Введение

Удаление кофеина

Декафеинизация – это удаление ("де") кофеина из кофейных зерен, какао-бобов, чайных листьев и других материалов, содержащих кофеин. Продукты, прошедшие декафеинизацию, обычно называют "decaf". В напитках, прошедших декафеинизацию, обычно содержится от 1–2% от первоначального содержания кофеина, но иногда и до 20%. Хотя Рунге смог выделить это вещество, он мало что узнал о химии самого кофеина и не пытался использовать этот процесс в коммерческих целях для производства кофе без кофеина.

Процессы декофеинизации

Для обезкофеинивания кофе могут использоваться различные методы. Эти методы применяются до обжарки и могут включать использование органических растворителей, таких как дихлорметан или этилацетат, сверхкритического диоксида углерода или воды для извлечения кофеина из зерен, при этом максимально сохраняя вещества, формирующие вкус и аромат, в их исходном состоянии.

Прямой метод

Первый коммерчески успешный процесс декофеинизации был изобретен немецким купцом Людвигом Розелиусом и его коллегами в 1903 году, после того как Розелиус заметил, что партия кофейных зерен, случайно вымоченных в морской воде, потеряла большую часть своего содержания кофеина, практически не потеряв при этом вкуса. Процесс был запатентован в 1906 году и заключался в обработке кофейных зерен паром с использованием различных кислот или щелочей, а затем применении бензола в качестве растворителя для удаления кофеина. Кофе, декофеинизированный таким способом, продавался под названием Kaffee HAG – по названию компании Kaffee Handels Aktien Gesellschaft (Кофейная торговая компания) – в большинстве стран Европы, как Café Sanka во Франции, а позднее как кофе марки Sanka в Соединенных Штатах. Café HAG и Sanka сейчас являются всемирно известными брендами компании Kraft Foods. Методы, аналогичные тем, что были впервые разработаны Розелиусом, по-прежнему преобладают и иногда известны как метод прямой экстракции органическими растворителями. Однако, в связи с опасениями по поводу влияния бензола на здоровье (который сегодня признан канцерогеном), в настоящее время используются другие растворители, такие как дихлорметан или этилацетат. Необжаренные (зеленые) зерна сначала обрабатываются паром, а затем промываются растворителем, который извлекает кофеин, практически не затрагивая другие компоненты. Процесс повторяется от 8 до 12 раз, пока содержание кофеина не достигнет требуемого уровня (97% кофеина удалено в соответствии со стандартом США или 99,9% без кофеина по массе в соответствии со стандартом ЕС). Поскольку вода используется на начальном этапе этого процесса, метод косвенной декофеинизации иногда называют методом "обработки водой". Этот метод был впервые упомянут в 1941 году, и предпринимались значительные усилия для того, чтобы сделать процесс более "натуральным" и по-настоящему водным, путем поиска способов извлечения кофеина из воды без использования органических растворителей.

Швейцарский водный процесс

Альтернативным методом удаления кофеина из кофе является процесс Swiss Water. В этом процессе не используются органические растворители, а для декофеинизации зерен применяется только вода. Метод был впервые разработан в Швейцарии в 1933 году и коммерциализирован компанией Coffex S. A. в 1980 году. В процессе используется экстракт зеленого кофе (GCE) в качестве механизма извлечения кофеина. Экстракт зеленого кофе – это раствор, содержащий водорастворимые компоненты зеленого кофе, за исключением кофеина, который получают путем замачивания зеленых кофейных зерен в горячей воде с последующей фильтрацией через фильтр с активированным углем для удаления молекул кофеина. Поскольку GCE насыщен другими водорастворимыми компонентами зеленого кофе, в него мигрируют только молекулы кофеина, а остальные водорастворимые вещества остаются в зеленом кофе. Новый раствор GCE, обогащенный кофеином, затем пропускается через фильтры с активированным углем для повторного удаления кофеина, и процесс повторяется. Непрерывный процесс занимает 8–10 часов для достижения целевого уровня остаточного кофеина. Инженер-технолог по пищевым продуктам Торунн Аттерас Гарин также разработала метод удаления кофеина из кофе.

Триглицеридный процесс

В этом процессе зеленые кофейные зерна замачиваются в горячей воде и кофейном растворе, чтобы извлечь кофеин на поверхность зерен. Затем зерна переносятся в другую емкость и погружаются в кофейные масла, полученные из использованной кофейной гущи, где они остаются на некоторое время. После нескольких часов воздействия высокой температуры триглицериды в маслах удаляют кофеин, но не ароматические вещества, из зерен. Зерна отделяются от масел и высушиваются. Кофеин извлекается из масел, которые затем повторно используются для декофеинизации следующей партии зерен. Это метод декофеинизации прямым контактом.

Сверхкритический процесс с CO2

Ученые также обратились к сверхкритическому углекислому газу (sCO2) как к способу декофеинизации. Разработанный Куртом Зоселем, ученым из Института Макса Планка, этот метод использует CO2 (углекислый газ), нагретый и сжатый до состояния выше критической точки, для экстракции кофеина.

Содержание кофеина в кофе без кофеина

Чтобы гарантировать качество продукта, производители обязаны проводить испытания недавно обезкофеинированных кофейных зерен, чтобы убедиться, что концентрация кофеина относительно низкая. Согласно стандартам США, содержание кофеина должно быть снижено как минимум на 97%. В безкофеиновом кофе содержится менее 0,1% кофеина, а в безкофеиновом растворимом кофе в Канаде – менее 0,3%. Многие кофейные компании используют высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ или HPLC) для измерения остаточного содержания кофеина в кофейных зернах. Однако, поскольку ВЭЖХ может быть достаточно дорогостоящей, некоторые компании начинают применять другие методы, такие как спектроскопия ближнего инфракрасного диапазона (NIR). Хотя ВЭЖХ отличается высокой точностью, спектроскопия NIR значительно быстрее, дешевле и проще в использовании. Кроме того, для измерения остаточного кофеина часто используется ультрафиолетово-видимая спектроскопия, которая особенно полезна для процессов обезкофеинизации с использованием сверхкритического CO2, поскольку CO2 не поглощает в УФ-видимом диапазоне. Контролируемое исследование, проведенное в 2006 году во Флоридском государственном университете с использованием десяти образцов безкофеинового кофе из кофеен, показало, что некоторое количество кофеина все же присутствует. Четырнадцать-двадцать чашек такого безкофеинового кофе содержат столько же кофеина, сколько одна чашка обычного кофе. Для сравнения, чашка обычного кофе объемом 237 мл содержит 95–200 мг кофеина, а порция Coca-Cola объемом 355 мл – 36 мг.

Без кофеина

В 2009 году работа над выведением кофейных зерен, не содержащих кофеин, все еще продолжалась. Термин "Decaffito" был создан для обозначения этого типа кофе и запатентован в Бразилии. Возможность получения кофе типа Decaffito была продемонстрирована с открытием в 2004 году сорта Coffea charrieriana, который естественным образом не содержит кофеина. Этот сорт имеет дефицитный ген кофеинсинтазы, из-за чего накапливает теобромин вместо его преобразования в кофеин. Этот признак можно ввести в другие кофейные растения путем скрещивания с C. charrieriana, либо добиться аналогичного эффекта, инактивировав ген кофеинсинтазы в обычных кофейных растениях.

Чай без кофеина

Чай также может быть обезкофеинизирован, обычно с использованием процессов, аналогичных прямому методу или процессу CO2, как описано выше. Окисление чайных листьев для получения черного чая ("красного" в китайской чайной культуре) или чайных листьев улун из зеленых листьев не влияет на количество кофеина в чае, хотя подвиды чайного растения (например, Camellia sinensis sinensis и Camellia sinensis assamica) могут различаться по естественному содержанию кофеина. Молодые листья и почки содержат больше кофеина по весу, чем старые листья и стебли. Хотя процесс CO2 предпочтителен благодаря своей удобности, безопасности и нетоксичности, сравнение обычного и обезкофеинизированного зеленого чая, полученного с использованием сверхкритического диоксида углерода, показало, что большинство летучих неполярных соединений (таких как линалоол и фенилацетальдегид), зеленые и цветочные ароматические соединения (такие как гексаналь и (E)-2-гексеналь), а также некоторые неизвестные соединения исчезли или уменьшились после обезкофеинизации. Помимо экстракции CO2, чай может быть обезкофеинизирован также с помощью обработки горячей водой. Оптимальные условия достигаются путем контроля температуры воды, времени экстракции и соотношения чайных листьев к воде. Температура 100 °C и выше, умеренное время экстракции – 3 минуты и соотношение листьев к воде 1:20 позволили удалить 83% кофеина и сохранить 95% общего количества катехинов. Катехины, тип флаванолов, вносят вклад во вкус чая и, как было показано, усиливают подавление мутагенов, которые могут привести к раку. И кофе, и чай содержат танины, которые отвечают за терпкий вкус, но в чае содержание танинов примерно в три раза меньше, чем в кофе. Таким образом, обезкофеинизация чая требует большей осторожности для сохранения содержания танинов, чем обезкофеинизация кофе, чтобы сохранить этот вкус. Сохранение танинов желательно не только из-за их вкуса, но и потому, что они обладают противораковыми, антимутагенными, антиоксидантными и антимикробными свойствами. В частности, танины ускоряют свертываемость крови, снижают кровяное давление, уменьшают уровень липидов в сыворотке крови и модулируют иммунные реакции. Определенные процессы при нормальном производстве могут помочь снизить содержание кофеина напрямую или просто замедлить скорость его высвобождения при каждом заваривании. В Китае это заметно на многих приготовленных чаях пуэр, а также на более сильно прожаренных улунах горы Уй; их обычно называют "чжунхуо" (средняя прожарка) или "цухуо" (сильная прожарка). Общепринятая статистика гласит, что чашка обычного черного (или красного) чая содержит 40–50 мг кофеина, что примерно вдвое меньше, чем в чашке кофе. Хотя распространенная практика отбрасывания короткого (30–60 секунд) первого настоя считается эффективным способом снижения содержания кофеина в последующем заваривании, хотя и с некоторой потерей вкуса, исследования показывают, что пятиминутное заваривание дает до 70% кофеина, а второй настой содержит треть кофеина первого (около 23% от общего количества кофеина в листьях).