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디카페인 인스턴트 커피의 잔류 카페인은 어떻게 검출하나요?

소개

카페인은 커피의 주요 활성 성분입니다. 하지만 혈압 상승, 민감한 위, 임신 또는 약물과의 상호작용과 같은 일부 상황에서는 디카페인 커피가 선호됩니다. 1903년, 커피 원두의 카페인을 제거하는 최초의 절차가 개발되었습니다. 이 절차는 물과 벤젠을 사용하여 원두에서 카페인을 추출하는 방식(로젤리우스 방식)이었습니다. 이후 발암성 벤젠을 대체하기 위해 디클로로메탄이나 에틸아세테이트와 같은 다른 용매가 사용되었습니다. 오늘날에는 순수한 물 추출(스위스 물 공정), 트리글리세리드 공정 또는 초임계 이산화탄소에 의한 추출과 같은 새로운 공정이 일반적입니다. [1]

하지만 디카페인 커피에도 여전히 약간의 카페인이 남아 있습니다. 순수한 원두 커피에는 원두의 종류에 따라 0.8%에서 4%의 카페인이 함유되어 있습니다[2]. EU에서는 디카페인 커피를 판매할 때 볶지 않은 원두에 0.1%의 카페인 잔류량을 허용하고 있습니다[3]. 원두에서 추출한 커피 한 잔으로 전달되는 카페인의 양은 사용된 커피 찌꺼기의 양, 로스팅 종류, 분쇄 후 커피 찌꺼기의 입자 크기, 추출 시간과 압력, 물 온도에 따라 달라집니다. 따라서 디카페인 커피의 경우 커피 한 잔(150ml) 당 약 3mg의 카페인이 함유되어 있는 반면, 일반 커피 한 잔에는 50~100mg의 카페인이 함유되어 있습니다. 인스턴트 커피의 카페인 함량도 일반 커피보다 적습니다. 사용되는 원두의 종류와 제조 공정에 따라 인스턴트 커피에는 필터 커피에 함유된 카페인의 약 50%만 함유되어 있습니다. 평균값은 150ml 한 잔당 30~90mg입니다. 인스턴트 디카페인 커피 생산업체들은 자사 제품에 1회 제공량당 카페인이 5mg 미만으로 함유되어 있다고 밝히고 있습니다.

인스턴트 커피와 원두 커피의 가장 큰 차이점은 준비 과정입니다. 일반 커피와 마찬가지로 인스턴트 커피는 원두를 갈아서 추출한 다음 동결 건조하거나 분무 건조하여 농축된 분말로 만듭니다. 즉, 분말을 물과 혼합하면 정상적인 커피 맛과 질감을 되찾을 수 있습니다.

이 연구에서는 카페인이 함유된 인스턴트 커피와 함유되지 않은 인스턴트 커피의 카페인 함량을 확인하기 위해 TGA-GC-MS(열 중량 분석 가스 크로마토그래피 질량 분석법, STA 449 F3 Jupiter® 및 Agilent GC 8890과 Agilent MDS 5975 결합)로 조사했습니다.

샘플 준비를 위해 샘플을 약간 갈아서 도가니에서 압축한 다음 STA로 옮겼습니다. TGA 측정값은 기준선으로 보정했습니다. 샘플을 불활성 분위기에서 850°C로 가열하여 카페인과 같은 휘발성 화합물을 진화시켰습니다. 진화한 화합물은 -50°C의 GC 저온 트랩에서 수집한 다음 TGA 실행 후 분리하여 확인했습니다.


표 1: TGA 측정 파라미터

샘플

1

(동결 건조)

2

(분무 건조)

3

(동결 건조)

3a 디카페인

(동결 건조)

순수 카페인

샘플 질량

7.26 mg

7.13 mg

7.46 mg

7.38 mg

10.39 mg

도가니

개방형 Al2O3 도가니(85μl)

시료 캐리어

TGA, 타입 S + 슬립온 플레이트

Furnace

SiC

온도 프로그램

RT - 850°C

가열 속도

10 K/min

가스 분위기

헬륨

가스 유량(총)

70 ml/min


표 2: GC-MS 측정 파라미터

크라이오 트랩 모드

컬럼

애질런트 HP-5ms

컬럼 길이

30 m

컬럼 직경

0.25 mm

크라이오 트랩 온도

-50°C, 81분

컬럼 온도

45°C, 83분 등온선

45°C ~ 300°C, 10K/min

가스

헬륨

가스 흐름(분할)

20 ml/min(10:1)

밸브

각 1분

결과 및 토론

모든 커피 샘플은 실온과 850°C 사이에서 몇 가지 중요한 질량 손실 단계를 보였습니다(그림 1 참조). 10K/min의 가열 속도를 적용했을 때는 질량 손실 단계를 명확하게 구분할 수 없었습니다. 네 가지 샘플 모두 비교적 유사한 거동을 보였습니다. 또한 TGA만으로는 카페인 방출을 명확하게 식별할 수 없었습니다. 순수 카페인은 272°C에서 DTG(질량 손실률) 피크가 나타났으며(그림 2 참조), 이는 커피 샘플의 다른 효과와 겹쳐서 나타났습니다.

1) 네 가지 커피 샘플의 온도에 따른 질량 손실률(TGA)과 질량 손실률(DTG, 블랙)의 상관관계.
2) 카페인의 온도 의존적 질량 손실(TGA, 녹색)과 질량 손실률(DTG, 검은색)의 상관 관계

방출된 화합물을 분리하고 이 복잡한 혼합물에서 카페인을 식별하기 위해서는 GC-MS 기술이 필요합니다. 결과 총 이온 전류는 각 샘플에서 검출된 여러 기체 화합물을 보여줍니다(표 3 참조).

NIST 라이브러리의 도움으로 각 크로마토그램의 주요 피크는 카페인과 관련이 있을 수 있습니다(그림 3 참조). 카페인과 같이 끓는점이 높은 물질은 응축 없이 MS로 옮겨질 수 있는 것으로 나타났습니다.

유지 시간이 약 98분인 이 피크(그림 4)를 자세히 살펴보면 피크 아래의 다양한 크기와 그에 따른 다양한 영역을 볼 수 있습니다. 피크 아래 영역은 상대적으로 비교할 수 있으며 함유된 카페인의 양과 관련이 있습니다. 모든 카페인 커피 샘플의 평균 면적은 35.88-106*s의 값을 산출합니다. 디카페인 샘플의 결과는 4.05-106*s입니다. 이 값을 상대 비교하면 이 경우 디카페인 샘플이 일반 샘플보다 카페인이 약 9배 더 적게 함유되어 있음을 추정할 수 있습니다.

컵당 카페인의 양은 인스턴트 커피의 제조 과정과 컵당 사용되는 커피 파우더의 양에 따라 크게 달라집니다. 권장 섭취량은 컵당 2~4g입니다.

3) 네 가지 커피 샘플 모두에 대한 크라이오 트랩 가열 후 총 이온 전류 비교
4) 네 가지 커피 샘플 모두의 카페인 피크에 대한 총 이온 전류 확대

요약

TGA-GC-MS 기술은 다양한 식품을 분석하고 비교할 수 있는 매우 다양한 옵션을 제공합니다. 이송 시스템을 지속적으로 고온으로 가열하면 끓는점이 높은 물질을 응축 없이 이송할 수 있습니다. 방출되는 다양한 유기 화합물을 식별하는 것 외에도 함유된 카페인의 상대적인 비교를 수행할 수 있었습니다. 한 샘플은 카페인이 제거되었지만 여전히 잔류 카페인이 검출되었습니다. 이는 GC-MS가 μg 범위에서 방출되는 미량의 가스를 검출하는 데 매우 민감한 시스템이라는 것을 보여줍니다.

Literature

  1. [1]
  2. [2]
    커피 원두 - 위키백과 (https://en.wikipedia.org/wiki/Coffee_bean )
  3. [3]
    퀴닌 및 카페인 함유 음료의 라벨링에 관한 유럽위원회 지침, 18. 2002년 7월.