Mục lục
1. XU HƯỚNG TIÊU THỤ CÀ PHÊ KHÔNG CÀ PHÊ
1.1 Caffein là gì?
Khi được hỏi “caffeine trông như thế nào?” hầu hết mọi người có xu hướng trả lời rằng họ chưa thực sự nhìn thấy caffeine nhưng có lẽ nó là một chất màu nâu. Điều này có thể hiểu được nhưng giả định sai lầm này cho thấy mối liên hệ giữa caffeine và cà phê. Một số ít người có thể trả lời rằng họ nhớ điều gì đó trong lớp thí nghiệm hóa học ở trường trung học và có điều gì đó về thuật ngữ thăng hoa. Bên cạnh những khía cạnh này, mọi người đều biết rằng caffeine có tác dụng kích thích và tỉnh táo khi tiêu thụ, điều này được biết đến không chỉ từ cà phê và các loại trà khác nhau mà còn từ nước ngọt có chứa caffein. Tóm lại, caffeine là một chất hóa học được nghiên cứu kỹ lưỡng với những đặc tính thú vị và ít nhất tên của nó cũng được biết đến rộng rãi.
Caffeine lần đầu tiên được phân lập từ hạt cà phê vào năm 1820 bởi nhà hóa học F. Runge theo yêu cầu của tác giả người Đức Johann Wolfgang von Goethe (Sivetz và Desrosier, 1973). Ở điều kiện phòng, caffeine nguyên chất là dạng bột tinh thể màu trắng, không mùi, có vị đắng. Nó thể hiện hai dạng tinh thể khác nhau ở trạng thái tinh khiết và khi kết tinh trong nước, những sợi râu rất điển hình được hình thành. Hình 10.1 cho thấy tinh thể caffeine được chiết xuất từ cà phê. Các tinh thể caffeine cũng có thể được tìm thấy thường xuyên dưới dạng trầm tích trong các nhà máy chế biến cà phê, đặc biệt là xung quanh các máy rang. Điều này là do tác dụng thăng hoa đã đề cập trước đó: ở nhiệt độ cao, caffeine có thể thay đổi trực tiếp từ trạng thái rắn sang trạng thái hơi mà không cần hóa lỏng như bước trung gian. Tên caffeine không cung cấp bất kỳ thông tin nào về bản chất hóa học của chất này. Nó thuộc nhóm methyl xanthines và mang tên 1,3,7-trimethylpurine-2,6-dione. Cấu trúc hóa học cho thấy hàm lượng nitơ cao trong phân tử caffeine. Tác dụng sinh lý của caffeine đã được nghiên cứu từ lâu và nghiên cứu vẫn đang được tiến hành. Đơn giản hóa vấn đề, những tác động tích cực và tiêu cực đến sức khỏe đã được công bố, rõ ràng là tùy thuộc vào tình trạng từng cá nhân và số lượng tiêu thụ. Điều quan trọng là Bộ Y tế và Dịch vụ Nhân sinh Hoa Kỳ phân loại caffeine là chất GRAS (thường được công nhận là an toàn). Gần đây, Cơ quan An toàn Thực phẩm Châu Âu tuyên bố rằng “tiêu thụ caffeine theo thói quen 400 mg/ngày không gây lo ngại về an toàn đối với người lớn không mang thai” (EFSA, 2015). Số tiền này tương ứng với khoảng năm tách cà phê nhỏ giọt thông thường. Tuy nhiên, lượng tiêu thụ phải được quan sát vì lượng gây chết người ở người được ước tính là 10 g (Ramalakshmi và Raghavan, 1999). Thông tin thêm về tác dụng của caffeine đối với sức khỏe hãy tham khảo Chương 20 trong cuốn sách này.
Tinh thể caffeine và cấu trúc hóa học của caffeine
Hàm lượng caffein trong đậu xanh và đậu rang gần như giống nhau: giá trị trung bình là 1,1% trọng lượng đối với cà phê Arabica và 2,2% trọng lượng đối với đậu Robusta. Người ta thường tin rằng hàm lượng caffeine trong cà phê rang bị giảm đi do quá trình thăng hoa. Giá trị điển hình (Arabica) là 80e120 mg mỗi tách cà phê nhỏ giọt (150 mL) và 50e100 mg đối với cà phê espresso.
1.2 Người tiêu dùng và Xu hướng
Tác động kinh tế của cà phê đã khử caffein thường bị đánh giá thấp. Đầu tiên, caffeine và tác dụng của nó là bản chất của cà phê giống như rượu đối với bia hoặc lúa mì đối với bánh mì, và do đó việc loại bỏ thành phần quan trọng như vậy có thể được coi là sự hạ cấp không tự nhiên của sản phẩm. Thứ hai, người tiêu dùng decaf thường có một số hạn chế cá nhân, như mất ngủ hoặc độ nhạy di truyền cao hơn với caffeine. Mặc dù đây là những lý do chính đáng để kiềm chế caffeine nhưng nó không gây ấn tượng với người khác. Vì vậy việc khử caffein được nói đến rất ít. Nhưng những người tiêu dùng không chứa caffein lại tạo thành một nhóm lớn và đáng tin cậy. Hình 10.2 thể hiện xu hướng tiêu dùng và xuất khẩu trong những năm gần đây.
Xu hướng khử caffein của cà phê đã khử caffein trên cơ sở đại trà
2. QUY TRÌNH Khử Caffein
2.1 Các khía cạnh cơ bản của quá trình khử caffein
Mức độ giảm lượng caffeine cần thiết để cà phê được dán nhãn “đã khử caffein” là không nhất quán trên toàn thế giới. Hầu hết các luật của Châu Âu hạn chế các sản phẩm cà phê được tiếp thị là “đã khử caffein” ở mức tối đa 0,1% trọng lượng caffeine khan dựa trên chất khô trong cà phê xanh và cà phê rang và tối đa 0,3% trọng lượng (chất khô cơ bản) trong chiết xuất cà phê rắn, nhão hoặc lỏng (Quy định của Đức, 2001; Chỉ thị của EU 1999/4/EC, 1999). Điều kỳ lạ là chỉ có chất chiết xuất mới được quản lý phổ biến ở tất cả các nước Châu Âu (EU); cà phê rang vẫn phải tuân theo luật pháp quốc gia. Ở Hoa Kỳ và Canada, hàm lượng caffeine tối đa trong cà phê rang là 0,1% trọng lượng (Cà phê USDA CID, 2004). Thông tin kém chính xác hơn “loại bỏ 97,5% caffeine ban đầu” dường như là một ngưỡng được rút ra từ toán học mà không có quy định chính thức nào về việc sử dụng hàm lượng caffeine trung bình. Các quốc gia khác có thể có các quy định khác nhau, ví dụ như Hungary, Trung Quốc và Đài Loan.
Mặc dù trong thế kỷ qua, nhiều ý tưởng và dung môi khác nhau đã được sử dụng để khử caffein, nhưng có bốn dung môi chiết đang được sử dụng ngày nay:dichloromethane (DCM), nước, ethyl acetate (EA) và carbon dioxide ở trạng thái siêu tới hạn (scCO2) và chất lỏng (liCO2). Việc khử caffein với số lượng lớn hạt cà phê (ví dụ: 5000 tấn/năm) cần có các nhà máy có quy mô công nghiệp. Bảng 10.1 liệt kê công suất ước tính của nhà máy khử caffein công nghiệp hàng năm. Sự suy giảm chung trong những năm qua cho thấy công suất đã vượt quá mức và sau đó một số nhà máy khử caffein đã đóng cửa trong thập kỷ qua. Mới gần đây, JDE đã thông báo đóng cửa nhà máy khử caffein truyền thống ở Bremen (trước đây là Kaffee HAG) vào đầu năm 2017. Một số nhà máy khử caffein cũng cung cấp các quy trình tiền xử lý đậu xanh khác như hấp (để cải thiện hương vị) hoặc xử lý nhẹ, thường sử dụng thiết bị giống nhau. Dữ liệu về dung lượng của các quy trình sau không được đưa vào đây.
Xu hướng công suất khử caffein hàng năm ước tính ở mức 1000 tấn/năm
Các quy trình này đã được vận hành trong nhiều thập kỷ nay và các chuyên khảo về khoa học cà phê đề cập đến công nghệ cũng như lịch sử của chúng (Sivetz và Foote, 1963; Sivetz và Desrosier, 1973; Katz, 1987; Heilmann, 2001; Vitzhum, 2005). Không có nhiều thông tin mới về quy trình khử caffein được công bố trong những năm qua và chi tiết về quy trình thường là bí quyết nội bộ và được giữ bí mật.
Quá trình khử caffein lý tưởng sẽ loại bỏ caffeine khỏi tế bào đậu mà không có bất kỳ thay đổi nào khác đối với hạt. Do tính chất của phân tử caffeine và vị trí của nó bên trong tế bào hạt cà phê, rõ ràng việc loại bỏ lý tưởng như vậy gặp phải những trở ngại nghiêm trọng. Các tác dụng phụ không mong muốn có thể bao gồm mất mùi thơm hoặc các phân tử tiền chất, thay đổi cấu trúc và kích thước hạt, mất khối lượng, dư lượng dung môi và thay đổi hình thức bên ngoài của hạt. Ban đầu, nhiều nỗ lực đã được thực hiện để chiết xuất trực tiếp caffeine ra khỏi hạt bằng nhiều dung môi hữu cơ khác nhau nhưng không thành công. Bước đột phá đến khi Ludwig Roselius, người sáng lập công ty Kaffee HAG ở Đức, bổ sung thêm một quy trình tiền xử lý: làm ướt và trương nở đậu xanh bằng nước và hơi nước. Năm 1908, Meier, Roselius và Wimmer được cấp bằng sáng chế cho quy trình khử caffein hữu ích đầu tiên (Bằng sáng chế Hoa Kỳ 897.763). Thể tích hạt tăng lên tới 100% cho phép dung môi thẩm thấu dễ dàng hơn và chuyển khối lượng trong nền hạt. Nghiên cứu sau đó tiết lộ rằng hàm lượng nước tăng cao sẽ giải phóng caffeine khỏi cấu trúc có axit chlorogen. Sau quá trình chiết xuất, hàm lượng nước ban đầu của hạt phải được phục hồi bằng cách sấy khô, một bước quy trình không thuận lợi và tốn kém. Tóm lại, trình tự quy trình trong tất cả các quy trình công nghiệp là làm ướt đậu bằng nước, chiết xuất caffeine và sấy khô đậu sau đó .
2.2 Chiết bằng dung môi hữu cơ
Việc lựa chọn dung môi chiết phải tuân theo nhiều yêu cầu khác nhau như khả năng hòa tan (xem Bảng 10.2), chi phí, khả năng quản lý, giới hạn pháp lý và tính sẵn có, cùng nhiều yêu cầu khác. Độ hòa tan phụ thuộc vào dung môi và nhiệt độ. Việc chiết xuất caffeine từ hạt đậu bị trương nước đòi hỏi một dung môi hầu như không thể trộn lẫn với nước để không làm mất đi các thành phần hòa tan trong nước khác từ hạt. Đương nhiên, các thành phần tiền chất hương vị phải được giữ lại trong hạt càng nhiều càng tốt. Nhiều loại dung môi hữu cơ đã được cho là phù hợp, nhưng chỉ có hai loại dung môi được sử dụng phổ biến: DCM (methylene chloride; CH2Cl2) và ethyl acetate (ethyl ethanoate; CH3eCOOeCH2eCH3).
Độ hòa tan của Caffeine trong các dung môi khác nhau
Sơ đồ quy trình đơn giản hóa để khử caffein bằng dung môi (trái); nhà máy khử caffein hoạt động bằng dichloromethane, với sự hỗ trợ của DEMUS, Ý (phải)
Với quá trình khử caffein bằng dung môi hữu cơ, trước tiên đậu được tiếp xúc với hơi nước và nước để tăng độ ẩm của chúng từ khoảng 10 lên 25 hoặc thậm chí 40% trọng lượng (Hình 10.3). Sau đó, hạt cà phê được khử caffein bằng cách chiết bằng dung môi hữu cơ, hoặc trong các giường cố định (ví dụ: pin cột thẩm thấu, máy chiết quay vòng) hoặc trong hệ thống khuấy trộn (ví dụ: trống quay). Sự khuếch tán caffeine trong hạt khá chậm và do đó việc kiểm soát tốc độ và do đó không cần phải khuấy hạt mạnh. Để biết hệ số khuếch tán và mô hình truyền khối, hãy xem ví dụ Bichsel et al. (1976), Roethe và cộng sự. (1992), Schwartzberg (1997), và Espinoza-Perez và cộng sự. (2006). Khả năng hòa tan hạn chế thực hiện chiết nhiều lần bằng dung môi hữu cơ mới hoặc một chuỗi bình hoạt động ở chế độ ngược dòng. Sau khi hoàn thành, dung môi hữu cơ còn sót lại được làm ráo nước và loại bỏ bằng hơi nước. Cuối cùng, độ ẩm ban đầu được thiết lập lại bằng cách làm khô bằng không khí (thường là một chuỗi các công nghệ sấy khác nhau, ví dụ như tầng sôi, đai rung, máy sấy chân không). Nhiệt độ không khí thấp, loại bỏ oxy và hoàn thiện bằng cách làm mát có thể hữu ích để giảm thiểu sự phân hủy mùi thơm. Dung môi hữu cơ đã sử dụng được tái chế thông qua quá trình chưng cất (ví dụ: thiết bị bay hơi tuần hoàn tự nhiên liên tục) tạo ra cặn rắn (w60% caffeine, w40% khác, chủ yếu là lipid). Caffeine được tách ra khỏi cặn và tinh chế, phần còn lại được gọi là sáp cà phê do vẻ ngoài của chúng, mặc dù chất béo trung tính chiếm ưu thế. Nhiều ứng dụng khác nhau của sáp cà phê đã được đề xuất và nghiên cứu (ví dụ như thuốc chống chuột chũi), tuy nhiên hầu hết chúng ngày nay được sử dụng như một chất liên kết trong quá trình tạo viên hoặc làm nhiên liệu. Sivetz đã cung cấp thông tin kỹ thuật chi tiết về các nhà máy DCM vào năm 1973, bao gồm mức tiêu thụ hơi nước cần thiết, năng lượng làm mát và các nhu cầu khác. Caffeine tinh chế có thể được bán dưới dạng sản phẩm phụ có giá trị cho ngành dược phẩm và đồ uống. Nó có nguồn gốc tự nhiên nhưng thực tế này hiếm khi được sử dụng trong tiếp thị. Các phương pháp và thông số quy trình thu hồi caffeine đã được cấp bằng sáng chế và công bố chi tiết (Heilmann, 2001). Hai dung môi hữu cơ hiện đang được sử dụng đều có những ưu điểm riêng. DCM có khả năng chống cháy và do đó không yêu cầu lắp đặt chống cháy nổ nhưng phải tuân theo luật bảo vệ sức khỏe và khí thải nghiêm ngặt trong khi EA không phải là dung môi clo hóa nhưng dễ cháy. Bên cạnh những khác biệt cơ bản về mặt kỹ thuật này, các quy trình chiết xuất cũng giống nhau và một số cơ sở công nghiệp thậm chí có thể xử lý cả hai dung môi hữu cơ.
2.3 Chiết xuất bằng nước
Độ hòa tan caffein trong nước tăng đáng kể theo nhiệt độ và do đó quá trình chiết được thực hiện bằng nước nóng ở áp suất khí quyển. Độ trương nở của đậu cũng cần thiết và đạt được bằng quá trình làm ướt/hấp sơ bộ hoặc đơn giản là trong máy chiết. Việc lựa chọn hệ thống chiết giống như một trong các quá trình chiết bằng dung môi. Cột thấm thường đã được sử dụng thành công trong nhiều thập kỷ và thời gian chiết thông thường là 8 giờ. Vấn đề là tính chọn lọc hạn chế đối với các thành phần khác của cà phê. Các thành phần tiền chất thơm như đường ít nhất sẽ được chiết xuất một phần khi sử dụng nước. Có hai cách chính để giải quyết trở ngại này: hoặc bằng cách nào đó nước bị cản trở trong việc chiết xuất các chất hòa tan trong cà phê không chứa caffeine, hoặc các chất hòa tan được chiết xuất phải được tái kết hợp vào hạt đậu xanh.
Quá trình sau được thảo luận đầu tiên. Trình tự quy trình như sau: lớp đậu xanh được chiết xuất bằng nước ngọt. Dòng chiết xuất có chứa caffeine (viết tắt là Cf trong Hình 10.4) cũng như các chất hòa tan khác trong cà phê đi qua lớp hấp thụ than hoạt tính (AC). Một loại AC đặc biệt có tính chọn lọc cao đối với caffeine nên hầu hết các chất khác đều ở trong pha nước. Dung dịch gần như không chứa caffein hiện nay được cô đặc (ví dụ lên tới 30%) để bổ sung sau này vào đậu xanh và do đó tái chế hầu hết các chất không chứa caffein đã được chiết xuất trước đó. Để làm cho hạt cà phê đã khử caffein hấp thụ chất cô đặc, chúng cần có một bước sấy khô rõ rệt. Chất cô đặc đã xử lý đợi khoảng 1e1,5 giờ trước khi được thêm trở lại vào lượng đậu phụ. Sau khi thêm lại chất cô đặc, quá trình sấy đậu cuối cùng sẽ hoàn tất quy trình.
Sơ đồ quy trình đơn giản hóa để khử caffein trong nước: nước ngọt và nước cô đặc hỗ trợ lại hạt cà phê (trái); sử dụng tái chế nước bão hòa
Quá trình khử caffein trong nước cơ bản khác hạn chế sự mất mát của chất rắn hòa tan không chứa caffein bằng cách sử dụng nước đã được nạp sẵn để chiết xuất: nước từ quy trình chiết xuất trước đó không chứa caffein nhưng được nạp sẵn ở trạng thái cân bằng với tất cả các chất hòa tan trong cà phê khác (Heilmann, 2001). Trong quy trình nước được nạp sẵn, dòng chiết xuất cần phải được loại bỏ khỏi caffeine để được tái sử dụng cho quá trình chiết xuất. Điều này được thực hiện bằng cách chiết bằng dung môi hữu cơ như DCM (chiết lỏng lỏng ngược dòng) hoặc bằng cách đi qua lớp hấp thụ. Phiên bản đầu tiên yêu cầu xử lý dung môi chuyên nghiệp trong khi phiên bản thứ hai cần chất hấp thụ phù hợp. Nhiều chất hấp thụ khác nhau đã được đề xuất và cấp bằng sáng chế (AC, polyme in chìm, sàng phân tử, silica vô định hình, nhựa hấp phụ). Các chất hấp thụ thành công bao gồm AC bằng tính chọn lọc cao phù hợp hoặc nạp trước AC bằng sucrose và/hoặc glucose để chặn các vị trí hấp phụ, nếu không sẽ hấp thụ các chất hòa tan trong cà phê có cấu trúc và kích thước tương tự. Gần đây, quy trình khử caffein trong nước kết hợp tuần hoàn và tái bổ sung đã được cấp bằng sáng chế và lắp đặt (WO, 2015/059722).
2.4 Chiết xuất bằng CO2 điều áp
Mặc dù thường được gọi là chất khí, nhưng carbon dioxide tồn tại ở áp suất cao ở dạng lỏng hoặc được gọi là chất lỏng siêu tới hạn. Ở dạng lỏng và thậm chí hơn thế ở trạng thái siêu tới hạn (T > 31C, p > 7,39 MPa), CO2 có khả năng hòa tan một số caffeine nhưng ít hơn các dung môi khác. Ưu điểm của nó là tính chọn lọc vượt trội. Khử caffein bằng scCO2 hoạt động ở nhiệt độ khoảng 25 MPa và 100C. CO2 luôn sẵn có, vô hại về mặt sinh lý và không cháy. Điều này cho phép thực hiện quá trình khử caffein mà không có bất kỳ hạn chế nào khác, nhưng đòi hỏi phải lắp đặt và bảo trì tốn kém cũng như sử dụng công nghệ áp suất cao khá đặc biệt. Zosel đã được cấp bằng sáng chế cho ứng dụng chiết xuất CO2 siêu tới hạn để khử caffein trong hạt cà phê xanh vào năm 1971. Năm 1982, công ty HAG của Đức bắt đầu bán cà phê đã khử caffein bằng CO2 và doanh số bán hàng đã tăng 22% (Wittig, 2008). Trình tự quy trình chung giống như các quy trình khác: đậu được làm phồng lên bằng nước và sau đó được chiết xuất trong các cột thẩm thấu, trong trường hợp này là các bình chịu áp suất cao khổng lồ được định mức chịu áp suất chẳng hạn như 30 MPa (Hình 10.5).
Sơ đồ quy trình khử caffein bằng CO2 (trái). Nhà máy khử caffein bằng scCO2: lắp cột rửa áp lực cao để tái sinh CO2 nạp caffein; với sự cho phép của NATEX Prozesstechnik GesmbH
Một số phương pháp tái tạo dòng CO2 nạp caffeine đã được đề xuất, chẳng hạn như sử dụng màng để tách caffeine khỏi scCO2 (Gehrig, 1984). Ngày nay có hai phương pháp được sử dụng: hấp phụ bằng AC hoặc loại bỏ trong cột rửa áp suất cao bằng nước. Trong trường hợp thứ hai, nước chứa caffeine được cho là được tái chế thông qua quá trình không cần thiết của màng (Pietsch et al., 1998). Atlantic Coffee Solution ở Houston, Hoa Kỳ, vận hành quy trình khử caffein gần như liên tục bằng scCO2 độc đáo với hệ thống phễu khóa để nạp và lấy hạt ra khỏi bình chiết áp suất cao (Mc Hugh và Krukonis, 1994). Lack và Seidlitz (1993) báo cáo chi tiết về các quy trình công nghiệp quy mô lớn đã được thực hiện từ những năm 1980. Một số bình chịu áp lực cao vào thời điểm đó đã đạt đến số chu kỳ tải tối đa ban đầu và sẽ cần được phê duyệt mở rộng hoặc đầu tư thay thế trong tương lai. Cũng có thể chiết xuất bằng CO2 lỏng ở 6,5e7 MPa và 20e25C nhưng cần thời gian xử lý lâu hơn do độ hòa tan caffeine thấp hơn rõ rệt ở những điều kiện đó (Hermsen và Sirtl, 1988). Có lợi là nhiệt độ xử lý thấp hơn đáng kể giúp giảm thiểu căng thẳng nhiệt.
2.5 Các phương pháp xử lý khử caffein khác
Người ta đã cố gắng sử dụng đặc tính thăng hoa của caffeine để khử caffein trong đậu xanh ở quy mô thí điểm. Camenga và Bothe (1982) cho thấy quá trình này không khả thi do áp suất bay hơi của caffeine rất thấp. Các báo cáo trước đây cho thấy các quy trình công nghiệp sử dụng chất béo làm dung môi hữu cơ đã ngừng hoạt động. Borrel (2012) thảo luận về các ý tưởng thay đổi cây cà phê bằng cách lai, nhân giống, gây đột biến hoặc kỹ thuật di truyền (làm im lặng quá trình sinh tổng hợp caffeine). Việc nghiên cứu đang được tiến hành nhưng việc thương mại hóa vẫn chưa diễn ra. Các ấn phẩm mới hơn trong lĩnh vực này là của Kumar và Ravishankar et al. (2009), Mazzafera và cộng sự. (2009), Benatti và cộng sự. (2012), Mohanan và cộng sự. (2014), và Summers và cộng sự. Trong bối cảnh kỹ thuật thực vật, điều quan trọng cần lưu ý là caffeine hoạt động như một loại thuốc trừ sâu tự nhiên trong thực vật.
Mặc dù hoạt động cấp bằng sáng chế trong lĩnh vực khử caffein trong cà phê rất sôi động vào những năm 80 và đầu những năm 90 nhưng đến nay nó gần như đã chết. Một số công bố bằng sáng chế từ thập kỷ trước đề cập đến việc khử caffein tại nhà (WO, 2006/108292 A1), sử dụng một loại nấm đặc biệt để khử caffein (US, 2007/0036880), một quy trình thu hồi chất chống oxy hóa từ quá trình khử caffein (WO, 2010/ 051216), một bộ lọc đất sét để hấp thụ caffeine (JP, 2013/123662A).
3. QUY TRÌNH TRƯỚC XỬ LÝ CÀ PHÊ XANH NGOÀI Khử Caffeine
Có thể thay đổi thành phần và hương vị của cà phê bằng cách xử lý bằng hơi nước. Đậu xanh lại được làm phồng lên bằng nước và sau đó một luồng hơi xác định sẽ đi qua lớp đậu cố định hoặc được khuấy trộn theo cách không xảy ra sự ngưng tụ (Hình 10.6). Holscher (2005) giải thích chi tiết những công nghệ này và những tác động khác nhau đến hương vị. Nâng cấp cà phê Robusta, thay đổi hương vị chung và xử lý nhẹ là những ứng dụng phổ biến hiện nay. Sự giảm hàm lượng caffeine không được tìm thấy trong cà phê được xử lý bằng hơi nước (Stennert và Maier, 1994). Các quy trình khác loại bỏ sáp cà phê hoặc các chất chuyển hóa của nấm như Ochratoxin A (US 6,376,001, 2002) có khả năng gây hại cho sức khỏe con người.
4. ẢNH HƯỞNG CỦA QUY TRÌNH Khử Caffeine VÀ TIỀN XỬ LÝ ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỐP
4.1 Hương thơm
Ngược lại với lá trà cũng được khử caffein ở một tỷ lệ nhất định, sự hình thành mùi thơm trong cà phê xảy ra chủ yếu trong quá trình rang, tức là sau quá trình khử caffein. Đây là một lợi thế lớn so với việc khử caffein trong trà. Nhưng như đã thảo luận, quá trình chiết xuất caffeine tất nhiên có thể ảnh hưởng đến các thành phần hương liệu. Người ta biết rằng caffeine có vị đắng nhưng người ta đã chứng minh rằng vị đắng của caffeine không chiếm ưu thế trong hương vị cà phê và do đó việc giảm đáng kể vị đắng của nó không có tác dụng làm thay đổi lớn. Vitzthum (2005) liệt kê các khiếm khuyết điển hình khi các quy trình không được thực hiện trong điều kiện tối ưu:
- l Cà phê đã khử caffein DCM và EA có thể có hương vị “nấu chín”
- Cà phê đã khử caffein bằng CO2 siêu tới hạn có thể bị dẹt
- Cà phê đã khử caffein trong nước có thể bị mất chất rắn hòa tan dẫn đến vị nhạt
Việc kiểm tra cốc cà phê đã được khử caffein đúng cách cho thấy rất ít tác động của các quy trình ngày nay và chỉ có những khác biệt nhỏ là đáng chú ý. Trong trường hợp cà phê Robusta hoặc một số loại có mùi vị lạ, chúng thậm chí có thể có lợi. Câu trả lời cho câu hỏi phổ biến “quy trình nào là tốt nhất?” không rõ ràng. Giả sử các quy trình được thực hiện trong điều kiện tối ưu thì có ba thách thức chính để so sánh hợp lệ. Sự khác biệt về hương vị có thể hơi nhỏ và hơn nữa còn được tăng thêm khi rang. Do những thay đổi về cấu trúc và thành phần của hạt nên quá trình rang cà phê đã khử caffein phải được điều chỉnh (Eggers và Pietsch, 2001).
Sơ đồ quy trình hấp cà phê nhân (trái); đơn vị thử nghiệm trong phòng thí nghiệm (giữa); nhà máy công nghiệp, với sự hỗ trợ của SPX Flow Technology, Đan Mạch (phải)
Mặc dù cấu hình rang thường không được sửa đổi nhưng thời gian rang có thể ngắn hơn, dài hơn hoặc thậm chí không thay đổi. Màu sắc mục tiêu rang phù hợp có thể khác với hạt không chứa caffein và đôi khi mất khối lượng là thông số kiểm soát tốt hơn. Lý do thứ ba dẫn đến việc thiếu so sánh quy trình liên quan đến hương vị là thực tế rõ ràng là các loại cà phê nhân khác nhau thường được xử lý trong các quy trình khử caffein công nghiệp khác nhau. Đó cũng chính là trở ngại mà các so sánh đáng kể giữa các quy trình rang công nghiệp phải đối mặt: mỗi công ty đều chọn xuất xứ cà phê, công nghệ chế biến và phương pháp thử nếm của riêng mình, với mỗi nỗ lực hướng tới hương vị thương hiệu của riêng mình. Bất chấp tất cả các khía cạnh này, việc lựa chọn tự do quy trình khử caffein cho các lô cà phê quy mô công nghiệp dù sao cũng không thực tế do sự chênh lệch giá rõ rệt và tính phù hợp kinh tế hạn chế của một số quy trình đối với một số loại cà phê.
Có rất ít công bố về tác động hương vị của quá trình khử caffein. Thử nghiệm cốc cho thấy độ axit tăng lên trong hầu hết các quy trình và điều đáng chú ý là độ mốc có thể giảm đi. Quá trình EA có thể dẫn đến hương vị trái cây được nâng cao. Độ cứng rõ rệt (hương vị Rio) thường không thể tháo rời. Phân tích SPMEGC-MS (phương pháp sắc ký khí vi chiết pha rắn-khối phổ) được các nhóm nghiên cứu khác nhau áp dụng để xác định khoảng không gian phía trên của các thành phần hương vị cà phê dễ bay hơi (mùi thơm) bởi các nhóm nghiên cứu khác nhau hiện nay, nhưng hiếm khi để khử caffein. Đối với cà phê thương mại đã khử caffein, phân tích thành phần chính cho thấy sự giảm các đỉnh GC lớn nhất sau: pyrazine, furfural, N-methylpyrrole và 5-methyl-2-furancarboxyaldehyde (Ribeiro et al., 2013). Để có cái nhìn sâu sắc hơn, phải chọn những chất có giá trị hoạt tính mùi cao.
Hình 10.7 minh họa kết quả phân tích hương thơm SPME-GC-MS được định lượng trong khoảng không gian đầu của hai loại cà phê Arabica Brazil khác nhau đã được khử caffein bằng DCM. Các mẫu được khử caffein ở quy mô công nghiệp và rang trong phòng thí nghiệm ở nhiệt độ 245-250C để có cùng màu. Lượng hương thơm được xác định của các mẫu thông thường nằm trong khoảng như đã công bố (Grosch, 2001; Belitz và cộng sự, 2008). Những thay đổi do quá trình khử caffein được hiển thị liên quan đến nội dung ban đầu (vòng tròn màu xám). Không có chất nào được đo có hàm lượng tăng gấp đôi hoặc biến mất. Tương ứng, mùi đồ uống không được xử lý và khử caffein rất gần. Quá trình khử caffein DCM trong cả hai loại cà phê Brazil đã dẫn đến giảm sự hình thành các thành phần đất (pyrazines) phù hợp với cảm giác cốc giảm độ mốc và độ cứng.
Sự thay đổi một số chất thơm bằng dichloromethane (nâu, kem) và khử caffein bằng CO2 (đỏ) lỏng (Arabicas từ Brazil)
Những tác dụng tương tự (khử pyrazine) có thể được phát hiện đối với cà phê Robusta đã khử caffein DCM. Kích thước hạt nhỏ hơn và thời gian xử lý dài hơn dẫn đến tác động nhiệt cao hơn, do đó ảnh hưởng đến tiền chất hương thơm. Kết hợp với độ axit bị thay đổi, điều này có thể dẫn đến sự gia tăng các sản phẩm rang từ phản ứng Maillard, ví dụ, tăng cyclotene. Nhìn chung, có thể thấy độ ẩm mốc và hương vị Robusta giảm vừa phải. Nghiên cứu về mẫu Arabica đã khử caffein dạng lỏng bằng CO2 cho thấy khả năng bảo quản mùi thơm đồng đều hơn dễ chịu hơn khi so sánh với các mẫu DCM với hai trường hợp ngoại lệ: IBMP giảm (thử nghiệm cốc phù hợp) và furaneol tăng. Điều thứ hai có thể là dấu hiệu cho thấy các tiền chất tạo mùi thơm (sacarit, axit amin, lipid) bị ảnh hưởng theo những cách khác nhau trong các quá trình khử caffein khác nhau. Chen và cộng sự. đã báo cáo những phát hiện cho thấy sự hình thành melanoidin trong đậu đã khử caffein scCO2, độc nhất so với những hạt được hình thành khi rang thông thường (2011). Hình 10.7 cho thấy những phát hiện đầu tiên và để điều tra phân tích về ấn tượng đầy đủ về hương vị, các chất ít bay hơi hơn (ví dụ: các thành phần axit) phải được tính đến trong tương lai.
Xuất hiện một số mẫu cà phê nhân chưa rang. Từ trái sang: chưa qua xử lý, đã khử caffein scCO2, đã khử caffein liCO2, đã khử caffein dichloromethane và hai loại cà phê hấp. Tất cả cà phê đều là cà phê Arabica ngoại trừ mẫu ở bên phải là cà phê Robusta hấp.
4.2 Dư lượng dung môi trong đậu xanh và đậu rang
Dư lượng dung môi trong cà phê đã khử caffein thỉnh thoảng vẫn được thảo luận. Nước và carbon dioxide, cả hai đều vô hại về mặt sinh lý và phổ biến, là những dung môi tất nhiên có lợi thế hơn các dung môi hữu cơ và có thể được sử dụng làm công cụ tiếp thị, mặc dù không phải tất cả các sản phẩm xử lý bằng CO2 đều quảng cáo thực tế này. Các quy trình sử dụng dung môi ethyl axetat đôi khi được bán trên thị trường dưới dạng quy trình “tự nhiên” vì EA tồn tại với số lượng rất nhỏ trong các sinh vật tự nhiên, như trái cây chín. Không có quy định nào về hàm lượng EA tối đa trong cà phê đã khử caffein. Hàm lượng DCM được giới hạn ở mức 2 ppm trong cà phê rang và 0,02 ppm trong các sản phẩm ăn liền như thực phẩm có chứa chiết xuất hương liệu (Chỉ thị EU, 2009/32/EC, 2009). Tại Hoa Kỳ, 10 ppm là nồng độ tối đa cho phép đối với cà phê rang và chiết xuất cà phê đã khử caffein (FDA, 2014). Trong thực tế, chỉ có dấu vết khoảng 0,1e1 ppm là điển hình cho các mẫu xanh thương mại của Châu Âu và số lượng trong đồ uống cà phê cuối cùng được ước tính là 0,1 ppb, một lượng không đáng kể so với lượng tiêu thụ hàng ngày được phép theo nồng độ tối đa cho phép trên không tại nơi làm việc.
4.3 Tổn thất khối lượng và hàm lượng nước
Việc loại bỏ caffeine một cách tự nhiên sẽ dẫn đến mất khối lượng đậu. Bên cạnh tác động không thể tránh khỏi này, những tổn thất thêm có thể xảy ra do chiết xuất các chất cà phê khác, ví dụ như sáp cà phê đã đề cập trước đó. Điều này có thể dẫn đến giảm hiệu suất hòa tan trong quá trình pha cà phê thông thường cũng như sản xuất cà phê hòa tan. Sự mất khối lượng hạt có tầm quan trọng kinh tế đáng kể đối với tất cả các ngành công nghiệp chế biến cà phê nhưng bị che lấp bởi hàm lượng nước chồng lên trong cà phê. Dữ liệu mất khối lượng đáng tin cậy hiếm khi được ghi lại và việc so sánh các quá trình khử caffein vẫn chưa được công bố cho đến nay. Chỉ bằng cách so sánh dữ liệu về độ hòa tan, việc chiết xuất bằng CO2 sẽ có lợi do tính chọn lọc của nó đối với caffeine. Bên cạnh sự mất mát khối lượng, hàm lượng nước có tầm quan trọng đối với việc kiểm soát và hiệu quả quá trình. Cân bằng độ ẩm vận hành nhanh (sử dụng bức xạ cực tím hoặc hồng ngoại) đã được thiết lập tốt. Hoạt độ nước (aw) đóng vai trò quan trọng đối với sự ổn định của vi sinh vật và các tác động khác liên quan đến nước như khả năng hấp phụ, độ dính của bột và độ dẻo, đồng thời cũng hữu ích trong chế biến cà phê (Iacceri et al., 2015). Hoạt độ nước bằng áp suất hơi riêng phần của nước trực tiếp trên một chất chia cho áp suất hơi bão hòa.
4.4 Các thành phần khác nhau
Phân tích hàm lượng protein, tannin, tro và nitơ cũng như chiết xuất ete xăng của cà phê thông thường và cà phê đã khử caffein (DCM và scCO2) đã được công bố bởi Udayasankar et al. (1986). Chiết xuất Petrolether cao hơn đối với CO2 đã khử caffein trong khi các giá trị khác không có sai lệch đáng kể. Lercker và cộng sự. (1996) đã xác định mức giảm tuyệt đối hàm lượng lipid bằng cách khử caffein DCM hoặc scCO2 (0,5e1,8% trọng lượng trong đậu xanh) cũng như sự phân phối sterol và axit béo của chất béo trung tính. Toci và cộng sự. (2006) đã báo cáo những thay đổi lớn về hàm lượng saccharose (giảm từ 9,65% xuống 3,84% ở Arabica xanh), protein và hàm lượng trigonnelline bằng quá trình khử caffein DCM. Acrylamide hình thành trong quá trình rang và số lượng của nó không bị thay đổi trong quá trình khử caffein hoặc hấp. Độc tố nấm mốc ochratoxin A ít nhiều bị loại bỏ trong tất cả các quá trình chiết xuất (ví dụ: Nehad và cộng sự, 2005).
4.5 Các hiệu ứng khác
Thời hạn sử dụng của hạt cà phê đã qua xử lý thường ngắn hơn so với hạt thông thường do bị loại bỏ các thành phần bề mặt và tác động của nhiệt trong quá trình xử lý. Hình dáng bên ngoài của hạt có thể được thay đổi bằng quá trình khử caffein. Sự thay đổi màu sắc được biết đến rộng rãi, với những hạt cà phê được xử lý chủ yếu mất đi vẻ ngoài xanh tươi và thay vào đó có màu xỉn và hơi vàng hoặc thậm chí hơi nâu. Hiệu ứng này ít rõ rệt hơn trong các quy trình sấy chân không và các quy trình đánh bóng bổ sung có thể giúp cải thiện bề mặt xỉn màu. Ngoài ra, các đốm đen trên hạt cà phê đã được khử caffein cũng đã được báo cáo, điều này đặc biệt không mong muốn đối với các sản phẩm nguyên hạt như hạt cà phê espresso dùng cho máy pha cà phê. Hình thức bên ngoài của đậu thường ít được quan tâm hơn khi rang tại nhà. Hình 10.8 cho thấy các ví dụ về hạt chưa rang sau các quá trình tiền xử lý khác nhau. Điều quan trọng cần lưu ý là hình dáng bên ngoài của một số sản phẩm gần giống với hạt rang, do đó việc kiểm soát của nhà rang xay trở nên phức tạp. Vẻ ngoài tươi và xanh nhất cho thấy đậu đã được khử caffein bằng CO2 lỏng.
Độ ổn định cơ học của hạt đã khử caffein có thể bị giảm và do đó cần phải chú ý nhiều hơn đến máy rang tầng sôi. Cũng phải xem xét rằng trạng thái nứt gãy bị thay đổi do quá trình hấp hoặc khử caffein sẽ ảnh hưởng đến quá trình nghiền. Chất lượng đã khử caffein thường có độ giòn tăng lên. Các máy nghiền nhiều trục công nghiệp thường cần được thiết lập để điều chỉnh độ rộng khe hở để đạt được sự phân bố kích thước hạt cần thiết khi chuyển sang hạt đã khử caffein. Ảnh hưởng của quá trình khử caffein (EA và nước) ở quy mô phòng thí nghiệm đến độ bền đứt của hạt Robusta rang được công bố bởi Ramalakshmi et al. (2000). Họ kết luận rằng độ bền đứt tăng khoảng 1,1e1,7 tùy thuộc vào các thông số chiết khác nhau.
5. XU HƯỚNG TRONG ĐIỀU TRỊ ĐẬU XANH TRONG TƯƠNG LAI
Nói chung tất cả các quy trình khử caffein hiện đại đang được sử dụng đều đạt đến mức độ chuyên nghiệp và hài lòng. Tất nhiên, nhiều hoạt động tối ưu hóa nội bộ khác nhau như chương trình tiết kiệm năng lượng hoặc nâng cao xếp hạng cũng sẽ diễn ra trong tương lai. Đôi khi, các cuộc thảo luận về độc tính của dung môi hữu cơ vẫn nảy sinh nhưng việc từ bỏ DCM nói chung dường như khó xảy ra, đặc biệt do các tiêu chuẩn xử lý cao đã đạt được. Việc phân tích hương vị sẽ được cải thiện hơn nữa nhưng sẽ có tác dụng hạn chế trong việc khử caffein do chất lượng tách cà phê tốt đã đạt được ngày nay. Dự kiến sẽ có những cải tiến trong việc tinh chỉnh cà phê được xử lý bằng hơi nước để duy trì hương thơm ổn định, lâu dài của các sản phẩm cao cấp. Phương pháp xử lý bằng enzyme đối với đậu xanh đã được phát triển nhưng cho đến nay hiếm khi được sử dụng. Hạn chế chung của cà phê không chứa caffein là sự lựa chọn hạn chế của người tiêu dùng. Không cần phải nói, hầu như tất cả các nhà sản xuất công nghiệp đều cung cấp sản phẩm cà phê đã khử caffein, nhưng do khối lượng bán hàng thấp hơn đáng kể nên hầu hết các công ty đều quyết định chỉ tiếp thị một loại cà phê chất lượng đã khử caffein. Tất nhiên đây thường là hương vị trung bình hoặc tiêu chuẩn; đặc sản hiếm khi được tìm thấy trong phân khúc này. Có lẽ điều này sẽ thay đổi trong tương lai. Bước đầu tiên theo hướng này gần đây đã được thực hiện bằng ý tưởng về một thương hiệu cung cấp nhiều loại cà phê hơn ở cả dạng thường và dạng không chứa caffein.
