Nghiên cứu phương pháp khử caffeine từ hạt cà phê rang

Nghiên cứu phương pháp khử caffeine từ hạt cà phê rang

Chương 1: MỞ ĐẦU Cùng với những tiến bộ khoa học kỹ thuật, đời sống con người được nâng cao, việc lựa chọn thực phẩm có lợi cho sức khỏe ngày càng được quan tâm. Cà phê là một thức uống khá phổ biến trên thế giới. Hiện nay cây cà phê được trồng tại hơn 50 quốc gia trên thế giới, trong đó cà phê Việt Nam đứng thứ hai trên thế giới về sản lượng xuất khẩu – khoảng 1.1 – 1.2 triệu tấn trong niên vụ 2008 – 2009 nhưng giá trị xuất khẩu chỉ xếp thứ tư vì chủ yếu xuất ở dạng nguyên liệu thô, còn quá trình chế biến để tạo những sản phẩm cà phê có giá trị thương phẩm cao vẫn chưa phát triển xứng với tiềm năng. Không giống như các loại thức uống khác, chức năng chính cuả cà phê không phải là giải khát. Nhiều người uống cà phê để tạo sự hưng phấn. Theo một nghiên cứu được công bố vào tháng 8 năm 2005 của nhà hóa học Mỹ Joe Vinson thuộc đại học Scranton thì cà phê là nguồn cung cấp các chất chống oxy hóa cho cơ thể, vai trò mà trước đây người ta chỉ thấy ở hoa quả và rau xanh. Những chất này cũng gián tiếp làm giảm 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 tâm của nhiều người. Caffeine trong cà phê chiếm tỉ lệ khoảng 0.8 – 2.8% (tùy theo chủng loại cà phê) và góp khoảng 10 – 30% vị đắng cho cà phê [2]. Caffeine có ảnh hưởng đến hệ thần kinh, hệ tiêu hóa, hệ bài tiết của con người. Bên cạnh những mặt tích cực như tạo sự hưng phấn, tăng cường hoạt động của hệ thần kinh, có nhiều ứng dụng trong y học như thuốc giảm đau, hạ nhiệt…, caffeine cũng có tác động tiêu cực như làm tăng huyết áp, tim đập nhanh, mất ngủ… Chính vì thế mà nhiều người không sử dụng được cà phê với hàm lượng caffeine cao và dòng sản phẩm cà phê không caffeine xuất hiện. Theo những nghiên cứu trước, việc trích caffeine được thực hiện trên cà phê nhân nhằm hạn chế sự tổn thất hương và một số hợp chất khác. Có nhiều phương pháp tách caffeine từ cà phê nhân đã được nghiên cứu trong nhiều năm qua: dùng dung môi hữu 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 sản phẩm vì lượng dung môi còn sót lại ảnh hưởng đến sức khỏe; quy trình CO 2 siêu tới 1 hạn là phương pháp hiệu quả nhưng giá thành thiết bị cao nên cũng ít được sử dụng trong sản xuất thực tế; do đó quy trình dùng nước và dịch trích cân bằng được ưa chuộng hơn. Ngoài ra một số nghiên cứu mới còn thực hiện tách caffeine từ sản phẩm cà phê rang hay từ dịch trích cà phê. Tuy nhiên các phương pháp này vẫn không mang lại hiệu 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 kỹ thuật lẫn sản phẩm, chúng tôi tiếp tục phát triển đề tài: “Nghiên cứu phương pháp khử caffeine từ hạt cà phê rang” mới được nghiên cứu gần đây bởi Thạc sĩ Bùi Phương Ngọc 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 xuất trong nước. Quá trình nghiên cứu được thực hiện trên cà phê rang bằng dung môi thực phẩm nhằm đảm bảo an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng và tiến hành tối ưu hóa các thông số trong nghiên cứu trước đó nhằm đạt được hiệu suất cao hơn đồng thời so sánh hiệu quả của phương pháp thực hiện với phương pháp hiện đại CO 2 siêu tới hạn. 2 Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU TÌNH HÌNH KINH TẾ NGÀNH SẢN XUẤT CÀ PHÊ 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 dụng làm đồ uống. Ngày nay cà phê trở thành một trong những thức uống thông dụng toàn cầu. Tình hình sản xuất [9] Trên thế giới hiện nay có 75 nước trồng cà phê với diện tích 10 triệu hecta và sản lượng hàng năm biến động trên dưới 6 triệu tấn. Năng suất bình quân chưa vượt quá 6 tạ nhân/ha. Bốn nước có diện tích cà phê lớn nhất: Brazil trên 3 triệu hecta, chiếm 25% sản lượng cà phê thế giới; Côte d’lvoire (Châu Phi) và Indonesia mỗi nước khoảng 1 triệu hecta; Colombia có gần 1 triệu hecta với sản lượng hàng năm đạt trên dưới 700 ngàn tấn. Cà phê chè hiện nay vẫn chiếm 70% sản lượng của thế giới. Diện tích cà phê chè được 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. 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 3 Thương Brazil, trong tháng 7/2010 xuất khẩu tăng 14.7% so với tháng 6 (lên tới 2.203 triệu bao), giá cà phê xuất khẩu và kim ngạch xuất khẩu cà phê tăng so với tháng 7/2009. 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 - Guatemala năm 2010 giảm 2.3% so với niên vụ cùng kì năm ngoái. Tình hình tiêu thụ [12] Theo Vicofa, các nước phát triển như Bắc Mỹ, Châu Âu và Nhật Bản – nơi tiêu thụ gần 60% sản lượng cà phê thế giới. Thị trường các quốc gia xuất khẩu cà phê chiếm 26% lượng tiêu thụ cà phê thế giới. Những khu vực tiêu thụ cà phê lớn còn lại bao 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 (7.38 kg/năm). Theo Tổ Chức Cà Phê Quốc Tế (ICO), tiêu thụ cà phê trên thế giới trong những năm gần đây liên tục tăng. Bảng 2.1: Sản lượng tiêu thụ cà phê trên thế giới trong giai đoạn từ 2005 – 2009 [35] Năm Sản lượng tiêu thụ (triệu bao) 2005 2006 2007 2008 2009 119.93 123.52 128.14 130.00 132.00 Tình hình sản xuất, xuất khẩu và tiêu thụ cà phê tại Việt Nam Tình hình sản xuất [8, 9] Cây cà phê du nhập vào Việt Nam từ năm 1857, mãi đến thế kỉ 20 mới được phát triển quy mô tương đối lớn của các chủ đồn điền ngườn Pháp. Sau năm 1975, cà phê được phát triển mạnh tại các tỉnh Tây Nguyên (chiếm 91% diện tích cà phê của cả nước) và chỉ trong vòng 30 năm Việt Nam trở thành nước xuất khẩu cà phê đứng thứ hai trên thế giới và đứng nhất về xuất khẩu cà phê vối. 4 Bảng 2.2: Diện tích, sản lượng cà phê Việt Nam qua các niên vụ DIỆN TÍCH SẢN LƯỢNG (Ha) (Tấn) 1989 – 1990 119.300 92.000 2 1990 – 1991 115.100 100.000 3 1991 – 1992 103.700 119.200 4 1992 – 1993 101.300 136.100 5 1993 – 1994 123.900 180.000 6 1994 – 1995 186.400 218.000 7 1995 – 1996 254.200 316.900 8 1996 – 1997 340.300 420.500 9 1997 – 1998 370.600 427.400 10 1998 – 1999 477.700 553.200 11 1999 – 2000 561.900 602.500 12 2000 – 2001 565.300 640.600 13 2001 – 2002 522.200 693.300 14 2002 – 2003 510.200 676.860 15 2003 – 2004 496.800 850.440 16 2004 – 2005 497.400 855.700 17 2005 – 2006 498.600 1.107.300 18 2006 – 2007 506.000 957.000 STT NIÊN VỤ 1 Mô hình trồng cà phê ở Việt Nam chủ yếu là quy mô hộ gia đình chiếm 85 – 90% tổng diện tích của cả nước, các nông trường cà phê rất ít, quy mô trang trại không lớn lắm (diện tích trung bình từ 5 – 10ha). Sản xuất quy mô nhỏ nên việc thu hoạch, 5 chế biến và bảo quản cà phê còn kém, chất lượng không ổn định. Trong những năm gần đây, người nông dân đã chú trọng đầu tư thâm canh và có những cải tiến trong phương pháp trồng, chăm sóc, sử dụng các yếu tố đầu vào như giống, phân bón… hiệu quả hơn nên sản lượng cà phê tăng nhảy vọt, đặc biệt trong niên vụ 2005 – 2006 sản lượng cà phê đạt tới 1.107.300 tấn, chất lượng cà phê cũng tốt hơn. Theo bộ nông nghiệp Mỹ USDA dự báo, sản lượng cà phê niên vụ 2010 – 2011 của Việt Nam có thể tăng 6.9% lên 18.7 triệu bao. Trong đó sản lượng cà phê Robusta đạt 18 triệu bao, sản lượng cà phê Arabica đạt 0.4 triệu bao. Tình hình xuất khẩu [7] Cà phê đã trở thành một trong năm mặt hàng nông sản xuất khẩu chủ lực với sản lượng xuất khẩu trên 1triệu tấn/năm và đạt kim ngạch xuất khẩu gần 2 tỷ USD/năm và đứng thứ hai sau mặt hàng gạo. Tuy nhiên ngành cà phê Việt Nam còn bấp bênh, giá cà phê lên xuống thất thường. Giai đoạn 1994 – 2004, giá cà phê xuống thấp nhất trong lịch sử do ảnh hưởng khủng hoảng cà phê trên thế giới, mặt khác do chất 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, không chuyên môn hóa trong sản xuất, kĩ thuật chế biến cà phê còn hạn chế. Cà phê xuất khẩu chủ yếu ở dạng nguyên liệu thô.Thêm vào đó là điều kiện thời tiết làm ảnh hưởng đến sản lượng và chất lượng sản phẩm. Tình hình tiêu thụ [11] Ở Việt Nam lượng cà phê tiêu thụ rất ít, bình quân tính theo đầu người là 0.5kg/người/năm, bằng một phần mười các nước Châu Âu. Theo phân tích của VICOFA, xu hướng uống cà phê “công nghiệp” trong giới trẻ Việt Nam ngày càng tăng để đáp ứng nhu cầu nhanh chóng trong nhịp sống hiện đại. Do đó hiện nay cà phê hòa tan trở thành xu hướng tiêu dùng chủ đạo. Tuy nhiên, đối với các doanh nghiệp chế biến, việc đầu tư sản xuất cà phê hòa tan đòi hỏi nguồn vốn và chi phí chuyển giao công nghệ lớn nên vẫn tập trung xuất khẩu cà phê nhân và 6 cà phê bột mà không chú trọng thị trường tiêu thụ nội địa. Để phát triển, cà phê Việt Nam cần nâng cao chất lượng và tăng thị phần nội địa. 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 khác nhau. Ví dụ như ở Anh người ta tiêu thụ chủ yếu là cà phê hòa tan, còn cà phê rang xay 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 các nước 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 của Hiệp Hội Cà Phâ Thế Giới (ICO) và Hiệp Hội Cà Phê Quốc Gia Mỹ, một số dạng sản phẩm cà phê cũng như cách thưởng thức cà phê đang dần hình thành và trở nên phổ biến ở nhiều quốc gia trên thế giới. Cụ thể Cà phê Espresso Cà phê Espresso có nguồn gốc từ Ý vào khoảng năm 1930. Espresso được pha chế bằng cách dùng nước nóng nén dưới áp suất cao (khoảng 9 – 10 bar) qua bột cà phê xay nhuyễn. Cà phê pha theo cách này rất đậm và trên bề mặt có một lớp bọt màu nâu (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 cà phê 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 cà phê ở nhiều quốc gia theo mô hình sử dụng máy pha espresso cùng người pha chế cà phê (barista) như Stabucks, Gloria Jean’s, Costa, Lavazza… 7 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 lượng chất béo có trong sữa, nó giúp tạo cảm giác “đầy” vị và tạo hương, đồng thời giúp phân 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 bên trên các sản phẩm như cappuccino. Cả protein và chất béo trong sữa đều hỗ trợ tốt cho quá trình tạo bọt: sữa gầy chứa nhiều protein giúp tạo bọt tốt hơn nhưng sữa nguyên kem 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 ra rất nhiều sản phẩm khác nhau. Cà phê đóng lon [50] Đây là sản phẩm đặc biệt rất phổ biến tại Nhật Bản và các nước Châu Á, nhưng lại không được ưa chuộng ở các nước phương Tây. Sản phẩm có thể là cà phê nguyên chất hoặc cà phê có bổ sung đường, sữa,… Nhờ vào các kỹ thuật truyền thống (như thanh trùng, tiệt trùng, đồng hóa,…) mà người ta có thể tạo ra nhiều loại sản phẩm khác nhau, được đóng lon, chai hay hộp giấy. Cà phê bổ sung hương [50] Bắt nguồn là ở Mỹ, người ta muốn tạo ra loại sản phẩm mới dành cho những người không uống được cà phê thay vì chỉ sử dụng các loại thức uống có gas. Dần dần các sản phẩm này chiếm khoảng 15% tổng lượng cà phê tiêu thụ tại Mỹ. Các loại hương phổ biến thường được sử dụng có tên là Vanilla Nut, Coconut, Cinnamon và Chocolate Raspberry Crème. Quy trình được thực hiện: trộn dịch chất mùi với hạt cà phê rang 8 hoặc trộn chất mùi dạng bột vào cà phê rang xay. Trường hợp trộn dạng bột, bột chất mùi được tạo ra bằng cách trộn chất mùi với chất mang cacbohydrate sau đó đem sấy. Cà phê thường được rang hơi đậm để giảm mùi cà phê, sau đó làm nguội xuống nhiệt độ phòng và bổ sung 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 thành phần khác như đường, sữa thì có thể thay đổi tính chất cảm quan của cà phê, đôi khi tạo ra mùi vị không mong muốn. Cà phê không caffeine Đây là loại cà phê rất phổ biến ở Đức, và hiện nay nhu cầu về loại cà phê này khá 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 chế biến cà phê không caffeine chiếm khoảng 10% thị trường cà phê. Các chuyên gia dự đoán nhu cầu về cà phê không caffeine sẽ cao nếu phát triển được cây cà phê không caffeine 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 đổi gen “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 với những cây cà phê thông thường. CÂY CÀ PHÊ Phân loại cà phê [9, 46] Cây cà phê thuộc họ Thiên Thảo (Rubiaceae). Họ này bao gồm khoảng 500 chi khác nhau với trên 6000 loài cây nhiệt đới, tuy nhiên không phải loài nào cũng 9 chứa caffeine trong hạt. Giống cà phê chủ yếu có ba loại: 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 cà phê 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 xanh đậm, lá hình oval. Cây trưởng thành cao từ 4 – 6m, nếu mọc hoang có thể cao đến 15m. 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 được thêm 70 năm. 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. Cà phê vối chứa hàm lượng caffeine cao hơn nhưng hương vị không tinh khiết như cà phê chè nên được đánh giá thấp hơn. Khoảng 39% các sản phẩm cà phê được sản xuất từ loại cà phê này. Nước xuất khẩu cà phê vối lớn nhất thế giới là Việt Nam. Ngoài ra còn 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 hạt chiếm 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 dưới 1000m, nhiệt độ ưa thích khoảng 24 – 29oC, lượng mưa khoảng trên 10 1000mm. Cà phê vối cần nhiều ánh sáng hơn cà phê chè. 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, tuy nhiên do năng suất kém, chất lượng không cao (có vị chua) nên không được ưa chuộng và phát triển diện tích. Cây cao 2 – 5m. Thân, lá, quả đều to. Hạt nhân to, thường dùng phối trộn với cà phê vối và cà phê chè khi rang xay để tạo hương vị. Người Châu Âu thích dùng cà phê có vị chua nên các loại cà phê hòa tan của người Châu Âu thường có tỉ lệ cà phê mít nhiều. Cấu tạo quả cà phê [9, 46] Bảng 2.3: Thành phần của quả cà phê Thành phần Cà phê chè(%) Cà phê vối (%) Vỏ quả 43-45 41-42 Lớp nhớt 20-23 21-22 Vỏ trấu 6-7.5 6-8 Nhân và vỏ lụa 26-30 26-29 11 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 bong ral 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 phê thường có 1,2 hoặc 3 nhân, thông thường có 2 nhân. Hình 2.1: Cấu tạo giải phẫu quả cà phê Thành phần hóa học hạt cà phê 12 Thành phần hóa học của hạt cà phê phụ thuộc vào chủng loại, độ chín, điều kiện canh 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 Khoáng 2.0 – 3.0 4.0 – 4.5 Caffeine 0.9 – 1.2 1.6 – 2.4 Trigonelline 1.0 – 1.2 0.6 – 0.75 Lipid 12.0 – 18.0 9.0 – 13.0 Acid chlorogenic tổng 5.5 – 8.0 7.0 – 10.0 Aliphatic 1.5 – 2.0 1.5 – 2.0 Oligosaccharides 6.0 – 8.0 5.0 – 7.0 Polysaccharide tổng 50.0 – 55.0 37.0 – 47.0 Amino acid 2.0 2.0 Protein 11.0 – 13.0 11.0 – 13.0 Nước 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. Cà phê đã qua chế biến (cà phê rang, cà phê hòa tan) 13 hàm lượng ẩm phải nhỏ 5%. Chất khoáng [51. 53] Hàm lượng khoáng trong cà phê nhân chiếm từ 3 – 5%, chủ yếu là K (chiếm 40%), một lượng lớn Ca, Mg. Ngoài ra còn có Fe, Cu, I, S,…dạng vết. Hàm lượng tro trong Arabica thấp hơn trong Robusta, mặt khác hàm lượng tro còn phụ thuộc vào phương pháp sơ chế. Quá trình trích ly có khoảng 90% khoáng đi vào dịch trích. 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 các chất hương ngưng tụ cao phân tử. Hàm luợng đường khử trong Arabica thấp hơn Robusta. 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 tạo thành các phản ứng maillard, caramel tạo hương, tạo màu. Polysaccharide chiếm 40 – 50% tổng lượng chất khô trong cà phê. Các loại polysaccharide có trong cà phê chủ yếu: arabinogalactan, mannan (và/hoặc galactomannan), cellulose. Phân tích hàm lượng carbohydrate tổng của nhiều loại Arabica 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 arabinogalactan trong Arabica thì hơi thấp hơn Robusta (14% và 17%). 14 Vai trò của carbohydrate: làm tăng độ nhớt của dịch trích cà phê hòa tan. Dịch trích thường chứa khoảng 30% carbohydrate tổng, tồn tại ở nhiều cấp độ thủy phân khác nhau. Đối với cà phê rang xay giúp ổn định độ bọt cà phê espresso. Protein và acid amin [13, 43, 46] Hàm lượng protein trong cà phê không cao nhưng có vai trò quan trọng trong việc 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 như cystein, methionine, proline là quan trọng nhất, chúng tạo hương thơm mạnh cho cà phê rang. Đặc biệt, proline và methionine có tác dụng giảm tốc độ oxy hóa các chất thơm, 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. Lipid [13, 46, 52, 61] Lipid bao gồm hai nhóm chính: dầu và sáp. Trong quá trình chế biến, một phần acid 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 các chất 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% lipid tổng trong cà phê Arabica. Các alkaloid [46] Các alkaloid có trong cà phê được liệt kê trong bảng 2.5. Trong đó chủ yếu là caffeine và trigonelline. 15 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 có mặt 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, không tan trong chloroform và ether, tan nhiều trong nước nóng. Tính chất quý của trigonelline 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 cà phê 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 cà phê, caffeine chủ yếu liên kết với acid chlorogenic theo tỷ lệ 1:1. Bảng 2.5: Các loại alkaloid có trong cà phê ST T 1 2 3 Công thức Alkaloid phân tử Caffeine Theobromin e Theophyllin e Nguồn C8H10N4O2 G, R C7H8N4O2 G, R C7H8N4O2 G, R 4 Trigonelline C7H7NO2 G, R 5 Adenine C5H5N5 G 16 6 Guanine C5H5N5O G 7 Hypoxanthin C5H4N4O G 8 Xanthine C5H4N4O2 G G: cà phê nhân; R: cà phê xay Bảng 2.6: Hàm lượng caffeine trong các loại cà phê [19, 28, 46] Loại cà phê Cà phê nhân Arabica Robusta 0.58 – 1.7% 1.16 – 3.27% (trung bình (trung bình 1.16) Cà phê rang Trong nước pha cà phê 1% 2.15) 2% 29 – 176 mg/tách (trung bình 74) Chất thơm [31, 46] Hiên nay người ta đã tìm thấy có hơn 800 chất thơm tổng hợp lại thành mùi thơm của cà phê. Hàm lượng chất thơm có trong hạt cà phê tương đối nhỏ bao gồm các acid. Aldehyde, ketone, rượu, phenol, ester,… Các chất này được hình thành và tích lũy trong quá trình chế biến, nhất là trong quá trình rang. 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. CAFFEINE VÀ TÁC DỤNG SINH LÝ ĐỐI VỚI CƠ THỂ 17 Caffeine [17] Caffeine là một hợp chất methylxanthine. Các dạng methylxanthine thường gặp: caffeine, theophylline, theobromine. Caffeine có mặt trong hạt lá quả của hơn 60 loài thực vật và thường gặp trong trà, cà phê, ca cao. Các thực phẩm hay đồ uống sử dụng các loài thực vật trên là nguyên liệu sẽ chứa caffeine một cách tự nhiên. Ngoài ra nhiều nhà sản xuất thực phẩm còn bổ sung caffeine vào sản phẩm để làm tăng mùi vị hay tăng tác dụng y học đối với một số sản phẩm đặc biệt. Tính chất hóa lý [53] Công thức phân tử: C8H10N4O2 Tên hóa học: 3,7-dihydro-1,3,7-trimethyl-1H-purine-2,6 ; 1,3,7trimethylxanthine ; 1,3,7-trimethyl-2,6-dioxopurine ; caffeine. Trang thái vật lý Ở nhiệt độ phòng, caffeine là chất bột không màu, không mùi, không vị, đắng nhẹ. 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 độ phòng. Bảng 2.7: Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ thăng hoa của các hợp chất methylxanthine Thành phần Nhiệt độ thăng hoa (oC) Nhiệt độ nóng chảy (oC) 18 Caffeine Theobromine 180 236.5 (dạng lỏng bị nén) 178 238 178 235 (dạng khan) 290 – 295 357 290 330 (ống kín) Theophylline 270 – 274 269 – 272 Bảng 2.8: Độ tan của caffeine trong một số dung môi hữu cơ Dung môi Nhiệt độ Độ (oC) tan (g/100 g) Nước 25 2.2 Ethanol 95% 25 1.32 Ethyl acetate 18 1.88 Methanol 25 1.14 Acetone 30.5 2.32 19 Benzene 18 0.91 Carbon tetrachloride 18 0.09 Chlorofrom 17 12.9 Ether 18 0.12 Dichloromethane (methylen 33 9.00 chloride) Sự hấp thu tử ngoại và hồng ngoại Các hợp chất methylxanthine hấp thụ mạnh trong dãy tia tử ngoại với bước sóng khoảng từ 250 – 280nm. Quang phổ của các hợp chất methylxanthine rất giống nhau và chỉ khi sử dụng kĩ thuật như chất dẫn xuất quang phổ mới thấy đươc sự khác biệt rõ rệt. Ngoài sự hấp thu tử ngoại, các hợp chất methylxanthine còn phát quang phổ hồng 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 trùng hay có thể tạo thành polymer. Caffeine cũng kết hợp với purine và pyrimidine cũng như 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 dịch alcohol và một lượng nhỏ caffeine tự do được chiết ra bằng chloroform. Phương pháp phân tích định lượng caffeine Quang phổ tử ngoại Đây là phương pháp cơ bản nhất để xác định methylxanthine. Điều cần thiết khi dung phương pháp này là tách bỏ các chất gây nhiễu. Người ta thực hiện phương pháp này để xác định hàm lượng caffeine trong mẫu cà phê nghiền như sau: chuẩn bị dịch pha chế trong điều kiện xác định, lọc dịch pha chế với một lượng nhỏ MgO, lọc tiếp, đưa dịch lọc về pH 4, quét qua C-18 Sep 20 Pak C18, rửa sạch bằng ethanol ta phát hiện được caffeine bằng quang phổ ở bước sóng 272 nm. Phương pháp này thực hiện nhanh, đơn giản và đáng tin cậy. Hệ số hồi quy 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 methylxanthine khá 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 hạn chế của phương pháp. Sắc kí khí (GC) GC được sử dụng rộng rãi trong phân tích thực phẩm nhưng không dùng xác định những alkaloid không bay hơi trong thực phẩm như HPLC. Trong cuốn AOAC Methods of Analysis tái bản lần thứ 13 xếp phương pháp GC vào xác định caffeine trong cà phê và trà sử dụng máy dò sự phát electrone KCI cùng với cột thủy tinh 6ft x 4mm 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, thời gian cho kết quả nhanh. 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 21 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 trạng thái 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 tập trung 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 trao đổi chất. Caffeine giúp tăng cường sự trao đổi chất, sự hấp thụ oxy trong cơ thể. Bên cạnh những tác động trên cuả caffeine đối với thận thì tác dụng quan trọng nhất của caffeine đối với cơ thể là lợi niệu. Ngoài ra, theo những nghiên cứu mới đây của các nhà khoa học, caffeine có ảnh hưởng 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 y khoa 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 lạm dụng. Các nghiên cứu trên chuột cho thấy hấp thụ caffeine liều cao kéo dài liên tục có thể 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 suy nhược thần kinh do làm việc quá sức, gia tăng nhạy cảm với stress… và có thể dẫn đến tình 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 nhịp tim, tăng huyết áp, tăng tiết dịch vị… và như vậy cũng có thể làm tăng các nguy cơ bệnh 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 cáo không sử dụng cà phê ở những đối tượng này. Ngoài ra, những đối tượng khác cần 22 kiêng 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 thần kinh thưc vật, suy nhược thần kinh… CÔNG NGHỆ KHỬ CAFFEINE Khử caffeine (decaffeination) là thuật ngữ chỉ kỹ thuật tách caffeine từ cà phê nhằm mục đích sản xuất các loại cà phê “không caffeine” (hàm lượng cà phê tuân theo các 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 Cà phê nhân Chủng cà phê Tiêu chuẩn US-FDA (loại 97% caffeine) Tiêu chuẩn Châu Âu, Canada (loại 99.9% caffeine) Chưa rang Rang Chưa rang Rang Chưa rang Rang Arabica 1.05% 1.3% 0.032% 0.036% 0.08% 0.1% Robusta 2.0% 2.3% 0.06% 0.0695% 0.08% 0.1% Do hầu hết hương vị của cà phê được tạo ra trong quá trình rang, quá trình khử caffeine 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 trình khử caffeine từ dịch trích cà phê rang xay. Ngày nay, các sản phẩm cà phê nhân, cà phê 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 môi hay tác nhân thích hợp cho quá trình tách caffeine khỏi cà phê. Các phương pháp này được phân loại dựa trên việc lựa chọn dung môi hay tác nhân cho quá trình khử caffeine. [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’ 23 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 các chất hòa tan khác caffeine và tách caffeine từ dịch trích bằng dichloromethane trong hệt trích ly lỏng/lỏng. Ngoài ra, có thể sử dụng than hoạt tính để hấp phụ caffeine thay cho việc trích ly bằng dung môi, đây mới là nguyên lý cơ bản của quy trình Swiss water (Fischer, 1979). Khử caffeine bằng CO2 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 siêu tới 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. Tại Đại học Glasgrow (Scotland) và Đại học Ochanomizu and Tsukuba (Nhật), các nhà khoa 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 gây nguy hại gì cho sức khỏe con người thì kết quả có thể được ứng dụng trong 5 – 10 năm tới. Phương pháp dùng dung môi hữu cơ [54] Đây là quy trình lâu đời nhất trong công nghệ khử caffeine. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc sử dụng một dung môi hữu cơ có độ chọn lọc đối với caffeine để trích ly caffeine trong nguyên liệu. Những yêu cầu khi lựa chọn một dung môi cho quá trình khử caffeine là khả năng hòa tan chọn lọc với caffeine, tính an toàn, giá cả, dễ dàng tách dung môi ra khỏi nguyên liệu, dễ thu hồi dung môi, không độc và an toàn với môi trường. Các dung môi thường sử dụng là benzene, ethyl acetate, methylene chloride, methyl acetate, trichloroethane, ethylmethylketone. Trong đó methyl chloride và ethyl acetate vẫn chiếm ưu thế vượt trội so với các loại dung môi khác. 24 Ảnh hưởng của các dung môi lên sức khỏe con người và môi trường đã được giảm 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 dây chuyền xử lý tốt có thể đạt đến 0.3mg/kg. Một số nghiên cứu sử dụng caffeic acid (3,4-dihydroxycinnamic acid) để tăng hiệu quả khử caffeine trong phương pháp sử dụng dung môi methylene chloride, ethyl acetate, dầu đậu nành. Khi trộn các dung môi không tan trong nước với các tinh thể caffeic trong nước thì sẽ giúp hình thành nhanh chóng các tinh thể phức hợp caffeine/acid caffeic ở nhiệt độ thường. Phức hợp này có thể được tách ra ngoài bằng phương pháp lọc hay ly tâm. Hiệu quả khử caffeine lớn hơn nhiều so với chỉ trộn với nước. Những kết quả đầu tiên này đã cho thấy phương pháp này có thể giúp giảm lượng nước sử dụng, tăng tính chọn lọc đối với caffeine và giảm sự thất thoát về hương vị trong quá trình trích ly xuôi dòng. Kỹ thuật mới phát triển đã chuyển quy trình khử caffeine từ dạng gián đoạn sang 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 cà phê tiếp xúc với dung môi chỉ từ 3 – 5h), giảm lượng chất hòa tan thất thoát và vì vậy làm tăng chất lượng thành phẩm. Một kỹ thuật khác tiến hành khử caffeine trên dịch trích cà phê đã qua rang và xay được tiến hành bởi Jones và các cộng sự (1985). Trước khi sản xuất cà phê hòa tan, dịch trích được trộn với dung môi (Vd: methylene chloride) trong hệ trích ly lỏng/lỏng. Caffeine và một số chất khô khác sẽ chuyển sang pha dung môi, sau đó chúng được trộn với nước, chuyển sang bước trích ly lỏng/lỏng lần thứ 2. Phần lớn các chất rắn khác caffeine thì hấp thu vào trong nước và có thể tái sử dụng trong quá trình trích 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 25 tiên, các hạt cà phê nhân được sục hơi nước áp suất cao. Sau đó, trích ly caffeine ra khỏi hạt bằng cách cho hạt tiếp xúc với dung môi ở áp suất cao, nhiệt độ gần với nhiệt độ sôi của 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. Cà phê nhân Tạp chất Xử lý, làm sạch Hơi nước Nước nóng Dung môi Sục hơi nước (W = 14 – 18%) Làm ẩm (W = 40 – 45%) Tách caffeine Tách dung môi Nước xả Dung môi + caffeine Sấy Làm nguội Sản phẩm 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. Đầu tiên, caffeine được tách ra bằng cách ngâm nguyên liệu trong nước nóng (các hợp chất hòa tan khác cũng đi vào trong nước). Sau đó, dung môi hữu cơ được sử dụng để 26 trích ly caffeine từ dịch ngâm, cà phê nhân được ngâm trở lại với nước ngâm đã tách caffeine để tái hấp thu các hợp chất hương. Cà phê nhân Tạp chất Xử lý, làm sạch Nước nóng Ngâm Dung môi Tách caffeine Hạt Dung môi + caffeine Tái hấp thu Sấy Làm nguội Sản phẩm 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 lọc cao với caffeine nên hơn 50% sản lượng cà phê khử caffeine trên thế giới được sản xuất bằng phương pháp này. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là ảnh hưởng đến môi trường đặc biệt là ảnh hưởng tới sức khỏe người tiêu dùng do lượng dung môi còn sót lại ; khó thu hồi dung môi ; lạc hậu với xu hướng mới về độ “sạch” công nghệ nên ngày 27 càng ít được sử dụng và được thay thế bằng các phương pháp khác hiệu quả hơn. Phương pháp Swiss water [14, 34] Nguyên tắc này cũng gần giống với phương pháp trích ly bằng dung môi trực tiếp, tuy nhiên để tránh trích ly hết các hợp chất tan trong nước của hạt, dung môi sử dụng là một dung dịch đã cân bằng các chất khô hòa tan trong nước của hạt nhưng hầu như không có caffeine. Phương pháp Swiss water được thực hiện dựa trên nguyên tắc dùng than hoạt tính khử caffeine trong dịch trích để tạo dịch trích cân bằng. Từ đó tạo ra dịch trích đã bão hòa các chất khô nhưng không chứa hoặc chứa rất ít caffeine. Sau đó dùng dịch trích 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. Tiếp theo, caffeine được lấy ra khỏi dịch trích bằng cách cho qua cột than hoạt tính. Dòng nước ra khỏi cột hấp phụ là dòng bão hòa các chất hòa tan không chứa caffeine và được tái sử dụng để trích ly caffeine cho mẻ sau. 28 Cà phê nhân Tạp chất Xử lý, làm sạch Dịch trích cân bằng Tách caffeine Pha lỏng Tách caffeine Pha rắn Pha lỏng Sấy Than hoạt tính Làm nguội Sản phẩm 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 caffeine cao và caffeine thu được trong quá trình tái tạo tinh khiết hơn ; tránh tổn thất các chất khô 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 thời việc sử dụng cột than hoạt tính khử caffeine một thời gian sẽ bão hòa, việc xử lý cột và tái sử dụng cột còn hạn chế. 29 Phương pháp dùng CO2 siêu tới hạn [34, 42] Vào thế kỷ XIX, người ta đã phát hiện ra trạng thái siêu tới hạn của một số chất nhất 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 điểm tới 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. Tính chất hòa tan của nó gần giống như chất lỏng. Đồng thời nó lại có khả năng vận chuyển như chất khí. Vì vậy tốc độ trích ly và chuyển pha có thể nhanh hơn rất nhiều so với các 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 (oK) Áp suất tới hạn (Bar) Carbon dioxide 304.1 73.8 Ethane 305.4 48.8 Ethylene 282.4 50.4 Propane 369.8 42.5 Amoniac 405.5 113.5 Nước 647.3 221.2 CO2 siêu tới hạn là lưu chất siêu tới hạn phổ biến nhất do thông số tới hạn thấp (nhiệt độ 31oC, áp suất 73bar), chi phí thấp, không gây độc. Ở trong trạng thái siêu tới hạn, CO 2 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 các hợp chất hữu cơ. Một khi hợp chất được hòa tan chỉ cần giảm áp chất lỏng là thu hồi được phần chiết hoàn toàn tinh khiết. Mặt khác, CO 2 siêu tới hạn không sinh ra bất kì một chất thải lỏng hoặc khí nào. 30 Cà phê nhân Tạp chất Xử lý, làm sạch Sục hơi nước CO2 siêu Tách caffeine tới hạn Ngưng tụ CO2 Tách caffeine Pha rắn Pha khí Sấy Than hoạt tính Làm nguội Sản phẩm 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 qua một van lớn. CO2 siêu tới hạn được nạp liên tục vào một đầu của bình trích ly chứa cà phê 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 tính hấp 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 tách caffeine khỏi dòng CO2. Dòng nước chứa caffeine sau đó được cô đặc bằng 31 màng RO đến nồng độ 97% hoặc hơn, và dịch trích không chứa caffeine có tính acid được đưa trở lại quy trình. CO2 ít caffein e Cà phê nhân Bình trích ly CO2 Cột nước tách caffeine giàu caffeine Nước không chứa caffeine Nước giàu caffeine Cà phê nhân đã khử caffeine 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 có những ưu điểm sau: có thể điều khiển được khả năng hòa tan của caffeine trong CO 2 siêu tới hạn bằng cách điều chỉnh nhiệt độ và áp suất ; tính trơ của CO 2 ; tính chọn lọc của CO2 với caffeine cao ; đảm bảo được hương vị của sản phẩm ; tách dung môi dễ dàng ; dễ thu hồi caffeine ; sản phẩm có độ tinh khiết cao và không gây độc như phương pháp dùng dung môi. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là giá thành thiết bị cao, quá trình sản xuất bị gián đoạn. Nhờ những tiến bộ vượt bậc của khoa học, mới đây hãng TharMỹ đã cho ra đời hệ thống SFC tự động dùng cho nghiên cứu và sản xuất giúp cho quá trình sản xuất liên tục. Dưới đây là dây chuyền khử caffeine liên tục: 32 Hình 2.7: Lưu hình đơn giản của hệ thống trích ly siêu tới hạn tự động 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 môi sạch, an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng, như các hoạt chất thiên nhiên hay các dung 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… Kỹ thuật vi sóng [67] Vi sóng (microwave) là sóng điện từ lan truyền với vận tốc ánh sáng. Cơ sở của hiện tượng phát nhiệt do vi sóng là sự tương tác giữa điện trường và các phân tử phân cực bên trong vật chất. Dưới tác động của điện trường một chiều, các phân tử lưỡng cực có khuynh hướng sắp xếp theo chiều điện trường này. Nếu điện trường là một điện trường xoay chiều, sự định hướng của các phân tử lưỡng cực sẽ thay đổi theo chiều xoay đó. Trong điện trường xoay chiều có tần số rất cao (2.45x109 Hz), điện trường này sẽ gây ra một xáo động ma sát rất lớn giữa các phân tử, đó chính là nguồn gốc sự nóng lên của vật chất. Phân tử nước là một chất phân cực rất lớn. Do đó, nước là một chất rất lý 33 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 của trường 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 chất ngay từ bên trong. Caffeine là chất phân cực yếu, nhưng dưới tác dụng của vi sóng làm nóng các thành phần trong hạt, caffeine cũng sẽ bị ảnh hưởng và bị lôi cuốn theo dòng dung môi, hòa tan vào dung môi trích ly. 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” (khoảng cách liên phân tử). Trong môi trường lỏng, bọt có thể hình thành trong nửa chu kì đầu,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 cho phương 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 môi được cải tiến đáng kể, bằng cách sử dụng năng lượng sóng siêu âm trong quá trình tách chiết. Đây là kết quả của việc phá vỡ màng sinh học tế bào, giúp giải phóng các chất tan. Trong vài trường hợp, xử lý siêu âm làm tăng hiệu quả trích ly ở nhiệt độ thấp hơn, cho sản phẩm tinh khiết hơn, thời gian ngắn hơn. Thu hồi, tinh chế caffeine Caffeine có giá trị thương mại cao, được dùng cả trong thực phẩm lẫn dược phẩm. 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 caffeine bằng CO2 siêu tới hạn hay quy trình khử bằng nước, caffeine được hấp phụ vào 34 than hoạt tính. Việc thu hồi caffeine từ than hoạt tính không kinh tế và caffeine thường bị phân hủy trong quá trình tái sinh than hoạt tính ở nhiệt độ 600 – 800 oC. Do đó, khoảng 70% tổng lượng caffeine phục vụ cho nhu cầu thế giới vẫn được sản xuất bằng phương pháp 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 tách caffeine.  Loại các chất tan trong nước tương tự caffeine (các chất này sẽ làm chi tinh 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 tùy theo phương pháp khử caffeine. Đối với phương pháp hấp phụ caffeine Than hoạt tính được xem là chất hấp phụ tốt caffeine, nhưng than hoạt tính thường giữ caffeine quá chặt nên một lượng caffeine bị bất hoạt làm giảm giá trị thương mại. Ngoài ra, còn ảnh hưởng tới việc tái sử dụng than hoạt tính. Một số nghiên 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 bằng cách xử lý với acid hữu cơ hoặc rượu cho hiệu suất thu hồi dưới 73% [38]. Karmiol và các 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 kali carbonate) làm thay đổi độ phân cực của dung dịch chứa caffeine, làm cho caffeine kết tủa. Lọc hay li tâm thu được caffeine. [39] Hãng HAG đã phát trỉển phương pháp thu hồi caffeine bằng cách xử lý than hoạt 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 35 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 chứa caffeine được xử lý với hỗn hợp tối thiểu 65% acid acetic và 2% acid citric (về khối lượng), nhiệt độ khoảng 150oC, hiệu suất thu hồi có thể đạt đến 90%. Caffeine được thu 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 lợi gây 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 độ sạch của caffeine.  Tổn thất dung môi do dung môi bị mất đi khi rửa than hoạt tính và khi tách 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 trở lại cũng là vấn đề cần giải quyết. Một hệ thống thu hồi caffeine trực tiếp được phát minh gần đây dựa trên nghiên cứu của hãng HAG (Wilkens, 1986 ; Sipos và Jones, 1994) đã giải quyết được một số vấn 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 khoảng 360oC, 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 800 oC và hoạt hóa than hoạt tính. Tầng giữa, những thành phần caffeine không giải hấp và chất hữu cơ khác bị phân hủy. Sau khi hoạt 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 vào trong nước, sau đó kết tinh. Các tinh thể caffeine thô (đạt khoảng 60% lượng đi vào hệ thống thu hồi) chứa dưới 5% tạp chất và khoảng 35% nước. [34] 36 Đối với phương pháp khử caffeine bằng dung môi Quy trình được thực hiện như sau Dung môi chứa caffeine Đuổi dung môi Tẩy màu Lọc/ly tâm Tinh chế Kết tinh Caffeine Hình 2.8: Quy trình thu nhận caffeine đối với phương pháp dùng dung môi hữu cơ 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” hoàn toàn tự nhiên trong vài năm tới. Hiên Ogawa và các cộng sự (2001) đã hoàn thành nghiên cứu về kĩ thuật tái tổ hợp DNA nhằm tạo giống cà phê không caffeine bằng cách vô hoạt enzyme methyltransferase, điều chỉnh quan trọng trong con đường hóa sinh tạo ra caffeine. 37 Một hướng phát triển mới trong việc tách caffeine ra khỏi dịch trích là việc sử dùng công nghệ enzyme và vi sinh vật. vi sinh vật được đưa vào dịch để khử caffeine trong dịch trích Swiss water và tạo ra một dịch trích đã bão hòa chất khô hòa tan nhưng vẫn không chứa hoặc chứa rất ít caffeine. Một số giống vi sinh vật đã được nghiên cứu cho quá trình này như Pseudomonas, Asperillus, Penicillium… So với phương pháp Swiss water kết hợp với than hoạt tính trong việc khử caffeine thì phương pháp Swiss water kết hợp với vi sinh vật cho kết quả khử caffeine cao hơn và hoàn toàn sạch với môi trường do không sử dụng bất cứ dung môi nào. 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 đồ uống có ít hoặc không có caffeine ngày càng tăng cao. Bảng 2.11: Sản lượng cà phê khử caffeine trên toàn thế giới Quốc gia Sản lượng (ngàn tấn) Châu Âu 362 Bắc Mỹ 137 Trung/Nam Mỹ 50 Châu Á 9 Thực tế tại Mỹ vào đầu những năm 1960 chỉ có 4% dân số sử dụng cà phê khử caffeine nhưng đến năm 1980 chỉ tăng lên 13.1%. Nhưng đến năm 1990, cà phê khử caffeine đã chiếm 15% tổng lượng cà phê tiêu thụ tại nước này. Phụ nữ có khuynh hướng sử dụng sản phẩm này nhiều hơn so với nam giới (16% so với 9%, năm 1997), 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 tác dụng kích thích cao của caffeine. Ngoài ra những người quan tâm đến sức khỏe và khẩu 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% 38 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 dựng nhiều hệ thống sản xuất với công suất lớn, chủ yếu là những công ty sản xuất cà phê rang, 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 dụng phương 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 tính nguyên 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.  Dùng nước: 80 – 100 US cents/kg. Bảng 2.12: Tỷ lệ phần trăm các phương pháp khử caffeine Phương pháp khử Tỷ lệ (%) Methylene dichloride 30.1 Ethyl acetate 23.8 Nước 21.7 CO2 siêu tới hạn 19.2 CO2 lỏng 3.6 Chất béo 1.6 Theo các chuyên gia trong hiệp hội EDA (European Decaffeinenators Asspciation), các sản phẩm khử caffeine an toàn, có chất lượng cao như sử dụng dung môi hữu cơ, CO2 hay nước hoàn toàn được chấp nhận. Chương 3: NGUYÊN LIỆU – PHƯƠNG 39 PHÁP NGHIÊN CỨU NGUYÊN LIỆU – HÓA CHẤT DÙNG TRONG NGHIÊN CỨU Hầu hết các quy trình khử caffeine, điển hình là quy trình khử caffeine bằng phương pháp Swiss Water và phương pháp CO 2 siêu tới hạn của hãng General Foods, đều được thực hiện trên cà phê nhân nhằm tránh tổn thất hương, do các hợp chất hương được hình thành chủ yếu trong quá trình rang. Việc chọn lựa nguyên liệu ban đầu 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 kéo dài, 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 công nghệ sản xuất cà phê hòa tan không caffeine. Và mới đây nhất là nghiên cứu ban đầu của 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 thấy tiềm năng về việc khử caffeine từ hạt cà phê rang. Chính vì vậy, chúng tôi tiếp tục nghiên cứu phương pháp khử caffeine với nguyên liệu là cà phê rang, với mục tiêu là nâng 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 môi thực nhằm mục đích tăng độ sạch và an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng, đồng thời giúp hạn chế sự tổn thất hàm lượng chất khô tan trong nước. Nên trong quá trình nghiên 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. 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 tôi chọn 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 trọng 40 nặng) có xuất xứ từ Đắc Lắc. Quy trình rang cà phê bao gồm các quá trình phân loại tách tạp chất, phân loại theo 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 giờ nhằm tạo điều kiện cho phản ứng ester tạo mùi thơm xảy ra và đưa độ ẩm của cà phê đạt độ ẩm bảo quản (khoảng 2 – 4%) vì sau khi rang, độ ẩm cà phê chỉ còn 0.5%. Sản phẩm được bao gói trong túi nhôm và được bảo quản ở nhiệt độ 20oC. Cà phê nhân Xử lý, làm sạch Tạp chất Sàng chọn Loại 1 Không khí nóng Rang Nước Làm nguội Tsp = 238 – 240oC Ủ (24h) Bao nhôm Tkk = 370oC Bao gói Sản phẩm 41 Hình 3.1: Quy trình rang cà phê Hóa chất Dung môi trích ly - Ethanol thực phẩm 96oC. Xuất xứ: Việt Nam. CO2 siêu tới hạn. Hóa chất dùng trong phân tích - Methanol (loại tinh khiết dùng cho HPLC), dạng lỏng. Xuất xứ: Merck. Acetonitile (loại tinh khiết dùng cho HPLC), dạng lỏng. Xuất xứ: Merck. Caffeine chuẩn, dạng tinh thể 99.9%. Xuất xứ: Merck. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Với đề tài này, chúng tôi tiếp tục nghiên cứu và tối ưu hóa khả năng khử caffeine trong quá trình trích ly bằng hệ dung môi ethanol/nước đối với hạt cà phê rang. Nội dung nghiên cứu bao gồm các phần: 42 Khảo sát nguyên liệu Các thông số hóa lý Hàm lượng caffeine Khảo sát lại phương pháp khử caffeine Tỉ lệ ethanol/nước Khảo sát ảnh hưởng cuả các thông số trong trích ly Tỉ lệ dung môi/cà phê Thời gian trích ly Tối ưu hóa các thông số trong trích ly có hỗ trợ vi sóng Khử caffeine bằng CO2 siêu tới hạn Phương pháp phân tích hóa lý So sánh hiệu quả khử caffeine & đánh giá chất lượng sản phẩm Phương pháp đánh giá cảm quan Hình 3.2: Sơ đồ nội dung nghiên cứu Khảo sát nguyên liệu Xác định một số thành phần hóa học cơ bản có trong cà phê rang gồm: độ ẩm, hàm lượng protein, hàm lượng lipit tổng, hàm lượng tro, hàm lượng chất khô hòa tan trong nước, hàm lượng chất khô hòa tan trong ethanol, hàm lượng caffeine làm cơ sở cho việc theo dõi sự biến đổi của nguyên liệu trong các quá trình xử lý. Phương pháp phân tích caffeine Có nhiều phương pháp xác định hàm lượng caffeine, trong luận văn chúng tôi chọn phương pháp HPLC vì việc phân tích chỉ cần một lượng mẫu 43 nhỏ (5µl), độ nhạy cao, thời gian cho kết quả nhanh (khoảng 10 phút) nên có thể khảo sát hàm lượng caffeine trong quá trình trích ly hiệu quả hơn. Tiến hành phân tích caffeine chuẩn với hệ thống sắc kí lỏng cao áp (HPLC) Agilent 1200 Series LC gồm bơm gradient 4 kênh dung môi, đầu dò DAD, cột pha đảo C18 (150 x 4.6mm, 5µm), phần mềm điều khiển Agilent Chemstation. - Sử dụng caffeine chuẩn để xây dựng đường chuẩn. Caffeine chuẩn được pha theo TCVN 6603:2000 tại các nồng độ 100ppm, - 200ppm, 320ppm, 400ppm, 500ppm. Hệ số tương quan bình phương của chuẩn phải > 0.95. Khảo sát lại các kỹ thuật hỗ trợ trích ly Khảo sát lại các kỹ thuật hỗ trợ trích ly bao gồm vi sóng, siêu âm và điểu nhiệt đã được nghiên cứu trong luận văn của Bùi Phương Ngọc nhằm đánh giá lại hiệu quả khử caffeine của các phương pháp. Phương pháp thực hiện Thí nghiệm 1: Khảo sát quá trình khử caffeine bằng kỹ thuật vi sóng, kỹ thuật siêu âm, và dùng nhiệt độ cao. Chọn dung môi là hỗn hợp ethanol/nước (60/40) theo thể tích; tỷ lệ dung môi/cà phê là 7/1 (140g/20g) khảo sát ở các chế độ sau: - Phương pháp vi sóng, thời gian 4 phút, 7 phút. Phương pháp siêu âm, thời gian 20 phút, 40 phút, mức năng suất 20%. Phương pháp điều nhiệt, nhiệt độ 83 – 85oC, thời gian 1h, 2h. Thí nghiệm 2: Tiến hành thí nghiệm so sánh giữa phương pháp vi sóng và thanh siêu âm. Lặp lại điều kiện thí nghiệm như trên: dung môi là hỗn hợp ethanol/nước (60/40) theo thể tích; tỷ lệ dung môi/cà phê là 7/1 (140g/20g) khảo sát ở các chế độ sau - Phương pháp vi sóng, thời gian 4 phút (2 lần). Phương pháp thanh siêu âm, thời gian 10 phút, năng suất 20%. 44 - Phương pháp thanh siêu âm, thời gian 10 phút, năng suất 40%. Sau khi xử lý, hạt cà phê được đem sấy ở nhiệt độ 70 oC trong thời gian 5h để đạt độ ẩm cuối cùng là 3%. Thông số đánh giá - Hiệu suất khử caffeine. Tổn thất chất khô hòa tan. Sự thay đổi về ngoại quan của hạt cà phê đã xử lý. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số của quá trình trích ly Mục đích Phân tích ảnh hưởng của các thông số bao gồm tỉ lệ nước trong dung môi, tỉ lệ dung môi/nguyên liệu và thời gian xử lý đến hiệu suất khử caffeine và độ tổn thất chất khô của phương pháp trích ly có hỗ trợ vi song, xác định giá trị trung tâm nhằm tiến hành tối ưu hóa ở phần tiếp theo. Phương pháp khảo sát Thí nghiệm 1: Theo nghiên cứu trước, tỉ lệ nước trong dung môi trong quá trình khử caffeine được khảo sát tại các điểm: 0%, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%. Kết quả cho thấy với tỉ lệ nước trong dung môi là 40% thì cho hiệu suất khử caffeine khá cao và tỉ lệ tổn thất chất khô tương đối thấp. Do đó, chúng tôi tiến hành khảo sát ở phạm vi hẹp hơn như sau: - Tỉ lệ nước trong dung môi: 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, - 60%. Tỉ lệ dung môi/cà phê: 7/1 (140g/20g). Thời gian xử lý: 4 phút. Thí nghiệm 2: Chọn kết quả tỉ lệ nước trong dung môi từ thí nghiệm 1, để tiến hành thí nghiệm khảo sát tỉ lệ dung môi/nguyên liệu. Phạm vi khảo sát như sau: - Tỉ lệ dung môi/cà phê: 6/1, 7/1, 8/1. Tỉ lệ nước trong dung môi: kết quả từ thí nghiệm 1. Thời gian xử lý: 4 phút. 45 Thí nghiệm 3: Chọn tỉ lệ nước trong dung môi và tỉ lệ dung môi/nguyên liệu từ kết quả của hai thí nghiệm trên. Sau đó khảo sát thời gian trích ly ở các giá trị sau: - Thời gian xử lý: 3 phút, 4 phút, 5 phút. Tỉ lệ nước trong dung môi: kết quả từ thí nghiệm 1. Tỉ lệ dung môi/cà phê: kết quả từ thí nghiệm 2. Thông số đánh giá - Hiệu suất khử caffeine. Độ tổn thất chất khô hòa tan. Tối ưu hóa các thông số trong trích ly có hỗ trợ vi sóng Mục đích Tối ưu hóa các thông số để tăng hiệu quả khử caffeine với hàm mục tiêu là lượng caffeine được khử lớn nhất, đồng thời độ tổn thất chất khô là bé nhất, ít ảnh hưởng đến ngoại quan của hạt. Phương pháp khảo sát Thực hiện tối ưu hóa 3 thông số: - Tỉ lệ nước trong dung môi (x1). Tỉ lệ dung môi/cà phê (x2). Thời gian trích ly (x3). Với 2 hàm mục tiêu như sau: - Hiệu suất khử caffeine cao nhất (Y1  Max). Độ tổn thất chất khô thấp nhất (Y2  Min). Từ kết quả của thí nghiệm 3.2.4, chúng tôi chọn giá trị trung tâm cho từng thông số. Dùng phương pháp quy hoạch trực giao cấp hai để xây dựng mô tả toán học biểu diễn các hàm mục tiêu thành phần. Ma trân thực nghiệm với k=3 được xác định bằng phần mềm Mode 5.0 và thu được kết quả như bảng 3.1. Cánh tay đòn có giá trị bằng 1.682. 46 Bảng 3.1: Bảng ma trận thực nghiệm trực giao cấp 2, k=3. Số Biến mã t 1 x1 − x2 x3 − − − − 2 + 3 − + − 4 + + − 5 − − 6 + − 7 − 8 x1.x2 x1.x3 x2.x3 + x12 x22 x32 + + + + + − − + + + + − + − + + + + − − + + + + + − − + + + + − − + + + + + − + + + + + + + + + + + + + 9 -α 0 0 0 0 0 α2 0 0 10 +α 0 0 0 0 0 α2 0 0 47 + − 11 0 -α 0 0 0 0 0 α2 0 12 0 +α 0 0 0 0 0 α2 0 13 0 0 -α 0 0 0 0 0 α2 14 0 0 +α 0 0 0 0 0 α2 15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 16 0 0 0 0 0 0 0 0 0 17 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 0 0 0 0 0 0 0 0 0 19 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Phương trình hồi quy có dạng: Y = ao + a1.x1 + a2.x2 + a3.x3 +a12.x1.x2 + a13. x1.x3 + a23.x2.x3 + a11.x12 + a22.x22 + a33.x32 (3.1) Trong đó: ao: hệ số tự do. a1, a2, a3: hệ số tuyến tính. a12, a13, a23: hệ số tương tác đôi. a11, a22, a33: hệ số bậc hai. Từ kết quả thực nghiệm xây dựng phương trình hồi quy theo các bước sau: - Tính các hệ số của phương trình hồi quy và kiểm định theo chuẩn Student. Xác lập mô hình mô tả quan hệ giữa kết quả (Y) và các thông số tác động - (xi) lên quá trình. Kiểm tra sự tương thích của mô hình theo chuẩn Fisher. 48 Chạy điểm tối ưu bằng Mode 5.0 thỏa mãn hai hàm mục tiêu. Tiến hành khảo sát lại giá trị tối ưu của các thông số vừa tìm được để thu kết quả thực nghiệm, so sánh với kết quả thu được từ mô hình. Thông số đánh giá - Hiệu suất khử caffeine. Tổn thất chất khô hòa tan phi caffeine. Sự thay đổi về ngoại quan của hạt cà phê đã xử lý. Khảo sát quá trình khử caffeine bằng CO2 siêu tới hạn Mục đích So sánh phương pháp CO2 siêu tới hạn và phương pháp trích ly hỗ trợ vi sóng. Phương pháp khảo sát Thí nghiệm được tiến hành trên mẫu cà phê rang xay (cùng loại nguyên liệu trong những thí nghiệm trên), sử dụng hệ thống trích ly siêu tới hạn SFC của hãng Thar – Mỹ. Thông số công nghệ: [29] - Lưu lượng dòng CO2 siêu tới hạn: 10g/phút. Áp suất bơm: 103bar. Nhiệt độ vận hành: 50oC. Thời gian xử lý: 1h, 4h. Thông số đánh giá - Hiệu suất khử caffeine. Tổn thất chất khô hòa tan phi caffeine. CÁC THIẾT BỊ CHÍNH SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU - Thiết bị HPLC đầu dò UV – VIS, cột pha đảo C18 Phenomenex Gemini (250x4.6mm, 5µm). 49 - Lò vi sóng SHARP (Trung Quốc). Máy xay cà phê. Máy sấy ẩm hồng ngoại SCALTEC (Đức). Cân phân tích SATORIUS (Đức). Thanh siêu âm. Bể điều nhiệt MEMMERT (Nhật). Tủ sấy CARBOLITE, MEMMERT. Hệ thống trích ly bằng CO2 siêu tới hạn SFC (Thar – Mỹ). CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH - Xác định hàm ẩm nguyên liệu theo phương pháp sấy khô tới khối lượng không đổi (TCVN 7035 – 2002) và phương pháp đo nhanh bằng máy sấy - ẩm hồng ngoại (xem Phụ lục, mục 1). Xác định hàm lượng protein tổng theo phương pháp Kjeldahl (TCVN 3705 - – 90, xem Phụ lục, mục 2). Xác định hàm lượng lipid tổng theo phương pháp Soxhlet (TCVN 3703 – - 90, xem Phụ lục, mục 3). Xác định hàm lượng tro tổng (TCVN 5150 – 90, xem Phụ lục, mục 4). Xác định hàm lượng chất khô hòa tan trong nước (xem Phụ lục, mục 5). Xác định hàm lượng chất khô hòa tan trong ethanol (xem Phụ lục, mục 6) Xác định hàm lượng caffeine theo phương pháp HPLC (TCVN 6603 – - 2000, xem Phụ lục, mục 7). Phân tích thành phần dịch trích bằng phương pháp sắc ký lỏng HPLC. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CẢM QUAN Đối với cà phê thì chất lượng cảm quan là yếu tố rất quan trọng hàng đầu. Ngoài việc đánh giá ngoại quan của hạt cà phê sau khi xử lý, việc đánh giá cảm quan sản phẩm mới thực sự cung cấp những thông tin đầy đủ về chất lượng cuả cà phê. Caffeine được coi là giữ vai trò quan trọng trong việc tạo vị đắng của cà phê. Ngoài ra, trong quá trình khử caffeine, một số chất tổn thất có thể ảnh hưởng tới hương vị của sản phẩm. Vì vậy chúng tôi tiến hành một số thí nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng của quá trình khử caffeine lên một số chỉ tiêu như hương, vị 50 đắng, thể chất nước pha. Mục tiêu Đánh giá sự khác biệt về hương, vị đắng và thể chất của cà phê rang đã tách caffeine so với cà phê rang bình thường. Phương pháp Theo tiêu chuẩn và hội đồng thử nếm đã được huấn luyện của công ty Cà Phê Control. Hai loại cà phê được xay với cùng kích thước hạt, sau đó pha trong nước nóng (10g/150ml nước) và tiến hành thử nếm. Cách đánh giá Cách pha mẫu: chuẩn bị hai nhóm mẫu A và B, mỗi nhóm có 3 tách. Pha cà phê với tỉ lệ 10g/150ml nước nóng. Nước nóng gần mức sôi khoảng từ 85 – 95 oC được đổ trực tiếp xuống bột cà phê vừa mới xay xong. Các hạt xà phê xay ban đầu nổi lên thành một lớp bột trên bề mặt. Dùng muỗng khuấy nhẹ để các hạt lắng xuống, sau đó vớt hết các hạt cà phê và lớp bọt nổi trên bề mặt. Người thử được yêu cầu thử hương (khi mẫu vừa pha xong) và thử vị (khi nhiệt độ nước pha giảm còn 50 – 60oC), sau đó cho điểm về chất lượng của từng chỉ tiêu trên thang cường độ có cấu trúc (0 – 10 điểm). Hương 1 2 4 3 5 6 7 8 9 10 Vị đắng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Thể chất Các số liệu được phân tích theo chuẩn t-student, được xử lý bằng công cụ Data Analysis (Excel) để kiểm định sự khác biệt có nghĩa cho từng chỉ tiêu. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 51 Hiệu suất khử caffeine Tiến hành xác định lượng caffeine có trong nguyên liệu cà phê ban đầu và xác định lượng caffeine có trong hạt cà phê sau khi khử caffeine. Từ đó, đánh giá hiệu suất khử caffeine theo công thức: Với: m1: lượng caffeine có trong cà phê nguyên liệu ban đầu (g/100g chất khô). m2: lượng caffeine có trong cà phê đã khử caffeine (g/100g chất khô). Hk: hiệu suất khử caffeine (%). Tổn thất chất khô hòa tan Tiến hành xác định lượng chất khô hòa tan trong nước trước và sau quá trình khử caffeine. Từ đó xác định tổn thất chất khô hòa tan của nguyên liệu theo công thức: Với: m1: lượng chất khô hòa tan của nguyên liệu cà phê ban đầu (g/100g chất khô). m2: lượng chất khô hòa tan của cà phê sau khi khử caffeine (g/100g chất khô). Hck: phần trăm tổn thất chất khô (%). PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU Các số liệu thí nghiệm được xử lý bằng phương pháp phương sai, với độ tin cậy 95%, bằng chương trình Analysis Toolpark (Excel). Xử lý tối ưu hóa bằng Mode 5.0. 52 Chương 4: KẾT QUẢ - BÀN LUẬN KHẢO SÁT NGUYÊN LIỆU Trong thí nghiệm này chúng tôi khảo sát một số thành phần hóa học cơ bản có trong cà phê làm cơ sở cho việc theo dõi ảnh hưởng của phương pháp trích ly đến hiệu suất khử caffeine và độ tổn thất chất khô. Kết quả thu được trong bảng 4.1. Bảng 4.1: Thành phần hóa học của nguyên liệu cà phê rang Chỉ tiêu Kết quả Số liệu tham khảo [32] Độ ẩm 2.20 0.02 2.0 – 3.0 9.28 0.38 10.0 11.23 0.50 11.0 28.27 0.67 30.0 Protein tổng (N x 6.25) Lipid tổng Chất khô hòa tan trong nước (% chất khô) 53 Chất khô hòa tan trong ethanol (% chất khô) 11.70 0.23 - 4.25 0.20 4.7 2.59 0.08 2.4 Hàm lượng tro tổng (% chất khô) Hàm lượng caffeine (% chất khô) Đối chiếu với những số liệu tham khảo trong Food Chemistry (HD Belitz. W. Grosch & P. Schieberle, 2004) nhận thấy thành phần hóa học trong cà phê rang nguyên liệu đem thí nghiệm gần giống với giá trị của những khảo sát trước đây. Độ ẩm của nguyên liệu Độ ẩm theo thí nghiệm khảo sát được là 2.2%, giá trị nằm trong khoảng tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5250 – 1990 về cà phê rang (độ ẩm không lớn hơn 5%) và phù hợp với khảo sát của R. Eggers và A. Pietsch về cà phê rang trong “Coffee Recent Developments” cà phê ở mức rang đậm có độ ẩm 2 – 3%. Hàm lượng protein Hàm lượng protein khảo sát có giá trị là 9.28%, chênh lệch không đáng kể so với giá trị tham khảo (protein chiếm khoảng 10% tính theo hàm lượng các acid amin). [32] Theo “Coffee and Heath” (Gerard Debry, 1994) protein trong cà phê nhân chiếm tỉ lệ 8.7 – 12.2% chất khô, trong đó các acid amin tự do chỉ chiếm 0.2 – 0.8%. Các acid amin đóng vai trò rất quan trọng trong việc tạo hương vị và màu của sản phẩm. Cả lượng và loại acid amin đều có ảnh hưởng đến cường độ và chất lượng của hương cà phê sau khi rang. Sự hao hụt các acid amin trong quá trình rang tỉ lệ với mức độ rang, trong khoảng từ 14 – 20%, nguyên nhân là do sự phân hủy của protein bởi nhiệt độ cao, đồng thời có sự thay đổi tỉ lệ các acid amin, bảng 4.2. Một số acid amin có khả 54 năng chịu nhiệt tốt như acid glutamic, leucine, proline và valine tăng hoặc không đổi sau khi rang, trong khi các acid amin kém bền nhiệt như arginine, cysteine, serine và threonine thì bị mất nhiều sau quá trình rang. Các acid amin này cùng với đườn tham gia vào phản ứng Maillard, hay cùng với alpha-diketone tham gia phản ứng Strecker, hay bị nhiệt phân. Các phản ứng trên tạo mùi và màu cho sản phẩm. Bảng 4.2: Hàm lượng các acid amin có trong cà phê nhân và cà phê rang [13] Acid amin Cà phê nhân (%) Cà phê rang (%) Alanine 4.75 5.52 Arginine 3.61 0.00 Aspartic acid 10.63 7.13 Cystine 2.89 0.69 Glutamic acid 19.80 23.22 Glycine 6.40 6.78 Histidine 2.79 1.61 Isoleucine 4.64 4.60 55 Leucine 8.77 10.34 Lysine 6.81 2.76 Methionine 1.44 1.26 Phenylalanine 5.78 6.32 Proline 6.60 7.01 Serine 5.88 0.80 Threonine 3.82 1.38 Tyrosine 3.61 4.35 Valine 8.05 8.05 Hàm lượng lipid Theo “Coffee and Health” (Gérard Debry, 1994) hàm lượng lipid trong cà phê nhân Robusta là khoảng 8 – 12%. Ngoài một lượng nhỏ lipid nằm ở lớp vỏ sáp bên ngoài, phần lớn còn lại bên trong nhân cà phê với tỉ lệ các thành phần khác nhau, chủ yếu là triglyceride (70 – 80%), ester của các diterpene (15 – 18.5%), ngoài ra còn một số thành phần khác như acid béo tự do, sterol, phospholipid, tocopherol với hàm lượng nhỏ. Thành phần acid béo trong nhân cà phê chủ yếu là acid linoleic (40 – 45%) và acid palmitic (25 – 35%). Cà phê rang có hàm lượng lipid cao. Trong cà phê Robusta là khoảng 11%. Quá trình rang không làm biến đổi triglyceride và sterol, nhưng làm tăng hàm lượng acid béo tự do. Các acid béo tự do có thể kết hợp với ethanol trong dung môi khử caffeine tạo thành các ester mùi và có thể ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm sau xử lý. Hàm lượng chất khô hòa tan trong nước 56 Kết quả khảo sát hàm lượng chất khô tan trong nước là 28.27%. Hàm lượng này phụ thuộc trực tiếp vào mức độ rang, rang càng sẫm thì hàm lượng chất khô hòa tan càng cao. Thành phần chất khô hòa tan chủ yếu là carbohydrate, acid hữu cơ, khoáng, acid chlorogenic và một số thành phần khác với hàm lượng nhỏ hơn. Khi dùng phương pháp phân tích trích ly và sấy tới khối lượng không đổi thì thành phần chất khô hòa tan ngoài những chất kể trên còn có thêm các chất rắn lơ lửng và các chất béo. Dưới đây đưa ra thành phần của một số chất hòa tan trong cà phê, trong đó không kể đến các thành phần chất béo. Bảng 4.3: Thành phần hóa học có trong chất khô hòa tan của cà phê (Clinton, 1984) [21] % trong tổng chất khô hòa STT Thành phần 1 Caffeine 8.25 2 Acid Chlorogenic 18.50 3 Đường khử 1.45 4 Các carbohydrate khác 19.90 5 Peptide 6.00 6 Chất khoáng 13.60 7 Acid 17.30 8 Trigonelline 5.15 tan 57 Trong cà phê người ta quan tâm đặc biệt đến thể chất nước pha. Về mặt hóa học nó liên quan đến hàm lượng chất khô tổng trong nước pha. Cảm giác về độ béo hay độ trơn sẽ biểu thị hàm lượng chất béo trong nước pha. Cảm giác về độ nhớt hay độ sánh của nước pha phản ánh hàm lượng chất xơ hay protein của nước pha. Độ béo cùng với độ sánh là hai nhân tố quyết định thể chất của cà phê. Hàm lượng chất khô hòa tan trong cà phê Robusta cao hơn so với cà phê Arabica, tuy nhiên, hàm lượng chất béo trong Arabica lại cao hơn so với Robusta nên có hậu vị lâu hơn. Vì thế trong thương mại, người ta thường trộn lẫn hai loại cà phê này với nhau theo tỉ lệ khác nhau nhằm cân bằng hương, vị và thể chất của sản phẩm. [49] Hàm lượng chất khô hòa tan trong ethanol Hàm lượng chất khô tan trong ethanol theo khảo sát được 11.7%. Thành phần tan trong ethanol chủ yếu là các chất màu, chất béo và các chất dễ bay hơi… Việc xác định thành phần chất khô tan trong nước và trong ethanol là rất quan trọng, do quá trình xử lý caffeine bằng dung môi ethanol/nước có thể ảnh hưởng đến độ tổn thất chất khô và ảnh hưởng tới hương vị của sản phẩm. Hàm lượng khoáng Kết quả thí nghiệm cho thấy hàm lượng tro tổng là 4.25%. Theo các nghiên cứu, hàm lượng khoáng trong cà phê khá cao, chiếm khoảng 4.7% chất khô và chiếm 13.6% lượng chất khô hòa tan, trong đó Kali là thành phần khoáng chủ yếu. [51] Hàm lượng caffeine Xây dựng đường chuẩn của caffeine Từ các nồng độ và diện tích peak thu được, chúng tôi xây dựng đường chuẩn như sau: Bảng 4.4: Thời gian lưu và diện tích peak thu được của các chuẩn caffeine 58 Nồng độ caffeine (ppm) Thời gian lưu Diện tích peak (phút) trung bình 100 4.452 1367.0 200 4.387 2817.1 320 4.453 4456.4 400 4.422 5559.7 500 4.405 6970.2 Hình 4.1: Đường chuẩn caffeine Phương trình đường chuẩn của caffeine có dạng: Y = 13.949X – 6.3636 Trong đó: (4.1) Y là diện tích peak. X là nồng độ caffeine (ppm). Hệ số tương quan bình phương của đường chuẩn là R2 = 0.9999. Hàm lượng caffeine trong nguyên liệu 59 Dựa vào phương trình đường chuẩn và diện tích peak thu được từ nguyên liệu mà ta có thể xác định hàm lượng caffeine trong nguyên liệu. Bảng 4.5: Thời gian lưu và diện tích peak thu được của nguyên liệu STT Thời gian lưu (phút) Diện tích peak 1 4.368 4398.4 2 4.578 3247.0 3 4.34 3204.5 Trung bình 4.435 3616.6 Nồng độ caffeine có trong nguyên liệu: 259ppm. Hàm lượng caffeine khảo sát được chiếm 2.59% hàm lượng chất khô, chênh lệch không nhiều so với hàm lượng caffeine tham khảo có trong cà phê Robusta (2.4%, bảng 4.1). Bàn Luận: So với kết quả nghiên cứu của Bùi Phương Ngọc, các chỉ tiêu thành phần hóa học không có sự chênh lệch nhiều. Tuy nhiên hàm lượng protein và hàm lượng chất khô hòa tan trong nước khảo sát hơi thấp hơn so với trước đó (protein – 9.28% so với 10% ; hàm lượng chất khô hòa tan – 28.27% so với 29%). Mặt khác hàm lượng chất khô hòa tan trong ethanol khảo sát lại cao hơn so với kết quả nghiên cứu trước (11.7% so với 7.33%). Điều này có thể giải thích là do nguyên liệu khác nhau về chế độ rang. Nguyên liệu đang tiến hành khảo sát có mức độ rang đậm hơn so với nguyên liệu trước đó. Mức độ rang càng đậm thì hàm lượng chất khô tan trong nước tổn thất càng nhiều, đồng thời cấu trúc xốp hơn, thể tích tăng giúp trích ly được nhiều chất, đặc biệt là các chất béo, do đó làm tăng hàm lượng chất khô hòa tan trong ethanol. Kết quả thu được cho thấy rằng lượng chất khô hoà tan trong nước khá cao với nhiều thành phần khác nhau, và cao hơn nhiều so với hàm lượng chất khô hòa tan trong ethanol (28.27% so với 11.7% - bảng 4.1). Hàm lượng caffeine tan trong nước cũng cao hơn so với caffeine tan trong ethanol (2.13g/100g so với 1.32g/100g ở cùng 60 nhiệt độ - Bảng 2.8). Việc trích lý caffeine sử dụng dung môi với tỉ lệ nước lớn cùng nhiệt độ cao sẽ trích ly được nhiều caffeine nhưng đồng thời cũng làm tăng độ tổn thất chất khô hòa tan trong nước cuả nguyên liệu. Chính vì thế, chúng tôi nghiên cứu sâu hơn về tỉ lệ nước trong dung môi gồm ethanol và nước để trích ly có hiệu quả khử caffeine cao mà hàm lượng chất khô bị tổn thất thấp nhất. KHẢO SÁT PHƯƠNG PHÁP KHỬ CAFFEINE Khảo sát ảnh hưởng của phương pháp trích ly khử caffeine Kết quả thu được về ảnh hưởng của các kỹ thuật hỗ trợ trích ly khác nhau: vi sóng, thanh siêu âm và gia nhiệt dẫn đến hiệu suất khử caffeine và độ tổn thất chất khô khác nhau được thể hiện ở bảng 4.6 và hình 4.1. Bảng 4.6: Hiệu suất khử caffeine và độ tổn thất chất khô của từng phương pháp STT Điều kiện trích ly Hiệu suất khử Độ tổn thất caffeine chất khô (%) (%) Ngoại quan cà phê 1 Vi sóng, 4 phút 28.42 10.01 Hạt ngả sang màu nâu đen 2 Vi sóng, 7 phút 31.89 27.00 Hạt ngả sang màu nâu đen 52.48 40.47 Hạt màu nâu cánh dán 60.07 43.16 78.98 62.86 82.29 66.36 3 4 5 6 Siêu âm, 20 phút Siêu âm, 40 phút Gia nhiệt, 1 giờ Gia nhiệt, 2 giờ 61 Hạt màu nâu cánh dán đậm Hạt màu đen, co lại, cấu trúc hơi chai cứng Hạt màu đen, co lại, cấu trúc hơi chai cứng Hình 4.2: Ảnh hưởng của điều kiện trích ly đến hiệu suất khử caffeine và độ tổn thất chất khô Kết quả trên bảng 4.6, cũng như kết quả nghiên cứu trước đó, cho thấy với tính chất dung môi không đổi nhưng phương pháp trích ly ảnh hưởng rất lớn tới hiệu suất khử caffeine, độ tổn thất chất khô và ngoại quan của hạt. Hiệu suất khử caffeine có thể đạt cao nhất là 82.29% khi trích ly ở điều kiện nhiệt độ cao và thời gian dài (83 – 85oC, trong 2h) nhưng độ tổn thất chất khô cao – 66.36%, đồng thời màu sắc và trạng thái của hạt biến đổi mạnh. Hiệu quả khử caffeine cao thứ hai là phương pháp siêu âm (52.48% – 60.07%) với thời gian xử lý khá dài (20 – 40 phút) và độ tổn thất chất khô cũng khá cao, trên 40%. Trong khi bằng kỹ thuật vi sóng trong thời gian ngắn (3 – 7 phút) có thể khử được 41.81% caffeine mà độ tổn thất chất khô tương đối thấp (khoảng 27% – vi sóng 7 phút). Trong nghiên cứu trước, quá trình trích ly bằng siêu âm sử dụng bể siêu âm nên hiệu suất khử caffeine thấp (khoảng 20% – trong điều kiện xử lý 40 phút). Trong thí nghiệm này, chúng tôi sử dụng thanh siêu âm có năng suất thay đổi nên hiệu suất khử caffeine trong cà phê cao hơn rất nhiều (60% – trong điều kiện xử lý 40 phút). Để kiểm tra lại hiệu quả của phương pháp trích ly, chúng tôi tiến hành thí 62 nghiệm so sánh hiệu suất khử caffeine cùng với độ tổn thất chất khô của phương pháp vi sóng và phương pháp siêu âm. So sánh hiệu quả của phương pháp vi sóng với phương pháp dùng thanh siêu âm Ở thí nghiệm này chúng tôi tiến hành khảo sát phương pháp dùng thanh siêu âm ở các mức năng suất khác nhau (20% và 40%) và thời gian xử lý ngắn hơn (10 phút), đồng thời tiến hành thí nghiệm trích ly bằng phương pháp vi sóng với thời gian 4 phút – 2 lần. Kết quả thu được trong bảng 4.7 và hình 4.2. Bảng 4.7: So sánh hiệu quả trích ly của phương pháp vi sóng và phương pháp siêu âm Vi sóng, 2 Siêu âm 10 lần 4 phút-20% phút Siêu âm 10 phút-40% Hiệu suất khử caffeine 32.23 23.64 28.57 26.99 31.91 39.16 (%) Độ tổn thất chất khô (%) 63 Hình 4.3: So sánh hiệu suất khử caffeine và độ tổn thất chất khô của phương pháp vi sóng và phương pháp siêu âm So với bể siêu âm, thanh siêu âm có hiệu quả hơn nhiều. Kết quả thí nghiệm cho thấy thời gian xử lý và năng suất của thanh siêu âm có ảnh hưởng đến hiệu quả trích ly. Khi tăng mức năng suất của thanh siêu âm (20% và 40%), ở cùng thời gian xử lý (10 phút), thì hiệu suất khử caffeine tăng 1.2 lần, đồng thời độ tổn thất chất khô tăng 1.2 lần. Thời gian xử lý càng dài, hiệu suất khử caffeine và độ tổn thất chất khô càng cao. Ở cùng mức năng lượng 20%, tăng thời gian xử lý từ 10 – 20 phút, hiệu suất khử caffeine tăng 2.2 lần (tương đương với 122%), và độ tổn thất chất khô tăng 1.3 lần (tương đương với 26.8%). Như vậy có thể thấy thời gian xử lý ảnh hưởng rất nhiều tới hiệu quả trích ly. Đối với phương pháp vi sóng, thời gian xử lý càng dài thì hiệu suất khử và độ tổn thất chất khô càng tăng. Khi tăng thời gian xử lý từ 4 – 7 phút, hiệu suất khử caffeine tăng 1.1 lần ứng với 12.2% và độ tổn thất chất khô tăng 2.7 lần ứng với 170%. Tuy nhiên nếu so sánh về hiệu quả khử caffeine và độ tổn thất chất khô của 64 phương pháp vi sóng và phương pháp siêu âm thì phương pháp vi sóng có hiệu quả hơn. Theo bảng 4.7 và hình 4.2 ta thấy, mẫu xử lý vi sóng ở điều kiện 8 phút (2 lần 4 phút) có hiệu suất khử caffeine cao hơn 1.13 lần so với mẫu siêu âm trong 10 phút (năng suất 40%), đồng thời độ tổn thất chất khô trong mẫu vi sóng thấp hơn so với mẫu siêu âm (vi sóng – 26.99%, siêu âm – 39.16%). Kết quả khảo sát cho cùng kết luận với nghiên cứu của Ths. Bùi Phương Ngọc, phương pháp trích ly vi sóng giúp khử caffeine hiệu quả trong thời gian ngắn nhất. Do đó cũng ít ảnh hưởng tới chất lượng cảm quan của sản phẩm so với phương pháp nhiệt truyền thống và phương pháp siêu âm. Điều này có thể giải thích là do tác động của vi sóng làm tăng vận tốc khuếch tán của phân tử, tăng nhiệt độ và tác động đến các phân tử bên trong sản phẩm dưới tác dụng của điện trường, giúp hỗ trợ quá trình trích ly tốt hơn trong thời gian ngắn hơn, ít gây ảnh hưởng tới cảm quan sản phẩm. Chính vì vậy, chúng tôi tiếp tục tiến hành nghiên cứu để tối ưu hóa các thông số trong quá trình trích ly bằng phương pháp vi sóng nhằm nâng cao hiệu quả khử caffeine mà đảm bảo lượng chất khô bị tổn thất thấp nhất có thể. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ TRÍCH LY Như đã biết, tỉ lệ nước trong dung môi, tỉ lệ dung môi/nguyên liệu và thời gian xử lý là các yếu tố ảnh hưởng rất rõ đến hiệu quả trích ly. Ths. Bùi Phương Ngọc trong nghiên cứu trước đã tiến hành khảo sát một số giá trị của ba yếu tố nói trên và đã chọn ra được các giá trị thích hợp nhất thỏa mãn hai hàm mục tiêu là hiệu suất khử caffeine lớn nhất và độ tổn thất chất khô thấp nhất. Cụ thể là với tỉ lệ nước trong dung môi 40%, tỉ lệ dung môi/nguyên liệu 7/1, thời gian xử lý 4 phút, thì hiệu suất khử caffeine là 18.52% và độ tổn thất chất khô hòa tan là 5.8%. Với mong muốn tăng hiệu suất khử caffeine và độ tổn thất chất khô không quá cao, chúng tôi tiến hành thí nghiệm khảo sát các thông số trong phạm vi hẹp hơn dựa vào nghiên cứu bước đầu của Ths. Bùi Phương Ngọc. Kết quả khảo sát được trình bày trong các bảng 4.8, bảng 4.9 và bảng 4.10. 65 Khảo sát tỉ lệ nước trong dung môi Các giá trị được khảo sát xung quanh giá trị 40%. Kết quả thu được như sau Bảng 4.8: Hiệu suất khử caffeine và độ tổn thất chất khô ứng với các tỉ lệ nước trong dung môi Tỉ lệ nước trong Hiệu suất khử dung môi (%) caffeine (%) Độ tổn thất chất khô (%) 20 22.41 8.35 25 25.30 8.46 30 27.34 9.02 35 28.88 10.08 40 29.15 10.47 45 29.46 12.20 50 30.50 14.01 55 35.19 14.50 60 40.43 18.68 Nhìn vào bảng số liệu ta thấy rằng, hiệu suất khử caffeine và độ tổn thất chất khô cao hơn so với nghiên cứu trước đây. Cùng với mức tỉ lệ 40%, hiệu suất khử caffeine khảo sát cao hơn 1.6 lần (29.15% so với 18.52%) và độ tổn thất chất khô khảo sát cao hơn 1.8 lần (10.47% so với 5.8%). Đó là do sự khác biệt về mức độ rang, phương thức rang của nguyên liệu. Nguyên liệu trong nghiên cứu này có mức độ rang đậm hơn, dẫn đến thể tích hạt và cấu trúc của hạt xốp hơn, các liên kết trở nên lỏng lẻo hơn. Do đó, quá trình trích ly dễ dàng lôi cuốn các hợp chất ra khỏi hạt, nhất là các hợp chất dễ tan trong nước. Trích ly càng nhiều chất tan sự tổn thất càng nhiều, đồng thời mức độ rang càng đậm thì độ tổn thất càng cao. Hiệu suất khử caffeine thay đổi không đáng kể trong khoảng tỉ lệ nước/dung môi từ 35% - 45%, trong khi tỉ lệ nước/dung môi từ 55% và 60% thì hiệu suất khử 66 caffeine tăng lên rõ rệt. Cùng với việc tăng hiệu suất khử caffeine, độ tổn thất chất khô cũng tăng. So với tỉ lệ nước/dung môi là 40% thì hiệu suất khử caffeine của tỉ lệ 55% tăng 20.72% và 60% tăng 38.7%. Độ tổn thất chất khô ứng với 55% tăng 1.4 lần và 60% tăng 1.8 lần (so với 40%). Như vậy với tỉ lệ nước trong dung môi là 55%, hiệu suất khử caffeine đạt khá cao (35.19%) và độ tổn thất chất khô ở mức có thể chấp nhận được (14.5%). Do đó, chúng tôi chọn tỉ lệ 55% làm mức cơ sở tiếp tục khảo sát hai thông số kia. Khảo sát tỉ lệ dung môi/nguyên liệu Tỉ lệ dung môi/nguyên liệu tối ưu theo nghiên cứu trước là 7/1. Dựa theo kết quả này, chúng tôi tiến hành khảo sát thêm hai giá trị xung quanh 7/1 là 6/1 và 8/1. Bảng 4.9: Kết quả khảo sát tỉ lệ dung môi/nguyên liệu Tỉ lệ dung môi/nguyên liệu Hiệu suất khử caffeine (%) Độ tổn thất chất khô (%) 6/1 29.26 12.33 7/1 35.19 14.50 8/1 35.62 16.38 Theo kết quả của nghiên cứu trước, khi tỉ lệ dung môi tăng từ 5/1 đến 7/1 thì hiệu suất khử caffeine tăng đáng kể 50% (từ 12.31% lên 18.45%) và khi tỉ lệ này tăng từ 7/1 lên 9/1 thì hiệu suất tăng 3% (từ 18.45% lên 19%). Bảng 4.9 cho thấy phù hợp với kết quả của nghiên cứu trước. Hiệu suất khử caffeine tăng 20.3% khi tăng tỉ lệ dung môi/nguyên liệu từ 6/1 lên 7/1 và tăng 1.2% khi tăng tỉ lệ này từ 7/1 lên 8/1. Điều này chứng tỏ tỉ lệ dung môi/nguyên liệu tại giá trị 7/1 là tối ưu cho quá trình trích ly. Điều này được giải thích trên cơ sở gradient nồng độ: ban đầu khi tăng lượng dung môi sử dụng, nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch giảm, thúc đẩy các chất khô hòa tan trong hạt khuếch tán vào dung dịch. Tuy nhiên nếu cứ tăng lượng dung môi với thời gian không đổi, tác dụng của vi sóng chưa đủ để tăng 67 cường sự trích ly nhiều hơn các cấu tử hòa tan trong dung môi. Vậy qua hai bước khảo sát về tỉ lệ nước trong dung môi và tỉ lệ dung môi/nguyên liệu, chúng tôi chọn hai thông số cho quá trình khảo sát thời gian trích ly tiếp theo như sau: tỉ lệ nước trong dung môi là 55% và tỉ lệ dung môi/cà phê là 7/1. Khảo sát thời gian xử lý Thời gian xử lý có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả trích ly đồng thời cũng ảnh hưởng đến chất lượng cảm quan của hạt. Thời gian xử lý trong nghiên cứu trước được thực hiện trong 4 phút, 4 phút (2 lần), 4 phút (3 lần) và đạt được hiệu suất khử caffeine cao nhất là 49.26% cùng với độ tổn thất chất khô là 36.5% (4 phút – 3 lần). Trong thí nghiệm này chúng tôi khảo sát tại những giá trị lân cận của giá trị tối ưu trong nghiên cứu trước đó, nhằm phục vụ cho thí nghiệm tối ưu hóa ở phần sau. Bảng 4.10: Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến hiệu quả trích ly Thời gian xử lý Hiệu suất khử (phút) caffeine (%) Độ tổn thất chất khô (%) 3 27.30 13.09 4 35.19 14.50 5 36.85 17.46 Kết quả cho thấy khi tăng thời gian xử lý, hiệu suất khử caffeine đồng thời độ tổn thất chất khô đều tăng. Tăng thời gian xử lý từ 3 – 4 phút, hiệu suất khử caffeine tăng 28.9%, độ tổn thất chất khô tăng 10.8% ; còn khi tăng thời gian xử lý từ 4 – 5 phút, hiệu suất khử caffeine tăng 4.7%, độ tổn thất chất khô tăng 20.4%. Rõ ràng với 4 phút xử lý, hiệu quả trích ly là cao nhất xét cả về hiệu suất khử caffeine lẫn độ tổn thất chất khô. Như vậy chúng tôi chọn thời gian 4 phút làm giá trị cơ sở cho quá trình tối ưu hóa. 68 TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ TRONG TRÍCH LY CÓ HỖ TRỢ VI SÓNG Với hai hàm mục tiêu là hiệu suất khử caffeine cao nhất và độ tổn thất chất khô thấp nhất, chúng tôi tiến hành tối ưu hóa ba thông số ảnh hưởng tới hiệu quả trích ly với các giá trị trung tâm được khảo sát trong thí nghiệm trên như sau: - Tỉ lệ nước/dung môi: 55%. - Tỉ lệ dung môi/cà phê: 7/1. Thời gian xử lý: 4 phút. Sau khi tiến hành thí nghiệm tối ưu hóa ba thông số theo phương pháp quy hoạch trực giao cấp I như bảng 3.1, chúng tôi thu được kết quả như sau: Bảng 4.11: Bảng mã hóa các thông số ảnh hưởng cần khảo sát Các mức Các thông số ảnh hưởng x1, %V x2 x3, phút 50 6 3 55 7 4 60 8 5 -α 46.59 5.318 2.318 +α 63.41 8.642 5.682 Mức dưới (− ) Mức cơ sở (0) Mức trên (+) Trong đó: x1: tỉ lệ nước trong dung môi (%). x2: tỉ lệ dung môi/nguyên liệu (%). x3: thời gian xử lý (phút). Y1: hiệu suất khử caffeine (%) ; Y2: độ tổn thất chất khô (%). 69 Bảng 4.12: Kết quả và điều kiện thí nghiệm ma trận trực giao cấp II Số Biến mã x1 1 − x2 x3 − − − − 2 + 3 − + − 4 + + − 5 − − 6 + − 7 − 8 9 x1.x2 x1.x3 x2.x3 + x12 x22 x32 + + + + + − − + + + + − + − + + + + − − + + + + + − − + + + + − − + + + + + − + + + + + + + + + + + + + -α 0 0 0 0 0 α2 0 0 10 +α 0 0 0 0 0 α2 0 0 11 0 -α 0 0 0 0 0 α2 0 12 0 +α 0 0 0 0 0 α2 0 13 0 0 -α 0 0 0 0 0 α2 14 0 0 +α 0 0 0 0 0 α2 15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + − 70 27.1 5 7.11 31.7 12.8 3 9 30.0 13.3 1 7 34.3 17.2 6 8 30.6 9 9.20 35.4 14.0 7 6 34.2 15.8 3 2 41.2 21.2 0 1 29.3 10.0 0 1 37.9 16.8 0 0 32.0 12.2 8 1 34.6 18.6 5 8 30.0 13.0 1 9 36.8 15.4 5 6 34.2 14.5 16 0 0 0 0 0 0 0 0 0 17 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 0 0 0 0 0 0 0 0 0 19 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 8 35.2 14.5 1 0 36.1 14.5 8 0 35.1 13.9 9 8 35.7 14.2 8 0 Xây dựng mô hình toán học của các hàm mục tiêu Xây dựng phương trình hồi quy của hàm hiệu suất khử caffeine Dùng Mode tinh hệ số của phương trình hồi quy ta thu được kết quả như bảng 4.13. Các hệ số của phương trình hồi quy trên được kiểm tra tính ý nghĩa theo tiêu chuẩn Student với t(0.05, ) để loại đi các hệ số không có ý nghĩa về mặt thống kê Bảng 4.13: Các hệ số của phương trình hồi quy theo hiệu suất khử caffeine Hệ số Giá trị a0 35.330 a1 2.573 a2 1.397 a3 2.185 a12 0.245 a13 0.353 a23 0.473 71 a11 -0.661 a22 -0.744 a33 -0.721 Sau khi loại đi các hệ số không có ý nghĩa bao gồm a 12, a13, a23 của các biến x1.x2, x1.x3, x2.x3, ta thu được phương trình hồi quy sau: Y1 = 35.33 + 2.573.x1 + 1.397.x2 + 2.185.x3 – 0.661.x12 – 0.744.x22 – 0.721.x32 Kiểm định sự tương thích của phương trình hồi quy với thực nghiệm theo tiêu chuẩn Fisher (F). Kiểm tra F với giá trị F (0.05, 3, 4) = 6.59. Vì F = 1.87 < F (0.05, 3, 4)  phương trình tương thích với thực nghiệm. Xây dựng phương trình hồi quy của hàm độ tổn thất chất khô Lặp lại thao tác như mục 4.1.1.1 ta thu được kết quả như sau Bảng 4.14: Các hệ số của phương trình hồi quy theo độ tổn thất chất khô Hệ số Giá trị a0 14.372 a1 2.296 a2 2.585 a3 0.998 a12 -0.168 a13 0.070 a23 0.390 a11 -0.443 a22 0.278 72 a33 -0.136 Sau khi loại đi các hệ số không có ý nghĩa bao gồm a 12, a13, a23 của các biến x1.x2, x1.x3, x2.x3, ta thu được phương trình hồi quy sau: Y2 = 14.372 + 2.296.x1 + 2.585.x2 + 0.998.x3 Kiểm định sự tương thích của phương trình hồi quy với thực nghiệm theo tiêu chuẩn Fisher (F). Kiểm tra F với giá trị F (0.05, 3, 4) = 6.59. Vì F = 2.40 < F (0.05, 3, 4)  phương trình tương thích với thực nghiệm. Tối ưu hóa hàm hai mục tiêu Sau khi có được hai phương trình hồi quy ứng với hai hàm mục tiêu, ta tiến hành tối ưu hóa dùng Mode, trong đó: Hiệu suất khử caffeine đạt tối đa Y1 max Độ tổn thất chất khô đạt thấp nhất Y2 min. Kết quả chạy tối ưu cho ra điểm tối ưu thỏa mãn hai hàm mục tiêu như sau Bảng 4.15: Kết quả tối ưu hóa hàm hai mục tiêu Tỉ lệ nước trong dung môi (%) 60 Tỉ lệ dung môi/nguyên Hiệu suất Thời gian xử lý liệu khử caffeine (%) 6.5 5 38.29 Độ tổn thất chất khô (%) 16.27 Kết quả thực nghiệm với điều kiện tối ưu khử được 38.5% hàm lượng caffeine có trong hạt cà phê rang và độ tổn thất chất khô là 16.22%. Như vậy giữa kết quả thực nghiệm và kết quả tối ưu hóa không có sự chênh lệch đáng kể. 73 Hình 4.4: Đồ thị về sự thay đổi các thông số tỉ lệ nước và tỉ lệ dung môi đến hiệu suất khử caffeine và độ tổn thất chất khô trong 5 phút Hình 4.4 cho thấy hiệu suất khử caffeine tăng thì độ tổn thất chất khô cũng tăng. Hai hàm mục tiêu này tăng theo các thông số trích ly. Vấn đề đặt ra là nghiệm của phương trình tối ưu vừa phải thỏa mãn hiệu suất khử caffeine tối đa, vừa phải thỏa mãn độ tổn thất chất khô thấp nhất. Theo hình kết quả tính toán từ Mode (bảng 4.15) cho ta điểm tối ưu như sau: tỉ lệ nước trong dung môi là 60%, tỉ lệ dung môi/nguyên liệu là 6.5/1 và thời gian xử lý là 5 phút. So với kết quả nghiên cứu trước đây, hiệu suất khử caffeine sau 3 lần trích, mỗi lần 4 phút với tỉ lệ nước 40%, tỉ lệ dung môi/nguyên liệu 7/1, đạt 49.26% với độ tổn thất chất khô là 36.5% thì điều kiện mới thiết lập cho kết quả tốt hơn. Chỉ trong 5 phút đã khử được 38.29% lượng caffeine có trong nguyên liệu với độ tổn thất chất khô tương đối thấp 16.27%. Do hiệu suất tại điều kiện tối ưu vẫn còn thấp, nên chúng tôi tiến hành thí nghiệm giữ nguyên thông số tỉ lệ nước trong dung môi và tỉ lệ dung môi/nguyên liệu như điều kiện tối ưu và thay đổi thời gian xử lý, từ 5 phút (điều kiện tối ưu) lên 10 phút (2 lần 5 phút). Kết quả cho thấy hiệu suất khử caffeine là 62% và độ tổn thất chất khô là 29.88%. Rõ ràng, điều kiện tối ưu đã cho hiệu quả khử caffeine cao hơn nhiều so với điều kiện trước đó (hiệu suất khử caffeine tăng 25.86% và độ tổn 74 thất chất khô giảm 22.16%). Mặt khác, thời gian xử lý ngắn hơn (10 phút so với 12 phút) có thể cho chất lượng cảm quan của sản phẩm tốt hơn. Hình 4.5: So sánh hiệu quả khử caffeine tại điều kiện tối ưu mới và điều kiện trước. - Điều kiện cũ: tỉ lệ nước/dung môi: 40%, tỉ lệ dung môi/nguyên liệu: 7/1, thời gian xử lý: 3 lần 4 phút. - Điều kiện mới thành lập tỉ lệ nước/dung môi: 60%, tỉ lệ dung môi/nguyên liệu: 6.5/1, thời gian xử lý: 2 lần 5 phút. Xét về mặt ngoại quan của hạt cà phê sau khi xử lý, khi tăng thời gian xử lý, hạt chuyển dần từ màu nâu đen sang nâu đen. Đó là do cường độ của phản ứng Maillard tăng khi kéo dài thời gian xử lý nhiệt và sự tích tụ của các chất màu melanoidin bên trong hạt dưới tác dụng của nhiệt độ cao [2]. Ngoài ra cấu trúc hạt cũng bị ảnh hưởng. Tuy nhiên với thời gian xử lý ngắn (10 phút), tỉ lệ nước/dung môi 60%, tỉ lệ dung môi/nguyên liệu 6.5/1, cấu trúc và màu sắc của hạt cà phê không bị biến đổi nhiều so với nguyên liệu chưa xử lý. 75 (a) Trước khi xử lý (b) Sau khi xử lý Hình 4.5: Ngoại quan hạt cà phê trước và sau khi khử caffeine, phương pháp vi sóng. Như vậy, bằng phương pháp tối ưu hàm đa mục tiêu, chúng tôi đã tìm ra được điều kiện thí nghiệm tương đối tốt thỏa mãn yêu cầu đặt ra là hiệu suất khử caffeine khá cao (62%) và độ tổn thất chất khô tương đối, có thể chấp nhận được (29.88%). Điều kiện thí nghiệm được chọn là tỉ lệ nước trong dung môi là 60%, tỉ lệ dung môi/nguyên liệu là 6.5/1 và thời gian xử lý là 10 phút (2 lần 5 phút). KHỬ CAFFEINE TỪ HẠT CÀ PHÊ RANG BẰNG CO2 SIÊU TỚI HẠN Để so sánh hiệu quả khử caffeine bằng phương pháp vi sóng, chúng tôi tiến hành thí nghiệm khử caffeine bằng phương pháp CO 2 siêu tới hạn trên mẫu cà phê rang xay. Kết quả sau trích ly thu được như sau: Bảng 4.16: Hiệu suất khử caffeine bằng phương pháp CO2 siêu tới hạn Thời gian xử lý Hiệu suất khử caffeine (%) 1h 4h 14.98 60.07 Trong các nghiên cứu trước đây, quá trình khử caffeine bằng CO 2 siêu tới hạn được thực hiện trên cà phê nhân, đạt hiệu suất khá cao 97% sau 10 giờ trích ly [29]. Với cấu trúc xốp và kích thước nhỏ của cà phê rang xay, khả năng tiếp xúc với caffeine của CO2 siêu tới hạn cao, do đó dễ dàng lôi cuốn các phân tử caffeine 76 ra khỏi tế bào, thời gian xử lý giảm so với trích ly cà phê nhân. Tuy nhiên các phân tử chất hương cũng vì thế mà thất thoát nhiều hơn. CO2 siêu tới hạn có tính đặc hiệu với caffeine nên hạn chế tổn thất hàm lượng chất khô. Tuy nhiên để đạt được hiệu suất khử caffeine tối đa, thời gian trích ly kéo dài làm ảnh hưởng tới năng suất sản phẩm. Trích ly trong 4 giờ bằng CO 2 siêu tới hạn, khử được 60% caffeine trong khi bằng phương pháp trích ly vi sóng, chỉ trong 10 phút ta có thể khử được 62% caffeine trong nguyên liệu. Như vậy nếu xét về hiệu suất khử caffeine thì phương pháp trích ly vi sóng có hiệu quả hơn so với phương pháp CO2 siêu tới hạn. CẢM QUAN ĐỐI VỚI SẢN PHẨM SAU XỬ LÝ VI SÓNG Hội đồng đánh giá cảm quan gồm 5 thành viên đã qua huấn luyện và có kinh nghiệm. Đó là các chuyên gia thử nếm cà phê của công ty giám định Cà phê Control. Quá trình đánh giá cảm quan tập trung vào các chỉ tiêu mùi, vị đắng và thể chất nước pha. Mẫu được đánh giá trên thang điểm 10 kèm theo mô tả, dựa trên kinh nghiệm của người thử đối với mẫu cà phê rang xay. Kết quả sau đó được so sánh với kết quả của mẫu nguyên liệu đã nghiên cứu của Ths. Bùi Phương Ngọc. - Mẫu 1: mẫu nguyên liệu không khử caffeine. - Mẫu 2: mẫu xử lý bằng phương pháp vi sóng ở điều kiện vừa tối ưu (tỉ lệ nước/dung môi: 60%, tỉ lệ dung môi/nguyên liệu: 6.5/1, thời gian xử lý: 2 lần 5 phút). - Mẫu 3: mẫu xử lý bằng phương pháp vi sóng trong nghiên cứu trước (tỉ lệ nước/dung môi: 40%, tỉ lệ dung môi/nguyên liệu: 7/1, thời gian xử lý: 12 phút). 77 Bảng 4.17: Kết quả đánh giá cảm quan mẫu xử lý Chỉ tiêu Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mùi 7.1 6.9 6.9 Vị đắng 6.1 5.5 5.8 Thể chất 7.6 6.0 5.3 Mô tả của Mùi người thử nếm hăng nồng, Mùi trái cây, mùi Mùi trái cây, mùi hắc, mùi đất. nước hoa, mùi nước hoa, mùi cồn, mùi thơm. cồn, mùi thơm. mạnh, đắng sâu, Vị đắng có hậu vị. Vị đắng có hậu vị. Vị đắng đậm, đắng đắng hơi gắt. Thể chất đầy nhưng Thể chất hơi loãng, Thể chất loãng hơn kém lưu lại. không lưu lại so với mẫu 2, kém lưu lại. lâu. Nhìn vào kết quả trên ta thấy các mẫu có sự chênh lệch không nhiều về hương vị. Do quá trình xử lý nhiệt ngắn (10 phút và 12 phút) nên sự tổn thất hương không nhiều, đồng thời trong dung môi trích ly có chứa rượu đã xảy ra phản ứng ester tạo mùi thơm. Quá trình xử lý sau trích ly không loại bỏ hoàn toàn cồn trong sản phẩm, dẫn đến mùi cồn sót lại trong sản phẩm. Xét về thể chất, mẫu 2 và mẫu 3 có thể chất loãng do trong quá trình trích ly, ngoài caffeine đi vào dung môi, một lượng nhỏ các thành phần chất khô hòa tan khác cũng bị trích ly khỏi hạt và một phần chất béo cũng bị hòa tan trong ethanol. Mẫu 2 có thể chất đầy hơn mẫu 3 do lượng tổn thất chất khô hòa tan trong mẫu 2 thấp hơn mẫu 3. Để tiến hành kiểm tra sự khác biệt về các tính chất (hương, vị đắng, thể chất) của mẫu 1 và mẫu 2, và sự khác biệt về thể chất của mẫu 2 và mẫu 3, chúng tôi tiến hành phân tích các số liệu bằng kiểm định t-Student trên Excel. Kết quả thu được như sau: 78 Bảng 4.18: Kết quả phân tích t-Student trên chỉ tiêu hương của mẫu 1 và mẫu 2 Mẫu 1 7.1 0.175 5 0.071429 0 4 0.784465 0.23831 Mean Variance Observation Pearson Correlation Hypothesized Mean Difference Df t Stat P (T t) one-tail t Critical one-tail P (T Mẫu 2 6.9 0.175 5 2.131847 0.476621 t) two-tail t Critical two-tail 2.776445 Kết quả cho thấy tStat < tCritical, chứng tỏ mẫu 1 và mẫu 2 không có sự khác biệt về hương. Điều này có ý nghĩa là mẫu 2 không tạo hương xấu, gây khó chịu cho người thử. Do đó điểm số không khác biệt mấy so với mẫu 1. Bảng 4.19: Kết quả phân tích t-Student trên chỉ tiêu vị đắng của mẫu 1 và mẫu 2 Mẫu 1 6.1 0.175 5 0.896421 0 4 6 0.001941 Mean Variance Observation Pearson Correlation Hypothesized Mean Difference Df t Stat P (T t) one-tail t Critical one-tail 2.131847 79 Mẫu 2 5.5 0.25 5 0.003883 P (T t) two-tail t Critical two-tail 2.776445 Kết quả cho thấy hai mẫu có sự khác biệt về vi đắng (t Stat > tCritical). Theo như mô tả, vị đắng của mẫu 2 nhẹ hơn so với mẫu 1. Điều này là do hàm lượng caffeine giảm 62% so với nguyên liệu ban đầu và có thể một số thành phần khác tạo vị đắng khác cũng giảm nên làm cho vị đắng tổng thể giảm so với mẫu 1, đồng thời không còn vị đắng gắt mà chuyển sang vị đắng dịu, đó là chiều hướng tốt. Tuy nhiên sự giảm vị đắng này gây mất cân bằng tổng thể vị nên điểm số hơi thấp so với mẫu 1. Bảng 4.20: Kết quả phân tích t-Student trên chỉ tiêu thể chất của mẫu 1 và mẫu 2 Mẫu 1 7.6 0.175 5 0.597614 0 4 8.55236 0.000513 Mean Variance Observation Pearson Correlation Hypothesized Mean Difference Df t Stat P (T t) one-tail t Critical one-tail P (T Mẫu 2 6.0 0.25 5 2.131847 0.001026 t) two-tail t Critical two-tail 2.776445 Kết quả phân tích về thể chất cho thấy hai mẫu khác biệt có ý nghĩa. Mẫu 2 có thể chất kém hơn mẫu 1. Đó là do một số các thành phần chất khô hòa tan, đặc biệt là các chất béo đã bị tổn thất trong dung môi trong quá trình trích ly. Các chất này đóng vai trò quan trọng tạo cảm giác đầy về vị cho sản phẩm. Chính vì vậy điểm trung bình của thể chất mẫu 2 thấp hơn mẫu 1. 80 Tuy nhiên thể chất của mẫu 2 có điểm trung bình cao hơn thể chất mẫu 3. Kết quả phân tích t-Student ở bảng 4.21 cho thấy hai mẫu 2, 3 cũng có sự khác biệt về chỉ tiêu thể chất có ý nghĩa. Thời gian xử lý càng dài thì độ tổn thất chất khô hòa tan càng nhiều. Ở mẫu 2 thời gian xử lý kéo dài trong 10 phút, còn trong mẫu 3 thời gian xử lý là 12 phút. Chính vì thế thể chất của mẫu 2 tốt hơn so với mẫu 3. Đây cũng chính là mục tiêu của quá trình nghiên cứu, tối ưu hóa các thông số trích ly nhằm làm tăng hiệu suất khử caffeine nhưng độ tổn thất chất khô thấp và không ảnh hưởng đến giá trị cảm quan của sản phẩm. Bảng 4.21: Kết quả phân tích t-Student trên chỉ tiêu thể chất của mẫu 2 và mẫu 3 Mẫu 1 6.0 0.25 5 0.559017 0 4 3.5 0.012448 Mean Variance Observation Pearson Correlation Hypothesized Mean Difference Df t Stat P (T t) one-tail t Critical one-tail P (T Mẫu 2 5.3 0.2 5 2.131847 0.024896 t) two-tail t Critical two-tail 2.776445 Từ các kết quả trên chúng tôi có nhận xét sau: Xử lý bằng dung môi là hỗn hợp ethanol/nước một phần có ảnh hưởng đến hương của sản phẩm. Quá trình xử lý có thể làm mất đi mùi hăng không mong muốn trong cà phê Robusta, nhưng đồng thời cũng tạo ra một số mùi mới, không thường gặp trong sản phẩm cà phê Robusta. Đồng thời việc sử dụng dung môi có ảnh hưởng tới thể chất của sản phẩm cà phê do lượng chất khô hòa tan bị tổn thất trong quá trình xử lý. 81 Sau cùng là caffeine ảnh hưởng tới vị đắng của cà phê. Tuy caffeine chỉ góp 10 – 30% vào vai trò là chất tạo đắng trong cà phê, nhưng với việc giảm 62% lượng caffeine trong quá trình xử lý cùng với sự tổn thất thành phần chất khô đã ảnh hưởng tới đặc tính về vị của sản phẩm. Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Từ các kết quả nghiên cứu phương pháp khử caffeine từ cà phê rang thu được ở trên, chúng tôi đưa ra kết luận sau: 1. Điều kiện tối ưu cho quá trình khử caffeine bằng kỹ thuật vi sóng, sử dụng hệ dung môi ethanol/nước: - Tỉ lệ nước trong dung môi chiếm 60%. Tỉ lệ dung môi/cà phê: 6.5/1. Thời gian xử lý 10 phút (2 lần 5 phút). Có thể khử được 62% lượng caffeine có trong hạt cà phê Robusta rang trong 10 phút (ngắn hơn so với nghiên cứu trước, 12 phút), đồng thời độ tổn thất chất khô hòa tan thấp hơn (29.88% so với 36.5%) và tính chất cảm quan của sản phẩm tốt hơn so với điều kiện trước đó (tỉ lệ nước trong dung môi: 40%, tỉ lệ dung môi/cà phê: 7/1, thời gian xử lý: 3 lần 4 phút). 2. Đánh giá chất lượng cà phê khử caffeine cho thấy: Về ngoại quan của hạt cà phê: Do thời gian xử lý ngắn, cà phê khử caffeine trong nghiên cứu có màu nâu đen, kích thước không khác so với nguyên liệu là bao nhiêu, cấu trúc của hạt không bị ảnh hưởng. Về hương, vị của sản phẩm: giảm được một số mùi không mong muốn trong cà phê Robusta như mùi hăng, mùi đất, đồng thời cũng xuất hiện một số mùi khác như mùi thơm, mùi trái cây, mùi cồn. Vị đắng của cà phê cũng giảm so với cà phê nguyên liệu. 82 Về thể chất nước pha: có sự giảm thể chất nước pha so với cà phê nguyên liệu, tuy nhiên thể chất trong mẫu cà phê xử lý ở điều kiện vừa tối ưu (tỉ lệ nước/dung môi: 60% – tỉ lệ dung môi/nguyên liệu: 6.5/1 – thời gian: 2 lần 5 phút) “đầy” hơn so với mẫu cà phê xử lý ở điều kiện trước (lệ nước/dung môi: 40% - tỉ lệ dung môi/nguyên liệu: 7/1 – thời gian: 12 phút). Về thành phần hóa học: Bảng 5.1: So sánh thành phần hóa học hạt cà phê rang trước và sau khi khử caffeine Thành phần hóa học Nguyên liệu cà phê rang Cà phê rang khử caffeine Độ ẩm 2.20% 3.00% Protein 9.28% 8.99% Lipid 11.23% 10.27% Chất khô hòa tan trong nước 28.27% 19.54% Caffeine 2.59% 1.27% 3. Phương pháp trích ly bằng CO2 siêu tới hạn có thể khử được 97% lượng caffeine trong nguyên liệu tuy nhiên thời gian kéo dài. Có thể tiến hành trích ly CO2 siêu tới hạn trên cà phê rang với thời gian ngắn hơn, tuy nhiên so với phương pháp trích ly vi sóng thì thời gian vẫn rất dài (khử 60% caffeine trong 4 giờ với khử 62% caffeine trong 10 phút), do đó làm tổn thất hương của sản phẩm rất nhiều. Như vậy, phương pháp trích ly vi sóng, sử dụng hệ dung môi ethanol và nước khử caffeine hiệu quả với cách tiến hành đơn giản, nhanh chóng. KIẾN NGHỊ Trong quá trình nghiên cứu cũng như từ kết quả thu được, chúng tôi có những đề nghị sau: - Sản xuất sản phẩm thương mại cà phê khử caffeine nên tiến hành trên 83 nguyên liệu cà phê Arabica rang, do hàm lượng caffeine trong Arabica thấp hơn trong Robusta và hương vị của Arabica cũng tốt hơn so với Robusta. Trong nghiên cứu, chúng tôi tiến hành khử caffeine trên nguyên liệu cà phê Robusta rang do lượng caffeine trong Robusta cao (khoảng 2.4%), dễ thấy sự thay đổi của hàm lượn caffeine. - Quá trình trích ly bằng vi sóng, cà phê tổn thất 30% chất khô, nên thích hợp làm nguyên liệu cho sản phẩm cà phê hòa tan khử caffeine với phương thức thu hương trước hoặc sau quá trình rang và bổ sung hương trước quá trình sấy. - Thời gian xử lý càng dài thì lượng chất khô tổn thất chất khô và hương càng nhiều. Mức độ rang của nguyên liệu cũng ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm, rang càng đậm độ tổn thất chất khô và hương càng nhiều nhưng thời gian xử lý sẽ rút ngắn lại. Do đó khi tiến hành khử caffeine từ nguyên liệu cà phê rang cần lưu ý đến mức độ rang của nguyên liệu. - Dịch trích sau quá trình xử lý có chứa caffeine có hai hướng xử lý: một là chế biến thành rượu; hai là chưng cất để thu ethanol tái sử dụng trích ly, còn nước chứa caffeine có thể thu hồi caffeine bằng than hoạt tính. 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Trần Bích Lam (2006), Thí nghiệm phân tích thực phẩm, NXB Đại học Quốc gia Tp. HCM. 2. Lê Văn Việt Mẫn, Lại Quốc Đạt, Nguyễn Thị Hiền, Tôn Nữ Minh Nguyệt, Trần Thị Thu Trà (2009), Công Nghệ Chế Biến Thực Phẩm, NXB Đại học Quốc Gia Tp. HCM. 3. Phạm Thành Quân, Tống Văn Hằng, Nguyễn Hải Hà, Nguyễn Xuân Đề, Trương Ngọc Tuyền (2006), Trích ly có hỗ trợ vi sóng các polyphenol từ búp trà tươi. Tạp Chí Phát Triển KH&CN, TẬP 9, SỐ 8 . Trang 69. 4. Hoàng Minh Trang (1985), Kỹ thuật chế biến cà phê, NXB Nông Nghiệp. 5. Bùi Phương Ngọc (2009), “Nghiên cứu phương pháp khử caffeine”. Luận văn thạc sĩ, Đại học Bách Khoa Tp.HCM. 6. Tiêu chuẩn Việt Nam: - TCVN 7035-2002: Cà phê bột. Xác định độ ẩm theo phương pháp sấy khô tời - khối lượng không đổi. TCVN 3705-90: Xác định hàm lượng protein tổng theo phương pháp Kjeldahl. TCVN 3703: Xác định hàm lượng lipid tổng theo phương pháp Soxhlet. TCVN 5150-90: Xác định hàm lượng tro tổng. TCVN 6603-2000: Cà phê, xác định hàm lượng caffeine bằng phương pháp HPLC. 7. Bộ Ngoại Giao Việt Nam, “Ngành cà phê vượt ngưỡng xuất khẩu 2 tỷ USD”, http://www.mofahcm.gov.vn/vi/mofa/nr040807104143/nr040807105039/ns08110 3111957?b_start:int=155#9uOxGf06Zwnt. 8. http://www.agribank.com.vn/31/834/tin-tuc/thi-truong-nong- nghiep/2010/08/2784/san-luong-ca-phe-nien-vu-2010-11-cua-viet-nam-co-thetang-6-9-.aspx, truy xuất ngày 10/8/2010. 9. Trang thông tin điện tử Đà Lạt – Lâm Đồng (2010), “Kỹ thuật trồng, chăm sóc và chế biến cà phê”, http://www.dalat.gov.vn/web/books/Caphe/phan1.htm. 10. Vinanet (7/2010), “Tình hình xuất khẩu cà phê thế giới tháng 7/2010”, http://giacaphe.com/7119/tinh-hinh-xuat-khau-ca-phe-the-gioi-thang-7-2010.html. 11. Vietbao, “Tiêu thụ nội địa của cà phê Việt Nam còn quá ít”, http://vietbao.vn/Kinh-te/Tieu-thu-noi-dia-cua-ca-phe-Viet-Nam-con-quait/10930597/87/. 85 12. Wikipedia (2010), “Cà phê”, http://vi.wikipedia.org/wiki/C%C3%A0_ph%C3%AA. 13. A.G.W. Bradbury, Chapter 1, Chemistry I: Non-volatile Compounds. In: Clarke RJ and Vitzthum OG (eds), Coffee recent Development, Blackwee Science, Oxford, UK. 14. Andrea Illy, Rinantonio Viani (2005), Espresso Coffee: Science Of Quality, Amsterdam Academic Press, p.142 – 148. 15. Barry D.Smith and Kenneth Tola (2000), Chapter 12: Caffeine: Effect on psychological functionin and performance, In: Gene A.Spiller (eds), Caffeine, California. 16. BenoõÃt Schilter, Chritophe Cavin, Angelika Tritscher and. Anne Constable, Chapter 8: Heath Effects and Safety Considerations. In: Clarke RJ and Vitzthum OG (eds), Coffee recent Development, Blackwee Science, Oxford, UK pp 165 – 183. 17. Bichsel, B (1979), Diffusion phenomena during the decaffeination of coffee beans, In: Food Chemistry, Vol. 4, pp. 53 – 62. 18. Bondarovich, H.A., Friedel, P., Krampl, V., Renner, J.A., Shepard, F.W. & Gianturco, M.A. (1967), Volatile Consitituents of Coffee. Pyrazines and other compounds. Agric. Food. Chem., 15, 1093 – 9. 19. Charrier, A. (1975), Variation of the caffeine content in coffee plants, Colloq. Int. Chim.Cafes., 7, 295. 20. Clementz G. L, Dailey J.W (1988), Psychotropic effects of caffeine, Amer. Fan Physician, p.167. 21. Clinton WP. (1984), The Chemistry of Coffee. In: McMahon B, Sugimura T, eds. Coffee and Heath. Cold Spring Harbor Laboratory. 22. Clifford, M.N., Chemiscal and Phisical aspects of green coffee and coffee products, In: Coffee Botany, Biochemistry and Production of Beans and Beverage (eds M.N. Clifford & K.C. Willson), pp. 305 -74, Croom Helm, London. 23. Czerny, M., Mayer, F., Grosch, W. (1999), Sensory study on the character impact odorants of roaster Arabica coffee, J. Agric. Food Chem, 212 – 276. 24. Dixon D, Johnton J (1997), Supercritical fluids, In: Encyclopedia of separation technology, p.1544 – 1569. 25. European Coffee Report (2007), European Coffee Federation. 26. Gehring, M., Barthels, M. & Wienges, H.R (1985) US Patent 4 506 072, HAG. 27. Gene A.Spiller (2000), Chapter 10: Basic Metabolism and Physiological Effects of the Methylxanthines, In: Gene A. Spiller (eds), Caffeine, California. 86 28. Gilbert, R. M., Marshman, J. A., Schiwieder, M., Berg, R. (1976), Caffeine content of beverages as consumed, Can. Med. Assoc. J., 114, 205. 29. Global Shiksha, “Decaffeination of raw, green coffee beans using supercritical CO2”, http://www.globalshiksha.com/books/Decaffeination-of-Raw-Green-CoffeeBeans-Using-Supercritical-CO2/. 30. Grosch W, Czerny M, Wagner R, Mayer F (1996), Studies on the aroma of roasted coffee. In: Taylor AJ, Mottram DS, efitors. Flavour science: Recent developments, pp.200 – 205. 31. Grosch W (2001), Chapter 3: Volatile compounds. In: Clarke RJ and Vitzthum OG (eds) Coffee: recent Developments, pp.68 – 69. 32. H.D. Belitz, W. Grosch, P. Schieberle (2004), Food Chemistry, Third Edition. 33. Hara, S., Totani, Y. (1979), Lipid constituents of coffee beans and their denaturation, Seikei Daigaku Kogakubu Kogaku Hokoku, 27, 1895. 34. Heilmann W (2001), Technology II: Decaffeination of Coffee. In: Clarke RJ and Vitzthum OG (eds) Coffee: recent Developments, Blackwee Sciences, Oxford, UK, pp.108-124. 35. ICO (2008), “total production of exporting countries crop years 2002/03 to 2006/07”, http://www.ico.org/prices/po.htm, truy xuất ngáy7/03/2008. 36. James J. E (1991), Caffeine and Health, Academic Press, London. 37. Jones, g. V., Musto, J. A. & Meinhold, J.F. (1985), EP 0159829, General Foods. 38. Katz, S.N. & Proscia, G.E. (1981) US Patent 4 298 736, General Foods. 39. Karmiol, M.H., Hickermell, G.L. & Hall, B.J. (1984) US Patent 4 443 601, General Foods. 40. Kaper, L. (1987) EP 0259905, Douwe Egberts. 41. Katz, S.N., Spence, J., O’Brian, MJ. el al. (1990) US Patent 4 911 941, General Foods. 42. Lack E, Seidlitz H. (1992), Commercial scale decaffeination of coffee and tea using supercritical Carbon dioxide. In: Extraction of natural products usinh Near Critical Solvents, (eds M.B King & T.R Bott), pp.101- 39, Blackie, Glasgow. 43. Macrae, R. (1985), Nitrogenuos compounds. In: Coffee, Vol. 1, Chemistry (eds R.J. Clarke & R. Macrae), pp. 115-51. Elsevier Applied Science, London and NewYork. 44. Mason, L. Paniwnyk, J.P. Lorimer (1996), The uses of ultrasound in food technology, Ultrasonics Sonochemistry, Vol. 3, S253-S260. 45. Mazzafera P. (1999), Chemical composition of defective coffee beans. Food Chem. 87 64: 547-54. 46. Monica Alton Spiller, Chapter 6: The chemical Components pf coffee. Gene A. Spiller (eds), Caffeine. CRC Press, Boca Raton, Florida. 47. Ndjouenkeu, R., Clo, G., Voilley, A. (1981), Effect of coffee beverage extraction conditions on the concentration in methylxanthines measured by HPLC, Sci. Aliment., 1, 365. 48. Oosterveld, A., Harmsen, H., Voragen, A.G.J., Schols, H.A. (2003), Extraction and characterization of polysaccharides from green and roasted coffee Arabica beans, Carbohydrate Polymers, 52, pp.285-296. 49. Petracco, M. (1989), Physico-chemical Characterization of Expresso Coffee, Proceedings of the 13th ASIC Colloquium: Paipa (Colombia), pp.246-41, ASIC, Paris, France. 50. Pettracco, M. (2001), Beverage preparation: brewing trends for the new millennium. In: Clarke RJ and Vitzthum OG (eds) Coffee: recent Developments, Blackwee Sciences, Oxford, UK. 51. Quijano-Rico, M., Spettel, B. (1975), Determination of the content of various elements in samples of different varieties of coffee, Colloq. Int. Chim.Cafes. 52. Ratnayake, W. M. N., Hollywood, R., OiGrady, E., Stavric, B. (1993), Lipid content and composition of coffee brews prepared by different methods, Food Chem. Toxicol. 53. R.J. Clarke and R. Macrae eds (1985), Coffee volume 1: Chemistry, Elsevier Applied Science, London, pp.126-127. 54. R.J. Clarke and R. Macrae eds (1985), Coffee volume 2: Technology, Elsevier Applied Science, London, pp.59-70. 55. S. Gokulakrishman, K. Chandraraj, S.N.Gummadi (2005), Microbial and enzymematic methods for the removal of caffeine, Enzyme and Microbial Technology, vol. 37, p.225-232. 56. Sarath Babu V.R, Patra S, Thakur M.S, Karanth N.G, Varadaraj M.C (2005), Degradation of caffeine by Pseudomonas alcaligenes CFR 1780, Enzyme and Microbial Technology, p.617-624. 57. Semmelroch, P., Lasskawy, G., Blank., I., Grosch W., Determination of potent odorants in roasted coffee by stable isotope dilution assays. Flavour Fragrance. 58. Semmelroch, P., Grosch W. (1996), Studies on character impact odorants of coffee brews, Journal of Agricultural and Food Chemistry, 44. 59. Silwarm R., and Lullman, C. (1998), The determination of mono- and 88 disaccharides in green Arabica and Robusta coffee using high performance liquid choromatophy. Café, Cacao, Thè, 32, 319-22. 60. Sivetz, M., Destrosier, N.W. (1979), Coffee Technology, AVI, Westport. 61. Speer K, Kolling-Speer I (2001), Lipids. In: Clarke RJ and Vitzthum OG (eds) Coffee Recent Developments, Blackwee Sciences, Oxford, UK. 62. Tea & Coffee Trade online, Joan Reis Nielsen (2006), Current Trends in Tea & Coffee Packaging, Tea & Coffee. 63. Tea & Coffee Trade Journal (1999), An interview with the European Decaffeinatiors Association. 64. Thaler, H. (1970), The Chemistry of Coffee Extraction in Relation to Polysaccharides, Food Chemistry, Vol. 4, pp.13-22. 65. Trugo L.C. (1985), Carbohydrates. In: R.J. Clarke and R. Macrae, Editors, Coffee (1st ed.), Chemistry Vol. 1, Elsevier Applied Science Pulishers, London. 66. Uriam Kopeak, Rahoma Sadeg Mohamed (2005), Caffeine solubility in supercritical carbon dioxide/co-sovent mixtures. The journal of supercritical fluids. Vol. 34, p.209-214. 67. Xuejun Pan, Guoguang Niu, Huizhou Liu (2003), Microwave-assisted extraction of tea polyphenols and tea caffeine from green tea leaves, Chemical Engineering and Processing, 42, p129-133. 68. Zeller, B.L. & Saleeb, F.Z. (1999), Decaffeination of non-aquenous solvents using caffeic acid. In: Proceedings of the 18th ASIC Clolloquium (Helsinki), pp.168-72, ASIC, Paris, France. 89 PHỤ LỤC CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH Phương pháp xác định độ ẩm của cà phê Phương pháp cổ điển (TCVN 7035:2002) Dụng cụ: cân phân tích, chén nhôm có đậy nắp, tủ sấy, bình hút ẩm. Cách tiến hành: - Đĩa nhôm và nắp được sấy ở nhiệt độ 100 – 105oC trong 60 phút, cho vào - bình hút ẩm. Cân khoảng 5g mẫu vào đĩa nhôm. Đậy nắp lại, cân khối lượng khối lượng - cả đĩa và mẫu. Ghi khối lượng G1. Sấy đĩa nhôm có chứa mẫu trong tủ sấy ở nhiệt độ 105 oC trong 5giờ. Lấy ra để nguội trong bình hút ẩm khoảng 20 phút rồi đem cân. Tiếp tục sấy ở nhiệt độ trên và cân cho đến khi khối lượng không đổi (chênh lệch giữa hai - lần cân liên tiếp không quá 0.0002g). Ghi khối lượng G2. Số lần thí nghiệm: 3. Tính kết quả: Độ ẩm X được tính theo công thức: X= Trong đó: x 100% G1 : khối lượng đĩa (cả nắp) và mẫu trước khi sấy, g. 90 G2 : khối lượng đĩa (cả nắp) và mẫu sau khi sấy, g. G : khối lượng mẫu kiểm tra, g. Kết quả cuối cùng là trung bình cộng của 3 kết quả thử song song. Phương pháp đo nhanh bằng máy sấy ẩm tự động SCALTEC Nguyên tắc: Sấy mẫu tới khối lượng không đổi ở nhiệt độ 105 oC, cân phần khối lượng còn lại ta xác định được độ ẩm của nguyên liệu. Cách tiến hành: - Chỉnh nhiệt độ sấy 105oC. Cân khoảng 2 – 3g mẫu cho vào đĩa cân, dàn đều mẫu và đóng nắp lại. Khi - máy ngưng sấy, đọc kết quả hiển thị trên máy. Số lần thí nghiệm: 3. Phương pháp xác định hàm lượng protein tổng bằng phương pháp Kjeldahl (TCVN 3705 – 90) Nguyên tắc: Vô cơ hóa mẫu bằng H2SO4 đậm đặc và chất xúc tác (K2SO4 và CuSO4). Dùng một kiềm mạnh (NaOH hay KOH) đẩy NH 3 từ muối (NH4)2SO4 đồng thời cất và thu NH3 bằng một lượng dư H2SO4 0.1N. Định phân lượng H2SO4 0.1N còn lại bằng dung dịch NaOH 0.1N chuẩn. Qua đó tính được lượng Nitơ có trong mẫu nguyên liệu thí nghiệm. Cách tiến hành: - Đốt đạm: Cho 1ml mẫu, 5g chất xúc tác, 10ml H2SO4 đậm đặc cho vào bình Kjeldahl trên bếp và đun từ từ cho đến khi thu được dung dịch trong suốt không màu hoặc có màu xanh lơ của CuSO4 để nguội. - Cất đạm: 91 Sau khi vô cơ hóa mẫu hoàn toàn, cho một ít nước cất vào bình Kjeldahl để tráng rồi cho vào bình định mức 100ml, tráng rửa bình Kjeldahl và phễu vài lần và cho tiếp vào bình định mức. Đưa nước trong bình định mức lên đến 100ml. Lấy vào vào erlen 10ml dung dịch acid H 2SO4 0.1N. Đặt vào hệ thống sao cho đầu ống sinh hàn ngập vào trong dung dịch. Lấy 10ml dung dịch thí nghiệm từ bình định mức cho vào ống phản ứng. Lấy erlen ra khỏi máy sau khi đã tráng nước cất để lấy hết mẫu bám trên ống. Cho 10 giọt phenolphthalein vào bình và thực hiện chuẩn độ bằng NaOH 0.1N. - Xác định hệ số hiệu chỉnh K: Lấy 10ml H2SO4 0.1N vào erlen, định phân bằng NaOH 0.1N. Tính nồng độ thực tế của NaOH đem định phân. K là tỷ số giữa nồng độ thực tế và nồng độ tính toán của NaOH. Tính kết quả: Hàm lượng protein tổng số: X= Trong đó: m: khối lượng mẫu, g. V: thể tích định mức dung dịch vô cơ hóa (100ml). v: thể tích dung dịch vô cơ hóa dùng chưng cất (10ml). 0.0014: số g Nitơ tương ứng với 1ml H2SO4 0.1N. VH2SO4: số ml H2SO4 0.1N đem hấp phụ NH3. V’H2SO4: số ml NaOH 0.1N sử dụng để chuẩn độ. K: hệ số hiệu chỉnh nồng độ NaOH 0.1N. 92 Phương pháp xác định hàm lượng lipid tổng bằng phương pháp Soxhlet (TCVN 3703 – 90) Nguyên tắc: Dùng dung môi nóng để hòa tan tất cả chất béo tự do có trong mẫu. Sau khi đuổi hết dung môi, cân chất béo còn lại và tính ra hàm lượng lipid có trong 100g thực phẩm. Cách tiến hành: - Cân chính xác 5g mẫu nhỏ, đồng đều, gói lại bằng giấy lọc. Cho mẫu vào - ống chiết Soxhlet, cho dung môi vào 2/3 bình cầu. Cho nước lạnh chảy qua ống sinh hàn. Đun sôi cách thủy đến khi chất béo được cất hết. Thời gian khoảng 8 – 12g (trong 1g dung môi tràn từ ống chiết về bình chứa không ít hơn 5 – 6 lần và - không nhiều hơn 8 – 10 lần). Thử xem đã hết dung môi chưa bằng cách lấy vài giọt dung môi trong ống, nhỏ lên trên mặt kính đồng hồ, để bay hơi, nếu trên bề mặt không có vết - loang coi như đã chiết xong. Khi ete chảy hết xuống bình, nhấc ống giấy ra khỏi ống chiết và cất lấy bớt ete lên ống chiết của máy cất. Rút bình ra để bay hơi hết ete ở nhiệt độ thường rồi cho vào tủ sấy 100 – 105oC trong 1g30phút để đuổi hết ete. Để nguội trong bình hút ẩm hết 30 phút rồi cân. Tính kết quả: Lượng lipid trong 100g nguyên liệu (X): X= Trong đó: P: khối lượng bình cầu có chứa chất béo, g. Po: khối lượng bình cầu khô ban đầu, g. m: khối lượng chất thử, g. 93 Phương pháp xác định hàm lượng tro tổng (TCVN 5253 – 90) Nguyên tắc: Đốt cháy và nung mẫu cà phê bột ở nhiệt độ 600 oC đến khối lượng không đổi. Dụng cụ: chén sứ có nắp đậy, bình hút ẩm, lò nung 600 – 800oC, bếp điện. Cách tiến hành: - Nung chén sứ và nắp trong lò nung có nhiệt độ 600 oC trong khoảng 30 - phút, sau đó cho vào bình hút ẩm 20 phút rồi đem cân. Ghi khối lượng G1. Cân mẫu vào chén sứ (khoảng 2g đối với cà phê hòa tan, 5g đối với cà phê xay). Đốt mẫu trên bếp điện cho đến khi mẫu bị tro hóa hoàn toàn. Sau đó cho vào lò nung ở nhiệt độ 600 oC trong thời gian 5g. Lấy ra để nguội trong bình hút ẩm khoảng 45 phút rồi đem cân. Tiếp tục nung và cân cho đến khi chén có khối lượng không đổi (chênh lệch không quá 0.0002g). Ghi khối lượng G2. Tính kết quả: Hàm lượng tro tổng số X (%) trong mẫu được tính theo công thức: X= Trong đó: .100 Go: khối lượng mẫu ban đầu đem phân tích, g. G1: khối lượng chén sứ (cả nắp) sau khi sấy, g. G2: khối lượng chén sứ (cả nắp) và tro sau khi nung, g. b: độ ẩm của mẫu ban đầu, %. Phương pháp xác định hàm lượng chất khô hòa tan trong nước Nguyên tắc: Dùng nước chiết xuất hết chất hòa tan trong cà phê bột. Cô đặc dịch chiết, cho 94 bay hơi hết còn lại cặn, sau đó sấy cặn trong tủ sấy đến khối lượng không đổi, cân để biết khối lượng chất khô hòa tan trong nước. Dụng cụ: tủ sấy, bếp điện, bình hút ẩm, chén nhôm có nắp đậy, cốc thủy tinh. Cách tiến hành: - Cân khoảng 5g cà phê hòa tan vào cốc thủy tinh có dung tích 150ml. Đổ - 50ml nước cất đun sôi vào bình, tiếp tục đun trong 5phút. Cho dung dịch vừa đun vào bình định mức có dung tích 100ml. Dùng nước cất rửa sạch cốc và cho tiếp vào bình. Làm nguội đến 20 oC dưới vòi - nước. Cho thêm nước cất vào đến vạch định mức. Lắc đều trong 2 – 3 phút, để lắng, lọc bằng giấy lọc qua bình khác. Hút 25ml dịch lọc (G) cho vào chén nhôm đã biết khối lượng. Cô cạn mẫu trên bếp cách thủy, sau đó đặt vào lò sấy, cài đặt nhiệt độ 105 oC trong 5g. Lấy ra để nguội trong bình hút ẩm khoảng 20 phút rồi đem cân. Tiếp tục sấy ở nhiệt độ trên và cân cho đến khi khối lượng không đổi (chênh lệch giữa hai lần cân liên tiếp không quá 0.0002g). Ghi khối lượng G2. Tính kết quả: Tỷ lệ chất hòa tan trong nước X(%) được tính theo công thức: X= Trong đó: .100 G: lượng dịch trích ly đem sấy, ml. G2: khối lượng chén nhôm (cả nắp) và chất tan sau khi sấy, g. G1: khối lượng chén nhôm (cả nắp) sau khi sấy, g. K: thể tích bình định mức, ml. m: khối lượng mẫu đem kiểm tra, g. 95 b: độ ẩm mẫu, %. Kết quả cuối cùng là trung bình cộng của 3 mẫu song song. Phương pháp xác định hàm lượng chất khô hòa tan trong ethanol Nguyên tắc: Dùng ethanol chiết xuất hết chất hòa tan trong cà phê bột. Cô đặc dịch chiết, cho bay hơi hết còn lại cặn, sau đó sấy cặn còn lại trong tủ sấy đến khối lượng không đổi, cân để biết khối lượng chất khô hòa tan trong ethanol. Dụng cụ: tủ sấy, bếp điện, bình hút ẩm, chén nhôm có nắp đậy, cốc thủy tinh. Cách tiến hành: - Cân khoảng 5g cà phê xay vào bình định mức 100ml. Đun cách thủy đến - nhiệt độ 70oC, tiếp tục đun trong 10 phút. Lắc đều trong 2 – 3 phút, sau đó lọc bằng giấy lọc qua bình khác. Cho tất cả dịch lọc vào chén nhôm đã biết khối lượng. Cô cạn mẫu trên bếp cách thủy, sau đó đặt vào lò sấy, cài đặt nhiệt độ 105 oC trong 5g. Lấy ra để nguội trong bình hút ẩm khoảng 20 phút rồi đem cân. Tiếp tục sấy ở nhiệt độ trên và cân cho đến khi khối lượng không đổi (chênh lệch giữa hai lần cân liên tiếp không quá 0.0002g). Ghi khối lượng G2. Tính kết quả: Hàm lượng tro tổng số X (%) trong mẫu được tính theo công thức: X= Trong đó: .100 G2: khối lượng chén nhôm (cả nắp) và chất tan sau khi sấy, g. 96 G1: khối lượng chén nhôm (cả nắp) sau khi sấy, g. m: khối lượng mẫu đem kiểm tra, g. b: độ ẩm mẫu, %. Kết quả cuối cùng trung bình cộng của 3 mẫu song song. Phương pháp xác định hàm lượng caffeine Hàm lượng caffeine trong hạt nguyên liệu và trong sản phẩm được xác định theo TCVN 6603:2000 (hay AOAC 2002:979-08). Kết quả thể hiện bằng tỷ lệ phần trăm giữa khối lượng caffeine so với khối lượng chất khô. Thiết bị: HPLC đầu dò UV-VIS, cột pha đảo C18 (250x4.6mm, 5µm). Chế độ vận hành: - Bước sóng 273nm. Lưu lượng dòng 1ml/phút. Thành phần pha động: methanol/nước (30/70). Chuẩn bị mẫu: 1g cà phê được trích ly bằng nước nóng 90 oC trong khoảng thời gian 20 phút. Định mức lên 100ml, làm nguội xuống 20oC. Dịch trích được lọc qua giấy lọc và đầu lọc 0.2µm, sau đó được tiêm vào thiết bị phân tích HPLC. Xử lý kết quả: Xây dựng đường chuẩn và chọn khoảng tuyến tính. Từ các giá trị xác định được từ các mẫu chuẩn, ta biết các giá trị về diện tích peak ở mỗi nồng độ khác nhau. Phương trình đường hồi quy C = f(A) có dạng C = kA. Với k = 97 Xét hệ số tương quan bình phương: Với là giá trị trung bình. Nồng độ caffeine trong mẫu pha loãng được xác định dựa trên đường chuẩn. từ đó xác định hàm lượng caffeine trong mẫu phân tích bằng công thức sau: C (mg%) = Trong đó: CM: nồng độ caffeine trong dung dịch mẫu phân tích, ppm. C: hàm lượng caffeine trong nguyên liệu phân tích tính theo phần trăm chất khô, mg%. V1: thể tích định mức dung dịch thu được sau khi trích ly, ml. V2: hệ số pha loãng. m: khối lượng mẫu, g. 98 [...]... nhược thần kinh… CÔNG NGHỆ KHỬ CAFFEINE Khử caffeine (decaffeination) là thuật ngữ chỉ kỹ thuật tách caffeine từ cà phê nhằm mục đích sản xuất các loại cà phê “không caffeine (hàm lượng cà phê tuân theo các 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 Cà phê nhân Chủng cà phê Tiêu chuẩn US-FDA (loại 97% caffeine) Tiêu chuẩn Châu... phối trộn với cà phê vối và cà phê chè khi rang xay để tạo hương vị Người Châu Âu thích dùng cà phê có vị chua nên các loại cà phê hòa tan của người Châu Âu thường có tỉ lệ cà phê mít nhiều Cấu tạo quả cà phê [9, 46] Bảng 2.3: Thành phần của quả cà phê Thành phần Cà phê chè(%) Cà phê vối (%) Vỏ quả 43-45 41-42 Lớp nhớt 20-23 21-22 Vỏ trấu 6-7.5 6-8 Nhân và vỏ lụa 26-30 26-29 11 Quả cà phê bao gồm: lớp... 99.9% caffeine) Chưa rang Rang Chưa rang Rang Chưa rang Rang Arabica 1.05% 1.3% 0.032% 0.036% 0.08% 0.1% Robusta 2.0% 2.3% 0.06% 0.0695% 0.08% 0.1% Do hầu hết hương vị của cà phê được tạo ra trong quá trình rang, quá trình khử caffeine 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 trình khử caffeine từ. .. caffeine từ dịch trích cà phê rang xay Ngày nay, các sản phẩm cà phê nhân, cà phê 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 môi hay tác nhân thích hợp cho quá trình tách caffeine khỏi cà phê Các phương pháp này được phân loại... 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... trích không chứa caffeine có tính acid được đưa trở lại quy trình CO2 ít caffein e Cà phê nhân Bình trích ly CO2 Cột nước tách caffeine giàu caffeine Nước không chứa caffeine Nước giàu caffeine Cà phê nhân đã khử caffeine 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 có những... trong cà phê nhân gồm xanthine, hypoxanthine, adenine và guanine Tất cả các hợp chất này đều không có mặt trong cà phê 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 cà phê, caffeine. .. chế caffeine Caffeine có giá trị thương mại cao, được dùng cả trong thực phẩm lẫn dược phẩm 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 caffeine bằng CO2 siêu tới hạn hay quy trình khử bằng nước, caffeine được hấp phụ vào 34 than hoạt tính Việc thu hồi caffeine từ than hoạt tính không kinh tế và caffeine. .. acid 2.0 2.0 Protein 11.0 – 13.0 11.0 – 13.0 Nước 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 Cà phê đã qua chế biến (cà phê rang, cà phê hòa tan) 13 hàm lượng ẩm phải nhỏ 5% Chất khoáng [51 53] Hàm lượng khoáng trong cà phê nhân chiếm từ 3 – 5%, chủ yếu là K (chiếm 40%), một lượng lớn Ca, Mg... hình kim Caffeine thu nhận từ quá trình khử caffeine trải qua nhiều bước khác nhau tùy theo phương pháp khử caffeine Đối với phương pháp hấp phụ caffeine Than hoạt tính được xem là chất hấp phụ tốt caffeine, nhưng than hoạt tính thường giữ caffeine quá chặt nên một lượng caffeine bị bất hoạt làm giảm giá trị thương mại Ngoài ra, còn ảnh hưởng tới việc tái sử dụng than hoạt tính Một số nghiên cứu về việc ... phê hạt cà phê nhân chưa rang Tuy nhiên, tiến kỹ thuật thu hồi chất thơm cho phép thực trình khử caffeine từ dịch trích cà phê rang xay Ngày nay, sản phẩm cà phê nhân, cà phê rang xay cà phê. .. cuả cà phê Bảng 2.9: Một số tiêu chuẩn cà phê khử caffeine Cà phê nhân Chủng cà phê Tiêu chuẩn US-FDA (loại 97% caffeine) Tiêu chuẩn Châu Âu, Canada (loại 99.9% caffeine) Chưa rang Rang Chưa rang. .. ngành công nghiệp cà phê Việt Nam non trẻ kỹ thuật lẫn sản phẩm, tiếp tục phát triển đề tài: Nghiên cứu phương pháp khử caffeine từ hạt cà phê rang nghiên cứu gần Thạc sĩ Bùi Phương Ngọc cuả công