Как да открием остатъчния кофеин в разтворимото кафе без кофеин?

Въведение

Кофеинът е основната активна съставка в кафето. Въпреки това има някои обстоятелства - като повишено кръвно налягане, чувствителен стомах, бременност или взаимодействие с фармацевтични продукти - при които се предпочита безкофеиново кафе. През 1903 г. е разработена първата процедура за декофеинизиране на кафе на зърна. При тази процедура се използват вода и бензол за извличане на кофеина от суровите зърна (метод на Розелиус). По-късно са използвани други разтворители, като дихлорметан или етилов ацетат, за да се замени канцерогенният бензол. В днешно време са разпространени нови процеси, като например екстракция с чиста вода (швейцарски воден процес), триглицериден процес или екстракция чрез суперкритичен въглероден диоксид. [1]

Въпреки това безкофеиновото кафе все още съдържа известно количество остатъчен кофеин. Чистите сурови кафеени зърна съдържат между 0,8 % и 4 % кофеин в зависимост от вида на кафеените зърна [2]. ЕС разрешава остатъчно количество от 0,1 % кофеин в непечените зърна при продажбата на кафе без кофеин [3]. Количеството кофеин, което се пренася от зърната в чашата с приготвено кафе, зависи от количеството на използваната утайка, вида на изпичане, размера на зърната на утайката след смилане, времето и налягането на екстракция и температурата на водата. Това води до количество от около 3 mg кофеин на чаша (150 ml) кафе за безкофеиновото кафе, докато една нормална чаша кафе съдържа между 50 и 100 mg кофеин. Съдържанието на кофеин в разтворимите кафета също е по-малко, отколкото при нормалното кафе. В зависимост от вида на използваните зърна и производствения процес разтворимото кафе съдържа само около 50 % от кофеина, съдържащ се във филтърното кафе. Средните стойности варират между 30 и 90 mg на чаша от 150 ml. Производителите на разтворимо безкофеиново кафе заявяват, че техните продукти съдържат по-малко от 5 mg кофеин на порция.

Основната разлика между разтворимото кафе и вареното кафе е в начина на приготвяне. Подобно на обикновеното кафе, разтворимото кафе се получава от зърна, които са смлени и сварени, но след това са изсушени чрез замразяване или разпръскване в концентриран прах. Това означава, че след като прахът се смеси с вода, той ще възвърне нормалния вкус и текстура на кафето.

В това проучване различни разтворими кафета със и без кофеин са изследвани с помощта на TGA-GC-MS (термогравиметрична газова хроматографска масспектрометрия, STA 449 F3 Jupiter^® , свързана с Agilent GC 8890 и Agilent MDS 5975) за определяне на съдържащия се кофеин.

За подготовката на пробите пробите бяха леко смлени и компресирани в тигела; след това бяха прехвърлени в STA. Измерванията на TGA бяха коригирани по базова линия. Пробите бяха нагрявани в инертна атмосфера до 850 °C, за да се отделят летливи съединения, като например кофеин. Еволюиралите съединения се събират в криокапана на ГК при -50°C, след което се отделят и идентифицират след провеждането на TGA.

Таблица 1: Параметри на измерване на TGA

Таблица 2: Параметри на измерване на GC-MS

Резултати и обсъждане

Всички проби от кафе показват няколко значителни стъпки на загуба на маса между стайна температура и 850°C; вж. фигура 1. Не беше възможно да се отделят ясно стъпките на загуба на маса при прилаганата скорост на нагряване от 10 K/min. И четирите проби показаха сравнително сходно поведение. Освен това не беше възможно ясно да се определи освобождаването на кофеин само чрез TGA. Чистият кофеин показва пик на DTG (скорост на загуба на маса) при 272 °C (вж. фигура 2), който е припокрит от други ефекти в пробите кафе.

Техниката GC-MS е необходима, за да се отделят освободените съединения и да се идентифицира кофеинът в тази сложна смес. Полученият общ йонен ток показва броя на газообразните съединения, открити за всяка проба; вж. таблица 3.

С помощта на библиотеката на NIST основният пик на всяка хроматограма може да се свърже с кофеина; вж. фигура 3. Беше доказано, че висококипящите вещества като кофеина могат да бъдат прехвърлени в РС без кондензация.

По-внимателното разглеждане на този пик (фигура 4) с време на задържане около 98 min показва различните размери и съответно различните площи под тези пикове. Площта под пика може да се сравни относително и е свързана с количеството на съдържащия се кофеин. Средната площ за всички проби кафе с кофеин дава стойност 35,^88-106*s. Резултатът за пробата без кофеин е 4,^05-106*s. С относителното сравнение на тези стойности може да се прецени, че в този случай пробата без кофеин съдържа по-малко кофеин от обикновените проби с около 9 пъти.

Количеството кофеин в една чаша силно зависи от производствената процедура за разтворимо кафе и от количеството кафе на прах, използвано в една чаша. Предложенията за сервиране варират между 2 и 4 g на чаша.

Резюме

Техниката TGA-GC-MS предлага голямо разнообразие от различни възможности за анализ и сравнение на различни хранителни продукти. Непрекъснатото високо нагряване на трансферните системи позволява трансфер на вещества с висока точка на кипене без кондензация. В допълнение към идентифицирането на различните освободени органични съединения беше възможно да се извърши и относително сравнение на съдържащия се кофеин. Въпреки че една от пробите беше обезкофеинизирана, все още беше открит остатъчен кофеин. Това показва, че GC-MS е много чувствителна система за откриване на следи от освободени газове в диапазона μg.