Декофеинизация — это удаление («де-») кофеина из кофейных зерен , какао , чайных листьев и других кофеинсодержащих материалов. Продукты без кофеина обычно обозначаются аббревиатурой без кофеина . Напитки без кофеина обычно содержат 1–2% исходного кофеина, но иногда и до 20%. [1]
Фридлиб Фердинанд Рунге впервые выделил кофеин из кофейных зерен в 1820 году, после того как немецкий поэт Гете услышал о его работе над экстрактом красавки и попросил его провести анализ кофейных зерен. [2] Хотя Рунге смог изолировать это соединение, он мало что знал о химии самого кофеина и не стремился использовать этот процесс в коммерческих целях для производства кофе без кофеина.
Для декофеинизации кофе можно использовать различные методы. Эти методы применяются до обжарки и могут использовать органические растворители, такие как дихлорметан или этилацетат , сверхкритический CO 2 или воду для извлечения кофеина из зерен, оставляя при этом предшественники вкуса как можно ближе к их исходному состоянию. [3]
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 замоченных в морской воде, потеряла большую часть содержания кофеина, но при этом мало потеряла свой вкус. [4] [5] Этот процесс был запатентован в 1906 году и включал обработку кофейных зерен паром с различными кислотами и основаниями , а затем использование бензола в качестве растворителя для удаления кофеина. [6] [7] Кофе без кофеина, полученный таким способом, продавался как Kaffee HAG по названию компании Kaffee Handels-Aktien-Gesellschaft (Кофейная торговая компания) в большинстве стран Европы, как Café Sanka во Франции , а затем как бренд кофе Sanka в Соединенных Штатах. . Café HAG и Sanka теперь являются мировыми брендами Kraft Foods .
Методы, подобные тем, которые впервые разработал Розелиус, продолжают доминировать и иногда называются методом прямого органического растворителя . Однако из-за проблем со здоровьем, связанных с бензолом (который сегодня признан канцерогеном ) , [8] теперь используются другие растворители, такие как дихлорметан или этилацетат . [9] Необжаренные (зеленые) зерна сначала пропаривают, а затем промывают растворителем, который экстрагирует кофеин, оставляя при этом другие компоненты практически незатронутыми. Процесс повторяется от 8 до 12 раз до тех пор, пока содержание кофеина не будет соответствовать требуемому стандарту (97% кофеина удалено в соответствии со стандартом США или 99,9% без кофеина по массе в соответствии со стандартом ЕС). [3]
Другой вариант метода Розелиуса — непрямой метод с использованием органических растворителей . В этом методе вместо непосредственной обработки бобов их сначала замачивают на несколько часов в горячей воде, а затем вынимают. Оставшуюся воду обрабатывают растворителями (например, дихлорметаном или этилацетатом) для извлечения кофеина из воды. Как и в других методах, кофеин затем можно отделить от органического растворителя простым выпариванием. Та же самая вода перерабатывается в ходе этого двухэтапного процесса с новыми партиями зерен. Равновесие достигается после нескольких циклов, при этом вода и зерна имеют одинаковый состав , за исключением кофеина. После этого из зерен удаляется только кофеин, поэтому крепость кофе или другие ароматизаторы не теряются. [10] Поскольку на начальном этапе этого процесса используется вода, непрямой метод декофеинизации иногда называют «обработанным водой». Этот метод был впервые упомянут в 1941 году, и люди приложили значительные усилия, чтобы сделать этот процесс более «естественным» и по-настоящему основанным на воде, находя способы переработки кофеина из воды способами, обходящими использование органических растворителей. [11]
Альтернативным методом удаления кофеина из кофе является процесс «Швейцарская вода». В этом процессе не используются органические растворители, вместо этого для удаления кофеина из зерен используется только вода. Эта технология была впервые разработана в Швейцарии в 1933 году и коммерциализирована компанией Coffex SA в 1980 году. [5] Процесс Swiss Water был затем представлен компанией Swiss Water Decaffeinated Coffee Company из Бернаби , Британская Колумбия , в 1988 году. [12]
В этом процессе в качестве механизма экстракции кофеина используется экстракт зеленого кофе (GCE). Экстракт зеленого кофе представляет собой раствор, содержащий водорастворимые компоненты зеленого кофе, за исключением кофеина, полученный путем замачивания зеленых кофейных зерен в горячей воде с последующей фильтрацией через фильтр с активированным углем для удаления молекул кофеина. [5] Свежие зерна, содержащие как кофеин, так и другие компоненты, добавляются в раствор GCE, где разница градиентного давления между GCE (который обеднен кофеином) и зеленым кофе (который богат кофеином) заставляет молекулы кофеина мигрировать из зеленого кофе в GCE. [13] Поскольку GCE насыщен другими водорастворимыми компонентами зеленого кофе, только молекулы кофеина мигрируют в GCE; другие водорастворимые элементы кофе сохраняются в зеленом кофе. Затем новый раствор GCE, богатый кофеином, пропускают через фильтры с активированным углем для повторного удаления кофеина, и процесс повторяется. Непрерывный периодический процесс занимает 8–10 часов, чтобы достичь конечного целевого показателя остаточного количества кофеина. [14]
Пищевой инженер Торунн Аттераас Гарин также разработал процесс удаления кофеина из кофе. [15] [16]
В этом процессе зеленые кофейные зерна замачивают в горячей воде и кофейном растворе, чтобы кофеин попал на поверхность зерен. Далее зерна перекладывают в другую емкость и погружают в кофейные масла, полученные из отработанной кофейной гущи, и оставляют замачиваться.
После нескольких часов воздействия высоких температур триглицериды масел удаляют из бобов кофеин, но не вкусовые элементы. Бобы отделяют от масла и сушат. Кофеин удаляется из масел, которые повторно используются для декофеинизации другой партии зерен. Это контактный метод декофеинизации.
Ученые-диетологи также обратились к сверхкритическому диоксиду углерода (sCO 2 ) как к средству декофеинизации. Разработанный Куртом Зоселем, ученым из Института Макса Планка, он использует CO 2 (углекислый газ), нагретый и находящийся под давлением выше критической точки , для извлечения кофеина. [5] Зеленые кофейные зерна пропаривают, а затем добавляют в сосуд под высоким давлением. Смесь воды и CO 2 циркулирует через сосуд при давлении 300 атм и температуре 65 °C (149 °F). При таком давлении и температуре CO 2 является сверхкритической жидкостью со свойствами, промежуточными между газом и жидкостью. Кофеин растворяется в CO 2 ; но соединения, придающие вкус заваренному кофе, в значительной степени нерастворимы в CO 2 и остаются в зернах. В отдельном сосуде кофеин очищают от CO 2 дополнительным количеством воды. CO 2 затем рециркулируется в сосуд высокого давления. [3] [17]
Чтобы гарантировать качество продукции, производители обязаны тестировать новые кофейные зерна без кофеина, чтобы убедиться, что концентрация кофеина относительно низкая. Согласно стандартам США требуется снижение содержания кофеина как минимум на 97%. [18] В Канаде содержится менее 0,1% кофеина в кофе без кофеина и менее 0,3% в растворимом кофе без кофеина. [19] Многие кофейные компании используют высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ) для измерения количества кофеина, оставшегося в кофейных зернах. Однако, поскольку ВЭЖХ может быть довольно дорогостоящей, некоторые кофейные компании начинают использовать другие методы, такие как спектроскопия ближнего инфракрасного диапазона (БИК) . [20] Хотя ВЭЖХ отличается высокой точностью, БИК-спектроскопия намного быстрее, дешевле и в целом проще в использовании. Наконец, другой метод, который обычно используется для измерения оставшегося кофеина, включает спектроскопию ультрафиолетового и видимого диапазона : он полезен для процессов декофеинизации, включающих сверхкритический CO 2 , поскольку CO 2 не поглощает в УФ-видимом диапазоне. [21]
Контролируемое исследование, проведенное в 2006 году в Университете штата Флорида десяти образцов приготовленного кофе без кофеина из кофеен, показало, что некоторое количество кофеина осталось. [1] Четырнадцать-двадцать чашек такого кофе без кофеина содержат столько же кофеина, сколько одна чашка обычного кофе. [1] Чашки образцов кофе объемом 473 мл (16 унций) содержали кофеин в диапазоне от 8,6 до 13,9 мг. В другом исследовании популярных марок кофе без кофеина содержание кофеина варьировалось от 3 до 32 мг. [22] Напротив, чашка обычного кофе объемом 237 мл (8 унций) содержит 95–200 мг кофеина, [23] а порция кока-колы объемом 355 мл (12 унций) содержит 36 мг кофеина. [24]
По состоянию на 2009 год прогресс в выращивании кофейных зерен, не содержащих кофеин, все еще продолжался. Термин «Декаффито» был придуман для описания этого типа кофе и зарегистрирован как торговая марка в Бразилии. [25]
Перспективы для кофе типа Decaffito были показаны после открытия в 2004 году сорта Coffea charrieriana , не содержащего кофеин. Он имеет дефицитный ген кофеинсинтазы , что приводит к накоплению теобромина вместо превращения его в кофеин. [26] Либо этот признак можно передать другим кофейным растениям путем скрещивания их с C. charrieriana , либо эквивалентный эффект может быть достигнут путем выключения гена кофеинсинтазы в обычных кофейных растениях. [27]
Чай также может быть лишен кофеина, обычно с использованием процессов, аналогичных прямому методу или процессу CO 2 , как описано выше. Окисление чайных листьев для создания черного чая («красного» в китайской чайной культуре) или чайных листьев улуна из зеленых листьев не влияет на количество кофеина в чае, хотя подвиды чайного растения (например, Camellia sinensis sinensis по сравнению с Camellia sinensis assamica ) могут отличаться содержанием натурального кофеина. Молодые листья и почки содержат больше кофеина по весу, чем старые листья и стебли. [ нужна ссылка ] Хотя процесс CO 2 благоприятен, поскольку он удобен, невзрывоопасен и нетоксичен, [28] сравнение обычного зеленого чая с зеленым чаем без кофеина и без кофеина с использованием сверхкритического диоксида углерода показало, что большинство летучих, неполярных соединений (таких как линалоол и фенилацетальдегид) ), соединения зеленого и цветочного вкуса (такие как гексаналь и ( E )-2- гексеналь ), а также некоторые неизвестные соединения исчезли или уменьшились после декофеинизации. [29]
В дополнение к процессу экстракции CO 2 чай можно также очистить от кофеина с помощью обработки горячей водой. Оптимальные условия достигаются за счет контроля температуры воды, времени экстракции и соотношения листьев и воды. Температура 100 °C или выше, умеренное время экстракции 3 минуты и соотношение массы листа к воде 1:20 [ необходимы разъяснения ] удалили 83% содержания кофеина и сохранили 95% общего количества катехинов . [30] Катехины, разновидность флаванолов , придают чаю вкус и, как было доказано, усиливают подавление мутагенов , которые могут привести к раку. [31]
И кофе, и чай содержат танины , которые отвечают за их вяжущий вкус, но в чае содержится около трети танинов, чем в кофе. [32] Таким образом, декофеинизация чая требует большей осторожности для поддержания содержания танинов, чем декофеинизация кофе, чтобы сохранить этот вкус. Сохранение танинов желательно не только из-за их вкуса, но и потому, что они обладают антиканцерогенными, антимутагенными, антиоксидантными и противомикробными свойствами. В частности, танины ускоряют свертывание крови, снижают кровяное давление, снижают уровень липидов в сыворотке и модулируют иммунные реакции. [33]
Определенные процессы во время нормального производства могут помочь напрямую уменьшить содержание кофеина или просто снизить скорость его высвобождения во время каждой инфузии. В Китае это проявляется во многих приготовленных чаях пуэр , а также в более сильно обожженных улунах горы Уи ; обычно называемый «чжунхо» (средний огонь) или «цзухуо» (сильный огонь). [ нужна цитата ]
Общепринятая статистика гласит, что чашка обычного черного (или красного) чая содержит 40–50 мг кофеина, что примерно вдвое меньше, чем в чашке кофе. [34]
Хотя считается, что распространенный метод отказа от короткой (от 30 до 60 секунд) заварки [35] значительно снижает содержание кофеина в последующей заварке за счет некоторой потери вкуса, исследования показывают, что пятиминутная заварка дает до 70 % кофеина, а второй крутой напиток содержит одну треть кофеина, чем первый (около 23% от общего количества кофеина в листьях). [ необходимо разъяснение ] [36]
