Содержание
Международная организация по стандартизации (ISO 3509-1989) определяет кофе без кофеина как «кофе, из которого извлечен кофеин».
Декофеинизация — это процесс, применяемый к зеленому кофе.
Национальное законодательство многих стран определяет максимальное остаточное количество кофеина в таком кофе.
В Великобритании и большинстве других европейских странах, максимальное содержание кофеина для обжаренного кофе без кофеина установлен на уровне 0,1% (сухой остаток).
Хотя в США нет конкретных показателей в правилах, производители обычно заявляют об удалении более 97% кофеина.
Для растворимого кофе без кофеина в странах ЕС максимальное содержание кофеина установлено на уровне 0,3%. Это общепринятая цифра в других странах мира, за исключением США, где обычно показатель удаления составляет 97%.
Кофе без кофеина остается прибыльным сегментом индустрии спешелти кофе. Последнее время число потребителей кофе без кофеина выросло во много раз.
Фирменные кофейные напитки без кофеина становятся все более популярными в США, а многочисленные кофейни и рестораны добавляют больше разновидностей кофе без кофеина в свое меню.
Таким образом, 20% кофейных продуктов в мире могут быть обработаны с удалением алкалоида кофеина в существующих мощностях в соответствии с требованиями потребителей к такому типу кофе.
Цены на кофе без кофеина варьируются в широких пределах, и хорошо известно, что кофе без кофеина, обработанный швейцарским способом, то есть «швейцарской водой» обычно стоит дороже, чем с использованием других процессов.
Декаф в зерновом виде с швейцарским методом обычно продают примерно от 40 долларов за килограмм, тогда как молотый декаф кофе с растворителем дихлорметан продается от 70 долларов за килограмм.
Цены за чашку обычного кофе и кофе без кофеина в основном одинаковые, при этом 84% розничных продавцов устанавливают одинаковую цену за оба типа. Некоторые берут больше за кофе без кофеина.
Таким образом, продажа декаф кофе представляет собой многообещающую и прибыльную возможность для розничных продавцов кофе.
Для человека смертельная доза кофеина оценивается как 10 г или от 50 до 100 чашек среднего кофе (в зависимости от силы и объема). Такое количество может вызвать чрезмерное влияние на центральную нервную и дыхательную системы.
Люди страдают от сонливости, нервозности, дискомфорт в кишечнике, стимуляция сердца и других эффектов после употребления «чрезмерного» количества кофе.
«Излишним» может быть одна чашка для кого-то, две чашки для других и три чашки для людей вообще.
Тем, кто обычно пьет кофе, требуется большая доза для стимуляции. Это потому что развивается толерантность к напитку, в то время как человек, не пьющий кофе, получит «стимулирующее действие» даже от одной чашки кофе.
История декофеинизации
Рунге впервые открыл и выделил кофеин в конце девятнадцатого века, а первый процесс декофеинизации кофе открыл Розелиус в Германии в 1900 г.
В 1912 году он основал марку Kaffee Hag, оригинальный коммерческий напиток кофе без кофеина.
Kaffee Hag начал деятельность в США перед Первой мировой войной, но это были экспортные операции американской компании General Foods, который купил товарный знак «Sanka» в 1932 году и начался процесс эксклюзивного использования в стране.
После Второй мировой войны произошел очень значительный рост употребления кофе без кофеина. Одна из причин связана с увеличением использования робусты, содержащей вдвое больше кофеина.
Достаточно интересно, что процесс удаления кофеина устраняет резкость робусты (а также вкус) и раздражение, оставляя мягкий кофейный напиток со слабым вкусом.
Все производители «кофе без кофеина» придерживались политики секретности. Поэтому в начале было опубликовано очень мало данных о процессе.
Основным источником общественной информации были патенты. Тем не менее, «ноу-хау» становится все более доступным по мере развития индустрии и в нее вовлекалось все больше и больше компаний и людей.
Осуществлялись многочисленные технологии лишения кофе кофеина.
Наиболее важными были экстракция кофеина растворителем из предварительно смоченных зерен, например, дихлорметаном или этиловым спиртом, лишение кофеина ацетатом, с использованием углекислого газа и воды, с использованием экстракта зеленого кофе или водного процесса.
Виды декофеинизации
- Декофеинизация растворителем
- Метиленхлорид
- Этилацетат
- Декофеинизация углекислым газом
- Декофеинизация водой
- Декофеинизация швейцарской водой
- Декофеинизация французской водой
- Декофеинизация микробами
Теперь расскажем более подробно об этих видах процесса извлечения кофеина из кофе.
До середины 1970-х для декофеинизации использовались только растворители. Много лет человечество использовало щелочи, кислоты и даже пробовали пользоваться электричеством, чтобы получить желаемый напиток.
В протяжении столетия для избавления кофе от кофеина использовались такие растворители, как бензол, хлороформ, эфир, спирт, трихлорэтилен, четыреххлористый углерод, ацетон, гидроксид аммония и серная кислота.
Растворимость кофеина в различных органических растворителях приведена в таблице.
Таблица: Растворимость кофеина в органических растворителях
Существует два основных метода производства «кофе без кофеина» с использованием растворителя:
прямая экстракция из бобов растворением и водная экстракция из бобов с последующей экстракцией кофеина растворителем из водного экстракта.
В зеленом кофе, кофеин фиксируется хлорогеновой кислотой. Чтобы отделить кофеин от хлорогеновой кислоты, открыть растворителю доступ к кофеину и позволить последнему выйти в поверхность, следует увеличить влажность зеленого кофе. Это достигается путем обработки бобов либо перегретым паром, либо замачиванием с последующим пропариванием.
В процессе прямого растворения зеленые кофейные зерна сначала обрабатывают паром для увеличения содержания влаги, а затем их обрабатывают растворителем, чтобы удалить большую часть кофеина. Затем бобы нагревают, чтобы удалить остатки растворителя и избыточной влаги.
В непрямом методе, зеленые зерна замачиваются в горячей воде для растворения кофеина. Далее вода отделяется от зерен и обрабатывается растворителем для удаления кофеина. Затем ароматизирующие ингредиенты в воде возвращаются к бобам. Зерна затем промывают, чтобы смыть следы химикатов.
Кофе без кофеина, приготовленный непрямым методом не оставляют остатки растворителя в бобах.
Метиленхлорид
До середины 1970-х годов метиленхлорид считался лучшим растворителем для экстракции кофеина, все же с удовлетворительными результатами.
Метиленхлорид — бесцветная жидкость с приятным сладковатым привкусом и не имеющим запах. Его пары не воспламеняются, и при смешивании с воздухом не взрывоопасен.
Испытания на животных, проведенные Национальной токсикологической программой, показали, что метиленхлорид является безопасным растворителем при низких концентрациях.
При высоких концентрациях 4000 частей на миллион, у лабораторных мышей обнаруживались симптомы рака, в то время как у крыс не наблюдалось.
Управление по охране труда и здоровья США установил текущие допустимые уровни воздействия на рабочем месте на уровне 500 частей на миллион. Не зарегистрировано случаев рака у человека, связанного с этим растворителем.
По правилам FDA, в кофе без кофеина количество метиленхлорида должна быть ниже 10 частей на миллион.
После экстракции, влажные зерна сушат при температуре 100°C, что выпаривает большую часть остаточного растворителя.
Обжарка кофейных зерен дополнительно удаляют остатки растворителя.
Соответственно, обнаруживается всего 2 — 3 частей на миллион. Однако в последнее время сомнения об его вреде и риске для человека росло.
Парадоксально отметить, что причиной запрета на метиленхлорид не было из-за возможного неблагоприятного последствия для здоровья.
Скорее, растворитель был признан главным подозреваемым в предполагаемом вреде на озоновый слой.
Любой процесс, с его использованием, неизбежно приводит к утечке определенного количества в атмосферу во время производства, транспортировки и использования и возникает риск. Удаление кофеина из кофе в том числе.
Этилацетат
Несмотря на отсутствие доказательства опасности для здоровья человека из-за следов метиленхлорида в кофе без кофеина, преувеличение подозрения на канцерогенность привели к поиску безопасного растворителя в отношении токсичности.
Предпочтение пало на этилацетат. Это натуральный компонент, обнаруженный в аромате кофе и в природе во многих фруктах, таких как бананы, яблоки и груши. Его можно получить путем реакций синтеза из нефтяных источников.
Этилацетат представляет собой сложный эфир.
И является прозрачной, летучей, легковоспламеняющейся жидкостью с характерным фруктовым запахом и имеет приятный вкус при разбавлении.
Потому что он полностью усваивается и потребляется ежедневно с продуктами в широком диапазоне, начиная от заправок для салатов до фруктовых десертов, его FDA и другие организации никогда не подвергали сомнению на токсичность.
Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США с 1982 года одобрил этилацетат как растворитель для декофеинизации кофе.
В отличие от методик для метиленхлорида не установлено ограничение по остаточному количеству, которое может оставаться в зернах.
Моррисон и др. описали непрерывный метод ускоренного процесса извлечения кофеина из зеленых кофейных зерен путем смачивания зерен с последующей экстракцией этилацетатом в течение 3-5 часов. Остаточный растворитель удаляют отгонкой с водяным паром.
В другом патенте, те же авторы описали метод удаления остаточного растворителя, предпочтительно этилацетата мгновенным испарением с использованием переменного цикла изменения давления.
Метод заключается в повышении содержания влаги в зеленых кофейных зернах с последующей экстракцией.
Условия экстракции и качество кофе без кофеина представлены в таблице.
Декофеинизация углекислым газом
Использование углекислого газа является самым селективным процессом удаления из кофе только кофеин, а не другие прекурсоры вкуса.
Углекислый газ обычно не считают растворителем, потому что это на самом деле газ при нормальном атмосферном давлении и температуре.
Однако при сжатии до давления более чем в 50 раз выше атмосферного, он превращается на густую субстанцию, похожую на жидкость.
В этом состоянии он приобретает свойства жидкости, такие как способность растворять другие материалы, когда он находится в крепком стекольном или стальном контейнере под давлением.
Он имеет плотность примерно на 80% больше, чем у воды, но ее вязкость всего 7%. Эти свойства делают его очень проходимым и наделяют способностью легко рециркулировать с помощью насосов, труб и клапанов.
Кофеин мало растворяется в сухом диоксиде углерода, но если его насыщать водой, растворимость увеличивается втрое.
Он не влияет на углеводы (сахара, крахмал) и пептиды (белки), которые при обжаривании превращаются в различные соединения, отвечающие за вкус и аромат сваренного кофе.
Углекислый газ не имеющий цвета, запаха и вкуса, не остается в зернах и не имеет вредных эффектов при использовании как растворитель. Он также не воспламеняется и не вызывает коррозии и сжижается при температуре ниже 30°С при давлении выше 73 атм. Газ становится сверхкритическим при давлении 72 бар и температуре около 32°С.
Процесс обработки кофе для удаления кофеина углекислым газом был открыт и развит Куртом Зозелем (Kurt Zosel).
Процесс был запатентован в начале 1970-х и лицензирован для Cafe HAG и General Foods. Потому что начальные затраты на обработку углекислым газом довольно высоки, этот метод используется в основном для декофеинизации больших объемов коммерческого кофе.
Углекислый газ является естественным компонентом самого обжаренного кофе.
Свежеобжаренные кофейные зерна содержат довольно много углекислого газа, который выходит в течение нескольких дней.
Имеется много патентов на декофеинизацию кофе диоксидом углерода.
Кофеин может быть извлечен из зеленых бобов с использованием сверхкритических жидкостей, например, углекислый газ, азот, закись азота, метан, этилен, пропан в качестве экстрагентов.
Эффективность диоксида углерода может быть улучшена обработкой диметилсульфоксидом перед удалением кофеина из влажных или сухих зеленых семян кофе.
Кофеин можно также извлечь из обжаренного кофе с использованием жидкой двуокиси углерода.
В целом процесс декофеинизации с использованием углекислого газа можно описать следующим образом.
Начинается с смешивания зеленых кофейных зерен с водой с доведением влажности примерно до 50%. Зерна набухают, поры открываются и кофеин превращается в подвижную форму, способную диффундировать из бобов. Этап увлажнения необходим для декофеинизации независимо от используемого растворителя.
Набухшие зерна загружаются в толстостенный экстрактор из нержавеющей стали, который затем плотно закрывается. Жидкий углекислый газ закачивают при рабочем давлении около 300 атм и нагревают примерно до 65°С.
После заполнения системы углекислый газ рециркулирует между экстрактором и скруббером и растворяет кофеин. В скруббере кофеин удаляют из углекислого газа водой. Управление соотношением углекислого газа и воды является ключевым в этой операции. В экстракторе высокое соотношение углекислого газа к воде. В скруббере соотношение не так велико, потому что туда добавлена лишняя вода. Вода скруббера уносит кофеин.
Рециркуляция продолжается от 8 до 12 часов в зависимости от исходного содержания кофеина в зеленом зерне.
Цель достигнуть содержания кофеина в декофеинизированных зернах до 0,08%. Если арабика с самого начала содержит только около 1% кофеина, время рециркуляции приблизительно 8 часов.
По окончании рециркуляции углекислый газ откачивается из системы в бак и идет на переработку следующей партии. Зерна выгружаются из экстрактора для сушки. На данный момент они все еще содержат влагу и следы углекислого газа. Последующий этап сушки уменьшает влажность до исходного уровня и испаряет углекислый газ.
Преимущества этого процесса в том, что не образуются вредные остатки, потому что углекислый газ является безопасным, нетоксичным материалом, который полностью и легко удаляется из кофе, а также из водного раствора побочного продукта кофеин, продукт высшего качества по вкусу и внешнему виду очень близок к кофе с кофеином и превосходит продукты, полученные с помощью других методов удаления кофеина, и потери растворимых веществ кофе (кроме кофеина) довольно низкие, меньше, чем при других методах, что приводит к увеличению выхода продукта.
Существуют два основных ограничения при обработке углекислым газом. При разработке этого процесса необходимо оптимизировать параметры обработки. Должен быть большой багаж знаний при эксплуатации установок высокого давления в целом, и должна быть очень хорошая техническая инфраструктура для обслуживания завода.
Реализовать проект завода по декофеинизации с использованием углекислого газа по капиталоемкости коммерчески осуществима только при годовой мощности не менее 3000 тонн в год.
Декофеинизация водой
«Водный процесс» или применение воды для удаления кофеина был разработан компанией Coffex в 1938 году в Швейцарии. Однако коммерциализация процесса шла медленно.
Только в конце 1970-х компания Coffex смогла наладить коммерческое производство с начальной мощностью 4000 тонн в год.
Кофеин имеет специфическую растворимость в воде, которая сильно меняется в зависимости от температуры.
В комнатной температуре кофеин растворяется в воде с максимальной растворимостью 2%, тогда как он может растворяться в кипятке с 70%.
Дополнительным фактором водной экстракции является то, что кофеин соединяется с органическими кислотами в клетках зеленых зерен. Он должен гидролизоваться под действием тепла, чтобы высвободить кофеин.
Декофеинизация «швейцарской водой»
Идея декофеинизации водой впервые была предложена Жаном Маклангом (Jean Maclang) в 1934 году, который решил убрать кофеин из кофе без использования химического растворителя.
До конца 1970-х годов ученые и инженеры Coffex модифицировали процесс, чтобы предотвратить удаление аромата кофе с помощью фильтра с активированным углем, а затем начал свою деятельность завод по химическому удалению кофеина в Швейцарии.
В оригинальном процессе с швейцарской водой зеленые кофейные бобы замачивали в горячей воде.
Кофеин с ароматными веществами зеленых зерен растворялись в воде. Затем вода циркулировала через фильтр с активированным углем, который извлекал кофеин.
Затем зерна удалялись и переносились в сушильную камеру, а вода направлялась в испаритель, где происходила концентрация. Когда зерна высушивались до полусухого состояния, ароматизированная вода обратно возвращалась в бобы.
В середине 1980-х годов процедура была усовершенствована в заводе Coffex North America в Ванкувере. Здесь ароматизированная вода без кофеина начала использоваться для удаления кофеина из последующих партий зерен.
После обработки партий зерен и кофеин был удален на угольном фильтре, использованная вода шла на декофеинизацию последующих партий зерен.
То есть вода без кофеина поглощает кофеин из новых зерен, но вкусовые компоненты не могут перейти в уже насыщенную ароматными веществами воду.
Суть швейцарской воды в извлечении кофеина заключается в том, что вкусовые компоненты никогда не извлекаются из зерен.
Итак зерна, не содержащие кофеин сохраняют свой первоначальный насыщенный вкус и на 100% не содержат химикаты.
Хотя ранее сообщалось, что водный процесс на швейцарской воде дает менее вкусный напиток, чем другие методы приготовления кофе без кофеина, этот недостаток был преодолен в конце 1980-х годов.
Декофеинизация «французской водой»
Первый кофейный продукт без кофеина с использованием «французской воды» впервые представил Эд. Wakeham, трейдер Cofinco. Вода была с pH-фактором равным 7. Продукт был представлен в Нью-Йорке в 1992 году.
Процесс состоит в замачивании кофейных зерен в горячей кипящей воде в течение более 24 часов. Вода вымывает как кофеин, так и сухие вещества из зерен. После завершения этого процесса, вода сливается, зерна идут на сушку, процесс декофеинизации продолжается.
Пока зерна сушатся, вода содержащая твердые частицы кофеина, очищается с помощью натурального фильтра, который задерживает кофеин без каких-либо химических реакций с водой.
Освобожденная от кофеина вода затем добавляется к высушенным зернам. Сухие бобы действуют как губка, реабсорбируя обратно твердые вещества кофе.
После этого зерна еще раз идут на сушку. Процесс освобождает зерна от кофеина на 99,9%.
Преимущество двойной сушки зерен заключается в том, что они содержат меньше остаточной воды и поглощают больше сухих вкусовых веществ, ранее извлеченных из кофе.
Декофеинизация микробами
В литературе имеются сообщения об использовании микроорганизмов для удаления кофеина из кофе. В частности, использовались микроорганизмы группы Acinetobacter sp. Они используют кофеин как единственный источник C и N.
В процессе используется водный экстракт кофе, который инкубируют с микроорганизмом в аэробных условиях, пока значительная часть кофеина метаболизируется, после чего выделяются клетки микроорганизма.
Преимущество заключается в том, что полученный продукт свободен от обычных остатков растворителя, остающихся после обычной обработки.
Водные жидкости, содержащие кофеин, например, кофейные экстракты, декофеинизировались либо ферментацией жидкости микроорганизмами Pseudomonas, Pseudomonas putida NRRL B-8051, P. fluorescens NRRL B-8052 и P. fluorescens NRRL B.8053 либо при контакте жидкости с кофеин-мобилизующим ферментным препаратом, выделенным из вышеназванных микроорганизмов.
