Hoe cafeïne in cafeïnevrije instantkoffie detecteren?

Inleiding

Cafeïne is het belangrijkste actieve ingrediënt in koffie. Er zijn echter bepaalde omstandigheden - zoals verhoogde bloeddruk, gevoelige maag, zwangerschap of interactie met geneesmiddelen - waaronder cafeïnevrije koffie de voorkeur geniet. In 1903 werd de eerste procedure ontwikkeld om koffiebonen cafeïnevrij te maken. Deze procedure gebruikte water en benzeen om cafeïne uit de ruwe bonen te extraheren (Roselius-methode). Later werden andere oplosmiddelen zoals dichloormethaan of ethylacetaat gebruikt om het kankerverwekkende benzeen te vervangen. Tegenwoordig zijn nieuwe processen zoals extractie met puur water (Zwitsers waterproces), het triglycerideproces of extractie met superkritisch kooldioxide gebruikelijk. [1]

Cafeïnevrije koffie bevat echter nog steeds wat restcafeïne. Zuivere ruwe koffiebonen bevatten tussen 0,8% en 4% cafeïne, afhankelijk van de soort koffieboon [2]. De EU staat een resthoeveelheid van 0,1% cafeïne in de ongebrande bonen toe bij de verkoop van cafeïnevrije koffie [3]. De hoeveelheid cafeïne die wordt overgedragen van de boon naar het kopje gezette koffie is afhankelijk van de gebruikte hoeveelheid koffiedik, de manier van branden, de korrelgrootte van het koffiedik na het malen, de extractietijd en -druk en de watertemperatuur. Dit resulteert in een hoeveelheid van ongeveer 3 mg cafeïne per kopje (150 ml) koffie voor cafeïnevrije koffie, terwijl een normaal kopje koffie tussen de 50 en 100 mg cafeïne bevat. Het cafeïnegehalte in oploskoffie is ook lager dan bij normale koffie. Afhankelijk van de gebruikte boon en het productieproces bevat instantkoffie slechts ongeveer 50% van de cafeïne in filterkoffie. De gemiddelde waarden liggen tussen 30 en 90 mg per kopje van 150 ml. Producenten van instant decaf beweren dat hun producten minder dan 5 mg cafeïne per portie bevatten.

Het belangrijkste verschil tussen oploskoffie en gebrouwen koffie is de bereiding. Net als gewone koffie is instantkoffie afkomstig van bonen die worden gemalen en gebrouwen, maar dan gevriesdroogd of gesproeidroogd tot een geconcentreerd poeder. Dit betekent dat zodra het poeder met water wordt gemengd, het de normale koffiesmaak en textuur terugkrijgt.

In dit onderzoek werden verschillende oploskoffies met en zonder cafeïne onderzocht met behulp van TGA-GC-MS (Thermogravimetrie gaschromatografie massaspectrometrie, STA 449 F3 Jupiter^® gekoppeld aan Agilent GC 8890 en Agilent MDS 5975) om het cafeïnegehalte te bepalen.

Voor de monstervoorbereiding werden de monsters licht gemalen en samengeperst in de kroes; daarna werden ze overgebracht naar de STA. De TGA-metingen werden gecorrigeerd voor de basislijn. De monsters werden in een inerte atmosfeer verhit tot 850°C om vluchtige verbindingen zoals cafeïne te laten ontwikkelen. De geëvolueerde verbindingen werden verzameld op de GC cryo trap bij -50°C en vervolgens gescheiden en geïdentificeerd na de TGA run.

Tabel 1: TGA-meetparameters

Tabel 2: GC-MS meetparameters

Resultaten en discussie

Alle koffiemonsters vertoonden verschillende significante massaverliesstappen tussen kamertemperatuur en 850°C; zie figuur 1. Het was niet mogelijk om de massaverliesstappen duidelijk te scheiden met de toegepaste verwarmingssnelheid van 10 K/min. Alle vier de monsters vertoonden een relatief vergelijkbaar gedrag. Bovendien was het niet mogelijk om alleen met TGA duidelijk Identify de cafeïneafgifte te bepalen. Pure cafeïne vertoont een DTG-piek (massaverliessnelheid) bij 272°C (zie figuur 2), die werd overlapt door andere effecten in de koffiemonsters.

De GC-MS techniek is nodig om de vrijgekomen verbindingen te scheiden en Identify de cafeïne in dit complexe mengsel. De resulterende totale ionenstroom toont een aantal gedetecteerde gasvormige verbindingen voor elk monster; zie tabel 3.

Met behulp van de NIST-bibliotheek kan de hoofdpiek van elk chromatogram worden gerelateerd aan cafeïne; zie figuur 3. Er is aangetoond dat stoffen met een hoog kookpunt zoals cafeïne zonder condensatie naar de MS kunnen worden overgebracht.

Een nadere beschouwing van deze piek (figuur 4) met een retentietijd van ongeveer 98 min laat de verschillende groottes en dus de verschillende gebieden onder deze pieken zien. Het gebied onder de piek kan relatief vergeleken worden en is gerelateerd aan de hoeveelheid cafeïne in de piek. Het gemiddelde gebied voor alle cafeïnehoudende koffiemonsters geeft een waarde van 35,^88-106*s. Het resultaat voor het decafmonster was 4,^05-106*s. Uit de relatieve vergelijking van deze waarden kan geschat worden dat het cafeïnevrije monster in dit geval ongeveer een factor 9 minder cafeïne bevat dan de gewone monsters.

De hoeveelheid cafeïne per kopje hangt sterk af van het productieproces van oploskoffie en de hoeveelheid koffiepoeder die per kopje wordt gebruikt. De voorgestelde hoeveelheden variëren tussen 2 en 4 g per kopje.

Samenvatting

De techniek van TGA-GC-MS biedt een groot aantal verschillende opties voor het analyseren en vergelijken van verschillende voedingsmiddelen. Continue hoge verhitting van de transfersystemen maakt de condensatievrije overdracht van stoffen met een hoog kookpunt mogelijk. Naast het identificeren van de verschillende organische verbindingen die vrijkwamen, was het ook mogelijk om een relatieve vergelijking uit te voeren van de cafeïne die het bevatte. Hoewel één monster gedecafeïneerd was, werd er nog steeds residuele cafeïne gedetecteerd. Dit toont aan dat GC-MS een zeer gevoelig systeem is voor het detecteren van sporen van vrijkomende gassen in het μg-bereik.