Nghiên cứu phương pháp khử caffeine từ hạt cà phê rang

Nghiên cứu phương pháp khử caffeine từ hạt cà phê rang

Không giống như các loại thức uống khác, chức năng chính cuả cà phê khôngphải là giải khát Nhiều người uống cà phê để tạo sự hưng phấn Theo một nghiên cứuđược công bố vào tháng 8 năm 2005 của nhà hóa học Mỹ Joe Vinson thuộc đại họcScranton thì cà phê là nguồn cung cấp các chất chống oxy hóa cho cơ thể, vai trò màtrước đây người ta chỉ thấy ở hoa quả và rau xanh Những chất này cũng gián tiếp làmgiảm nguy cơ bị ung thư ở người Bên cạnh những giá trị cảm quan và dược tính mà

nó đem lại thì tác dụng sinh lý của caffeine có trong cà phê cũng là một mối quan tâmcủa nhiều người Caffeine trong cà phê chiếm tỉ lệ khoảng 0.8 – 2.8% (tùy theo chủngloại cà phê) và góp khoảng 10 – 30% vị đắng cho cà phê [2] Caffeine có ảnh hưởngđến hệ thần kinh, hệ tiêu hóa, hệ bài tiết của con người Bên cạnh những mặt tích cựcnhư tạo sự hưng phấn, tăng cường hoạt động của hệ thần kinh, có nhiều ứng dụngtrong y học như thuốc giảm đau, hạ nhiệt…, caffeine cũng có tác động tiêu cực nhưlàm tăng huyết áp, tim đập nhanh, mất ngủ… Chính vì thế mà nhiều người không sửdụng được cà phê với hàm lượng caffeine cao và dòng sản phẩm cà phê không caffeinexuất hiện

Theo những nghiên cứu trước, việc trích caffeine được thực hiện trên cà phênhân nhằm hạn chế sự tổn thất hương và một số hợp chất khác Có nhiều phương pháptách caffeine từ cà phê nhân đã được nghiên cứu trong nhiều năm qua: dùng dung môihữu cơ (methylen chloride, ethyl acetate, …), dùng nước và dịch trích cân bằng hay

phương pháp dùng CO2 siêu tới hạn Phương pháp dung môi không an toàn cho sảnphẩm vì lượng dung môi còn sót lại ảnh hưởng đến sức khỏe; quy trình CO2 siêu tớihạn là phương pháp hiệu quả nhưng giá thành thiết bị cao nên cũng ít được sử dụngtrong sản xuất thực tế; do đó quy trình dùng nước và dịch trích cân bằng được ưachuộng hơn.

Ngoài ra một số nghiên cứu mới còn thực hiện tách caffeine từ sản phẩm cà phêrang hay từ dịch trích cà phê Tuy nhiên các phương pháp này vẫn không mang lạihiệu quả cao và chỉ ứng dụng trong sản xuất cà phê hòa tan

Đứng trước nhu cầu sử dụng cà phê không caffeine ngày càng cao trên thế giới

và tình hình phát triển ngành công nghiệp cà phê tại Việt Nam còn non trẻ cả về kỹthuật lẫn sản phẩm, chúng tôi tiếp tục phát triển đề tài: “Nghiên cứu phương pháp khửcaffeine từ hạt cà phê rang” mới được nghiên cứu gần đây bởi Thạc sĩ Bùi PhươngNgọc cuả công ty Vinacafe Với mục tiêu là lượng caffeine trong sản phẩm thấp nhất,hương vị cà phê tốt nhất bằng phương pháp đơn giản, rẻ tiền phù hợp với nền sản xuấttrong nước Quá trình nghiên cứu được thực hiện trên cà phê rang bằng dung môi thựcphẩm nhằm đảm bảo an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng và tiến hành tối ưu hóa cácthông số trong nghiên cứu trước đó nhằm đạt được hiệu suất cao hơn đồng thời so sánhhiệu quả của phương pháp thực hiện với phương pháp hiện đại CO2 siêu tới hạn

Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 TÌNH HÌNH KINH TẾ NGÀNH SẢN XUẤT CÀ PHÊ

2.1.1 Tình hình sản xuất, xuất khẩu và tiêu thụ cà phê trên thế giới [12]

Vùng đất khởi nguyên của cây cà phê chính là tỉnh Kaffa thuộc Ethiopia, sau đó

du nhập khắp nơi trên thế giới Đến thế kỉ 15, người ta biết rang hạt cà phê và sử dụnglàm đồ uống Ngày nay cà phê trở thành một trong những thức uống thông dụng toàncầu

2.1.1.1 Tình hình sản xuất [9]

Trên thế giới hiện nay có 75 nước trồng cà phê với diện tích 10 triệu hecta vàsản lượng hàng năm biến động trên dưới 6 triệu tấn Năng suất bình quân chưa vượtquá 6 tạ nhân/ha

Bốn nước có diện tích cà phê lớn nhất: Brazil trên 3 triệu hecta, chiếm 25% sảnlượng cà phê thế giới; Côte d’lvoire (Châu Phi) và Indonesia mỗi nước khoảng 1 triệuhecta; Colombia có gần 1 triệu hecta với sản lượng hàng năm đạt trên dưới 700 ngàntấn Cà phê chè hiện nay vẫn chiếm 70% sản lượng của thế giới Diện tích cà phê chèđược trồng tập trung chủ yếu ở Trung và Nam Mỹ; một số nước ở Đông Phi: Ethiopia,Cameroon, Kenya; một phần ở Châu Á: Indonesia, Ấn Độ, Philiphines

2.1.1.2 Tình hình xuất khẩu [10]

Brazil là nước xuất khẩu cà phê lớn nhất thế giới Các nước xuất khẩu lớn khác

là Việt Nam, Colombia, Indonesia, Côte d’lvoire, Mexico, Ấn Độ, Guatemala,Ethiopia, Costa Rica, Peru, El Salvador

Thị trường cà phê trên thế giới trong những năm vừa qua thường chao đảo,không ổn định nhất là về giá cả Theo số liệu từ Bộ Phát triển Công nghiệp và Ngoại

Thương Brazil, trong tháng 7/2010 xuất khẩu tăng 14.7% so với tháng 6 (lên tới 2.203triệu bao), giá cà phê xuất khẩu và kim ngạch xuất khẩu cà phê tăng so với tháng7/2009 Việt Nam và Ấn Độ cũng có sản lượng cà phê xuất khẩu năm 2010 tăng.Trong khi đó, xuất khẩu cà phê của nước sản xuất cà phê số 1 Trung Mỹ - Guatemalanăm 2010 giảm 2.3% so với niên vụ cùng kì năm ngoái.

2.1.1.3 Tình hình tiêu thụ [12]

Theo Vicofa, các nước phát triển như Bắc Mỹ, Châu Âu và Nhật Bản – nơi tiêuthụ gần 60% sản lượng cà phê thế giới Thị trường các quốc gia xuất khẩu cà phêchiếm 26% lượng tiêu thụ cà phê thế giới Những khu vực tiêu thụ cà phê lớn còn lạibao gồm các thị trường ở Đông Âu và Châu Á Trong số các nước nhập khẩu cà phê,những nước có mức tiêu thụ cao tính theo đầu người là Phần Lan (11.98 kg/năm), Na

Uy (9 kg/năm), Hà Lan (7.9 kg/năm), Thụy Sĩ (7.68 kg/năm), Thụy Điển (7.38kg/năm)

Theo Tổ Chức Cà Phê Quốc Tế (ICO), tiêu thụ cà phê trên thế giới trong nhữngnăm gần đây liên tục tăng

Bảng 2.1: Sản lượng tiêu thụ cà phê trên thế giới trong giai đoạn từ 2005 –

Bảng 2.2: Diện tích, sản lượng cà phê Việt Nam qua các niên vụ

(Ha)

SẢN LƯỢNG (Tấn)

chế biến và bảo quản cà phê còn kém, chất lượng không ổn định Trong những nămgần đây, người nông dân đã chú trọng đầu tư thâm canh và có những cải tiến trongphương pháp trồng, chăm sóc, sử dụng các yếu tố đầu vào như giống, phân bón… hiệuquả hơn nên sản lượng cà phê tăng nhảy vọt, đặc biệt trong niên vụ 2005 – 2006 sảnlượng cà phê đạt tới 1.107.300 tấn, chất lượng cà phê cũng tốt hơn Theo bộ nôngnghiệp Mỹ USDA dự báo, sản lượng cà phê niên vụ 2010 – 2011 của Việt Nam có thểtăng 6.9% lên 18.7 triệu bao Trong đó sản lượng cà phê Robusta đạt 18 triệu bao, sảnlượng cà phê Arabica đạt 0.4 triệu bao.

2.1.2.2 Tình hình xuất khẩu [7]

Cà phê đã trở thành một trong năm mặt hàng nông sản xuất khẩu chủ lực vớisản lượng xuất khẩu trên 1triệu tấn/năm và đạt kim ngạch xuất khẩu gần 2 tỷUSD/năm và đứng thứ hai sau mặt hàng gạo Tuy nhiên ngành cà phê Việt Nam cònbấp bênh, giá cà phê lên xuống thất thường Giai đoạn 1994 – 2004, giá cà phê xuốngthấp nhất trong lịch sử do ảnh hưởng khủng hoảng cà phê trên thế giới, mặt khác dochất lượng cà phê của nước ta còn thấp Sau đó giá cà phê tăng lên nhưng vẫn thấp hơn

so với các nước trong khu vực và trên thế giới

Nguyên nhân cà phê Việt Nam có chất lượng thấp là do quy mô nhỏ lẻ, khôngchuyên môn hóa trong sản xuất, kĩ thuật chế biến cà phê còn hạn chế Cà phê xuấtkhẩu chủ yếu ở dạng nguyên liệu thô.Thêm vào đó là điều kiện thời tiết làm ảnh hưởngđến sản lượng và chất lượng sản phẩm

cà phê bột mà không chú trọng thị trường tiêu thụ nội địa Để phát triển, cà phê ViệtNam cần nâng cao chất lượng và tăng thị phần nội địa.

2.1.3 Các dòng sản phẩm cà phê tiêu thụ trên thế giới

Mỗi quốc gia, vùng miền, dân tộc đều có những văn hóa sử dụng cà phê khácnhau Ví dụ như ở Anh người ta tiêu thụ chủ yếu là cà phê hòa tan, còn cà phê rangxay chỉ chiếm 10% Trong khi đó ở Ý, cà phê hòa tan chỉ chiếm 1% lượng tiêu thụ.Hay ở nước Đức, hiện nay các loại cà phê decaffeine trở nên phổ biến nhưng ở cácnước Châu Âu khác dạng sản phẩm này hầu như vẫn còn xa lạ [62, 63]

Theo những nghiên cứu về tiêu thụ cà phê thế giới những năm gần đây củaHiệp Hội Cà Phâ Thế Giới (ICO) và Hiệp Hội Cà Phê Quốc Gia Mỹ, một số dạng sảnphẩm cà phê cũng như cách thưởng thức cà phê đang dần hình thành và trở nên phổbiến ở nhiều quốc gia trên thế giới Cụ thể

2.1.3.1 Cà phê Espresso

Cà phê Espresso có nguồn gốc từ Ý vào khoảng năm 1930 Espresso được phachế bằng cách dùng nước nóng nén dưới áp suất cao (khoảng 9 – 10 bar) qua bột càphê xay nhuyễn Cà phê pha theo cách này rất đậm và trên bề mặt có một lớp bọt màunâu (cream) góp phần quan trọng trong việc tạo hương thơm cho cà phê

Nguyên liệu pha cà phê espresso là cà phê Arabica rang đậm, màu sẫm Để càphê có nhiều cream và đặc hơn người ta pha trộn hạt cà phê Arabica với Robusta theo

tỉ lệ Arabica:Robusta = 60:40 [49]

Một số hãng cà phê nổi tiếng trên thế giới đã hình thành hệ thống cửa hàng càphê ở nhiều quốc gia theo mô hình sử dụng máy pha espresso cùng người pha chế càphê (barista) như Stabucks, Gloria Jean’s, Costa, Lavazza…

2.1.3.2 Cà phê có bổ sung sữa và các thành phần khác [50]

Các sản phẩm này được pha chế dựa trên nền cà phê Espresso pha bằng máy

Sữa được bổ sung để tạo màu sắc, cấu trúc và tạo hậu vị cho sản phẩm Nhờ vào lượngchất béo có trong sữa, nó giúp tạo cảm giác “đầy” vị và tạo hương, đồng thời giúpphân bố các chất béo hòa tan trong cà phê, đặc biệt đối với cà phê espresso.

Sự kết hợp tạo sự hấp dẫn nhất là khi sữa được bổ sung ở dạng tạo lớp bọt bêntrên các sản phẩm như cappuccino Cả protein và chất béo trong sữa đều hỗ trợ tốt choquá trình tạo bọt: sữa gầy chứa nhiều protein giúp tạo bọt tốt hơn nhưng sữa nguyênkem với thành phần chất béo sẽ giúp bọt bền hơn

Ngoài ra có thể bổ sung các thành phần khác như choccolate, rượu mùi,…tạo rarất nhiều sản phẩm khác nhau

2.1.3.3 Cà phê đóng lon [50]

Đây là sản phẩm đặc biệt rất phổ biến tại Nhật Bản và các nước Châu Á, nhưnglại không được ưa chuộng ở các nước phương Tây Sản phẩm có thể là cà phê nguyênchất hoặc cà phê có bổ sung đường, sữa,… Nhờ vào các kỹ thuật truyền thống (nhưthanh trùng, tiệt trùng, đồng hóa,…) mà người ta có thể tạo ra nhiều loại sản phẩmkhác nhau, được đóng lon, chai hay hộp giấy

2.1.3.4 Cà phê bổ sung hương [50]

Bắt nguồn là ở Mỹ, người ta muốn tạo ra loại sản phẩm mới dành cho nhữngngười không uống được cà phê thay vì chỉ sử dụng các loại thức uống có gas Dần dầncác sản phẩm này chiếm khoảng 15% tổng lượng cà phê tiêu thụ tại Mỹ Các loạihương phổ biến thường được sử dụng có tên là Vanilla Nut, Coconut, Cinnamon vàChocolate Raspberry Crème

Quy trình được thực hiện: trộn dịch chất mùi với hạt cà phê rang hoặc trộn chấtmùi dạng bột vào cà phê rang xay Trường hợp trộn dạng bột, bột chất mùi được tạo rabằng cách trộn chất mùi với chất mang cacbohydrate sau đó đem sấy Cà phê thườngđược rang hơi đậm để giảm mùi cà phê, sau đó làm nguội xuống nhiệt độ phòng và bổsung hương vào

Cà phê này có thể pha chế bằng tất cả các cách, nhưng tránh dùng nhiệt độ quá

cao hay thời gian quá dài làm bay hơi các chất mùi Ngoài ra khi bổ sung các thànhphần khác như đường, sữa thì có thể thay đổi tính chất cảm quan của cà phê, đôi khitạo ra mùi vị không mong muốn.

2.1.3.5 Cà phê không caffeine

Đây là loại cà phê rất phổ biến ở Đức, và hiện nay nhu cầu về loại cà phê nàykhá nhiều ở các quốc gia khác trên thế giới Nguyên nhân là do nhiều người “dị ứng”với chất caffeine có trong cà phê như tăng huyết áp, tim đập nhanh Hiện nay việc chếbiến cà phê không caffeine chiếm khoảng 10% thị trường cà phê Các chuyên gia dựđoán nhu cầu về cà phê không caffeine sẽ cao nếu phát triển được cây cà phê khôngcaffeine tự nhiên [63]

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Campinas (Brazil) đã công bố giống Coffea arabica không có caffeine và có thể sản xuất cà phê không caffeine trực tiếp từ giống

mới phát hiện này Ngoài ra các nhà khoa học Nhật đã phát triển giống cà phê biến đổigen “lọc hết caffeine” đầu tiên trên thế giới Bằng cách hạn chế hoạt động của những

gen tạo chất caffeine trong giống cà phê Coffea canephora, Viện Khoa Học Công

Nghệ Nara đã phát triển cây cà phê chứa hàm lượng caffeine thấp hơn 70% so vớinhững cây cà phê thông thường

2.2 CÂY CÀ PHÊ

2.2.1 Phân loại cà phê [9, 46]

Cây cà phê thuộc họ Thiên Thảo (Rubiaceae) Họ này bao gồm khoảng 500 chikhác nhau với trên 6000 loài cây nhiệt đới, tuy nhiên không phải loài nào cũng chứacaffeine trong hạt Giống cà phê chủ yếu có ba loại:

2.2.1.1 Cà phê chè (Coffea Arabica)

Đây là loài có giá trị kinh tế nhất trong số các loài cây cà phê Cà phê chè chiếm

61% các sản phẩm cà phê thế giới Brazil và Colombia là hai nước xuất khẩu chính càphê này, chất lượng cà phê cũng được đánh giá cao nhất

Cà phê Arabica ưa sống ở vùng núi cao, thường trồng ở độ cao 1000 – 1500m,nhiệt độ từ 16 – 25oC, lượng mưa khoảng trên 1000mm Cây có tán lớn, màu xanhđậm, lá hình oval Cây trưởng thành cao từ 4 – 6m, nếu mọc hoang có thể cao đến15m Quả hình bầu dục, mỗi quả chứa hai hạt cà phê

Cà phê chè trong khoảng 3 – 4 năm có thể bắt đầu thu hoạch Thường thì cà phê

25 tuổi được coi là già và không thu hoạch được nữa, nhưng vẫn có thể sống đượcthêm 70 năm

2.2.1.2 Cà phê vối (Coffea Canephora hay Coffea Robusta)

Cà phê vối là cây quan trọng thứ hai trong các loài cà phê, sau cà phê chè Càphê vối chứa hàm lượng caffeine cao hơn nhưng hương vị không tinh khiết như cà phêchè nên được đánh giá thấp hơn Khoảng 39% các sản phẩm cà phê được sản xuất từloại cà phê này Nước xuất khẩu cà phê vối lớn nhất thế giới là Việt Nam Ngoài racòn các quốc gia khác như Côte d’lvoire, Uganda, Brazil, Ấn Độ

Cà phê vối có thân gỗ hoặc thân bụi, chiều cao trưởng thành có thể lên tới 10m.Quả cà phê hình tròn, hạt nhỏ hơn hạt cà phê Arabica Hàm lượng caffeine trong hạtchiếm khoảng 2 – 4%, trong khi hàm ở cà phê Arabica chỉ khoảng 1 – 2%

Cà phê vối 3 – 4 tuổi cũng có thể bắt đầu thu hoạch Cây cho hạt trong khoảng

20 – 30 năm Cà phê vối sống ở vùng nhiệt đới, độ cao thích hợp để trồng là dưới1000m, nhiệt độ ưa thích khoảng 24 – 29oC, lượng mưa khoảng trên 1000mm Cà phêvối cần nhiều ánh sáng hơn cà phê chè

2.2.1.3 Cà phê mít (Coffea Liberica hay Coffea Excelsa)

Cà phê mít là một trong ba loại cà phê chính của họ cà phê nhưng sản lượng

không đáng kể Cây chịu hạn tốt, ít cần tưới nước nên thường trồng quảng canh, tuynhiên do năng suất kém, chất lượng không cao (có vị chua) nên không được ưa chuộng

2.2.2 Cấu tạo quả cà phê [9, 46]

Bảng 2.3: Thành phần của quả cà phê

Quả cà phê bao gồm: lớp vỏ quả, lớp nhớt, lớp vỏ trấu, lớp vỏ lụa và nhân

Lớp vỏ quả: là lớp vỏ ngoài cùng, mềm mỏng có màu xanh hay đỏ vỏ cà phê

chè thường mềm hơn vỏ cà phê vối và cà phê mít

Lớp vỏ thịt: nằm dưới lớp vỏ quả Vỏ thịt cà phê chè mềm, chứa nhiều chất

ngọt dễ xay xát hơn Vỏ thịt cà phê mít cứng và dày hơn so với cà phê chè

Lớp vỏ trấu: cứng, nhiều xơ, bao bọc xung quanh nhân Vỏ thóc của cà phê chè

mỏng hơn và dễ dập hơn vỏ thóc của cà phê mít và cà phê vối

Lớp vỏ lụa: là lớp vỏ nằm sát nhân cà phê, có màu sắc và đặc tính khác nhau

tùy thuộc loại cà phê Vỏ lụa của cà phê chè có màu trắng bạc, rất mỏng và dễ bongral khỏi hạt trong quá trình chế biến Vỏ lụa cà phê vối màu vàng nâu nhạt Vỏ lụa cà

phê mít màu vàng nhạt.

Nhân cà phê: nằm trong cùng Lớp tế bào phần ngoài của nhân cứng, tế bào

nhỏ, trong chứa dầu Phía trong có những tế bào lớn và mềm hơn Một quả cà phêthường có 1,2 hoặc 3 nhân, thông thường có 2 nhân

Hình 2.1: Cấu tạo giải phẫu quả cà phê 2.2.3 Thành phần hóa học hạt cà phê

Thành phần hóa học của hạt cà phê phụ thuộc vào chủng loại, độ chín, điều kiệncanh tác, phương pháp chế biến và bảo quản

Bảng 2.4: Thành phần hóa học của hạt cà phê [53]

Thành phần (% chất khô) Arabica Robusta

Nước trong cà phê nhân chiếm 10 – 12%, tồn tại dạng liên kết Lượng ẩm cao

vi sinh vật dễ phát triển, hương cà phê tổn thất, ảnh hưởng đến chất lượng cà phê Càphê đã qua chế biến (cà phê rang, cà phê hòa tan) hàm lượng ẩm phải nhỏ 5%

2.2.3.2 Chất khoáng [51 53]

Hàm lượng khoáng trong cà phê nhân chiếm từ 3 – 5%, chủ yếu là K (chiếm40%), một lượng lớn Ca, Mg Ngoài ra còn có Fe, Cu, I, S,…dạng vết Hàm lượng trotrong Arabica thấp hơn trong Robusta, mặt khác hàm lượng tro còn phụ thuộc vàophương pháp sơ chế Quá trình trích ly có khoảng 90% khoáng đi vào dịch trích

2.2.3.3 Carbohydrate [13, 22]

Hàm lượng đường tổng trong Arabica cao hơn trong Robusta

Glucid mạch ngắn: chủ yếu saccharose, ngoài ra còn có các loại đường như

glucose, fructose và các loại đường khác ở dạng vết như stachyose, raffinose,arabinose, mannose,… chiếm khoảng 5 – 8% Vai trò chính là tạo hương, màu và cácchất hương ngưng tụ cao phân tử Hàm luợng đường khử trong Arabica thấp hơnRobusta Quá trình bảo quản có thể làm tăng lượng đường nhờ có enzym thủy phân.Mặt khác, hàm lượng đường khử lại giảm trong quá trình rang do nhiệt độ cao tạothành các phản ứng maillard, caramel tạo hương, tạo màu

Polysaccharide chiếm 40 – 50% tổng lượng chất khô trong cà phê Các loạipolysaccharide có trong cà phê chủ yếu: arabinogalactan, mannan (và/hoặcgalactomannan), cellulose Phân tích hàm lượng carbohydrate tổng của nhiều loạiArabica và Robusta khác nhau cho thấy lượng mannan và cellulose trong hạt Arabica

và Robusta là như nhau giữa các loại (22% và 7%), trong khi lượng arabinogalactantrong Arabica thì hơi thấp hơn Robusta (14% và 17%)

Vai trò của carbohydrate: làm tăng độ nhớt của dịch trích cà phê hòa tan Dịchtrích thường chứa khoảng 30% carbohydrate tổng, tồn tại ở nhiều cấp độ thủy phânkhác nhau Đối với cà phê rang xay giúp ổn định độ bọt cà phê espresso

2.2.3.4 Protein và acid amin [13, 43, 46]

Hàm lượng protein trong cà phê không cao nhưng có vai trò quan trọng trongviệc hình thành hương vị cho sản phẩm, nhờ phản ứng maillard xảy ra giữa acid main

và đường khử sinh ra các hợp chất dị vòng Các acid amin chứa lưu huỳnh nhưcystein, methionine, proline là quan trọng nhất, chúng tạo hương thơm mạnh cho càphê rang Đặc biệt, proline và methionine có tác dụng giảm tốc độ oxy hóa các chấtthơm, giúp giữ mùi thơm của cà phê trong quá trình bảo quản

Hệ enzyme trong cà phê nhân bao gồm: lipase, protease, amylase, peroxidase,catalase, đặc biệt là polyphenol oxydase

2.2.3.5 Lipid [13, 46, 52, 61]

Lipid bao gồm hai nhóm chính: dầu và sáp Trong quá trình chế biến, một phầnacid béo tham gia phản ứng dưới tác dụng của nhiệt độ cao tạo nên hương thơm cho

sản phẩm Lượng lipid còn lại không biến đổi chính là dung môi tốt để hòa tan cácchất thơm.

Thành phần dầu cà phê gồm: triglyceride chiếm 79%, terpene ester 17% và 4%còn lại là sterol, terpene tự do, tocoferol và một số thành phần khác Acid palmitic,stearic, oleic, linoleic là các acid tạo hương thường thấy Trong đó, linoleic chiếm 40%

và acid palmitic chiếm 30% các loại acid béo có trong cà phê Sterol chiếm 5.4% lipidtổng trong cà phê Arabica

2.2.3.6 Các alkaloid [46]

Các alkaloid có trong cà phê được liệt kê trong bảng 2.5 Trong đó chủ yếu làcaffeine và trigonelline

Trigonelline: chiếm khoảng 1% nhưng giảm đáng kể trong quá trình rang, chỉ

còn khoảng 0.1% trong cà phê rang sậm Các sản phẩm phân hủy của trigonelline cómặt trong cà phê rang bao gồm acid nicotinic và methylester của nó, pyridine và β-picoline

Trigonelline là alkaloid không có hoạt tính sinh lý, ít tan trong ethylic, khôngtan trong chloroform và ether, tan nhiều trong nước nóng Tính chất quý củatrigonelline là dưới tác dụng của nhiệt độ cao, nó bị nhiệt phân tạo thành acid nicotinic(tiền vitamin PP)

Các hợp chất xanthin: có mặt ở dạng vết trong cà phê nhân gồm xanthine,

hypoxanthine, adenine và guanine Tất cả các hợp chất này đều không có mặt trong càphê rang

Theobromine và theophylline: hàm lượng có trong cà phê tương đối thấp, trong

cà phê nhân là khoảng 20 – 50 mg/kg

Caffeine: hàm lượng caffeine trong cà phê phụ thuộc vào giống, điều kiện khí

hậu và được trích ly trong phút đầu tiên của quá trình pha cà phê Trong nước pha càphê, caffeine chủ yếu liên kết với acid chlorogenic theo tỷ lệ 1:1

Bảng 2.5: Các loại alkaloid có trong cà phê

G: cà phê nhân; R: cà phê xay

Bảng 2.6: Hàm lượng caffeine trong các loại cà phê [19, 28, 46]

2.2.3.8 Vitamin

Trong cà phê nhân còn có một lượng đáng kể vitamin, chủ yếu là vitamin nhóm

B như B1, B2, B6, B12 và các loại acid hữu cơ là tiền than của các loại vitamin

2.3 CAFFEINE VÀ TÁC DỤNG SINH LÝ ĐỐI VỚI CƠ THỂ

2.3.1. Caffeine [17]

Caffeine là một hợp chất methylxanthine Các dạng methylxanthine thườnggặp: caffeine, theophylline, theobromine Caffeine có mặt trong hạt lá quả của hơn 60loài thực vật và thường gặp trong trà, cà phê, ca cao Các thực phẩm hay đồ uống sửdụng các loài thực vật trên là nguyên liệu sẽ chứa caffeine một cách tự nhiên Ngoài ranhiều nhà sản xuất thực phẩm còn bổ sung caffeine vào sản phẩm để làm tăng mùi vịhay tăng tác dụng y học đối với một số sản phẩm đặc biệt

Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ thăng hoa

Caffeine thăng hoa ở nhiệt độ 180oC

Sự hòa tan

Caffeine hòa tan tốt trong nước sôi, tan tốt nhất trong chloroform ở nhiệt độphòng

Bảng 2.7: Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ thăng hoa của các hợp chất methylxanthine

Thành phần Nhiệt độ thăng hoa ( o C) Nhiệt độ nóng chảy

Bảng 2.8: Độ tan của caffeine trong một số dung môi hữu cơ

Sự hấp thu tử ngoại và hồng ngoại

Các hợp chất methylxanthine hấp thụ mạnh trong dãy tia tử ngoại với bướcsóng khoảng từ 250 – 280nm Quang phổ của các hợp chất methylxanthine rất giốngnhau và chỉ khi sử dụng kĩ thuật như chất dẫn xuất quang phổ mới thấy đươc sự khácbiệt rõ rệt Ngoài sự hấp thu tử ngoại, các hợp chất methylxanthine còn phát quang phổhồng ngoại, cung cấp những thông tin cần thiết về các hợp chất

Sự tạo thành phức hợp

Trong dung dịch nước, caffeine kết hợp với nhau để tạo thành chất nhị trùnghay có thể tạo thành polymer Caffeine cũng kết hợp với purine và pyrimidine cũngnhư với các base tự do hay các nucleoside Caffeine kết tinh từ nước như monohydrat.Acid Chlorogenic tạo phức với caffeine theo tỉ lệ 1:1 có thể được kết tinh từ dung dịchalcohol và một lượng nhỏ caffeine tự do được chiết ra bằng chloroform

2.3.1.2 Phương pháp phân tích định lượng caffeine

Pak C18, rửa sạch bằng ethanol ta phát hiện được caffeine bằng quang phổ ở bướcsóng 272 nm Phương pháp này thực hiện nhanh, đơn giản và đáng tin cậy Hệ số hồiquy xấp xỉ 100%, hệ số chuyển đổi nhỏ hơn 0.5%

Thin – layer Chromatography (TLC)

TLC có khả năng phân tích một lượng lớn mẫu với sự tách biệt methylxanthinekhá tốt với chi phí tương đối thấp Hiện nay TLC được sử dụng cho nhiều loại thực

phẩm khác nhau Phương pháp khá đơn giản, chính xác và thuận tiện Kết quả phép đo

cuối cùng được thực hiện bởi việc đo kích thước diện tích vết là lĩnh vực có phần hạnchế của phương pháp

Sắc kí khí (GC)

GC được sử dụng rộng rãi trong phân tích thực phẩm nhưng không dùng xácđịnh những alkaloid không bay hơi trong thực phẩm như HPLC Trong cuốn AOACMethods of Analysis tái bản lần thứ 13 xếp phương pháp GC vào xác định caffeinetrong cà phê và trà sử dụng máy dò sự phát electrone KCI cùng với cột thủy tinh 6ft x4mm i.d được xếp chặt với 10% DC-200 trên 80 đến 100-mesh Gas Chrom Q

Sắc Kí Lỏng Cao Áp (HPLC)

HPLC cho phép định lượng bằng cách chiết tách đơn giản, độ nhạy cao, thờigian cho kết quả nhanh

2.3.2 Tác dụng sinh lý đối với cơ thể [15, 16, 20, 27, 36]

Caffeine là chất kích thích có dược tính được tiêu thụ rộng rãi nhất trên thế giới.Tác dụng của caffeine đối với cơ thể con người được thực hiện chủ yếu ở các điểm:

Tác dụng tích cực

Caffeine có tác dụng kích thích hoạt động của hệ thần kinh, làm gia tăng các

hoạt động thể chất có liên quan đến hệ thần kinh như hoạt động trí não, gia tăng trạngthái thức tĩnh, hoạt động tư duy, làm tăng nhịp tim, tăng huyết áp, tăng hoạt động của

cơ bắp… Qua đó nó có tác dụng làm tăng sự hưng phấn tinh thần, làm tăng sự tậptrung trí óc và làm việc hiệu quả

Một tác dụng khác của caffeine đối với cơ thể là kích thích hoạt động của thận.Nhờ đó giúp cơ thể nhanh chóng thải ra ngoài những sản phẩm thừa của quá trình traođổi chất Caffeine giúp tăng cường sự trao đổi chất, sự hấp thụ oxy trong cơ thể Bêncạnh những tác động trên cuả caffeine đối với thận thì tác dụng quan trọng nhất củacaffeine đối với cơ thể là lợi niệu

Ngoài ra, theo những nghiên cứu mới đây của các nhà khoa học, caffeine có ảnhhưởng đến hệ hô hấp, dạ dày Đối với hệ thống hô hấp, caffeine kích thích hệ hô hấp,tạo sự thoải mái cho cơ và khí quản Do đo, caffeine thường được sử dụng trong ykhoa như một chất trợ hô hấp hay một thứ thuốc để chữa bệnh suyễn

Tác dụng tiêu cực

Caffeine cũng có thể gây tác hại đáng kể đến sức khỏe con người nếu bị lạmdụng Các nghiên cứu trên chuột cho thấy hấp thụ caffeine liều cao kéo dài liên tục cóthể gây mệt mỏi, suy nhược, làm gia tăng nguy cơ bệnh tim mạch, huyệt áp, viêm loét

dạ dày, tá tràng…

Nếu uống cà phê liên tục để kích thích trí não, có thể dẫn đến tình trạng suynhược thần kinh do làm việc quá sức, gia tăng nhạy cảm với stress… và có thể dẫn đếntình trạng nghiện, tức là phải có caffeine kích thích tế bào thần kinh mới làm việc.Điều này không tốt, vì đồng thời với kích thích thần kinh, caffeine cũng làm tăng nhịptim, tăng huyết áp, tăng tiết dịch vị… và như vậy cũng có thể làm tăng các nguy cơbệnh tim mạch, tiêu hóa…

Cà phê tuyệt đối không nên dùng ở trẻ em và phụ nữ có thai hay đang cho con

bú Dù tác hại vẫn chưa chứng minh rõ rang nhưng nhìn chung người ta khuyến cáokhông sử dụng cà phê ở những đối tượng này Ngoài ra, những đối tượng khác cầnkiêng cữ cà phê là những bệnh nhân tim mạch, huyết áp, tiểu đường, loét dạ dày, tá

tràng, viêm ruột kích thích, các bệnh nhân có các bệnh lý thần kinh như rối loạn thầnkinh thưc vật, suy nhược thần kinh…

Khử caffeine (decaffeination) là thuật ngữ chỉ kỹ thuật tách caffeine từ cà phênhằm mục đích sản xuất các loại cà phê “không caffeine” (hàm lượng cà phê tuân theocác tiêu chuẩn cụ thể) nhưng vẫn giữ được hương vị đặc trưng cuả cà phê

Bảng 2.9: Một số tiêu chuẩn về cà phê khử caffeine

Do hầu hết hương vị của cà phê được tạo ra trong quá trình rang, quá trình khửcaffeine hầu hết được tiến hành trên cà phê hạt cà phê nhân chưa rang Tuy nhiên,những tiến bộ trong kỹ thuật thu hồi chất thơm đã cho phép thực hiện được quá trìnhkhử caffeine từ dịch trích cà phê rang xay Ngày nay, các sản phẩm cà phê nhân, càphê rang xay và cà phê hòa tan không caffeine đã trở nên rất phổ biến

Các phương pháp khử caffeine khác nhau có thể phân ra thành 3 nhóm chính.Như chúng ta đã biết, caffeine là một chất phân cực yếu, nên cần chọn một dung môihay tác nhân thích hợp cho quá trình tách caffeine khỏi cà phê Các phương pháp nàyđược phân loại dựa trên việc lựa chọn dung môi hay tác nhân cho quá trình khửcaffeine [34]

Khử caffeine bằng các dung môi hữu cơ: được ứng dụng thành công đầu tiên

bởi nhà khoa học Roselius của hãng ‘Kaffee HAG’

Quy trình khử cà phê bằng nước (được đề cập lần đầu tiên vào năm 1941 bởi

Berry và Walters), thực hiện trên cà phê nhân bằng cách dùng dung dịch cân bằng cácchất hòa tan khác caffeine và tách caffeine từ dịch trích bằng dichloromethane tronghệt trích ly lỏng/lỏng Ngoài ra, có thể sử dụng than hoạt tính để hấp phụ caffeine thaycho việc trích ly bằng dung môi, đây mới là nguyên lý cơ bản của quy trình Swisswater (Fischer, 1979).

Khử caffeine bằng CO 2 siêu tới hạn: Tính hòa tan chọn lọc đối với caffeine

trong CO2 siêu tới hạn đã ứng dụng bởi hãng HGA (Đức), dựa trên nghiên cứu của

‘Studiengesellschaft Kohle in Muhlheim’ (Zosel, 1965) vế tính lỏng của lưu chất siêutới hạn

Quy trình khử caffeine bằng công nghệ sinh học: những nghiên cứu mới nhất để

khử caffeine trong cà phê là những nghiên cứu thuộc lĩnh vực công nghệ sinh học TạiĐại học Glasgrow (Scotland) và Đại học Ochanomizu and Tsukuba (Nhật), các nhàkhoa học đã nghiên cứu và phong tỏa gen tổng hợp caffeine trong cà phê Nếu như có

sự hỗ trợ về tài chính và những nghiên cứu tiếp theo cho thấy sản phẩm này không gâynguy hại gì cho sức khỏe con người thì kết quả có thể được ứng dụng trong 5 – 10 nămtới

2.4.1 Phương pháp dùng dung môi hữu cơ [54]

Đây là quy trình lâu đời nhất trong công nghệ khử caffeine Phương pháp nàydựa trên nguyên tắc sử dụng một dung môi hữu cơ có độ chọn lọc đối với caffeine đểtrích ly caffeine trong nguyên liệu Những yêu cầu khi lựa chọn một dung môi cho quátrình khử caffeine là khả năng hòa tan chọn lọc với caffeine, tính an toàn, giá cả, dễdàng tách dung môi ra khỏi nguyên liệu, dễ thu hồi dung môi, không độc và an toànvới môi trường Các dung môi thường sử dụng là benzene, ethyl acetate, methylenechloride, methyl acetate, trichloroethane, ethylmethylketone Trong đó methylchloride và ethyl acetate vẫn chiếm ưu thế vượt trội so với các loại dung môi khác

Ảnh hưởng của các dung môi lên sức khỏe con người và môi trường đã đượcgiảm thiểu nhiều Lượng dung môi cần cho 1 tấn cà phê nhân thường ít hơn 10kg

Dung môi sót lại trong cà phê khử caffeine đã được rang là 2mg/kg; một số dâychuyền xử lý tốt có thể đạt đến 0.3mg/kg.

Một số nghiên cứu sử dụng caffeic acid (3,4-dihydroxycinnamic acid) để tănghiệu quả khử caffeine trong phương pháp sử dụng dung môi methylene chloride, ethylacetate, dầu đậu nành Khi trộn các dung môi không tan trong nước với các tinh thểcaffeic trong nước thì sẽ giúp hình thành nhanh chóng các tinh thể phức hợpcaffeine/acid caffeic ở nhiệt độ thường Phức hợp này có thể được tách ra ngoài bằngphương pháp lọc hay ly tâm Hiệu quả khử caffeine lớn hơn nhiều so với chỉ trộn vớinước Những kết quả đầu tiên này đã cho thấy phương pháp này có thể giúp giảmlượng nước sử dụng, tăng tính chọn lọc đối với caffeine và giảm sự thất thoát vềhương vị trong quá trình trích ly xuôi dòng

Kỹ thuật mới phát triển đã chuyển quy trình khử caffeine từ dạng gián đoạnsang bán tự động, giúp giảm thời gian xử lý Năm 1984, Morrison và các cộng sự đã

đề xuất quy trình sử dụng nhiều tháp ngược dòng, giảm thời gian trích ly (thời gian càphê tiếp xúc với dung môi chỉ từ 3 – 5h), giảm lượng chất hòa tan thất thoát và vì vậylàm tăng chất lượng thành phẩm

Một kỹ thuật khác tiến hành khử caffeine trên dịch trích cà phê đã qua rang vàxay được tiến hành bởi Jones và các cộng sự (1985) Trước khi sản xuất cà phê hòatan, dịch trích được trộn với dung môi (Vd: methylene chloride) trong hệ trích lylỏng/lỏng Caffeine và một số chất khô khác sẽ chuyển sang pha dung môi, sau đóchúng được trộn với nước, chuyển sang bước trích ly lỏng/lỏng lần thứ 2 Phần lớn cácchất rắn khác caffeine thì hấp thu vào trong nước và có thể tái sử dụng trong quá trìnhtrích caffeine; còn caffeine được tách ra ngoài bằng phương pháp chưng cất

Phương pháp dùng dung môi trực tiếp

Trong phương pháp này, dung môi được sử dụng trong cả chu trình Đầu tiên,các hạt cà phê nhân được sục hơi nước áp suất cao Sau đó, trích ly caffeine ra khỏi hạtbằng cách cho hạt tiếp xúc với dung môi ở áp suất cao, nhiệt độ gần với nhiệt độ sôicủa dung môi Sau thời gian trích ly cần thiết, hạt được tách ra khỏi dung môi và sấy,

caffeine được tách ra khỏi dung môi bằng phương pháp chưng cất.

Hình 2.2: Quy trình khử caffeine bằng dung môi hữu cơ trực tiếp

Phương pháp dùng dung môi gián tiếp

Trong phương pháp gián tiếp, dung môi không tiếp xúc trực tiếp trực tiếp với hạt Đầutiên, caffeine được tách ra bằng cách ngâm nguyên liệu trong nước nóng (các hợp chất hòa tankhác cũng đi vào trong nước) Sau đó, dung môi hữu cơ được sử dụng để trích ly caffeine từdịch ngâm, cà phê nhân được ngâm trở lại với nước ngâm đã tách caffeine để tái hấp thu cáchợp chất hương

Cà phê nhân

Xử lý, làm sạch

Sục hơi nước(W = 14 – 18%)

Làm ẩm(W = 40 – 45%)Tách caffeine

Tách dung môi

Sấy

Làm nguội

Sản phẩm

Hơi nước

Nước nóngDung môi

Tạp chất

Nước xả

Dung môi + caffeine

Hình 2.3: Quy trình khử caffeine bằng dung môi hữu cơ gián tiếp

Ưu nhược điểm của phương pháp

Phương pháp này có ưu điểm là rẻ tiền, thiết bị đơn giản, tính hòa tan chọn lọccao với caffeine nên hơn 50% sản lượng cà phê khử caffeine trên thế giới được sảnxuất bằng phương pháp này

Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là ảnh hưởng đến môi trường đặcbiệt là ảnh hưởng tới sức khỏe người tiêu dùng do lượng dung môi còn sót lại ; khó thuhồi dung môi ; lạc hậu với xu hướng mới về độ “sạch” công nghệ nên ngày càng ítđược sử dụng và được thay thế bằng các phương pháp khác hiệu quả hơn

Cà phê nhân

Nước nóngDung môi

Hạt

Tạp chất

Dung môi + caffeine

2.4.2 Phương pháp Swiss water [14, 34]

Nguyên tắc này cũng gần giống với phương pháp trích ly bằng dung môi trựctiếp, tuy nhiên để tránh trích ly hết các hợp chất tan trong nước của hạt, dung môi sửdụng là một dung dịch đã cân bằng các chất khô hòa tan trong nước của hạt nhưng hầunhư không có caffeine

Phương pháp Swiss water được thực hiện dựa trên nguyên tắc dùng than hoạttính khử caffeine trong dịch trích để tạo dịch trích cân bằng Từ đó tạo ra dịch trích đãbão hòa các chất khô nhưng không chứa hoặc chứa rất ít caffeine Sau đó dùng dịchtrích này để khử caffeine thay vì dùng nước thường

Với dịch nước đã bão hòa chất khô hòa tan (không chứa caffeine) thì dịch trích

sẽ không hòa tan thêm thành phần khác trong cà phê mà chỉ hòa tan caffeine Tiếptheo, caffeine được lấy ra khỏi dịch trích bằng cách cho qua cột than hoạt tính Dòngnước ra khỏi cột hấp phụ là dòng bão hòa các chất hòa tan không chứa caffeine vàđược tái sử dụng để trích ly caffeine cho mẻ sau

Hình 2.4: Quy trình khử caffeine bằng phương pháp Swiss water.

Ưu nhược điểm của phương pháp

Ưu điểm của phương pháp này là không cần bước xử lý hơi nước và làm ẩm ;giảm xử lý nhiệt hạt do không có quá trình đuổi dung môi ; hiệu suất trích ly caffeinecao và caffeine thu được trong quá trình tái tạo tinh khiết hơn ; tránh tổn thất các chấtkhô hòa tan và tạo ra sản phẩm có hương vị tốt hơn

Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp là thời gian trích ly kéo dài Đồng thờiviệc sử dụng cột than hoạt tính khử caffeine một thời gian sẽ bão hòa, việc xử lý cột vàtái sử dụng cột còn hạn chế

Tạp chất

Cà phê nhân

Xử lý, làm sạch

Tách caffeine

Làm nguộiSấy

Sản phẩm

Tách caffeine

Dịch trích cân bằng

Than hoạt tính

Pha lỏngPha lỏng

Pha rắn

2.4.3 Phương pháp dùng CO 2 siêu tới hạn [34, 42]

Vào thế kỷ XIX, người ta đã phát hiện ra trạng thái siêu tới hạn của một số chấtnhất định Ở điểm tới hạn, pha lỏng và pha khí là đồng nhất Một chất lỏng siêu tới hạn(Supercritical fluid – SFC) là một hợp chất tồn tại ở nhiệt độ và áp suất cao hơn điểmtới hạn Trong vùng siêu tới hạn chỉ có một pha tồn tại

Chất lỏng ở trạng thái siêu tới hạn được mô tả là chất lỏng rất linh động Tínhchất hòa tan của nó gần giống như chất lỏng Đồng thời nó lại có khả năng vận chuyểnnhư chất khí Vì vậy tốc độ trích ly và chuyển pha có thể nhanh hơn rất nhiều so vớicác phương pháp trích ly truyền thống Ngoài ra, có thể thay đổi được điều kiện trích

ly để tác độngg lên quá trình phân tách dễ dàng

Bảng 2.10: Tính chất một số chất lỏng siêu tới hạn

Chất lỏng Nhiệt độ tới hạn

( o K)

Áp suất tới hạn (Bar)

Ở trong trạng thái siêu tới hạn, CO2 ở dạng trung gian giữa thể khí và thể lỏng

Nó có tỉ trọng như chất lỏng và nhờ đặc tính này có thể dùng hòa tan các chất hữu cơ

có hiệu quả Nó thường được dùng để thay thế các dung môi chlor hóa để trích ly cáchợp chất hữu cơ Một khi hợp chất được hòa tan chỉ cần giảm áp chất lỏng là thu hồiđược phần chiết hoàn toàn tinh khiết Mặt khác, CO2 siêu tới hạn không sinh ra bất kìmột chất thải lỏng hoặc khí nào

Hình 2.5: Quy trình khử caffeine bằng CO2 siêu tới hạn

Cà phê nhân sau khi được làm ẩm, sẽ được chuyển vào bình trích ly thông quamột van lớn CO2 siêu tới hạn được nạp liên tục vào một đầu của bình trích ly chứa càphê nhân CO2 chứa caffeine được rút ra ở đầu còn lại Sau khi đi khỏi tháp trích ly,caffeine được tách ra khỏi CO2 trong cột trích ly khác bằng cách dùng than hoạt tínhhấp phụ caffeine, CO2 được tái sử dụng trong mẻ tiếp theo

Trong dây chuyền khử caffeine bán liên tục đầu tiên của hãng general Foods(Katz và các cộng sự, 1990), người ta sử dụng phương pháp nước ngược dòng để táchcaffeine khỏi dòng CO2 Dòng nước chứa caffeine sau đó được cô đặc bằng màng RO

Tạp chất

Cà phê nhân

Ngưng tụ CO2

Tách caffeine

CO2 siêu tới hạn

Than hoạt tính

Pha khí Pha rắn

đến nồng độ 97% hoặc hơn, và dịch trích không chứa caffeine có tính acid được đưatrở lại quy trình.

Hình 2.6: Dây chuyển khử caffeine bán tự động của hãng General Foods [41]

Ưu nhược điểm của phương pháp

So với phương pháp dùng dung môi và nước nóng thì phương pháp này cónhững ưu điểm sau: có thể điều khiển được khả năng hòa tan của caffeine trong CO2siêu tới hạn bằng cách điều chỉnh nhiệt độ và áp suất ; tính trơ của CO2 ; tính chọn lọccủa CO2 với caffeine cao ; đảm bảo được hương vị của sản phẩm ; tách dung môi dễdàng ; dễ thu hồi caffeine ; sản phẩm có độ tinh khiết cao và không gây độc nhưphương pháp dùng dung môi

Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là giá thành thiết bị cao, quá trìnhsản xuất bị gián đoạn Nhờ những tiến bộ vượt bậc của khoa học, mới đây hãng Thar-

Mỹ đã cho ra đời hệ thống SFC tự động dùng cho nghiên cứu và sản xuất giúp cho quátrình sản xuất liên tục Dưới đây là dây chuyền khử caffeine liên tục:

Bình trích ly

Cột nước tách caffeine

Cà phê nhân

CO2giàu caffeine

CO2 ít caffeine

Nước không chứa caffeine

Nước giàu caffeine

Cà phê nhân đã

khử caffeine

Hình 2.7: Lưu hình đơn giản của hệ thống trích ly siêu tới hạn tự động

2.4.4 Một số kỹ thuật hỗ trợ trích ly

Ngoài các phương pháp kể trên, nhiều nghiên cứu được tiến hành nhằm cải tiến

và tăng hiệu quả trích ly bằng phương pháp dung môi Chẳng hạn như dùng dung môisạch, an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng, như các hoạt chất thiên nhiên hay cácdung môi được phép sử dụng trong thực phẩm Bên cạnh đó, các kỹ thuật hỗ trợ trích

ly cũng được đề ra như kỹ thuật vi sóng, siêu âm…

2.4.4.1 Kỹ thuật vi sóng [67]

Vi sóng (microwave) là sóng điện từ lan truyền với vận tốc ánh sáng Cơ sở củahiện tượng phát nhiệt do vi sóng là sự tương tác giữa điện trường và các phân tử phâncực bên trong vật chất Dưới tác động của điện trường một chiều, các phân tử lưỡngcực có khuynh hướng sắp xếp theo chiều điện trường này Nếu điện trường là một điệntrường xoay chiều, sự định hướng của các phân tử lưỡng cực sẽ thay đổi theo chiềuxoay đó Trong điện trường xoay chiều có tần số rất cao (2.45x109 Hz), điện trườngnày sẽ gây ra một xáo động ma sát rất lớn giữa các phân tử, đó chính là nguồn gốc sựnóng lên của vật chất

Phân tử nước là một chất phân cực rất lớn Do đó, nước là một chất rất lý tưởng

để đun nóng bằng vi sóng Ngoài ra các nhóm định chức phân cực như: -OH, -COOH,-NH2,… trong các hợp chất hữu cơ cũng là những nhóm chịu tác động mạnh củatrường điện từ.

Vi sóng cung cấp một kiểu đun nóng không dùng sự truyền nhiệt thông thường.Với kiểu đun nóng bình thường, sức nóng đi từ bề mặt của vật chất dần vào bên trong.Còn trong trường hợp dùng vi sóng, vi sóng xuyên thấu vật chất và làm nóng vật chấtngay từ bên trong

Caffeine là chất phân cực yếu, nhưng dưới tác dụng của vi sóng làm nóng cácthành phần trong hạt, caffeine cũng sẽ bị ảnh hưởng và bị lôi cuốn theo dòng dungmôi, hòa tan vào dung môi trích ly

2.4.4.2 Kỹ thuật siêu âm [44]

Siêu âm là âm thanh có tần số nằm ngoài ngưỡng nghe của con người (16Hz –18kHz) Siêu âm cung cấp năng lượng thông qua hiện tượng tạo và vỡ “bọt” (khoảngcách liên phân tử) Trong môi trường lỏng, bọt có thể hình thành trong nửa chu kìđầu,và vỡ trong nửa chu kì sau, giải phóng một năng lượng rất lớn

Trong lĩnh vực hợp chất thiên nhiên, siêu âm chủ yếu sử dụng để hỗ trợ chophương pháp thẩm trích giúp thu ngắn thời gian trích ly

Quá trình trích ly hợp chất hữu cơ chứa trong thân cây và hạt trong dung môiđược cải tiến đáng kể, bằng cách sử dụng năng lượng sóng siêu âm trong quá trìnhtách chiết Đây là kết quả của việc phá vỡ màng sinh học tế bào, giúp giải phóng cácchất tan Trong vài trường hợp, xử lý siêu âm làm tăng hiệu quả trích ly ở nhiệt độthấp hơn, cho sản phẩm tinh khiết hơn, thời gian ngắn hơn

2.4.5 Thu hồi, tinh chế caffeine

Caffeine có giá trị thương mại cao, được dùng cả trong thực phẩm lẫn dượcphẩm Caffeine có thể được thu nhận từ quá trình khử caffeine trong cà phê hay trà,hay có thể sản xuất bằng phương pháp tổng hợp [42] Ở các quy trình khử caffeinebằng CO2 siêu tới hạn hay quy trình khử bằng nước, caffeine được hấp phụ vào than

hoạt tính Việc thu hồi caffeine từ than hoạt tính không kinh tế và caffeine thường bịphân hủy trong quá trình tái sinh than hoạt tính ở nhiệt độ 600 – 800oC Do đó, khoảng70% tổng lượng caffeine phục vụ cho nhu cầu thế giới vẫn được sản xuất bằng phươngpháp tổng hợp.

Quá trình tinh chế trải qua nhiều bước nhằm hai mục đích chính

 Loại lớp sáp và dầu của cà phê lẫn vào dung dịch sau quá trình táchcaffeine

 Loại các chất tan trong nước tương tự caffeine (các chất này sẽ làm chitinh thể caffeine thu được thô và sẫm màu)

Dạng tinh thể caffeine đạt tiêu chuẩn có màu trắng, hình kim

Caffeine thu nhận từ quá trình khử caffeine trải qua nhiều bước khác nhau tùytheo phương pháp khử caffeine

2.4.5.1 Đối với phương pháp hấp phụ caffeine

Than hoạt tính được xem là chất hấp phụ tốt caffeine, nhưng than hoạt tínhthường giữ caffeine quá chặt nên một lượng caffeine bị bất hoạt làm giảm giá trịthương mại Ngoài ra, còn ảnh hưởng tới việc tái sử dụng than hoạt tính Một sốnghiên cứu về việc nhả hấp phụ caffeine ra khỏi than hoạt tính như sau:

Hãng General Foods đưa a quy trình thu hồi caffeine từ than hoạt tính bằngcách xử lý với acid hữu cơ hoặc rượu cho hiệu suất thu hồi dưới 73% [38] Karmiol vàcác cộng sự (1984) đã sử dụng dung dịch ethylene carbonate hay propylene carbonate

để thu hồi caffeine, cho hiệu suất tối thiểu 50% Khi bổ sung muối (như kalicarbonate) làm thay đổi độ phân cực của dung dịch chứa caffeine, làm cho caffeine kếttủa Lọc hay li tâm thu được caffeine [39]

Hãng HAG đã phát trỉển phương pháp thu hồi caffeine bằng cách xử lý thanhoạt tính chứa caffeine với nước nóng ở áp suất tối thiểu 86 bar (tốt nhất là 200 bar),nhiệt độ 300oC trong thời gian 1 – 3h Caffeine có thể thu hồi từ dung dịch bằng cách

cô đặc, phân riêng bằng membrane hiệu suất khoảng 65%.

Một quy trình khác được phát triển bởi Douwe Egbert: than hoạt tính chứacaffeine được xử lý với hỗn hợp tối thiểu 65% acid acetic và 2% acid citric (về khốilượng), nhiệt độ khoảng 150oC, hiệu suất thu hồi có thể đạt đến 90% Caffeine đượcthu hồi từ dung dịch bằng phương pháp kết tinh [40]

Đánh giá các hệ thống thu hồi, có thể nhận thấy một số điểm không thuận lợigây giới hạn việc ứng dụng rộng rãi ở quy mô thương mại

 Đối với các quy trình thu hồi caffeine bằng dung môi ảnh hưởng đến độsạch của caffeine

 Tổn thất dung môi do dung môi bị mất đi khi rửa than hoạt tính và khitách caffeine ra khỏi dung môi

 Dung môi sử dụng dễ bay hơi và gây cháy nổ

 Than hoạt tính phải được rửa và tái sinh trước khi đưa vào sử dụng trởlại cũng là vấn đề cần giải quyết

Một hệ thống thu hồi caffeine trực tiếp được phát minh gần đây dựa trên nghiêncứu của hãng HAG (Wilkens, 1986 ; Sipos và Jones, 1994) đã giải quyết được một sốvấn đề nêu trên Than hoạt tính chứa caffeine được xử lý trong bình phản ứng tầng sôi

3 tầng Tầng trên cùng xảy ra quá trình nhả hấp caffeine diễn ra ở nhiệt độ khoảng360oC, caffeine trực tiếp đi vào dòng khí Dòng khí trơ, sạch (hầu như không có oxy)

đi vào tầng dưới cùng có nhiệt độ khoảng 800oC và hoạt hóa than hoạt tính Tầng giữa,những thành phần caffeine không giải hấp và chất hữu cơ khác bị phân hủy Sau khihoạt hóa, than hoạt tính được làm mát bằng nước và đưa trở lại hệ thống khử caffeine.Dòng khí chứa caffeine được đưa qua hệ thống làm nguội, caffeine được hấp thụ vàotrong nước, sau đó kết tinh Các tinh thể caffeine thô (đạt khoảng 60% lượng đi vào hệthống thu hồi) chứa dưới 5% tạp chất và khoảng 35% nước [34]

2.4.5.2 Đối với phương pháp khử caffeine bằng dung môi

Quy trình được thực hiện như sau

Hình 2.8: Quy trình thu nhận caffeine đối với phương pháp dùng dung môi hữu cơ 2.4.6 Xu hướng mới trong công nghệ khử caffeine [55, 56]

Việc ứng dụng công nghệ sinh học và sinh học phân tử giải mã bộ gene tạo hạt

cà phê đang tiến triển, hứa hẹn xuất hiện nhiều đồn điền “cà phê không caffeine” hoàntoàn tự nhiên trong vài năm tới

Hiên Ogawa và các cộng sự (2001) đã hoàn thành nghiên cứu về kĩ thuật tái tổhợp DNA nhằm tạo giống cà phê không caffeine bằng cách vô hoạt enzymemethyltransferase, điều chỉnh quan trọng trong con đường hóa sinh tạo ra caffeine

Dung môi chứa caffeine

Đuổi dung môi

Một hướng phát triển mới trong việc tách caffeine ra khỏi dịch trích là việc sửdùng công nghệ enzyme và vi sinh vật vi sinh vật được đưa vào dịch để khử caffeinetrong dịch trích Swiss water và tạo ra một dịch trích đã bão hòa chất khô hòa tannhưng vẫn không chứa hoặc chứa rất ít caffeine Một số giống vi sinh vật đã đượcnghiên cứu cho quá trình này như Pseudomonas, Asperillus, Penicillium…So vớiphương pháp Swiss water kết hợp với than hoạt tính trong việc khử caffeine thìphương pháp Swiss water kết hợp với vi sinh vật cho kết quả khử caffeine cao hơn vàhoàn toàn sạch với môi trường do không sử dụng bất cứ dung môi nào

2.4.7 Nhu cầu và tiềm năng phát triển sản phẩm cà phê khử caffeine [34]

Do những tác dụng sinh lý của caffeine tới sức khỏe con người nên nhu cầu đồuống có ít hoặc không có caffeine ngày càng tăng cao

Bảng 2.11: Sản lượng cà phê khử caffeine trên toàn thế giới

và người lớn tuổi cũng sử dụng nhiều hơn so với người trẻ (độ tuổi 60 trở lên là 24%,

30 – 59 tuổi là 11% và 20 – 29 tuổi là 3%) [36]

Những người dùng sản phẩm cà phê khử caffeine với mục đích trách các tácdụng kích thích cao của caffeine Ngoài ra những người quan tâm đến sức khỏe vàkhẩu phần hằng ngày cũng tìm đến loại sản phẩm này Chính vì vậy, hiện nay nhu cầu

về cà phê khử caffeine ngày càng tăng và lượng tiêu thụ đã chiếm đến 17% tổng lượng

cà phê tiêu dùng trên thế giới.

Do nhu cầu về cà phê khử caffeine tăng, nhiều công ty đã đầu tư xây dựngnhiều hệ thống sản xuất với công suất lớn, chủ yếu là những công ty sản xuất cà phêrang, tập trung ở những vùng có nguồn tiêu thụ lớn là Châu Âu và Mỹ Khoảng 50%sản lượng cà phê khử caffeine trên thế giới được sản xuất tại Đức và Pháp

Trong các hệ thống sản xuất sản phẩm ơày trên thế giới, phần lớn sử dụngphương pháp khử bằng dung môi như dichloromethane và ethyl acetate, chỉ có 21.7%dùng nước Nguyên nhân cũng do các yếu tố về kinh tế Tổng chi phí (không tínhnguyên liệu) để sản xuất 1kg cà phê khử caffeine theo các phương pháp là:

 Dùng dung môi: 30 – 40 US cents/kg

 Dùng CO2 siêu tới hạn: 55 – 65 US cents/kg

Chương 3: NGUYÊN LIỆU – PHƯƠNG

PHÁP NGHIÊN CỨU

Hầu hết các quy trình khử caffeine, điển hình là quy trình khử caffeine bằngphương pháp Swiss Water và phương pháp CO2 siêu tới hạn của hãng General Foods,đều được thực hiện trên cà phê nhân nhằm tránh tổn thất hương, do các hợp chấthương được hình thành chủ yếu trong quá trình rang Việc chọn lựa nguyên liệu banđầu từ cà phê nhân có nhược điểm là cấu trúc tự nhiên của hạt thì việc trích ly caffeine

ra khỏi tế bào đòi hỏi phải sử dụng áp suất cao, nhiệt độ cao hoặc thời gian trích ly kéodài, là nguyên nhân làm tổn thất chất khô, biến đổi cảm quan và chất lượng hạt

Một số nghiên cứu được thực hiện trên dịch trích cà phê đã qua rang xay (Jones

và các cộng sự, 1985 hay Kaleda và các cộng sự, 1986), chủ yếu phục vụ cho côngnghệ sản xuất cà phê hòa tan không caffeine Và mới đây nhất là nghiên cứu ban đầucủa phương pháp trích ly có hỗ trợ kỹ thuật siêu âm, kỹ thuật vi sóng để khử caffeine

từ cà phê rang của Bùi Phương Ngọc thuộc công ty Vinacafe Biên Hòa, 2009 cho thấytiềm năng về việc khử caffeine từ hạt cà phê rang Chính vì vậy, chúng tôi tiếp tụcnghiên cứu phương pháp khử caffeine với nguyên liệu là cà phê rang, với mục tiêu lànâng cao hiệu suất khử caffeine mà sự tổn thất hương và tổn thất chất khô là ít nhất

Theo nghiên cứu của Bùi Phương Ngọc, quá trình trích ly sử dụng dung môithực nhằm mục đích tăng độ sạch và an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng, đồng thờigiúp hạn chế sự tổn thất hàm lượng chất khô tan trong nước Nên trong quá trìnhnghiên cứu này, chúng tôi vẫn tiếp tục sử dụng dung môi hỗn hợp ethanol thực phẩm

và nước theo các tỉ lệ nhất định được trình bày rõ trong phần sau

3.1.1 Nguyên liệu:

Trong các loại cà phê thì Robusta là giống có hàm lượng caffeine cao nhất(2.4%) Chính vì vậy, để thuận tiện cho việc khảo sát hàm lượng caffeine chúng tôichọn giống cà phê Robusta đã được rang và chưa rang Nguyên liệu được cung cấp bởi

công ty Cà Phê Control Việt Nam Đây là cà phê Robusta loại 1 (hạt lớn, tỷ trọngnặng) có xuất xứ từ Đắc Lắc.

Quy trình rang cà phê bao gồm các quá trình phân loại tách tạp chất, phân loạitheo kích thước, tỷ trọng, chuẩn bị cho quá trình rang Cà phê loại 1 được đem rang.Sau khi rang, cà phê được phun ẩm làm nguội và để yên trong bồn chứa khoảng 24 giờnhằm tạo điều kiện cho phản ứng ester tạo mùi thơm xảy ra và đưa độ ẩm của cà phêđạt độ ẩm bảo quản (khoảng 2 – 4%) vì sau khi rang, độ ẩm cà phê chỉ còn 0.5% Sảnphẩm được bao gói trong túi nhôm và được bảo quản ở nhiệt độ 20oC

Sản phẩm