TRÍCH LY CAFFEINE và LOẠI CAFFEINE TRONG CHẾ BIẾN TRÀ và cà PHÊ

PHỤ LỤC iv DANH SÁCH HÌNH iv DANH SÁCH BẢNG iv PHẦN 1. TỔNG QUAN VỀ CAFFEINE 5 1.1. Tính chất hóa học 5 1.2. Tác dụng sinh học 6 1.3. So sánh lợi ích và tác hại của caffeine 7 PHẦN 2. TRÍCH LY CAFFEINE TRONG CHẾ BIẾN CÀ PHÊ 9 1.4. Giới thiệu 9 1.5. Trích ly caffeine trong chế biến cà phê bằng nước 10 1.5.1. Giới thiệu 10 1.5.2. Các biến đổi 10 1.5.3. Phương pháp thực hiện 10 1.5.3.1. Giai đoạn 1 11 1.5.3.2. Giai đoạn 2 12 1.5.3.3. Giai đoạn 3 12 1.5.4. Thông số công nghệ 12 1.6. Trích ly caffeine trong chế biến cà phê bằng dung môi 13 1.6.1. Giới thiệu 13 1.6.2. Phương pháp thực hiện 14 1.7. Trích ly caffeine trong chế biến cà phê bằng CO2 siêu tới hạn 15 1.7.1. Giới thiệu 15 1.7.2. scCO2 15 1.7.3. Tính chất của scCO2 15 1.7.4. Ưu điểm của việc lựa chọn scCO2 để trích ly caffeine 16 1.7.5. Các biến đổi 16 1.7.6. Phương pháp thực hiện trích ly caffeine trong chế biến cà phê bằng scCO2 và than hoạt tính 17 1.7.7. Các yếu tố ảnh hưởng 19 1.7.7.1. Hàm lượng ẩm và thời gian ngâm 19 1.7.7.2. Tốc độ dòng chảy 20 1.7.7.3. Nhiệt độ, áp suất 21 PHẦN 3. TRÍCH LY CAFFEINE TRONG CHẾ BIẾN TRÀ BẰNG CO2 SIÊU TỚI HẠN 22 1.8. Vai trò của trích ly caffeine trong chế biến trà 22 1.9. Trích ly caffeine trong chế biến trà bằng scCO2 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

 Báo cáo môn:

CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN TRÀ, CÀ PHÊ, CACAO

Caffeine là một hợp chất tự nhiên có trong lá, hạt và quả của hơn 60 loài thực vật Do

đó, các loại thực phẩm hay đồ uống sử dụng các loại thực vật trên làm nguyên liệu sẽ chứamột hàm lượng caffeine tự nhiên

Caffeine chủ yếu được tồng hợp từ lá trà (chiếm khoảng 3–5 % trọng lượng khô), và cóhàm lượng ít biến đổi trong quá trình phát triển của lá trà Hàm lượng caffeine trong lá tràcao hơn hàm lượng caffeine trong hạt cà phê (chiếm khoảng 1,5 % trọng lượng khô)

3,7-Dihydro-1,3,7-Trimethyl-1H-purine-2,6-Hình 1 Cấu tạo phân tử Caffeine

Khối lượng mol của caffeine là 194,19 g Ở nhiệt độ bình thường, một lítnước chỉ hoàtan 20g caffeine, một lít nước sôi hoà tan tới 700g Caffeine cũng tan trong chloroform, tanmột phần trong ethanol Caffeine tan trong nước ở nhiệt độ phòng với tỷ lệ 1:46, ở 12oC với

tỷ lệ 1:93; tan trong rượu với tỷ lệ 1:25 ở 20oC; tan trong ete với tỷ lệ 1:300 ở 12oC) và đặcbiệt rất dễ tan trong clrofom với tỷ lệ 1:8 ở 25oC

Caffeine là chất kiềm yếu, không có tính acid Tinh thể màu trắng, vị đắng, không mùi,

có nhiệt độ nóng chảy từ 136oC đến 225oC, thăng hoa ở 185oC, kết tinh trong nước sôi, tinhthể dạng hình kim màu trắng

Caffeine khi kết tinh ngậm một phân tử nước, nhưng khi đun nóng caffeine đến 100 –

150oC thì phân tử nước sẽ mất đi

Caffeine rất bền ở nhiệt độ 384oC vẫn không bị phá hủy

Khi caffeine tác dụng với tannin trà sẽ tạo thành váng khi để nguội, gọi là hợp chất caffeine

tanat-1.2 Tác dụng sinh học

Caffeine là một hoạt chất có dược tính Tùy thuộc vào liều lượng, nó có thể gây kíchthích nhẹ đối với hệ thần kinh trung tâm Đôi khi nó cũng dẫn đến việc gây nghiện ở một sốngười Triệu chứng thường thấy nhất là đau đầu, mệt lả hoặc trạng thái mơ màng Sự đauđầu có thề xuất hiện sớm nhất sau khi sử dụng lượng caffeine cuối cùng khoảng 18 giờ Cáctác động này thường không kéo dài, khoảng một ngày hoặc hơn và thường tránh khỏi bằngcách giảm dần lượng caffeine tiêu thụ Tuy nhiên vẫn chưa lý giải được tại sao caffeine gây

Báo cáo môn cncb trà, cà phê, cacao

nghiện một số người còn số khác thì không Caffeine không tích tụ trong cơ thể theo thờigian sử dụng Nó thường bài tiết và thải ra ngoài sau vài giờ sử dụng

Đối với hệ thần kinh trung ương, caffeine có tác dụng rất mạnh, người dùng nhiềucaffein hoặc đồ uống có caffeine cảm thấy tỉnh táo, mất buồn ngủ, ít mệt mỏi và tư duyminh mẫn

Caffeine dùng với liều lớn thì kích thích mạnh thần kinh trung ương, xuất hiện trạng tháibồn chồn, lo lắng mất ngủ, ở những người hay dùng cà phê thì những biểu hiện này thườngkhông rõ, liều cao có thể làm co giật cục bộ hoặc toàn thân

Nhiều nghiên cứu cho thấy caffeine kích thích giải phóng calcium nội bào Ở nồng độ0.5:1mM caffeine ức chế hoạt động của các enzyme nucleotide phosphodiesterase (thuộc hệthống tuần hoàn) Cơ chế chính gây ra tác dụng kích thích hệ thần kinh trung ương củacaffeine bắt đầu ở nồng độ 10µM Ở nồng độ này caffeine ức chế hoạt động của adenosine(chất dẫn truyền xung động thần kinh) bằng cách cạnh tranh với adenosine trong việc kếthợp với các đầu tiếp nhận adenosine, qua đó làm thay đổi nồng độ một số chất trong nộibào

Ngoài tác dụng kích thích hệ thần kinh trung ương, caffeine gây ra một số tác dụng phụtiêu cực cho sức khỏe như:

− Ảnh hưởng đến tim mạch, hô hấp: ở mức hấp thu 250–300mg caffeine làm giãn các cơ mềmcủa mạch máu và làm tăng nhịp tim, huyết áp

− Caffeine làm tăng tiết acid dạ dày, do đó không tốt cho những người bị chứng viêm loét dạdày

− Caffeine còn liên quan đến các bệnh mạch vành

Tuy nhiên, sau một thời gian sử dụng caffeine, ta sẽ tăng sức chịu đựng đối với nó Sứcchịu đựng khiến cơ thể dễ nhạy cảm Vì thế việc cai nghiện sẽ khiến cho huyết áp giảm, cóthể gây ra đau đầu và một số triệu chứng khác Với quá nhiều liều lượng caffeine có thề gây

ra ngộ độc caffeine

1.3 So sánh lợi ích và tác hại của caffeine

Bảng so sánh lợi ích và tác hại của caffeine:

Caffeine là chất có tác dụng kích

thích hệ thần kinh trung ương, làm cho

tỉnh táo, kích thích khả năng làm việc,

đặc biệt làm việc bằng trí óc, tăng cường

hoạt động cơ

Caffeine còn được dùng làm thuốc:

trị cảm, đau nhức nhằm tăng cường tác

dụng giảm đau của paracetamol, aspirin

hoặc làm giảm tác dụng phụ gây buồn

ngủ của thuốc điều trị dị ứng

Caffeine có tác dụng chóng mỏi cơ

Nhiều nghiên cứu đã chứng minh,

caffeine tăng cường hoạt động co cơ và

đẩy nhanh tốc độ sử dụng nguồn năng

lượng được lưu trữ ngắn hạn trong cơ

bắp

Caffeine có tác dụng trên hệ thầnkinh trung ương và các hoạt động của hệthống tim mạch

Caffeine có tác dụng lợi tiểu, cầntránh sử dụng cà phê, trà vào ban đêm đểkhông bị mất ngủ

Caffein có tác dụng kích thích tăngtiết acid dịch vị, tránh uống cà phê, tràvào lúc đói

Caffeine có thể gây tương tác với một

số dược phẩm, ví dụ: làm mất tác dụng

an thần của thuốc an thần gây ngủ

Tăng hoocmon gây căng thẳng thầnkinh, gây mất ngủ Tăng huyết áp Có thểgây tắc mạch máu Gây rối loạn timmạch Tạo cảm giác bồn chồn, lo lắng.Gây rối loạn dạ dày Thúc đẩy quá trìnhviêm nhiễm trong cơ thể, làm hại các tếbào khỏe mạnh, tiêu diệt các tế bào yếu

Có thể gây xơ vữa động mạch Khiến cơthể giảm độ nhạy cảm với insulin, gâyrối loạn việc điều hòa và chuyển hóađường trong máu

Báo cáo môn cncb trà, cà phê, cacao

PHẦN 3.TRÍCH LY CAFFEINE TRONG CHẾ BIẾN CÀ PHÊ

1.4 Giới thiệu

Khử caffeine trong chế biến cà phê nhằm mục đích sản xuất cà phê “không” caffeine(hàm lượng caffeine tuân theo các tiêu chuẩn cụ thể) nhưng vẫn giữ được hương vị đặctrưng của cà phê

Do hầu hết hương vị cà phê được tạo ra trong quá trình rang, quá trình loại caffeineđược tiến hành trên hạt cà phê nhân chưa rang Tuy nhiên, những tiến bộ trong kỹ thuật thuhồi chất thơm đã cho phép thực hiện quá trình loại 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 đãtrở nên rất phổ biến

1.5 Trích ly caffeine trong chế biến cà phê bằng nước

1.5.1 Giới thiệu

Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để khử caffeine Phương pháp nàychỉ sử dụng nước làm dung môi chứ không dùng thêm bất kì một chất hóa học nàokhác Phương pháp này không gây độc hại và không làm ảnh hưởng tới hương vị càphê

1.5.2 Các biến đổi

Độ ẩm khối hạt tăng lên

Có sự khuếch tán của caffeine từ trong hạt đi vào dung dịch trích ly

Ngoài ra, còn có sự thay đổi thành phần của một số cấu tử hương và một số chấtkhô hòa tan trong nước bên trong hạt cà phê phụ thuộc vào nồng độ của các chất nàytrong dịch trích chuẩn bị

1.5.3 Phương pháp thực hiện

Hình 2 Mô hình quá trình trích ly caffeine trong chế biến cà phê bằng nước

Báo cáo môn cncb trà, cà phê, cacao

1 Tank thứ nhất

2 Cửa lấy cà phê đã khử caffeine

3 Ống tuần hoàn nước

4 Cột lọc caffeine

1.5.3.1 Giai đoạn 1

1.5.3.2 Đầu tiên cà phê đã được chuẩn bị từ những công đoạn trước ( xay vỏ thịt, rửa

nhớt) cho vào tank đầu tiên, nước đã được gia nhiệt lên 80 - 90°C cũng đượcdẫn cùng vào tank Tại đây quá trình khử caffeine sơ bộ diễn ra Caffeine vàmột số ankaloid khác được trích ly cùng với nước tuần hoàn trong tank quacột lọc (4) Cột lọc này được cấu tạo từ những mạng phân tử cacbon cho cácankaloid đi qua nhưng caffeine được giữ lại tại đây Nước sau khi qua cột lọcđược dẫn qua tank thứ hai

Giai đoạn này được thực hiện trong khoảng 2,5 – 3,5 giờ

1.5.3.3 Giai đoạn 2

Cà phê sau khi qua giai đoạn 1 đã được khử một phần caffeine được dẫn qua tankthứ hai cùng với nước ở tank thứ nhất Tại đây quá trình lặp lại như ở giai đoạn 1.Giai đoạn này được thực hiện trong khoảng 2,5 - 3,5 giờ

1.5.3.4 Giai đoạn 3

Trong giai đoạn này quá trình lặp lại như hai như giai đoạn trước Nhưng cần chú ýđến hàm lượng caffeine còn lại sau quá trình trích ly Khi 97% hàm lượng caffeineđược trích ly thì chu kỳ dừng lại

Toàn bộ hạt cà phê được chuyển qua giai đoạn làm khô, dòng nước nóng dùng đểtrích ly caffeine được dẫn qua giai đoạn thu hồi hương

Giai đoạn này thực hiện 2 - 2,5 giờ

1.5.4 Thông số công nghệ

Nhiệt độ nước trích ly: 80 - 90 °C

Tổng thời gian quá trình: 8 - 10 giờ

Hàm lượng caffeine còn lại: < 3%

1.6.

1.7 Trích ly caffeine trong chế biến cà phê bằng dung môi

− Quy trình ethyl acetate: phương pháp này được xem như là phương pháp khử caffeine

tự nhiên vì ethyl acetate là một hợp chất dễ dàng tìm thấy trong trái cây tự nhiên.Trong phương pháp này, caffeine được tách ra tương tự như phương pháp dùngmethylen chloride nhưng dùng ethyl acetate làm dung môi

Phương pháp này thường được bị hạn chế sử dụng vì nó để lại những chất thải độchại trong hạt cà phê

Hình 3 Mô hình quá trình trích ly caffeine trong chế biến cà phê bằng dung môi

Dung môi (solvent) Methylene chloride hoặc Ethyl acetate - nước

Hạt cà phê sau khi được làm sạch sẽ được đưa vào ngâm nước cho hạt trương nở.Sau đó đưa vào ngâm trong dung môi ( extractors)

Trích caffeine sau đó cho vào bồn rửa dung môi (Caffeine extraction) Tẩy bằng hơinước (steam stripping)

1.8 Trích ly caffeine trong chế biến cà phê bằng CO 2 siêu tới hạn

-Tuy nhiên, đây là phương pháp đắt tiền do việc tạo áp suất cao đòi hỏi nhiều máymóc và thiết bị phức tạp

1.8.2 scCO 2

Đối với mỗi một chất đang ở trạng thái khí, khi bị nén đẳng nhiệt với một áp suất

đủ cao, chất khí sẽ hóa lỏng và ngược lại Tuy nhiên, có một giá trị áp suất mà tại đó,nếu tăng nhiệt độ lên thì chất lỏng cũng không hóa hơi trở lại mà trở thành một dạngđặc biệt gọi là trạng thái siêu tới hạn Vật chất ở dạng này có tính chất trung gian,mang nhiều đặc tính của chất khí và chất lỏng

Chất lỏng ở trạng thái siêu tới hạn có tỷ trọng tương đương như tỷ trọng của phalỏng, nhưng sự linh động của các phần tử lại rất lớn, sức căng bề mặt nhỏ, hệ sốkhuếch tán cao giống như đang ở trạng thái khí

− CO2 là chất dễ kiếm, rẻ tiền vì nó là sản phẩm phụ của nhiều ngành công nghiệp hóachất khác.

− Là một chất trơ, ít có phản ứng kết hợp với các chất cần trích ly Khi được đưa lên tớitrạng thái tới hạn, CO2 không tự kích nổ, không bắt lửa và không duy trì sự cháy

− CO2 không độc với con người và không duy trì sự cháy

− Điểm tới hạn của CO2 (PC = 73atm, TC = 30,9oC) là một điểm có giá trị nhiệt độ và

áp suất không cao lắm so với các chất khác nên sẽ tốn ít năng lượng hơn để đưa CO2

tới vùng tới hạn

− Có khả năng hòa tan các chất hữu cơ ở thể rắn cũng như thể lỏng, đồng thời cũng hòatan được cả các chất thơm dễ bay hơi, không hòa tan các kim loại năng và có thể điềuchỉnh các thông số trạng thái như áp suất, nhiệt độ để thay đổi chọn lọc của dung môi

− Khi sử dung CO2 thương phẩm để trích ly không có dư lượng chất độc hại trong chếphẩm trích ly

1.8.5 Các biến đổi

Có sự khuếch tán của caffeine từ trong hạt đi vào dung môi scCO2

1.8.6 Phương pháp thực hiện trích ly caffeine trong chế biến cà phê bằng scCO 2

và than hoạt tính

Hình 4 Hệ thống trích ly caffeine trong cà phê bằng scCO2 có sử dụng than hoạt tính

Hạt cà phê trước tiên được làm ẩm đến độ ẩm 30 - 50% rồi được đem vào thiết bịtrích ly Khi hạt cà phê hút nước, hạt bị trương nở, các lỗ mao quản mở ra, phân tửcaffeine bị hydrate hóa và trở nên linh động hơn scCO2 được đưa vào thiết bị trích ly,

hệ thống bơm tuần hoàn sẽ đưa dòng scCO2 qua bồn trích ly Trong thiết bị trích ly,nước bên trong hạt khuếch tán vào CO2 lỏng tạo thành dung dịch soda Nước trở thànhchất đồng dung môi cho quá trình trích ly CO2 lúc này đóng vai trò như một namchâm, hút các phân tử caffeine làm chúng trở nên linh động, tách khỏi hạt và phân tánvào dung môi Nhờ tính chọn lọc mà scCO2 không có ảnh hưởng đến carbohydrate vàprotein, nhờ đó hạt cà phê vẫn giữ được hương vị

Quá trình tách caffeine diễn ra theo 2 bậc:

− Ở bậc thứ nhất, dòng scCO2 sau khi ra khỏi thiết bị trích ly chứa một lượng lớncaffeine sẽ được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt để hạ nhiệt độ, hạ áp suất đến mứcthích hợp (để caffeine dễ tách khỏi dòng scCO2) trước khi đi vào cột hấp phụ Chấthấp phụ thường dùng là than hoạt tính

khỏi cột, tiếp tục được gia nhiệt và tăng áp suất để đạt đến trạng thái siêu tới hạnchuẩn bị thực hiện hoàn lưu dung môi Đế đảm bảo đủ lượng scCO2, người ta luôn bổsung một lượng CO2 nhất định trước khi vào thiết bị trích ly.

Thông thường lượng CO2 sử dụng là rất lớn do hàm lượng caffeine trung bìnhtrong dòng CO2 thấp Caffeine có thể tách khỏi dòng CO2 bằng chất hấp phụ rắn hoặcphương pháp hạ thấp nhiệt độ và áp suất của dòng caffeine sau khi ra khỏi thiết bịtrích ly nhằm giảm khả năng kết hợp của phân tử caffeine và phân tử CO2.

Hạt sau khi tách caffeine được sấy tới độ ẩm 10% nhờ thiệt bị sấy chân không haythiệt bị sấy bằng không khí nóng và đem đi chế biến bình thường

1.8.7 Các yếu tố ảnh hưởng

1.8.7.1 Hàm lượng ẩm và thời gian ngâm

Hình 6 Ảnh hưởng của thời gian ngâm đến hàm ẩm

Trong giai đoạn đầu, hàm ẩm và khối lượng của cà phê tăng nhanh theo thời gianngâm sau đó chậm dần và tiến dần đến giá trị không đổi sau 12h trở đi, nên 12h đượcchọn làm thời gian ngâm cho các quá trình trích ly

Sau khi ngâm, kích thước của hạt cà phê tăng lên, các lỗ mao quản nở ra, caffeinetrở nên linh động hơn, đồng thời khả năng tiếp xúc giữa các phân tử CO2 và phân tửcaffeine tăng, khả năng phân tách tăng

và lượng caffeine tách ra sẽ rất lớn trong thời gian đầu Theo thời gian, do lượngcaffeine đã giảm nhanh nên tốc độ trích ly cũng giảm dần

1.8.7.2 Tốc độ dòng chảy

Hình 8 Ảnh hưởng của vận tốc dòng scCO2 đến hệ số trích ly caffeine

Hệ số trích ly caffeine tăng dần đến 1 theo chu kì thời gian

1.8.7.3 Nhiệt độ, áp suất

Nhiệt độ càng cao thì khả năng tách caffeine càng tăng Khi nhiệt độ tăng thì cácphân tử caffeine sau khị bị hydrate hóa càng trở nên linh động và dễ dàng được lôicuốn theo dòng scCO2

Hình 9 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số trích ly caffeine

Áp suất cao trong giai đoạn đầu làm tăng khả năng trích ly caffeine, thời gian càngdài, nồng độ trích ly giảm do lượng caffeine trong hạt giảm Như vậy, khi sử dụng ápsuất cao thì chỉ cần trích ly với thời gian ngắn để tiết kiệm năng lượng, việc kéo dàithời gian trích ly có thể dẫn đến hiệu quả không cao

Hình 10 Ảnh hưởng của áp suát lên nồng độ caffeine trích ly được ở 323 o K và lưu lượng scCO2

là 1,51g/phút

Caffeine chứa một lượng đáng kể trong trà, việc chiết tách nhằm đáp ứng nhu cầuuống trà không caffeine của một số người dùng trà.

1.10 Trích ly caffeine trong chế biến trà bằng scCO 2

Hình 11 Sơ đồ hệ thống trích ly caffeine trong chế biến trà bằng scCO 2

Mẫu chiết được sơ chế loại bỏ lá già và cọng, sau đó nghiền với kích thước nhỏhơn 0,75mm rồi cho vào bình chiết thể tích 100 ml Bình chiết được lót màng lọc ở cảphần đỉnh và phần đáy để tránh việc các hạt nhỏ có thể bị lọt vào các đường ống dẫndung môi và đường thu sản phẩm

Khí CO2 từ bình khí nén (4 – 55 bar) được dẫn đến bộ phận làm lạnh để hóa lỏng

CO2, nhiệt độ CO2 sau ngưng tụ vào khoảng 0oC Trước khi đi vào bình chứa, CO2

lỏng có thể được trộn thêm các dung môi hỗ trợ (co - solvent) khác như ethanol,methanol, n – hexan, … để tạo thành dung môi mới theo yêu cầu công nghệ Trongnghiên cứu chiết caffeine từ trà ta dùng dung môi hỗ trợ là ethanol Dung môi hỗ trợđược trộn vào dòng CO2 lỏng bằng bơm đẩy

Khí CO2 trong bình chứa ở trạng thái áp suất thường là 45 – 50 bar, nhiệt độkhoảng 12 – 20oC Khi được hạ nhiệt độ ở điều kiện đẳng áp từ trạng thái 1 sang trạngthái 2 là trạng thái CO2 ở dạng lỏng trong bình chứa CO2 lỏng CO2 ở dạng lỏng ta có