati completi è possibile vedere i documenti relativi alla ricerca.

Allo stesso tempo la bacca di caffè è, inoltre, un’entità viva che interagisce con l’ambiente e reagisce ad esso. Come ogni organismo vivente sarà, quindi, attivo metabolicamente in tutta la lavorazione. Le bacche del caffè sono considerate semi intermedi, il che consente loro di reagire a diversi fattori di stress ambientale esterno anche con un basso contenuto di umidità e di cambiare la loro composizione metabolica di conseguenza (creata dalla somma dinamica di tutti i carboidrati, gli aminoacidi e gli acidi organici all’interno del seme). I due fattori dominanti di stress lungo la catena della lavorazione sono l’ipossia, o mancanza di ossigeno, durante l’immersione sott’acqua e “lo stress da siccità” (mancanza di acqua) durante l’essiccazione. Durante la lavorazione a umido, le bacche vivono sia lo stress da ipossia che da siccità, mentre durante la lavorazione a secco le bacche sono sottoposte a un prolungato stress da siccità. Ci sono, inoltre, differenze che contribuiscono alla distinzione tra un caffè lavato e uno naturale. Pertanto quando parliamo dell’impatto della lavorazione del caffè sul gusto, non parliamo solo della creazione di “sapori fermentati” che esistono nella parte esterna delle bacche lavorate; parliamo anche delle modifiche fondamentali alla composizione metabolica della bacca stessa.

Processi diversi accumulano concentrazioni diverse di metaboliti

In diverse condizioni di lavorazione sia la microbiologia che il metabolismo dei semi influenzano i profili metabolomici delle bacche di caffè e, quindi, alla fine, la qualità della tazzina. Qui prendiamo brevemente in considerazione l’impatto di tre specifici parametri di lavorazione a umido che abbiamo studiato ampiamente: quanto è durata la fermentazione, se le bacche sono state demucillate in modo meccanico e se le bacche sono state immerse o non dopo la fermentazione e il lavaggio. Tuttavia prima di cominciare, è utile definire in modo chiaro alcuni termini utilizzati per la lavorazione.

Durante la lavorazione di base a umido alle bacche fresche del caffè viene rimossa la polpa (estrazione della polpa) e poi le bacche sono immerse in acqua (fermentazione). In seguito il serbatoio di fermentazione viene asciugato e le bacche fermentate sono pulite con acqua in modo da rimuovere tutta la mucillagine residua (lavaggio). Qualche volta queste bacche lavate sono quindi immerse nel serbatoio o in contenitori separati pieni di acqua pulita (immersione). Dopo il lavaggio o l’immersione le bacche sono essiccate durante la fase di essiccazione. Una variazione della fermentazione classica prevede la rimozione della mucillagine in modo meccanico mediante un apposito dispositivo (in cui due tamburi rotanti schiacciano le bacche per eliminare in modo meccanico un’ampia parte della mucillagine) e questo è ciò che definiamo processo di eliminazione della mucillagine .

La durata della fermentazione mostra un impatto significativo sulla qualità del caffè. Abbiamo scoperto che laddove una fermentazione lunga viene comunemente ritenuta causa di un degrado della qualità del caffè, portando a bacche cattive o acide, essa può anche avere effetti positivi, perfino desiderabili, sempre che si rispettino con attenzione pratiche aziendali controllate. In condizioni di lavorazione igienica (in particolare per il serbatoio di fermentazione e il canale di lavaggio), una fermentazione più lunga ha consentito un tempo maggiore perché le attività microbiche auspicabili si sviluppino e questo ha provocato un maggiore effetto di fermentazione sulle bacche. Questo effetto di fermentazione si è soffermato sulle bacche di caffè verde, come riflesso dalle più elevate concentrazioni di metaboliti microbici (ad esempio, acido lattico e mannitolo) e dalle superiori intensità dei composti organici volatili di floreali o fruttati. Il rovescio della medaglia della microbiologia è che una lunga fermentazione ha rafforzato il ruolo dell’ipossia attraverso il metabolismo della bacca endogena, influenzando le concentrazioni di carboidrati semplici (ad es. glucosio e fruttosio), aminoacidi (ad es. acido aspartico e alanina) e acidi organici (acidi succinici). Questi composti elencati possono agire come precursori principali in una serie di reazioni chimiche durante la tostatura, soprattutto la reazione Maillard, e provocare quel gusto tipico del caffè. Con la modifica dell’abbondanza di questi precursori del gusto per il caffè verde, una fermentazione più lunga ha provocato un miglioramento delle note fruttate in tazza.

L’uso delle bacche a cui è stata rimossa la mucillagine e non la polpa come materiale di inizio della fermentazione durante la lavorazione a umido del caffè è controverso. Come alternativa più ecologica alla fermentazione classica, l’uso di un dispositivo per la rimozione della mucillagine può far risparmiare acqua pulita utilizzata durante la fermentazione e riduce il tempo della lavorazione, eppure il suo impatto sulla qualità sensoriale resta inafferrabile. Il nostro lavoro ha mostrato che la presenza della mucillagine sulle bacche private dalla polpa ha accresciuto la densità dei nutrienti nell’acqua di fermentazione su cui i microbi possono lavorare. Ecco perché l’effetto della fermentazione nell’acqua e sulle bacche è stato più intenso rispetto al processo della fermentazione con la rimozione della mucillagine. Questo ha fatto sì che le bacche di caffè verde derivanti dal processo di rimozione della polpa trattenessero maggiori metaboliti microbici e differissero negli aminoacidi e nei profili fenolici rispetto al processo con la rimozione della mucillagine. Come risultato, la qualità della tazzina derivante da questi due processi mostrava differenze sottili nelle rispettive intensità floreali e fruttate.

In contrasto con i fattori menzionati sopra, l’applicazione di lavaggio e immersione ha ridotto l’effetto di fermentazione. In assenza di immersione o anche con una quantità ridotta di lavaggio, i preziosi metaboliti accumulati durante la fermentazione erano trattenuti sulle bacche di caffè verde fino a un livello superiore e hanno migliorato la qualità del prodotto in tazzina. Tuttavia se per qualsiasi motivo la fermentazione non va a buon fine, l’immersione potrebbe contribuire all’eliminazione di alcuni metaboliti indesiderati formatisi durante la fermentazione fornendo uno strumento di controllo dei sapori non appropriati per il caffè.

Varietà di caffè come variabile di fermentazione

Diverse varietà di caffè mostrano una variabilità nella composizione dei metaboliti della mucillagine e della polpa delle bacche fresche di caffè. In quanto origine principale di nutrienti per i microorganismi, le differenze di composizione della mucillagine nelle diverse varietà di caffè hanno un impatto anche sulla portata dell’effetto della fermentazione. Ad esempio abbiamo scoperto che le bacche Typica che abbiamo utilizzato in America Latina avevano uno strato di mesocarpo succoso che era più ricco di nutrienti rispetto alle bacche Catimor in Asia. In combinazione con fattori esterni, come la temperatura ambiente locale, abbiamo rilevato che questo influenzava i profili pH, le dinamiche della comunità microbica e le composizioni dei metaboliti durante la fermentazione. Pertanto è importante tenere conto della varietà del caffè quando si valutano gli impatti potenziali delle pratiche di lavorazione.

Figure 2: Coffee post-harvest processing consists of several dynamic and intertwined activities, mainly microbial activities and endogenous bean metabolism (left). Switching the processing methods or changing the processing parameters could change the (green) coffee bean composition and the sensory profile of the brewed cup. The extent of their impacts on coffee quality depended on the parameter altered and the processing conditions (right).

Figura 2: La lavorazione successiva alla raccolta del caffè si compone di diverse attività dinamiche e collegate tra loro, soprattutto attività microbiche e metabolismo della bacca endogena (a sinistra). Cambiare i metodi di lavorazione o modificare i parametri di lavorazione può modificare la composizione della bacca di caffè (verde) e il profilo sensoriale della tazzina prodotta. La portata dell’impatto sulla qualità del caffè dipende dal parametro alterato e dalle condizioni di lavorazione (a destra).

Crediamo che questa diversità rappresenti la forza del caffè perché vuol dire che ci sono moltissime permutazioni dei fattori suddetti che devono ancora essere esplorati e che questa diversità nella catena di valore del caffè mette insieme intrecciandoli manualità e scienza. Siamo sempre convinti che alcuni dei risultati si uniscono fino a garantire una benedetta tazzina di ottimo caffè.

SOPHIA JIYUAN ZHANG, chimica e appassionata di caffè, ha lavorato in diverse piantagioni di caffè nel mondo per comprendere i collegamenti tra lavorazione del caffè e relativa qualità. FLORAC DE BRUYN è un microbiologo con un profondo interesse per la fermentazione spontanea degli alimenti, concentrato sull’ecosistema microbico della fermentazione del caffè durante il suo dottorato. Entrambi adesso lavorano per Nestlé Research in Svizzera.

Altre letture

Documenti importanti per la ricerca sono stati pubblicati in: De Bruyn, F*., Zhang, S.J.*, Pothakos, V.*, Torres, J., Lambot, C., Moroni, A.V., De Vuyst, L. (2017). Exploring the impacts of post-harvest processing on the microbiota and metabolite profiles during green coffee bean production. Applied and Environmental Microbiology 83, e02398-16.

Zhang, S.J.*, De Bruyn, F.*, Pothakos, V.*, Falconi, C., Torres, J., Moccand, C., Weckx, S., De Vuyst, L. (2019). Following coffee production from cherries to cup: microbiological and metabolomic analysis of wet processing of Coffea arabica. Applied and Environmental Microbiology 85, e02635-18.

* pari apporto

Gusto in fermentazione

I microorganismi giocano un ruolo cruciale nei prodotti alimentari fermentati che conosciamo e amiamo.

Sauerkraut

I gruppi batterici di leuconostoc e lactobacilli acidificano il cavolo bianco, dandogli la sua tipica e piacevole acidità e rendendolo sicuro da consumare.

Yogurt

Le specie batteriche di lactobacilli e streptococchi giocano un ruolo importante nella creazione della consistenza cremosa e uniforme nonché dell’acidità rinfrescante.

Birra

I lieviti producono alcool e aromi fruttati/floreali, rendendo la birra una bevanda piacevole da bere.

Formaggio a pasta molle

Le specie batteriche del lactococcus creano un interno morbido e cremoso. E, soprattutto, le muffe creano una buccia bianca e fiorita sulla superficie.

Per saperne di più sulla fermentazione dei formaggi: “Far fermentare un sistema di produzione” di Bronwen Percival nel numero 2 di 25.

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