Miten havaita kofeiinijäämät kofeiinittomassa pikakahvissa?

Johdanto

Kofeiini on kahvin tärkein aktiivinen ainesosa. On kuitenkin olemassa olosuhteita - kuten kohonnut verenpaine, herkkä vatsa, raskaus tai yhteisvaikutus lääkkeiden kanssa - joissa kofeiiniton kahvi on parempi vaihtoehto. Vuonna 1903 kehitettiin ensimmäinen menetelmä kahvipapujen kofeiinittomaksi tekemiseksi. Menetelmässä käytettiin vettä ja bentseeniä kofeiinin erottamiseksi raaoista pavuista (Roselius-menetelmä). Myöhemmin syöpää aiheuttavan bentseenin korvaamiseksi käytettiin muita liuottimia, kuten dikloorimetaania tai etyyliasetaattia. Nykyään käytetään yleisesti uusia menetelmiä, kuten puhdasta vettä (sveitsiläinen vesiprosessi), triglyseridiprosessia tai uuttamista ylikriittisellä hiilidioksidilla. [1]

Kofeiiniton kahvi sisältää kuitenkin edelleen jonkin verran kofeiinijäämiä. Puhtaat raakakahvipavut sisältävät 0,8-4 % kofeiinia kahvipaputyypistä riippuen [2]. EU sallii 0,1 prosentin kofeiinijäämän paahtamattomissa pavuissa, kun myydään kofeiinitonta kahvia [3]. Kofeiinin määrä, joka siirtyy pavusta kahvikuppiin, riippuu käytetyn kahvinporon määrästä, paahtotyypistä, kahvinporon raekoolla jauhamisen jälkeen, uuttamisajasta ja -paineesta sekä veden lämpötilasta. Näin ollen kofeiinittoman kahvin määrä on noin 3 mg kofeiinia kupillista (150 ml) kahvia kohti, kun taas tavallinen kupillinen kahvia sisältää 50-100 mg kofeiinia. Myös pikakahvien kofeiinipitoisuus on pienempi kuin tavallisen kahvin. Käytetystä papulajista ja tuotantoprosessista riippuen pikakahvi sisältää vain noin 50 % suodatinkahvin sisältämästä kofeiinista. Keskimääräiset arvot vaihtelevat 30 ja 90 mg:n välillä 150 ml:n kupissa. Kofeiinittoman pikakahvin valmistajat ilmoittavat, että heidän tuotteensa sisältävät alle 5 mg kofeiinia annosta kohti.

Suurin ero pikakahvin ja keitetyn kahvin välillä on valmistuksessa. Pikakahvi on tavallisen kahvin tapaan valmistettu papuista, jotka jauhetaan ja keitetään, mutta sitten pakastekuivataan tai suihkukuivataan tiivistetyksi jauheeksi. Tämä tarkoittaa, että kun jauhe sekoitetaan veteen, se saa takaisin normaalin kahvin maun ja rakenteen.

Tässä tutkimuksessa erilaisia kofeiinia sisältäviä ja sisältämättömiä pikakahveja tutkittiin TGA-GC-MS (termogravimetrinen kaasukromatografiamassaspektrometria, STA 449 F3 Jupiter^® yhdistettynä Agilent GC 8890 ja Agilent MDS 5975 -laitteisiin) kofeiinipitoisuuden määrittämiseksi.

Näytteiden valmistelua varten näytteet jauhettiin hieman ja puristettiin upokkaassa, minkä jälkeen ne siirrettiin STA. TGA-mittaukset korjattiin perusviivalla. Näytteet kuumennettiin inertissä ilmakehässä 850 °C:seen haihtuvien yhdisteiden, kuten kofeiinin, muodostumiseksi. Evoluutioyhdisteet kerättiin GC:n kryolokeroon -50 °C:n lämpötilassa, minkä jälkeen ne erotettiin ja tunnistettiin TGA-ajon jälkeen.

Taulukko 1: TGA-mittausparametrit

Taulukko 2: GC-MS mittausparametrit

Tulokset ja keskustelu

Kaikissa kahvinäytteissä havaittiin useita merkittäviä massahäviöitä huoneenlämpötilan ja 850 °C:n välillä (ks. kuva 1). Massan häviämisvaiheita ei ollut mahdollista erottaa selvästi toisistaan käytetyllä lämmitysnopeudella 10 K/min. Kaikki neljä näytettä käyttäytyivät suhteellisen samalla tavalla. Lisäksi kofeiinin vapautumista ei voitu selvästi osoittaa Identify pelkästään TGA:n avulla. Puhtaassa kofeiinissa on DTG-piikki (massan häviämisnopeus) 272 °C:n lämpötilassa (ks. kuva 2), joka oli päällekkäinen muiden vaikutusten kanssa kahvinäytteissä.

GC-MS -tekniikka on välttämätön, jotta vapautuvat yhdisteet voidaan erottaa toisistaan ja Identify kofeiini voidaan erottaa tästä monimutkaisesta seoksesta. Tuloksena saatu kokonaisionivirta osoittaa kunkin näytteen osalta havaittujen kaasumaisten yhdisteiden määrän; ks. taulukko 3.

NIST-kirjaston avulla kunkin kromatogrammin pääpiikki voidaan yhdistää kofeiiniin, ks. kuva 3. Osoitettiin, että kofeiinin kaltaiset korkeakiehuvat aineet voidaan siirtää MS:ään ilman tiivistymistä.

Kun tarkastellaan lähemmin tätä piikkiä (kuva 4), jonka retentioaika on noin 98 minuuttia, voidaan havaita piikkien eri koot ja näin ollen myös niiden alapuolella olevat eri alueet. Huipun alapuolella olevaa pinta-alaa voidaan verrata suhteellisesti, ja se liittyy sisältämän kofeiinin määrään. Kaikkien kofeiinipitoisten kahvinäytteiden keskimääräinen pinta-ala on 35,^88-106*s. Kofeiinittoman näytteen tulos oli 4,^05-106*s. Näiden arvojen suhteellisen vertailun perusteella voidaan arvioida, että tässä tapauksessa kofeiiniton näyte sisältää noin 9-kertaisesti vähemmän kofeiinia kuin tavalliset näytteet.

Kofeiinin määrä kupillista kohden riippuu suuresti pikakahvin valmistusmenetelmästä ja kupillista kohden käytetyn kahvijauheen määrästä. Annosehdotukset vaihtelevat 2 ja 4 gramman välillä kupillista kohti.

Yhteenveto

TGA-GC-MS -tekniikka tarjoaa monia eri vaihtoehtoja erilaisten elintarvikkeiden analysointiin ja vertailuun. Siirtojärjestelmien jatkuva korkea lämmitys mahdollistaa korkeakiehumispisteisten aineiden siirtämisen ilman kondensaatiota. Vapautuvien erilaisten orgaanisten yhdisteiden tunnistamisen lisäksi voitiin suorittaa myös sisältämän kofeiinin suhteellinen vertailu. Vaikka yksi näyte oli kofeiiniton, kofeiinijäämiä havaittiin edelleen. Tämä osoittaa, että GC-MS on erittäin herkkä järjestelmä, jolla voidaan havaita μg:n alueella vapautuvien kaasujen jäämiä.