UNIVERZA V LJUBLJANI BIOTEHNIŠKA FAKULTETA
ODDELEK ZA ŽIVILSTVO
Saša VESEL
TEHNOLOGIJE DEKOFEINIZACIJE KAVE
DIPLOMSKO DELO
Univerzitetni študij - 1. stopnja Živilstvo in prehrana
Ljubljana, 2021
UNIVERZA V LJUBLJANI BIOTEHNIŠKA FAKULTETA
ODDELEK ZA ŽIVILSTVO
Saša VESEL
TEHNOLOGIJE DEKOFEINIZACIJE KAVE
DIPLOMSKO DELO
Univerzitetni študij - 1. stopnja Živilstvo in prehrana
COFFEE DECAFFEINATION TECHNOLOGIES
B. SC. THESIS
Academic Study Programmes: Field Food Science and Nutrition
Ljubljana, 2021
''Nekoč sem si zaželel črne kave. Ne vem, kako mi je prišlo na misel; zaželel sem si je. Morda le zategadelj, ker sem vedel, da niti kruha ni doma, kaj šele kave. Človek je v sami razmišljenosti hudoben in neusmiljen. Mati me je pogledala z velikim, plahim pogledom in ni odgovorila. Pust in zlovoljen, brez besede in pozdrava sem se vrnil pod streho, da bi pisal, kako sta se ljubila Milan in Breda in kako sta bila obadva plemenita, srečna in vesela.
'Roko v roki, obadva mlada, od jutranjega sonca obžarjena, v rosi umita ...'
Začul sem tihe korake na stopnicah. Prišla je mati; stopala je počasi in varno, v roki je nesla skodelico kave. Zdaj se spominjam, da nikoli ni bila tako lepa kakor v tistem trenutku. Skozi vrata je sijal poševen pramen opoldanskega sonca, naravnost materi v oči; večje so bile in čistejše, vsa nebeška luč je odsevala iz njih, vsa nebeška blagost in ljubezen. Ustnice so se smehljale kakor otroku, ki prinaša vesel dar.''
(Ivan Cankar, 1910)
Diplomsko delo je zaključek univerzitetnega študijskega programa 1. stopnje Živilstvo in prehrana.
Komisija za študij 1. in 2. stopnje Oddelka za živilstvo je za mentorja diplomskega dela imenovala izr. prof. dr. Tomaža Požrla in za recenzentko doc. dr. Matejo Lušnic Polak.
Mentor: izr. prof. dr. Tomaž POŽRL
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za živilstvo
Recenzentka: doc. dr. Mateja LUŠNIC POLAK
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za živilstvo
Komisija za oceno in zagovor:
Predsednik:
Mentor:
Recenzentka:
Datum zagovora:
Saša Vesel
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA ŠD Du1
DK UDK 663.933.8(043)=163.6
KG kava, kofein, dekofeinizacija, senzorične lastnosti, topnost, ekstrakcija AV VESEL, Saša
SA POŽRL, Tomaž (mentor), LUŠNIC POLAK, Mateja (recenzentka) KZ SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101
ZA Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za živilstvo LI 2021
IN TEHNOLOGIJE DEKOFEINIZACIJE KAVE
TD Diplomsko delo (Univerzitetni študij - 1. stopnja Živilstvo in prehrana) OP VII, 22 str., 4 sl., 17 vir.
IJ sl JI sl/en
AI Kava je priljubljen napitek, ki ga uživajo mnogi. Med izdelke iz kave spada tudi brezkofeinska kava, ki je proizvedena z različnimi postopki. Odstranjevanje kofeina izvedejo na zeleni kavi pred praženjem. Proizvajalci kave brez kofeina so posebej pozorni na ohranjanje optimalnih senzoričnih lastnosti, saj prihaja med postopki odstranjevanja kofeina v kavi do različnih sprememb barve, arome in sestave. Kava je bogat vir kofeina, saj lahko ta predstavlja do 3 % suhe mase, zato je učinkovito odstranjevanje tega alkaloida kompleksen večfazen proces. Najpomembnejši korak, pred vsemi uveljavljenimi postopki dekofeinizacije, je uvajanje pare oz. namakanje zelene kave z namenom nabrekanja zrnja. Poznamo klasične metode, kjer za ekstrakcijo kofeina uporabljamo organska topila, kot sta etilacetat in diklorometan.
Dekofeinizacija z organskimi topili lahko poteka po direktni ali indirektni metodi.
Pri uporabi organskih topil je pomembno, da v končnem izdelku ni ostankov toksičnih topil. Razvitih je več metod za dekofeinizacijo z vodo, pri katerih se poleg kofeina ekstrahirajo tudi druge vodotopne komponente kave, ki jih je potrebno v zaključnih fazah postopka vrniti v kavo. Najbolj napredna metoda, ki tudi najmanj spremeni sestavo kave, je ekstrakcija kofeina s superkritičnim CO2. Glavna omejitev te metode je visoka cena. V razvoju so postopki dekofeinizacije z biološkimi metodami, pri katerih je pomembna omejitev občutljivost mikroorganizmov in encimov na različne dejavnike. Za tovrstno dekofeinizacijo so primerni le določeni mikroorganizmi, za katere kofein ni toksičen.
KEY WORDS DOCUMENTATION ND Du1
DC UDC 663.933.8(043)=163.6
CX coffee, caffeine, decaffeination, sensory properties, solubility, extraction AU VESEL, Saša
AA POŽRL, Tomaž (supervisor), LUŠNIC POLAK, Mateja (reviewer) PP SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101
PB University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Department of Food Science and Technology
PY 2021
TI COFFEE DECAFFEINATION TECHNOLOGIES
DT B. Sc. Thesis (Academic Study Programmes: Field Food Science and Nutrition) NO VII, 22 p., 4 fig., 17 ref.
LA sl AL sl/en
AB Coffee is a popular beverage enjoyed by many. Coffee products include decaffeinated coffee, which is produced by various processes. In practice, the caffeine is removed from the green coffee before roasting. Manufacturers of decaffeinated coffee take special care to maintain optimal sensory properties, as various changes in color, aroma, and composition occur when coffee is decaffeinated.
Coffee is a rich source of caffeine, which can make up as much as 3% of the dry weight, so effectively removing this alkaloid is a complex multi-step process. The most important step before any established method of decaffeination is the introduction of steam or steeping green coffee for the purpose of swelling the beans.
We are familiar with the classic methods that use organic solvents such as ethyl acetate and dichloromethane for caffeine extraction. Decaffeination with organic solvents can be carried out in a direct or indirect way. When organic solvents are used, it is important that no toxic solvent residues are present in the final product.
Several methods of decaffeination with water have also been developed, in which other water-soluble components of coffee are extracted in addition to caffeine, which must be returned to the coffee in the final steps of the process. The most advanced method, which changes the composition of the coffee the least, is the extraction of caffeine with supercritical CO2. The major limitation of this method is its high cost.
Decaffeination processes using biological methods are also under development, although the sensitivity of microorganisms and enzymes to various factors is a significant limitation. For this type of decaffeination process only a few microorganisms, which must tolerate caffeine, are appropriate.
KAZALO VSEBINE
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA………. III KEY WORDS DOCUMENTATION……….. IV KAZALO VSEBINE………... V KAZALO SLIK……….... VII
1 UVOD………..………...……….. 1
2 KOFEIN………... 2
2.1 LASTNOSTI KOFEINA……….………. 2
2.2 METABOLIZEM KOFEINA……….………....……….. 3
2.3 UPORABNOST KOFEINA………. 3
3 VPLIVI KOFEINA NA ZDRAVJE ……….… 5
3.1 POZITIVNI UČINKI………... 5
3.2 NEGATIVNI UČINKI……….…… 5
4 POSTOPKI PRED IZVEDBO DEKOFEINIZACIJE IN PO NJEJ……. 7
5 TEHNOLOŠKI POSTOPKI DEKOFEINIZACIJE………... 8
5.1 DEKOFEINIZACIJA Z ORGANSKIMI TOPILI………...…... 10
5.1.1 Princip direktne metode………...… 10
5.1.2 Princip indirektne metode………... 10
5.1.3 Topila, ki niso več v uporabi………....….. 11
5.1.4 Ekstrakcija z diklorometanom………....….. 11
5.1.5 Ekstrakcija z etilacetatatom………... 12
5.2 DEKOFEINIZACIJA Z VODO………... 12
5.2.1 Ekstrakcija z vodo – originalna švicarska metoda………... 12
5.2.2 Ekstrakcija z brezkofeinsko raztopino ekstrakta zelene kave……...…… 13
5.3 DEKOFEINIZACIJA S SUPERKRITIČNIM OGLJIKOVIM DIOKSIDOM………...……. 13
5.3.1 Parametri………... 13
5.3.2 Opis postopka………...…... 14
5.4 MIKROBNE IN ENCIMSKE METODE DEKOFEINIZACIJE………....….. 15
5.4.1 Dekofeinizacija z bakterijami in plesnimi………....…. 16
5.4.2 Dekofeinizacija z encimi………...…. 17
5.5 DRUGE METODE……….... 18
6 VPLIV DEKOFEINIZACIJE NA SENZORIČNE PARAMETRE KAVE ……….. 19
6.1 BARVA………..…... 19
6.2 AROMA IN OKUS………...… 19
6.3 SESTAVA KAVE………...…. 19
7 POVZETEK………... 20
8 VIRI………... 21 ZAHVALA
KAZALO SLIK
Slika 1: Molekula kofeina (Kurtay in sod., 2020)……….. 2 Slika 2: Biosinteza kofeina (Pech-Kú in sod., 2018)………. 4 Slika 3: Shema poteka konvencionalnih metod dekofeinizacije (Gokulakrishnan
in sod., 2005)………. 9 Slika 4: Biološka razgradnja kofeina (Gokulakrishnan in sod., 2005)…………... 16
1 UVOD
Kava je ena najbolj priljubljenih pijač in zato je kavovec pomembna industrijska rastlina. Po botanični razvrstitvi sodi v družino Rubiaceae. Na rastlini zraste plod, ki ga imenujemo češnja, v katerem sta dve zrni kave. Kavo sestavlja več komponent, med katerimi ima pomembno vlogo kofein, ki predstavlja od 1 do 3 % suhe mase. Sestava kave je odvisna od klimatskih pogojev pridelave, vrste kave, procesa obdelave, skladiščenja in drugih dejavnikov. Najbolj razširjeni sta dve vrsti kave, in sicer Coffea canephora (imenovana tudi robusta) in Coffea arabica (imenovana tudi arabika). Slednja vsebuje 40 do 50 % manj kofeina v primerjavi z robusto, kar vpliva na manj grenak karakter napitka (Ramalakshmi in Raghavan, 1999; Lisboa in sod., 2019).
Vsebnost kofeina v pripravljenem napitku variira glede na velikost skodelice in tehnike priprave. Lisboa in sod. (2019) navajajo, da skodelica (100 ml) kave v povprečju vsebuje okoli 60 mg kofeina, medtem ko je v brezkofeinski kavi v enakem volumnu okrog 3 mg kofeina, kar je le 5 % začetne vrednosti. Nekaj kofeina se izgubi že med samim postopkom praženja zaradi sublimacije, vendar je delež tovrstnih izgub zanemarljivo majhen. Masa kavnega zrnja se med praženjem toliko zmanjša, da je utežni odstotek vsebnosti kofeina po praženju nespremenjen (Lisboa in sod., 2019). Količina kofeina, ki se ekstrahira med kuhanjem kave, je odvisna od začetne vsebnosti alkaloida v kavnih zrnih in od pogojev ekstrakcije. Največ kofeina se ekstrahira pri pripravi kave v moka kuhalniku, oziroma kafetieri. V kavnem ostanku ga skoraj ni več. Več ga ostane pri pripravi espresso ali filter kave, kjer se ekstrahira okoli 70 % vsega kofeina iz kave (Peña in sod., 2019).
Kofein je naravno prisotna bioaktivna komponenta kave in pravega čaja, dodaja pa se tudi v druge pijače. Nekaterim potrošnikom kofein povzroča težave. Že zelo nizek vnos kofeina v organizem lahko povzroči nespečnost ali slabšo kakovost spanja. Kofein je ena izmed substanc, ki lahko povzročajo odvisnost, h kateri so bolj nagnjene osebe ženskega spola (Gokulakrishnan in sod., 2005). Zmeren vnos kofeina ima pozitivne učinke na zdravje, saj stimulira živčni sistem, zmanjša utrujenost, izboljša splošno počutje in zavira pojav nevrodegenerativnih bolezni (Lisboa in sod., 2019).
Cilj diplomskega dela je preučiti literaturo o različnih tehnoloških postopkih, s katerimi proizvajajo brezkofeinsko kavo. Vsak postopek ima svoje prednosti in slabosti, ki v različni meri vplivajo na kakovost končnega izdelka. Prav tako imajo postopki specifične karakteristike, ki jih mora proizvajalec upoštevati. Poznamo konvencionalne postopke, ki so široko zastopani in tudi take, ki še potrebujejo raziskovanje in razvoj, da bi se uspešno vpeljale v široko uporabo. Nekateri postopki dekofeinizacije so se tekom razvoja opustili, bodisi zaradi neekonomičnosti ali toksičnih ostankov topil v izdelku.
2 KOFEIN
Kofein je bela kristalinična snov, ki jo je prvič izoliral nemški kemik Friedlib Ferdinand Runge, leta 1820. Ekstrahiral ga je iz zelenega zrnja kave (Pietsch, 2017).
Kofein sodi med purinske alkaloide. Kemijsko ime za kofein je 1,3,7-trimetilksantin (Ashihara in Crozier, 2001) oziroma 1,3,7-trimetilpurin-2,6-dion (Pietsch, 2017). Nekoliko manj znana so tudi druga poimenovanja: tein, matein, guaranin in metiloteobromin. V velikih količinah se nahaja v semenih kave različnih sort pa tudi v rastlinah Camellia sinensis (pravi čajevec), Theobroma cacao (kakavovec), Ilex paraguariensis (maté), Paullinia cupana (semena guarane) in drugih (Cola nitida, Cola acuminata) (Tello in sod., 2011;
Mazzafera, 2012).
Večina kofeina v kavovcu se nahaja v mladih listih in nezrelih plodovih, kjer se med zorenjem kopiči (Ashihara in Crozier, 2001). Kofein ima v rastlinah vlogo biološke zaščite, saj deluje kot pesticid. Rastlina je, zaradi učinka kofeina, zavarovana pred herbivori in patogenimi mikroorganizmi (Pech-Kú in sod., 2018).
Zaradi velike vsebnosti, je kava glavni vir kofeina, čeprav se dnevno po svetu spije več pravega čaja kot kave (Tello in sod., 2011).
Slika 1: Molekula kofeina (Kurtay in sod., 2020).
2.1 LASTNOSTI KOFEINA
Kofein je slabo do zmerno topen v vodi (z višanjem temperature topnost narašča) in lahko prehaja biološke membrane s pasivno difuzijo. Zaužiti kofein se absorbira v telo skoraj v celoti (Ramalakshmi in Raghavan, 1999).
V čisti obliki je kofein bel kristaliničen prah brez vonja in ima grenak okus. Pri povišani temperaturi ima sposobnost sublimacije – iz trdnega stanja prehaja direktno v plinasto, brez vmesnega stanja kapljevine. Kristali kofeina se velikokrat nabirajo kot sediment na posodah za praženje kave (Pietsch, 2017).
2.2 METABOLIZEM KOFEINA
Kofein se biosintetizira po nizu zapletenih biokemijskih reakcij iz spojine PRPP (5- fosforibozil-1-pirofosfat) preko petnajstih intermediatov. Dvanajsti intermediat v nizu reakcij je ksantozin, ki lahko nastaja tudi po drugi biosintetski poti (iz gvanozina). Na sliki 2 so prikazane stopnje biosinteze kofeina od ksantozina naprej. Direktni prekurzor za nastanek kofeina je teobromin. S-adenozil metionin (SAM) je vir metilnih skupin za metilacijo (Ramalakshmi in Raghavan, 1999; Ashihara in sod., 2019).
Pri biosintezi kofeina sodelujejo različni encimi, med katerimi so zelo pomembni N- metiltransferaze, ki katalizirajo zaporedno tristopenjsko metilacijo derivatov ksantozina. Pri biosintezi kofeina sodeluje še vrsta drugih encimov (Ashihara in sod., 2019).
V telesu se večina zaužitega kofeina razgradi do 1,7-dimetil ksantina, nekaj pa do teofilina in teobromina. Metabolizem kofeina v večini sestavljajo reakcije metilacije in demetilacije (Ramalakshmi in Raghavan, 1999).
2.3 UPORABNOST KOFEINA
Mazzafera (2012) navaja, da je kofein najbolj razširjena psihoaktivna substanca na svetu.
Ocenjuje, da kar 80 % ljudi uživa kofein (v državah z dostopno statistiko). Kofein najdemo tudi v drugih rastlinah poleg kavovca, vendar je proces dekofeinizacije kave najpomembnejši način pridobivanja naravnega kofeina (Mazzafera, 2012).
Gre za pomembno snov, ki je nepogrešljiva v farmaciji, kozmetični industriji in proizvodnji pijač, kot je cola ter energijskih pijač. V kozmetični industriji je kofein pomembna komponenta zaradi svoje lastnosti, da varuje pred škodljivimi UV-žarki, zato se lahko dodaja v izdelke za zaščito kože pred soncem. Je tudi najpogostejša sestavina v sredstvih proti celulitu. V pijačah ima kofein enako vlogo kot v kavi – je stimulant, izboljša koncentracijo in poživlja (Mazzafera, 2012).
Povpraševanje po kofeinu je precej večje kot povpraševanje po brezkofeinski kavi.
Pomanjkanje kofeina nadomeščajo s sintetičnim kofeinom, ki ga sintetizirajo iz drugih molekul, npr. teofilina, sečne kisline in uracila. Proces pridobivanja sintetičnega kofeina je ekonomsko dostopen, vendar na tržišču večjo vrednost dosega naravni kofein (Mazzafera, 2012).
Slika 2: Biosinteza kofeina (Pech-Kú in sod., 2018).
ksantozin
7-metilksantozin
7-metilksantin
teobromin
kofein
riboza
riboza riboza
7-Metilksantozin sintaza
N-Metilnukleozidaza
Teobromin sintaza
Kofein sintaza
3 VPLIVI KOFEINA NA ZDRAVJE
Kofein je bioaktivna molekula in ima tako pozitivne kot tudi negativne učinke na človeški organizem. Vpliv je odvisen od starosti, spola, zdravstvenega stanja, nosečnosti, kroničnih bolezni in genetike. Z uživanjem brezkofeinske kave se lahko izognemo morebitnim neprijetnim (ali celo nevarnim) stranskim učinkom kofeina. Konec 20. stoletja so se veliko ukvarjali s preučevanjem vpliva kofeina na srčno-žilne bolezni. V različnih člankih so raziskovalci ugotavljali tako ugodno, kot tudi neugodno učinkovanje kofeina (Ramalakshmi in Raghavan, 1999).
3.1 POZITIVNI UČINKI
Splošno gledano ima kava vrsto koristnih učinkov. Je vir antioksidantov, klorogenskih kislin in vitaminov. Z uživanjem kave (običajne ali brezkofeinske) lahko znižamo verjetnost za pojav diabetesa tipa II ter izboljšamo delovanje jeter (Lisboa in sod., 2019).
Tudi kofein (kot ena izmed komponent) v kavi ima nekatere pozitivne učinke na zdravje (Gokulakrishnan in sod., 2005; Tello in sod., 2011; Lisboa in sod., 2019):
- stimulira centralni živčni sistem,
- zavira pojav Parkinsonove in Alzheimerjeve bolezni, saj pomaga ohraniti bariero med krvjo in možgani,
- blokira adenozinske receptorje in s tem poveča izločanje dopamina, - izboljša fizično in kognitivno stanje ter
- poveča koncentracijo in zmanjša utrujenost.
Do konca 19. stoletja se je kofein uporabljal kot kardiotonik (zdravilo pri srčnem popuščanju), kasneje pa kot stimulant dihanja in cirkulacije. V sodobni medicini oziroma farmaciji ima kofein vlogo adjuvanta – sestavine brez lastnega farmakološkega učinka, ki drugim sestavinam farmakološkega sredstva poveča ali spremeni učinek. Kofein se kot adjuvant dodaja k aspirinu in paracetamolu (Gokulakrishnan in sod., 2005).
3.2 NEGATIVNI UČINKI
Pri (previsokem) vnosu kofeina se lahko pojavi več (bolj ali manj resnih) stranskih učinkov.
Nobeden izmed njih ni trajen (vsi učinki se pojavijo akutno in izzvenijo) (Ashihara in Crozier, 2001; Gokulakrishnan in sod., 2005; Tello in sod., 2011; Lisboa in sod., 2019):
- pogosto uriniranje, - gastrointestinalne motnje,
- motnje srčnega ritma in povišan krvni tlak,
- motnje živčnega sistema – tresavica, - nespečnost in druge motnje spanca,
- nemirnost in anksioznost (neprijetno stanje vznemirjenosti) ter - čustvena nihanja.
EFSA (2021) navaja, da je zgornja varna meja uživanje kofeina 400 mg na dan, oziroma 5,7 mg na kilogram telesne mase na dan, kar velja za zdrave odrasle posameznike, pri čemer so izključene nosečnice. Zanje se priporoča zgornja meja 200 mg dnevno, kar še ne škoduje fetusu. Za otroke in najstnike je zgornja meja za uživanje kofeina 3 mg na kilogram telesne mase dnevno. Glede na razpoložljive podatke v povprečju količina zaužitega kofeina iz kave ni zaskrbljujoča.
Pri občutnem prekoračenju maksimalnega dnevnega vnosa lahko pride do povečane možnosti za infarkt ter srčno žilne bolezni, rakava obolenja, infekcije, zaplete v nosečnosti, kostne bolezni ter ledvične kamne (Lisboa in sod., 2019). Kofein je substanca, ki lahko zasvoji. Pri prikrajšanju za kofein so pogosti naslednji abstinenčni znaki: glavobol, utrujenost in apatija (Gokulakrishnan in sod., 2005).
Po Ramalakshmi in Raghavan (1999) je fatalna doza kofeina 10 g, kar pomeni med 50 in 100 skodelicami kave (razlike glede na velikost skodelice, način priprave in vsebnost kofeina).
Kofein po dosedanjih raziskavah nima dolgoročnega vpliva na zdravje (Ashihara in Crozier, 2001). Ima status GRAS (je splošno spoznan kot varna snov); toleranca (največja dopustna razlika med predpisano in doseženo količino): 0,02 % (e-CFR, 2021).
4 POSTOPKI PRED IZVEDBO DEKOFEINIZACIJE IN PO NJEJ
Plodovi kavovca po obiranju še niso primerni za pripravo napitka. Semena so znotraj tako- imenovanih češenj, ki jih je potrebno obdelati po enem izmed dveh uveljavljenih postopkov.
Pri suhi (naravni) metodi plodove kavovca (češnje) najprej posušijo na soncu. Pri tem je pomembno, da je prisotna direktna sončna svetloba, nizka relativna vlažnost in kroženje zraka. Zrnje med sušenjem tudi obračajo. Ko doseže idealno vsebnost vode za skladiščenje (11 %), je sušenje končano. Nato odstranijo posušeno pulpo in lupino oz. ovoj semen.
Opisana metoda je tradicionalna. Danes se suha metoda v razvitih deželah izvaja v sušilnikih.
Pri mokri metodi plodove kavovca operejo in jim mehansko odstranijo mesnato pulpo (eksokarp in mezokarp), nato pa kavo izpostavijo primernim pogojem za fermentacijo. Po končani fermentaciji kavo posušijo. Pri obeh opisanih metodah so končni koraki isti:
poliranje, sortiranje in razvrščanje zrnja. Tako obdelano zrnje nato pakirajo v vreče in izvažajo v države porabnice (Ramalakshmi in Raghavan, 1999; Guimarães in sod., 2019).
Če je kava namenjena za dekofeinizacijo, odstranjevanje kofeina izvedejo pred praženjem.
Po dekofeinizaciji je potrebno kavno zrnje posušiti na začetno vsebnost vlage, kar dosežemo z različnimi tehnikami sušenja (npr. sušenje v vakuumu). Pri sušenju moramo paziti na ohranjanje kakovosti kave. Optimalni pogoji so: nizka temperatura, odsotnost kisika in na koncu dodatno hlajenje (Pietsch, 2017).
Sledi praženje, katerega glavni namen je oblikovanje značilne arome in okusa kave na račun reakcij med sladkorji, škrobom in beljakovinami. Zeleno kavno zrnje izpostavijo temperaturam nad 200 °C. Pri takšnih pogojih potekajo reakcije, ki spremenijo velikost, obliko in barvo kavnega zrnja. Te reakcije so: piroliza, redoks reakcije, reakcije polimerizacije, hidroliza in dekarboksilacija. Med praženjem se vsebnost kofeina v kavi bistveno ne spreminja. Ko pražimo kavo, ki je bila predhodno dekofeinizirana s topilom, morebitni ostanki topila zaradi visoke temperature odparijo (Ramalakshmi in Raghavan, 1999).
Kavo lahko prodajajo v obliki praženega zrnja ali mleto do različnih stopenj granulacije.
Možno je kupiti tudi nepraženo kavo. Pomembno je, da je kava pakirana v nepropustno embalažo, saj prisotnost kisika, vlage in dostop svetlobe povzročajo slabšanje senzorične kakovosti in kvar (Del Castillo in sod., 2019).
Kofein, ki ga pridobimo iz kave, je pomembna industrijska surovina v farmaciji, kozmetiki in živilstvu. Ekstrahiran kofein je pred uporabo potrebno očistiti vseh primesi, čemur so namenjeni naslednji postopki: evaporacija, adsorpcija na adsorbent (npr. aktivirano oglje), filtracija, centrifugiranje in kristalizacija (Gokulakrishnan in sod., 2005).
5 TEHNOLOŠKI POSTOPKI DEKOFEINIZACIJE
V zadnjih desetletjih so razvili več različnih tehnoloških postopkov dekofeinizacije.
Prvotnih metod, kjer so kofein ekstrahirali z zdravju škodljivimi topili, ne uporabljajo več, saj ostanki topil lahko predstavljajo tveganje za človeško zdravje. Metode dekofeinizacije s topili se sicer še vedno uporabljajo, vendar so toksična topila nadomestila topila, ki ne škodujejo zdravju (npr. metilen klorid) (Lisboa in sod., 2019).
Odstranitev kofeina iz kave ima velik vpliv na senzorično kakovost, saj je kofein nosilec nekaterih značilnih arom. Dekofeinizacija se skoraj izključno izvaja na zeleni kavi pred praženjem, da se senzorične spremembe in izgube aromatičnih snovi zmanjšajo na najnižjo možno raven (Lisboa in sod., 2019).
Tudi zeleno kavo, ki je namenjena predelavi v instant kavo, dekofeinizirajo pred praženjem.
Obseg proizvodnje brezkofeinske instant kave je bistveno manjši od proizvodnje instant kave s kofeinom, zato se jo običajno proizvaja v istem obratu. Nujne so redne kontrole in nadzor vsebnosti kofeina v brezkofeinskih kavnih pripravkih, saj obstaja verjetnost navzkrižne kontaminacije (Bassoli, 2019).
Razvoj novih tehnologij dekofeinizacije gre v smeri zmanjšanja sprememb senzoričnih lastnosti kave in ohranitve njenih ugodnih učinkov na zdravje, hkrati pa si prizadevajo, da bi bil delež preostalega kofeina v kavi čim manjši. Optimalna brezkofeinska kava naj bi bila popolnoma brez kofeina, po senzoričnih lastnostih naj se ne bi razlikovala od običajne kave in bi bila popolnoma varna za potrošnika (Lisboa in sod., 2019). Tako kavo je težko proizvesti, saj ekstrakcija kofeina velikokrat pomeni tudi izgubo arome oz. prekurzorskih molekul za razvoj arome, spremembe v velikosti in strukturi kavnega zrnja, izgubo mase in ostanke topila v izdelku. Kvaliteta končnega izdelka je odvisna od: kvalitete vhodne surovine, metode dekofeinizacije, časa praženja in drugih dejavnikov (Pietsch, 2017).
Pravilnik za Evropsko unijo navaja, da se lahko kava označi kot brezkofeinska, če vsebuje manj kot 0,1 % kofeina v suhi masi (Lisboa in sod., 2019). V običajni kavi so vsebnosti kofeina naslednje: C. arabica ima 1,0 – 1,2 % kofeina in C. canephora 1,6 – 2,5 % kofeina glede na suho maso (De Marco in sod., 2018). Vsebnost kofeina lahko variira tudi širše: od 1 do 4 % suhe mase (Gokulakrishnan in sod., 2005).
Po Pietsch (2017) se po svetu letno dekofeinizira približno 5000 ton kave.
Pred začetkom postopka dekofeinizacije zelena kavna zrna namočijo z vodo v prisotnosti pare, tako da vsebnost vode povečajo na 25 do 40 %, volumen pa naraste za 100 %. Ta korak je v postopku dekofeinizacije ključen, saj se prostornina zrnja poveča na dvakratno, kar pripomore k boljši penetraciji topil in izboljša ekstrakcijo (Pietsch, 2017). Tello in sod.
(2011) so raziskovali ekstrakcijo kofeina iz tanke plasti, ki obdaja kavni zrni (ang. husk) z metodo dekofeinizacije s superkritičnim ogljikovim dioksidom. Ugotovili so, da je
ekstrakcija najbolj efektivna pri vsebnosti vode 32 %, brez namakanja pa se je ekstrahiralo le malo kofeina (Tello in sod., 2011). Lisboa in sod. (2019) opisujejo, da voda odpre pore v kavnemu zrnju in loči kofein iz kompleksa, ki je netopen v nepolarnih topilih.
Slika 3: Shema poteka konvencionalnih metod dekofeinizacije (Gokulakrishnan in sod., 2005).
Surovina s kofeinom
Superkritična
CO2 ekstrakcija Ekstrakcija z vodo
Solventna ekstrakcija
Ekstrakcijska kolona
Toplotni izmenjevalec Sušenje
Ekspanzijska kolona (za separacijo)
Brezkofeinska surovina
Kompresor
Toplotni izmenjevalec
Ogljikov dioksid
Kofein Topilo
Voda
Ekstraktor tekoče tekoče
Topilo Sušenje
Brezkofeinska surovina
Vlaženje
Ekstraktor
Topilo
Para Sušenje
Brezkofeinska surovina Frakcionator
Protitočni ekstraktor
Raztopina kofeina
Parni odstranjevalec topila
5.1 DEKOFEINIZACIJA Z ORGANSKIMI TOPILI
Kofein je slabo topen v vodi, dobro pa se topi v organskih topilih, ki so zelo učinkovita in selektivna za ekstrakcijo kofeina (Gokulakrishnan in sod., 2005). Ekstrakcija kofeina z organskimi topili v kombinaciji z vodo je najbolj učinkovita pri temperaturi okoli vrelišča posameznega topila (Lisboa in sod., 2019).
Pri izbiri primernega topila je potrebno upoštevati naslednje dejavnike: cena, topnost kofeina v izbranem topilu, varnost pri izvedbi ekstrakcije in uživanju ter dostopnost (Pietsch, 2017).
5.1.1 Princip direktne metode
Direktna metoda pomeni, da kava pride v neposreden stik z organskim topilom.
Kavi je potrebno pred dekofeinizacijo povečati vsebnost vode. Zeleno kavo izpostavijo pari za petnajst minut do ene ure pri temperaturi nad 105 °C. Poparjeno zrnje nato namakajo v vodi, pri čemer se odprejo pore v kavi in vsebnost vode naraste na 50 %. Sledi dodatek topila in vzpostavitev optimalnih pogojev za ekstrakcijo: 60 do 100 °C in 3,5 do 5,5 bara (Lisboa in sod., 2019). Pietsch (2017) opisuje, da proces lahko poteka na dva načina: pri prvem je kava v ekstraktorju, skozi ekstraktor pa od vrha proti dnu teče topilo (ang. fixed bed reactor).
Pri drugem načinu pa je kava v rotirajočem bobnu skupaj s topilom. S povečevanjem hitrosti rotacije se učinkovitost ekstrakcije ne spreminja bistveno, saj je difuzija kofeina dokaj počasen proces. Ekstrakcija traja več ur (Lisboa in sod., 2019).
Topilo se po ekstrakciji odstrani in destilira, da se odstrani kofein. Destilacija poteka v evaporatorju, kjer pare kontinuirno krožijo. Ko topilo izpari, v evaporatorju ostane trdna zmes kofeina, lipidov in nekaterih drugih molekul. Očiščeno topilo je pripravljeno za ponovno uporabo. Kavno zrnje na koncu tretirajo s paro, da čim bolj odstranijo ostanke topila. Končni korak je sušenje do prvotne vsebnosti vode (Clarke, 2003; Pietsch; 2017;
Lisboa in sod., 2019).
5.1.2 Princip indirektne metode
Metoda se imenuje indirektna zato, ker topilo v nobenem koraku procesa ne pride v stik s kavo, temveč se kofein ekstrahira iz vode, v kateri so predhodno namakali kavo.
Zeleno kavo najprej nekaj ur namakajo v vroči vodi, zaradi česar se odprejo pore v zrnju in kofein ter druge topne komponente prehajajo v vodno raztopino. Ta korak traja tako dolgo, da raztopina postane nasičena s topnimi komponentami in kofeinom. Vodno raztopino nato odlijejo in z metodo ekstrakcije tekoče-tekoče kofein odstranijo iz raztopine z uporabo organskega topila, saj je kofein v nepolarnih organskih topilih veliko bolj topen, kot v vodi.
Dekofeinizirano kavo posušijo do stopnje, ko lahko reabsorbira ekstrakt. Nasičen vodni
ekstrakt brez kofeina uporabijo za ekstrakcijo kofeina pri novi šarži zelene kave oz. ekstrakt vrnejo nazaj h kavi, da se ohrani čim več aromatičnih komponent (Lisboa in sod., 2019).
Organsko topilo z raztopljenim kofeinom lahko segrevamo, pri čemer uparimo topilo in dobimo relativno čist kofein, ki ga lahko uporabimo v industriji (Lisboa in sod., 2019).
Metoda je hitrejša in bolj učinkovita od direktne. Kofein, ki ga pridobimo s to metodo, je čistejši (Clarke, 2003).
5.1.3 Topila, ki niso več v uporabi
Več kot 30 različnih organskih topil so preizkusili kot potencialna topila za ekstrakcijo kofeina. Skoraj vsa (z izjemo diklorometana in etilacetata) so se izkazala kot neprimerna za uporabo v živilski panogi (Lisboa in sod., 2019).
Benzen C6H6 je bilo prvo organsko topilo, ki so ga uporabljali za ekstrakcijo. Zaradi visoke vnetljivosti, toksičnosti in karcinogenosti, se je raba v živilski panogi opustila in nadomestili so ga trikloroetilen, diklorometan in etilacetat (Lisboa in sod., 2019).
Trikloroetilen C2HCl3 so uporabljali kot topilo potem, ko so prepovedali uporabo benzena.
Postopek ekstrakcije je ostal enak: parjenje v slanici in ekstrakcija z indirektno metodo. V sedemdesetih letih dvajsetega stoletja so z znanstvenimi raziskavami dokazali, da je trikloroetilen povzročil nastanek tumorjev pri miših, zato se je tudi ta prenehal uporabljati v živilstvu (Lisboa in sod., 2019).
5.1.4 Ekstrakcija z diklorometanom
Diklorometan CH2Cl2 je organska kemijska spojina polarnega značaja, ki se ne meša z vodo in ni vnetljiva. V primerjavi s trikloretilenom naj bi bil boljši v treh lastnostih: ni gorljiv, je selektivno topilo za kofein in ni zdravstveno oporečen (Pietsch, 2017). Vendar so proti koncu sedemdesetih let dokazali, da diklorometan na dolgi rok lahko inducira nastanek tumorjev (Lisboa in sod., 2019). Kljub temu je metoda ekstrakcije z diklorometanom še vedno najpogostejša v proizvodnji brezkofeinske kave, čeprav jo počasi zamenjujejo bolj naravne metode. Možna je v obeh izvedbah: direktni in indirektni (Lisboa in sod., 2019).
V brezkofeinski kavi je delež preostalega diklorometana tako nizek, da praktično nima vpliva na zdravje, zato kot topilo v živilski industriji ni prepovedan (Illy in sod., 1995).
Uporaba diklorometana je dovoljena s strani FDA (ZDA) in sicer je dovoljen ostanek diklorometana 10 mg/kg kave. V Evropski uniji je meja precej nižje in sicer 2 mg/ kg kave.
Z dobro proizvodno prakso ostanek diklorometana v brezkofeinski kavi ne presega 0,3 mg/kg kave (Lisboa in sod., 2019).
5.1.5 Ekstrakcija z etilacetatatom
Ekstrakcija z etilacetatom poteka po direktnem načinu. Etilacetat je vnetljiv, zato je potrebna uporaba posebne opreme, ki zagotavlja zaščito pred požarom. Posebna oprema znatno podraži proizvodnjo in zahteva višje investicije (Lisboa in sod., 2019).
Etilacetat je odobren s strani FDA in ni toksičen za ljudi. Zgornja meja ostanka po dekofeinizaciji ni določena (Lisboa in sod., 2019).
Etilacetat ni idealno topilo v proizvodnji brezkofeinske kave, saj je zelo vnetljiv, poleg tega lahko vpliva na aromo izdelka (De Marco in sod., 2018). Kava ima lahko priokus po kuhanem ali po sadju (Pietsch, 2017).
5.2 DEKOFEINIZACIJA Z VODO
Leta 1933 so prvič uspešno izvedli dekofeinizacijo kave z vodo, vendar se metoda ni uporabljala v industriji do osemdesetih let, zaradi visokih stroškov in oteženega postopka regeneracije, kar je posledica visoke temperature vrelišča vode (Lisboa in sod., 2019).
Kofein je v vodi slabše topen kot v organskih topilih. Topnost se izboljša z višanjem temperature pri normalnem tlaku, zato dekofeinizacijo izvajajo v vroči vodi, ki ji lahko dodajajo tudi paro (Pietsch, 2017).
Težava so topne komponente kave, ki predstavljajo 20 % suhe mase. To so beljakovine, aminokisline, klorogenske kisline, alkaloidi, sladkorji in karboksilne kisline. Z ekstrakcijo teh komponent poslabšamo kakovost, predvsem v smislu arome, okusa in telesa kave, zato je za kakovosten brezkofeinski izdelek nujno potrebno te snovi ohraniti v kavi (Lisboa in sod., 2019). Topnost kofeina v vodi je slaba, zato je ta metoda manj učinkovita od tistih, ki vključujejo direktno uporabo organskih topil (Gokulakrishnan in sod., 2005).
Zeleno kavo pred ekstrakcijo namočijo ali/in obdelajo s paro, da nabrekne in postane porozna. Namakanje zrnja lahko poteka tudi v ekstraktorju in je združeno s postopkom ekstrakcije, ki ga lahko izvajajo na dva načina (kot ekstrakcijo z vodo oz. ekstrakcijo z brezkofeinsko raztopino ekstrakta zelene kave) (Pietsch, 2017).
5.2.1 Ekstrakcija z vodo – originalna švicarska metoda
Iz zelene kave s svežo vodo ekstrahirajo kofein. Lisboa in sod. (2019) navajajo, da je optimalna temperatura vode za ekstrakcijo med 70 °C in 90 °C. Raztopini kavnega ekstrakta, ki vsebuje kofein in druge topne komponente kave, z metodo adsorpcije odstranijo kofein.
Raztopino vodijo skozi filter aktiviranega oglja, ki nase veže kofein, ne pa tudi drugih topnih komponent kave, saj je visoko selektiven za kofein (Pietsch, 2017).
Raztopino, ki ne vsebuje več kofeina, koncentrirajo do 30 % z vakuumsko destilacijo. Kavo z vročim zrakom predsušijo, da lahko absorbira vrnjen koncentrat s topnimi komponentami.
Sledi sušenje kave do končne vlažnosti 10 %. Skupno sušenje poteka približno štiri ure.
Najprej se kavo suši v horizontalnem sušilniku, da odteče vsa prosta voda. Sledi sušenje v vertikalnem sušilniku pri povišani temperaturi (60 °C), da kava doseže vlažnost med 10,0 in 12,5 %. Zadnji korak sušenja pa poteka v cilindričnem sušilniku in sicer pri sobni temperaturi, da se kava ohladi (Lisboa in sod., 2019).
5.2.2 Ekstrakcija z brezkofeinsko raztopino ekstrakta zelene kave
Sredi osemdesetih let prejšnjega stoletja so v Vancouvru izboljšali prvotno švicarsko metodo dekofeinizacije z vodo. Namesto čiste vode so uporabili raztopino kavnega ekstrakta, ki so ji odstranili kofein, iz predhodne šarže. Zaradi nasičenosti raztopine z vsemi topnimi komponentami kave (razen kofeina), se v vodo ekstrahira samo kofein, vse ostale topne snovi pa ostanejo v kavi. Princip opisane metode temelji na tem, da aromatične komponente nikoli ne zapustijo kavnega zrnja, zato se ohrani polna aroma in okus kave, metoda pa je popolnoma naravna (Ramalakshmi in Raghavan, 1999).
Postopek je enak kot pri prvotni švicarski metodi dekofeinizacije, le da se izpusti korak vračanja topnih komponent nazaj h kavi. Po ekstrakciji kofeina brezkofeinsko kavo z zrakom posušijo do 10 % vlažnosti po enakem postopku kot pri zgoraj opisani švicarski metodi (Lisboa in sod., 2019).
Kofein iz raztopine odstranjujejo bodisi z adsorpcijo na aktivirano oglje ali pa z metodo indirektne solventne ekstrakcije, ki je opisana v podpoglavju 2.3.2 (Pietsch, 2017).
Od prve verzije švicarske metode do danes je bilo vpeljanih že nekaj izboljšav: uporaba bolj učinkovitih adsorpcijskih filtrov, strogo nadzorovano sušenje po dekofeinizaciji in ukrepi za manjšo porabo vode med procesom (Lisboa in sod., 2019).
5.3 DEKOFEINIZACIJA S SUPERKRITIČNIM OGLJIKOVIM DIOKSIDOM
Klasične metode uporabe različnih vrst topil vedno bolj izpodriva ekstrakcija kofeina s ScCO2 (superkritičnim ogljikovim dioksidom). Metoda je bila patentirana (Kurt Zosel) v sedemdesetih letih dvajsetega stoletja in kmalu razvita tudi na industrijski ravni, saj je industrija potrebovala ustrezno zamenjavo za organska topila (Tello in sod., 2011).
5.3.1 Parametri
Princip metode temelji na lastnosti CO2, da v superkritičnih pogojih raztaplja kofein (Lisboa in sod., 2019). Od drugih metod se ta razlikuje predvsem v ostrih pogojih ekstrakcije kot je visok tlak, pomembna pa je tudi temperatura. Minimalni tlak, ki ga moramo vzpostaviti, da ogljikov dioksid preide v superkritično stanje, je 73,9 bara, temperatura pa mora biti vsaj 31
°C (Pietsch, 2017). De Marco in sod. (2018) navajajo, da so primerni pogoji za ekstrakcijo 250 barov in 90 °C, proces pa traja enajst ur in pol (arabika) oziroma dvaindvajset ur
(robusta). Na ta način naj bi se iz kave ekstrahiralo 97 % prisotnega kofeina. Načeloma se ekstrakcija pospeši pri višji temperaturi in tlaku. Večji kot je tlak, večjo gostoto ima topilo, kar izboljša topnost. Pri tlaku pod 200 bari se z višanjem temperature topnost slabša (nižja gostota topila), pri tlaku višjem od 200 barov pa topnost narašča z višanjem temperature. Pri višjem tlaku namreč spremembe v gostoti topila zaradi višanja temperature niso več tako drastične. V temperaturnem območju od 30 °C do 110 °C pri konstantnem tlaku 300 barov izkoristek ekstrakcije z višanjem temperature linearno narašča. Pri konstantni temperaturi 100 °C pa se izkoristek ekstrakcije eksponentno povečuje z večanjem tlaka (od 50 do 300 barov). Zaradi slabe topnosti ksantinov v nepolarnem CO2, se mu dodaja voda ali etanol.
Topnost se izboljša zaradi vzpostavitve vodikovih in kislinsko-bazičnih interakcij ter molekulskih vezi. Na ta način se ekstrakcija pospeši in izkoristek izboljša (Tello in sod., 2011).
5.3.2 Opis postopka
Kava mora imeti pred ekstrakcijo kofeina vlažnost med 40 in 50 %, kar dosežejo z uvajanjem pare (Lisboa in sod., 2019). Zaradi prisotnosti vode se pretrgajo vezi, ki vežejo kofein z matriksom (Tello in sod., 2011).
V drugem koraku je kava v visokotlačnih ekstraktorjih iz nerjavečega jekla, skozi pa krožna črpalka kontinuirno dovaja ogljikov dioksid, ki je nasičen z vodo pod superkritičnimi pogoji ter na dnu ekstraktorja odvaja ScCO2 z raztopljenim kofeinom. Ogljikov dioksid, ki prihaja v ekstrakcijsko posodo, mora biti nasičen z vodo, saj bi drugače nase vezal vodo iz zrnja, s čimer bi zmanjšal topnost kofeina. Molekule, ki so podobne kofeinu (teobromin, teofilin in klorogenske kisline), so desetkrat slabše topne v ScCO2 kot kofein, zaradi česar so spremembe sestave kave (razen odstranitve kofeina) minimalne (Lisboa in sod., 2019).
Brezkofeinska kava se nato z vročim zrakom posuši (Pietsch, 2017).
Mešanica ScCO2 in kofeina, ki pride iz ekstraktorja, se lahko loči na tri načine:
- ločitev s spiranjem z vodo (kofein ima večjo afiniteto do vode kot do ogljikovega dioksida, saj se lahko pri spiranju v vodno fazo ekstrahira kar 99,5 % kofeina (De Marco in sod., 2018)),
- ločitev z adsorpcijo kofeina na aktivno oglje, - ločitev zaradi znižanja temperature in/ali tlaka.
Najpogosteje uporabljajo metodo z aktivnim ogljem, saj je, zaradi načina poteka (kontinuirno kroženje pri superkritičnih pogojih), dekofeinizacija najbolj učinkovita. Kofein se po dekofeinizaciji odstrani z oglja, le-to pa je zopet uporabno za naslednjo ekstrakcijo (Clarke, 2003).
Pri metodi ločitve kofeina in ScCO2 s spiranjem z vodo kofein v vodi koncentrirajo po principu vakuumske destilacije ali reverzne osmoze (Lisboa in sod., 2019). Mešanica vode in kofeina se skoncentrira iz 1 % na 15 % w/w. Zadnji korak čiščenja kofeina poteka v kristalizatorju, kjer poteče precipitacija kofeina zaradi hitrega padca temperature (De Marco in sod., 2018).
Lisboa in sod. (2019) navajajo kot glavne prednosti te metode kemično stabilnost in inertnost topila, ki ne reagira s komponentami kave, visoko selektivnost in dejstvo, da v brezkofeinski kavi zagotovo ni ostankov topila. Tello in sod. (2011) navajajo kot prednosti tudi lažjo ločitev topila od produkta, negorljivost in ekološki način predelave. S to metodo lahko dosežemo tudi nad 94 % čistost kofeina v ekstraktu, ki jo lahko dodatno izboljšamo s spiranjem z vodo. Pri tem se znebimo nekaterih pigmentov in maščob. Brezkofeinska kava, pridobljena po tem postopku, naj bi bila po aromi in okusu ter ohranjenih komponentah najbolj podobna konvencionalni kavi (Clarke, 2003). Ekstrakcija poteka pri relativno nizkih temperaturah, kar dodatno pripomore k ohranjanju kakovosti kave. S to metodo se izognemo težavi ravnanja z odpadnimi topili, ki so okolju nevarna. Uporaba ogljikovega dioksida za dekofeinizacijo rešuje tudi problematiko toksičnih ostankov topil v kavi, saj se CO2
enostavno odstrani iz končnega produkta (Ashihara in Crozier, 2001).
Slabosti te metode so visoki stroški predelave zaradi potrebnih ekstremnih pogojev in (sicer omejena) izguba določenih arom. Za superkritično ekstrakcijo kofeina s CO2 potrebujemo veliko količino topila, saj topnost ni dovolj dobra. Za 1 kg brezkofeinske kave potrebujemo med 200 in 270 kg CO2, vendar topilo po ekstrakciji očistimo in recikliramo (Lisboa in sod., 2019). Postopek dekofeinizacije in vzpostavitev potrebnih pogojev morata biti strogo načrtovana in kontrolirana, da se čim bolj zniža potrebna energija in zmanjšajo stroški (Clarke, 2003).
Možna je tudi dekofeinizacija z liCO2, to je ogljikov dioksid v tekočem agregatnem stanju (Pietsch, 2017). Ta način se v literaturi le malo omenja.
5.4 MIKROBNE IN ENCIMSKE METODE DEKOFEINIZACIJE
Mikrobne in encimske metode dekofeinizacije so specifične, cenejše in bolj okolju prijazne od konvencionalnih metod. Uporabljajo se tako v proizvodnji brezkofeinskih izdelkov, kot tudi za odstranjevanje kofeina iz odpadnega materiala (npr. kavne pulpe – ostankov mezokarpa in eksokarpa pri obdelavi plodov kavovca), kar ima velik pomen pri ohranjanju okolja. Odpadki, ki nastanejo med proizvodnjo, navadno končajo na deponijah, od koder se izpirajo v vodne vire ter jih onesnažujejo. Tudi za krmo ti odpadki niso primerni, ravno zaradi prisotnosti anti-nutritivnih dejavnikov (kofein, tanini, polifenoli) (Gokulakrishnan in sod., 2005).
Slika 4: Biološka razgradnja kofeina (Gokulakrishnan in sod., 2005).
5.4.1 Dekofeinizacija z bakterijami in plesnimi
Mikrobne metode degradacije kofeina so še vedno predmet različnih raziskav. Ramalakshmi in Raghavan (1999) sta poročala, da so bakterijo Acinetobacter sp. prepoznali kot morebitno primeren mikroorganizem za dekofeinizacijo, saj izkorišča kofein kot edini vir ogljika in dušika. Raziskave so opravljali tako, da so v kavnemu ekstraktu na vodni osnovi pod aerobnimi pogoji inkubirali bakterijo, ki je razgrajevala kofein. Več različnih vrst bakterij ima lastnost, da lahko razgradi kofein po demetilacijski poti, vendar večino bakterij koncentracije kofeina, ki so višje od 2,5 mg/ml, inhibirajo v rasti in razmnoževanju (Gokulakrishnan in sod., 2005).
Nekatere med bakterijami, ki so sposobne razgradnje kofeina, so: Pseudomonas cepacia, Pseudomonas putida in Serratia marcescens (Ashihara in Crozier, 2001). Bakterije lahko v proces proizvodnje brezkofeinske kave vključijo med fermentacijo tekom mokrega postopka (opisano v poglavju 4). Kofein pretvarjajo v teobromin in paraksantin z demetilazami. Pri
KOFEIN
Demetilacijska pot (demetilaze)
Oksidativna pot (ksantin oksidaze)
bakterije sesalci
teofilin (1,3 dimetil ksantin)
teobromin (3,7 dimetil ksantin)
paraksantin (1,7 dimetil ksantin)
1-metil ksantin
3-metil ksantin
7-metil ksantin
ksantin
1,3,7-trimetilurna kislina
3,6,8 trimetil alantoin
sečna kislina
katabolizem purinov rastline in glive
nadaljnji demetilaciji (odstranjevanje metilne skupine CH3) nastaja ksantin, iz njega pa sečna kislina, ki nato sodeluje v katabolizmu purinov (Gokulakrishnan in sod., 2005). Proces je shematično prikazan na Sliki 4.
Najpomembnejša razlika med biološkimi in ostalimi metodami dekofeinizacije kave je, da na stopnjo razgradnje kofeina pomembno vplivajo fiziološki dejavniki, med katerimi so najpomembnejši: vrednost pH, koncentracija kofeina in prisotnost zunanjega vira dušika (Sathyanarayana in sod., 2012). Pri previsoki koncentraciji je kofein toksičen oziroma deluje antimikrobno. Običajno so mikroorganizmi, ki uspevajo v okolju s kofeinom, tudi uspešni pri razgrajevanju le-tega (Gokulakrishnan in sod., 2005).
Kot učinkoviti mikroorganizmi za mikrobno dekofeinizacijo se omenjajo tudi plesni rodu Aspergillus in Penicilium ter druge. Plesni kofein pretvarjajo v teofilin in druge dimetil in monometil ksantine (Slika 4). Točen potek razgradnje zaenkrat še ni znan, je pa s primernimi vrstami plesni možno znižati vsebnost kofeina do 100 % pri primerni temperaturi (25 °C).
Plesni se uporabljajo le za biološko detoksifikacijo pulpe (razgradnjo kofeina v odpadni kavni pulpi), ki je velik onesnaževalec okolja, ne pa tudi za proizvodnjo brezkofeinske kave (Gokulakrishnan in sod., 2005). Pri vrednotenju primernosti posameznih mikroorganizmov za dekofeinizacijo je pomembno, da sevi ne proizvajajo toksičnih metabolitov. V prihodnosti bo potrebno odkriti še več mikroorganizmov, ki so sposobni razgradnje kofeina (Gokulakrishnan in sod., 2005).
5.4.2 Dekofeinizacija z encimi
Encime za razgradnjo kofeina najdemo tako v evkariontih, kot tudi v prokariontih. Gre za encime demetilaze in oksidaze. Princip encimske dekofeinizacije temelji na uporabi omenjenih encimov na kavni masi, z namenom odstranjevanja kofeina (Gokulakrishnan in sod., 2005).
Kavo lahko dekofeiniziramo z encimi v bioreaktorjih. Osnovna težava je labilnost encimov, saj demetilaze v čisti obliki hitro nepovratno izgubijo svojo aktivnost. Stabilnost demetilaz za encimsko dekofeinizacijo med skladiščenjem lahko izboljšamo z uporabo krioprotektantov in z metodo zamrzovanja s sušenjem. Kofein se razgradi s pomočjo encimov – demetilaz, enako kot pri dekofeinizaciji z bakterijami in plesnimi (Slika 4) (Gokulakrishnan in sod., 2005).
V praksi bi bilo potrebno združevati encimske metode in metode žlahtnjenja kavovca za pridobitev brezkofeinske kave oziroma kave z nizkim deležem kofeina (Gokulakrishnan in sod., 2005). Kljub dejstvu, da je tehnološki postopek dekofeinizacije z encimi razvit, se v proizvodnji le redko prakticira (Pietsch, 2017).
5.5. DRUGE METODE
Nekatere metode so bile v preteklosti preizkušene, vendar se niso uveljavile. Med njimi je odstranjevanje kofeina s sublimacijo in ekstrakcija z uporabo maščobne snovi kot topila (Pietsch, 2017).
Namesto odstranjevanja kofeina iz kave, bi lahko z različnimi biotehnološkimi postopki, kot so hibridizacija, mutageneza in genski inženiring, utišali gen za sintezo kofeina in na ta način gojili kavovce z nizkim deležem kofeina. Ti postopki so še v razvoju in še niso dozoreli za industrijsko uporabo. Z utišanjem gena za kofein rastlina ostane brez pomembnega insekticida, zato bi se lahko pojavile težave pri gojenju kavovcev (Pietsch, 2017).
6 VPLIV DEKOFEINIZACIJE NA SENZORIČNE PARAMETRE KAVE 6.1 BARVA
Med dekofeinizacijo potekajo spremembe v kemijski sestavi kave. Navzven najbolj opazna je sprememba barve med procesom. Kavno zrnje je pred dekofeinizacijo modrikasto- zelenkaste barve in bolj kot se proces bliža koncu, temnejša in bolj rjava so zrna kave.
Sprememba barve ni le površinska, potemni namreč tudi notranjost zrna. Odtenek barve je odvisen tudi od vrste kavovca in načina pridelave ter predelave, procesnih parametrov in drugih dejavnikov. Temnejša barva naj bi bila primarno posledica Maillardove reakcije, ki poteče zaradi visokih temperatur med procesom (Lisboa in sod., 2019).
6.2 AROMA IN OKUS
Dekofeinizacija vpliva na aromo in okus kave. Ta vpliv zmanjšamo tako, da kavo dekofeiniziramo, ko je še v obliki zelenega zrnja. Glavni korak, pri katerem se oblikuje aroma, je praženje. Kofein je substanca grenkega okusa, vendar grenkoba kofeina ni prevladujoča v kavi, zato dekofeinizacija nima večjega vpliva na grenkost kave (Pietsch, 2017).
V primeru nepravilno izvedene dekofeinizacije lahko pride do določenih nezaželjenih priokusov in neprijetnih arom. Pietsch (2017) navaja, da ima lahko brezkofeinska kava po dekofeinizaciji z organskim topilom okus po kuhanem. Pri uporabi etilacetata lahko pride do priokusa po sadju. Kava, ki ji kofein odstranimo s ScCO2, naj bi bila po senzoričnih lastnostih najbolj podobna običajni kavi, vendar je lahko ob nepravilni izvedbi njena aroma prazna, medla (ang. flat). Podobno je pri švicarski metodi (Pietsch, 2017).
Dekofeinizacija lahko do neke mere tudi izboljša aromo kave: pri uporabi diklorometana se zmanjšajo zemeljske arome (na račun znižanja vsebnosti pirazinov). Dekofeinizacija poveča kislost (zniža pH vrednost) in posledično je manjši pojav plesni (Pietsch, 2017).
6.3 SESTAVA KAVE
Med dekofeinizacijo pride do izgub različnih snovi, tudi aromatskih. Deleži saharoze, polifenolov in klorogenih kislin se zmanjšajo. Na izgube ima največji vpliv izbor metode dekofeinizacije. Največje izgube nastanejo pri uporabi diklorometana, najmanjše pa pri superkritični ekstrakciji s CO2. Masa kave se med dekofeinizacijo nekoliko zmanjša, predvsem na račun odstranjenega kofeina in voskov (Pietsch, 2017).
7 POVZETEK
Dekofeinizacija je tehnološko dokaj zahteven postopek. Za kakovosten izdelek mora biti kakovostna že izhodna surovina, postopek pa čim manj invaziven, da se ohranijo željene lastnosti in se brezkofeinska kava po aromi, okusu in izgledu čim bolj približa konvencionalni kavi. Ekstrahiran kofein kot produkt dekofeinizacije uporabljajo v farmacevtski in živilski industriji.
Ključni trije koraki vsake klasične metode dekofeinizacije so: namakanje, ekstrakcija in sušenje. Tehnološki procesi dekofeinizacije, ki temeljijo na organskih topilih, so se razvili najprej. Raba toksičnih organskih topil, ki so sicer zelo učinkovita, je danes prepovedana, saj so morebitni ostanki teh topil v brezkofeinski kavi resna grožnja zdravju. Večino dovoljenih organskih topil lahko uporabimo po direktnem ali indirektnem načinu ekstrakcije. Danes sta v uporabi le še dve organski topili: diklorometan in etilacetat.
Poznamo tudi dekofeinizacijo z vodo in sicer kot metodo ekstrakcije direktno z vodo oz.
metodo ekstrakcije z brezkofeinsko raztopino ekstrakta zelene kave. Voda je neselektivno topilo, zato obstaja nevarnost, da je brezkofeinska kava praznega okusa in arome. To rešujemo z vračanjem brezkofeinskega ekstrakta ali z ekstrakcijo kofeina v nasičeni raztopini. Najbolj napreden tehnološki proces je ekstrakcija kofeina s superkritičnim ogljikovim dioksidom. Glavna prednost te metode je visoka selektivnost topila, ki se odraža na odlično ohranjeni senzorični kakovosti brezkofeinske kave. Izkoristek ekstrakcije se povečuje z višanjem temperature in tlaka v ekstraktorju.
Dekofeinizacija je možna tudi z aplikacijo bakterij, plesni in encimov. Bakterije kofein razgrajujejo z demetilacijo in oksidacijo. Plesni se ne uporabljajo za dekofeinizacijo kave, temveč za razgradnjo kofeina v odpadkih kavne industrije, ki so lahko pomembni onesnaževalci okolja.
Dekofeinizacija je invaziven postopek v proizvodnji kave, ki dodatno vpliva na senzorične in druge lastnosti kave. Pri nedosledno izvedenih postopih lahko prihaja do neželenih priokusov. Med procesom se spremeni barva kave, poveča se kislost kave, zmanjša pa se vsebnost klorogenih kislin, polifenolov in sladkorjev.
Kava ima vrsto pozitivnih in negativnih učinkov na organizem. Za nekatere izmed njih je zaslužen ravno kofein. Znan je kot stimulant centralnega živčnega sistema, ki poveča koncentracijo, izboljša počutje in fizično ter kognitivno stanje. Med neželene učinke uživanja kofeina in glavne razloge za uživanje brezkofeinske kave štejemo predvsem:
zasvojenost, motnje spanca, gastrointestinalne motnje, motnje srčnega ritma in hipertenzijo.
Znani so še drugi resnejši simptomi, ki se jim izognemo, če ne prekoračimo maksimalnega dnevnega vnosa 400 mg, kot ga priporoča EFSA.
8 VIRI
Ashihara H., Crozier A. 2001. Caffeine: a well known but little mentioned compound in plant science. Trends in Plant Science, 6, 9: 407-413
Ashihara H., Fujimura T., Crozier A. A. 2019. Coffe plant biochemistry. V: Coffee:
production, quality and chemistry. Farah A. (ur.). London, Royal Society of Chemistry:
100-129
De Marco I., Riemma S., Iannone R. 2018. Life cycle assessment of supercritical CO2
extraction of caffeine from coffee beans. Journal of Supercritical Fluids, 133: 393-400 Del Castillo M. D., Fernandez-Gomez B., Martinez-Saez N., Iriondo-Dehond A., Mesa M.
D. 2019. Coffee by-products. V: Coffee: production, quality and chemistry. Farah A.
(ur.). London, Royal Society of Chemistry: 309-334
e-CFR. 2021. Electronic code of federal regulations. Title 21, Food and Drugs, Part 182:
Subpart B: Multiple purpose GRAS food substances. Electronic Code of Federal Regulations: 20 str.
https://www.ecfr.gov/cgi-bin/text-
idx?SID=e956d645a8b4e6b3e34e4e5d1b690209&mc=true&node=pt21.3.182&rgn=div 5 (maj, 2021)
EFSA. 2021. Caffeine. Parma, European Food Safety Authority: 5 str.
https://www.efsa.europa.eu/en/topics/topic/caffeine (maj, 2021)
Gokulakrishnan S., Chandraraj K., Gummadi S. N. 2005. Microbial and enzymatic methods for the removal of caffeine. Enzyme and Microbial Technology, 37: 225-232
Guimarães R. J., Borém F. M., Shuler J., Farah A., Peres Romero J. C. 2019. Coffee growing and post-harvest processing. V: Coffee: production, quality and chemistry. Farah A. (ur.).
London, Royal Society of Chemistry: 26-88
Illy A., Illy E., Macrae R., Petracco M., Sondahl M. R., Valussi S., Viani R. 1995. Espresso coffee: the chemistry of quality. London, Academic Press Limited: 251 str.
Kurtay M., Gerengi H., Kocak Y. 2020. The effect of caffeine molecule on the physico- chemical properties of blended cement. Construction and Building Materials, 255:
119394, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119394: 8 str.
Lisboa F. P., Rodrigues C., Simões C. P., Figuera C. 2019. Decaffeination and irradiation processes in coffee production. V: Coffee: production, quality and chemistry. Farah A.
(ur.). London, Royal Society of Chemistry: 213-229
Mazzafera P. 2012. Which is the by-product: caffeine or decaf coffee? Food and Energy Security, 1, 1: 70-75
Pech-Kú R., Muñoz-Sánchez A., Monforte-González M., Vázquez-Flota F., Rodas-Junco B.
A., González-Mendoza V. M., Hernández-Sotomayor S. M. T. 2018. Relationship between aluminum stress and caffeine biosynthesis in suspension cells of Coffea arabica L. Journal of Inorganic Biochemistry, 181: 177-182
Pietsch A. 2017. Decaffeination – process and quality. V: The craft and science of coffee.
1st ed. Folmer B. (ur.). London, Academic Press: 225-243
Ramalakshmi K., Raghavan B. 1999. Caffeine in coffee: its removal. Why and how? V:
Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 39, 5: 441-456
Sathyanarayana N., Gummadi N., Bhavya B. 2012. Physiology, biochemistry and possible applications of microbial caffeine degradation. Applied and Industrial Microbiology Lab, 93: 545-554
Tello J., Viguera M., Calvo L. 2011. Extraction of caffeine from Robusta coffee (Coffea canephora var. Robusta) husks using supercritical carbon dioxide. Journal of Supercritical Fluids, 59: 53-60
ZAHVALA
Za nasvete, usmeritve, pomoč pri iskanju literature, vse odgovore na moja vprašanja in vzpodbudo pri pisanju diplomskega dela se iskreno zahvaljujem mentorju prof. dr. Tomažu Požrlu.
Posebna zahvala gre moji družini, ki me je podpirala tekom študija in verjela vame. Hvala za vsako vzpodbudno besedo in razumevanje tudi takrat, ko me je bilo težje prenašati.
Za najlepše trenutke študentskega življenja in mnoge besede podpore se zahvaljujem mojima kolegicama Andreji in Ini ter fantu Zoranu, ki niti za trenutek ni podvomil vame.
