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.


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.


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.