Les principales modifications physiques concernent la couleur, le volume, la forme et le poids des grains. Contrairement aux changements chimiques, les modifications physiques intervenant pendant la torréfaction peuvent être facilement mesurées.
Ces modifications sont fonction de la température et du gradient de température.
Deux phases au cours de la torréfaction peuvent être distinguées:
La première phase correspond à des températures inférieures à 150°C. Les réactions sont endothermiques et se produisent par apport extérieur de chaleur. Dans cette première phase l’eau joue un rôle important dans le mécanisme de la torréfaction. Elle est responsable en grande partie de la perte en poids, sa teneur passe de 9% à 11% dans le café vert et de 1% à 3% dans le café torréfié.
Dans les fèves de café vert, l’eau se trouve soit sous forme libre soit sous forme liée.
L’eau sous forme libre – dont une partie a déjà été éliminée au cours du séchage – favorise le transfert de chaleur à l’intérieur de la fève grâce à sa bonne conductivité.
Lorsque la température devient supérieure à 100°C, l’eau libre s’évapore et produit par ce phénomène un refroidissement de la fève qui retarde la torréfaction. L’apparition de cellules à structure creuse suite à l’évaporation constitue également une entrave au transfert de chaleur.
L’eau évaporée forme ensuite un film à la surface de la fève, l’épaisseur de ce film dépend de la puissance de la conviction (par exemple la vitesse de l’air).
La vitesse de migration et d’évaporation de l’eau dépend également de la solidité de structure des cellules de la fève de café vert.
Parallèlement, une modification de structure avec augmentation de volume apparait; celle-ci est due à la pression de la vapeur d’eau et à la formation de gaz qui provoquent le gonflement et l’éclatement des cellules.
Il en résulte des tensions sur les parois avec apparition de craquements. Ces craquements sont d’autant moins importants que la vitesse de torréfaction est lente.
L’augmentation du volume entraine l’ouverture du sillon vers 140 à 150°C ce qui favorise à nouveau le transfert de chaleur. Le début de la coloration des fèves apparait.
La vitesse d’évaporation et l’augmentation de volume sont fonction de la vitesse et de l’intensité du transfert de chaleur, c’est-à-dire du mode de torréfaction.
La deuxième phase correspond à des températures de 150° à 230°C. Cette phase est exothermique et permet le développement de la couleur brune; elle correspond aux réactions chimiques de dégradation et de polymérisation des précurseurs d’arômes.
Cette phase est terminée par un refroidissement rapide des fèves une fois le niveau de torréfaction atteint. En effet, à ce stade du processus (la température est de l’ordre de 150°C), l’eau libre est complètement évaporée et une partie de l’eau liée est encore présente. Celle-ci est libérée de ces complexes et éliminée en grande partie avec les gaz (Co et Co2) formés par la carbonisation des produits organiques après l’apparition des premiers craquements.
Pendant la chauffe, le grain de café perd son humidité et change progressivement de pigmentation. On appelle cela la réaction de Strecker. Le grain vert passe du vert au blond, puis du blond au brun puis du brun au noir. Plus la torréfaction est poussée, plus la teinte du grain sera foncée. La couleur du grain torréfié est un élément révélateur du temps de cuisson impactant directement le résultat à la tasse. Plus le café est torréfié et plus il développera de l’amertume, a contrario, moins le café sera torréfié et plus il développera d’acidité. L’art de la torréfaction est de trouver le juste équilibre en fonction de l’origine tout en sachant que le degré de torréfaction aura un impact organoleptique sur le résultat à la tasse.
Le changement de couleur correspond également aux modifications de structure des fèves. L’augmentation de volume des fèves provoque le décollement de la pellicule argentée dont seule une partie peut rester dans le sillon.
La période finale de torréfaction est la phase la plus critique. Pendant cette courte période, plusieurs paramètres évoluent rapidement:
- quand la couleur passe de brun clair au brun foncé on voit l’apparition de craquements dus à une augmentation de la pression interne par les gaz de carbonisation. Ceci s’accompagne d’une fumée bleuâtre.
- les réactions chimiques responsables de la formation des constituants de l’arôme et du goût se forment en grande partie pendant cette phase terminale.
- la matière grasse est libérée des cellules et peut exsuder en surface dans le cas d’une forte torréfaction
La perte finale est fonction du degré de torréfaction:
– torréfaction claire: 12% à 14%
– torréfaction moyenne: 15% à 17%
– torréfaction foncée: 18% à 20%.
Pour une torréfaction moyenne, cette perte est due à l’évaporation de l’eau, soit environ 10% et à la dégradation des sucres soit près de 6%. La perte en poids de la pellicule argentée varie de 0,2% à 1% selon qu’il s’agit respectivement d’une préparation par la voie humide ou par la voie sèche. Parallèlement, le volume des fèves augmente de 50% à 100-110% suivant la qualité des cafés.
Les modifications chimiques
En dehors de la diminution de la teneur en H2O, la parte à la torréfaction est due à des changements chimiques importants, dégradation, polymérisation de certains composés des fèves de café: protéines, sucres, acides, alcaloïdes, etc…
- Protéines: la teneur dans les fèves de café vert varient de 10% à 13%. Elles sont dénaturées rapidement par la chaleur (environ 30M) et se décomposent en acides aminés. Ceux-ci sont soit dégradés, soit ils participent aux réactions de Maillard avec les sucres pour donner certains composés aromatiques.
- Sucres: les sucres simples (4% à 8%) disparaissent complètement soit par dégradation soit en participant aux réactions de Maillard. Les polysaccharides (45% à 55%) se dégradent pendant la torréfaction en donnant des substances solubles dans l’eau. Par contre les teneurs en cellulose et en hémicellulose (fibres) restent pratiquement inchangées.
- Acides: la teneur en acides est très importante car ces composés participent de manière active au développement de l’arôme et du goût. Cette teneur varie en fonction de la variété et des traitements post-récoltes.
- Les acides volatiles se développent à la torréfaction à des températures comprises entre 160°C et 190°C. A haute température leur teneur diminue.
- Les acides non volatiles sont dégradés et la dégradation est fonction du degré de torréfaction (de 15% à 50%).
- Les acides chlorogéniques dont les teneurs sont élevées dans le café vert (7% à 14%) sont partiellement dégradés et leurs produits de dégradation participent directement au goût en particulier à l’astringence.
- Caféine et alcaloïdes: 10% environ de la caféine est perdue à la torréfaction par sublimation. Cette perte est d’autant plus importante que la torréfaction est poussée.
- La trigonelline est fortement dégradée (de 70% à 100%) et ses produits de dégradation participent au développement de l’arôme.
Certains composés chimiques ne sont pas ou peu altérés par les conditions de la torréfaction comme les huiles et les substances minérales.
La torréfaction rapide:
Dans le cas d’un procédé de torréfaction rapide, basé sur le principe de la convection forcée et caractérisé par une durée de torréfaction courte, un apport calorifique supplémentaire est nécessaire et modifie certains effets observés dans le cas d’une torréfaction classique. Il en résulte les faits suivants:
- rétention de l’eau à l’intérieur des grains et perte finale moins importante à la torréfaction,
- suppression importante due à la transformation rapide de l’eau en vapeur à des températures plus élevées,
- gonflement plus important de la structure interne de la fève et accroissement du volume spécifique correspondant,
- variation importante de la couleur au sein des grains d’un même café,
- exsudation plus rapide de l’huile en surface des grains après torréfaction.
Du point de vue chimique, on observe:
- une dégradation accentuée de certains composés avec formation de CO2 et d’autres gaz qui engendrent une forte augmentation du volume,
- une diminution du degré de polymérisation des sucres et des protéines qui se traduit par un meilleur taux d’extraction.
La faible conductibilité thermique des grains, associée à la réduction du temps de torréfaction, est responsable d’une propagation trop lente du mécanisme de pyrolyse à l’intérieur des grains. Il en résulte que le café torréfié par ce procédé présente à la fois les propriétés physiques, chimiques et sensorielles d’un café faiblement torréfié à l’intérieur et celles d’un café fortement torréfié à l’extérieur.
En conclusion, il est difficile d’estimer dans quelle mesure la torréfaction dite rapide est bénéfique pour la qualité d’un café.
Les modifications observées dépendent de nombreux paramètres: composition du mélange, débit et température de l’air, poids du café par charge, degré final de torréfaction.
