Jak wykryć pozostałości kofeiny w bezkofeinowej kawie rozpuszczalnej?

Wprowadzenie

Kofeina jest głównym aktywnym składnikiem kawy. Istnieją jednak pewne okoliczności - takie jak podwyższone ciśnienie krwi, wrażliwy żołądek, ciąża lub interakcja z lekami - w których preferowana jest kawa bezkofeinowa. W 1903 roku opracowano pierwszą procedurę dekofeinizacji ziaren kawy. Procedura ta wykorzystywała wodę i benzen do ekstrakcji kofeiny z surowych ziaren (metoda Roseliusa).arcPóźniej zaczęto stosować inne rozpuszczalniki, takie jak dichlorometan lub octan etylu, które zastąpiły benzen. Obecnie powszechne są nowe procesy, takie jak ekstrakcja czystą wodą (szwajcarski proces wodny), proces trójglicerydowy lub ekstrakcja nadkrytycznym dwutlenkiem węgla. [1]

Jednakże kawa bezkofeinowa nadal zawiera pewne pozostałości kofeiny. Czyste surowe ziarna kawy zawierają od 0,8% do 4% kofeiny, w zależności od rodzaju ziaren kawy [2]. UE dopuszcza pozostałą ilość 0,1% kofeiny w niepalonych ziarnach podczas sprzedaży kawy bezkofeinowej [3]. Ilość kofeiny, która jest przenoszona z ziaren do filiżanki zaparzonej kawy zależy od ilości użytych fusów, rodzaju palenia, wielkości ziaren po zmieleniu, czasu i ciśnienia ekstrakcji oraz temperatury wody. Skutkuje to ilością około 3 mg kofeiny na filiżankę (150 ml) kawy w przypadku kawy bezkofeinowej, podczas gdy normalna filiżanka kawy zawiera od 50 do 100 mg kofeiny. Zawartość kofeiny w kawach rozpuszczalnych jest również mniejsza niż w przypadku zwykłej kawy. W zależności od rodzaju użytych ziaren i procesu produkcji, kawa rozpuszczalna zawiera tylko około 50% kofeiny znajdującej się w kawie filtrowanej. Średnie wartości wahają się między 30 a 90 mg na filiżankę 150 ml. Producenci kawy rozpuszczalnej bezkofeinowej twierdzą, że ich produkty zawierają mniej niż 5 mg kofeiny na porcję.

Główną różnicą między kawą rozpuszczalną a parzoną jest sposób przygotowania. Podobnie jak zwykła kawa, kawa rozpuszczalna pochodzi z ziaren, które są mielone i parzone, ale następnie liofilizowane lub suszone rozpyłowo do postaci skoncentrowanego proszku. Oznacza to, że po zmieszaniu proszku z wodą odzyskuje on normalny smak i konsystencję kawy.

W tym badaniu różne kawy rozpuszczalne z kofeiną i bez kofeiny zostały zbadane za pomocą TGA-GC-MS (termograwimetryczna chromatografia gazowa ze spektrometrią mas, STA 449 F3 Jupiter^® sprzężona z Agilent GC 8890 i Agilent MDS 5975) w celu określenia zawartości kofeiny.

W celu przygotowania próbek, zostały one lekko rozdrobnione i sprasowane w tyglu, a następnie przeniesione do STA. Pomiary TGA zostały skorygowane względem linii bazowej. Próbki zostały podgrzane w atmosferze obojętnej do temperatury 850°C w celu wydzielenia lotnych związków, takich jak kofeina. Wydzielone związki zostały zebrane w pułapce kriogenicznej GC w temperaturze -50°C, a następnie oddzielone i zidentyfikowane po zakończeniu pomiaru TGA.

Tabela 1: Parametry pomiaru TGA

Tabela 2: Parametry pomiaru GC-MS

Wyniki i dyskusja

Wszystkie próbki kawy wykazały kilka znaczących etapów utraty masy między temperaturą pokojową a 850°C; patrz rysunek 1. Nie było możliwe wyraźne oddzielenie etapów utraty masy przy zastosowanej szybkości ogrzewania 10 K/min. Wszystkie cztery próbki wykazały stosunkowo podobne zachowanie. Ponadto nie było możliwe wyraźne zidentyfikowanie uwalniania kofeiny za pomocą samego TGA. Czysta kofeina wykazuje pik DTG (szybkość utraty masy) w temperaturze 272°C (patrz rysunek 2), który nakładał się na inne efekty w próbkach kawy.

Technika GC-MS jest niezbędna do oddzielenia uwalnianych związków i identyfikacji kofeiny w tej złożonej mieszaninie. Uzyskany całkowity prąd jonowy pokazuje liczbę związków gazowych wykrytych dla każdej próbki; patrz tabela 3.

Z pomocą NIST library, główny pik każdego chromatogramu może być powiązany z kofeiną; patrz rysunek 3. Wykazano, że substancje o wysokiej temperaturze wrzenia, takie jak kofeina, mogą być przenoszone do MS bez kondensacji.

Bliższe spojrzenie na ten pik (rysunek 4) z czasem retencji około 98 minut pokazuje różne rozmiary i w konsekwencji różne obszary poniżej tych pików. Obszar poniżej piku można porównać względnie i jest on związany z ilością zawartej kofeiny. Średni obszar dla wszystkich próbek kawy zawierającej kofeinę daje wartość 35,^88-106*s. Wynik dla próbki kawy bezkofeinowej wyniósł 4,^05-106*s. Po względnym porównaniu tych wartości można oszacować, że w tym przypadku próbka bezkofeinowa zawiera mniej kofeiny niż zwykłe próbki o około 9 razy.

Ilość kofeiny na filiżankę zależy w dużej mierze od procedury produkcji kawy rozpuszczalnej i ilości kawy w proszku użytej na filiżankę. Sugerowane porcje wahają się od 2 do 4 g na filiżankę.

Podsumowanie

Technika TGA-GC-MS oferuje wiele różnych opcji analizy i porównywania różnych produktów spożywczych. Ciągłe wysokie ogrzewanie systemów transferowych pozwala na bezkondensacyjny transfer substancji o wysokiej temperaturze wrzenia. Oprócz identyfikacji różnych uwalnianych związków organicznych, możliwe było również przeprowadzenie względnego porównania zawartej kofeiny. Chociaż jedna próbka została pozbawiona kofeiny, pozostałości kofeiny nadal były wykrywane. Pokazuje to, że GC-MS jest bardzo czułym systemem do wykrywania śladowych ilości gazów uwalnianych w zakresie μg.