Hóa học đằng sau việc khử caffeine trong cà phê

Caffeine là một chất kích thích và thuốc thần kinh được tiêu thụ rộng rãi nhất trên thế giới. Nhiều người trong chúng ta cần cà phê buổi sáng để hoạt động, nhưng những người khác thích tránh caffeine do ảnh hưởng của nó đối với giấc ngủ, bồn chồn hoặc mang thai. Chính vì vậy các nhà hóa học đã đưa ra một số cách để chúng ta thưởng thức cà phê mà không có caffeine. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét cơ bản các phương pháp khác nhau trong việc tạo nên cà phê decaf hay cà phê khử caffeine nhé!

Đôi nét

Nếu bạn là người thích một tách cà phê không caffeine, thì lần sau khi bạn đun ấm nước sôi, hãy nâng cốc để tưởng nhớ Friedlieb Ferdinand Runge.

Runge là một nhà hóa học người Đức thế kỷ 19, người đã được Goethe chú ý, (Goethe, nhà thơ và chính khách, cũng là một nhà khoa học tinh thông). Goethe đã nghe nói về việc nghiên cứu đột phá của Runge về cây cà dược. Runge đã tách được hợp chất khiến cơ mắt bị giãn ra nếu ta đưa nó vào cơ thể.

Goethe gần đây phải giải quyết một trường hợp về hạt cà phê, và vì vậy ông yêu cầu Runge thực hiện một phân tích các hạt này. Cái mà Runge phát hiện ra có thể nói là thứ thuốc tiêu thụ nhiều nhất trong thế giới hiện đại: caffeine.

Caffeine có mặt trong các loại đồ uống và thực phẩm khác – nhất là ở trà và sô cô la – nhưng nó được gắn kết chặt chẽ với cà phê. Đó là một chất kích thích và làm giảm sự thèm ăn, một sự lựa chọn đáng tin cậy cho các học sinh ôn thi, các công nhân làm ca đêm và bất cứ ai cần thức đêm.

Nhưng caffeine cũng có một nhược điểm.

Nó có thể gây lo âu, mất ngủ, tiêu chảy, đổ nhiều mồ, nhịp tim nhanh và run cơ. Đối với nhiều người, niềm vui uống cà phê bị lấn át bởi những các nhược điểm do cafein gây ra.

Liệu có thể tách caffeine khỏi cà phê không? Mọi kệ hàng trong siêu thị đều trả lời bạn là có thể, nhưng quá trình này không đơn giản như bạn nghĩ.

Người đầu tiên tìm được một phương pháp thực tế khử được caffeine là một người Đức khác, Ludwig Roselius, người đứng đầu hãng cà phê Kaffee HAG. Roselius tìm được bí quyết khử cafein là do ngẫu nhiên. Năm 1903, lô hàng cà phê đã bị ngập trong nước biển khi chuyển hàng, nó lọc caffeine ra nhưng không làm mất hương vị cà phê. Roselius đã tạo ra một phương pháp công nghiệp để lặp lại việc đó, hấp hạt cà phê bằng nhiều loại axit rồi sử dụng dung môi benzen để tách bỏ caffeine. Thế là cà phê không caffeine ra đời.

Nhưng Benzen hóa ra là một chất có thể gây ung thư, do đó phải cần tìm kiếm các kỹ thuật mới có thể tách bỏ caffeine ra khỏi hạt cà phê nhưng vẫn giữ được nguyên hương vị.

Chris Stemman, giám đốc điều hành của Hiệp hội Cà Phê Anh, cho biết hầu hết các kỹ thuật này từ những ngày đầu tiên của quá trình khử caffeine vẫn đang được sử dụng ngày nay. Nhưng quá trình này không đơn giản như bạn nghĩ.

Hóa học đằng sau việc khử caffeine trong cà phê

Như mọi người cũng biết là hàm lượng caffeine trong cà phê thay đổi tùy theo loại hạt. Thí dụ như hạt cà phê Robusta xanh chứa khoảng 2,2% caffeine theo khối lượng, trong khi con số cho hạt cà phê Arabica xanh là 1,2%. Nói chung, việc khử caffeine không thực sự loại bỏ tất cả caffeine trong cà phê – chỉ phần lớn trong số đó. Tại EU, hàm lượng caffeine tối đa đối với cà phê đã khử caffein là 0,1%, trong khi đó ở Mỹ, việc khử caffeine phải loại bỏ 97% hàm lượng caffeine ban đầu. 

Bạn có thể nghĩ rằng sẽ dễ dàng hơn nếu ta rang cà phê, xay nó thành các loại bột cần thiết (cho espresso, cà phê lọc hoặc cà phê hòa tan) và sau đó mới khử caffeine. Nhưng thực tế lại không phải như vậy. Nó diễn ra khi hạt cà phê còn xanh, trước khi rang.

Nếu bạn làm thử và tách caffeine ở cà phê đã rang, bạn sẽ có một thứ có vị giống như rơm. Đó là lý do tại sao với 99,9% cà phê đã tách caffeine cho đến ngày nay, quá trình này được thực hiện ở giai đoạn cà phê xanh.

Có nhiều cách để tách caffeine nhưng cách phổ biến nhất là ngâm chúng trong dung môi – thường là metylen clorua hoặc etyl axetat. Methylene clorua có thể được sử dụng như một chất tẩy sơn và tẩy mỡ, cũng như một tác nhân để loại bỏ caffeine.

Khử caffeine bằng dung môi

Khử cặn dung môi liên quan đến việc ngâm hạt cà phê xanh trong dung môi để loại bỏ caffeine. Có hai loại khử dung môi: trực tiếp và gián tiếp. Trong khử caffeine trực tiếp, hạt cà phê xanh được hấp để mở lỗ chân lông, trước khi ngâm trong dung môi. Quay lại khi quá trình khử caffeine được phát triển lần đầu tiên, benzen là dung môi được sử dụng. 

Ngày nay, benzen được công nhận là chất gây ung thư và không còn được sử dụng. Hai dung môi được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là methylene clorua và ethyl acetate. Sau khi ngâm trong đó, hạt cà phê được hấp, sấy khô và rang. Các quy trình này đảm bảo rằng không còn dung môi tồn dư trong hạt. Ngâm hạt cà phê trong dung môi sẽ loại bỏ caffeine khi nó hòa tan trong dung môi. Tuy nhiên, các hợp chất khác cũng được loại bỏ khỏi hạt, có thể có tác động đến hương vị. 

Một cách khác của khử caffeine bằng dung môi là khử caffeine dung môi gián tiếp, đây là một thay thế. Khử dung môi gián tiếp liên quan đến việc ngâm hạt cà phê trong nước nóng để bắt đầu. Các hợp chất caffeine và hương vị trong hạt hòa tan trong nước. Sau đó, hạt cà phê được loại bỏ khỏi nước, sau đó được trộn với dung môi. Các dung môi hấp thụ hầu hết các caffeine, và ít hơn các hợp chất hương vị. 

Sau đó, nước và dung môi được tách ra. Các hạt cà phê sau đó được thêm lại vào nước để hấp thụ lại một số hợp chất hương vị mà chúng đã mất trước đó. Giống như với phương pháp dung môi trực tiếp, sau đó chúng có thể được loại bỏ, sấy khô và rang. 

Khử caffeine bằng carbon dioxide 

Cả hai phương pháp khử caffeine ở trên có thể dẫn đến mất một số hương vị trong sản phẩm cà phê cuối cùng. Một lựa chọn giúp cải thiện quá trình khử caffeine là khử caffeine bằng carbon dioxide. Bạn có thể không nghĩ ngay đến carbon dioxide như một dung môi, vì trong điều kiện bình thường, nó là một loại khí. Tuy nhiên, nếu nó bị nén dưới áp suất cao ở nhiệt độ phòng một chút, nó sẽ biến thành chất lỏng siêu tới hạn. 

Một chất lỏng siêu tới hạn là một chất có tính chất ở giữa một chất khí và một chất lỏng. Nếu carbon dioxide siêu tới hạn sau đó được trộn với nước, nó rất tốt trong việc hòa tan caffeine. Ưu điểm lớn của việc sử dụng carbon dioxide để khử caffeine là nó có tính chọn lọc hơn đối với caffeine so với các hợp chất hương vị và tiền chất khác trong hạt cà phê. 

Quá trình chiết xuất bao gồm ngâm hạt cà phê trong nước, sau đó nạp chúng vào máy chiết. Carbon dioxide lỏng sau đó được bơm qua hạt cà phê. Nước trong một buồng riêng biệt sẽ loại bỏ caffeine khỏi carbon dioxide để nó có thể được tuần hoàn lại, với quá trình kéo dài tới 12 giờ. Cũng như các phương pháp dung môi trước, hạt cà phê sau đó được sấy khô và rang. 

Mặc dù khử bằng carbon dioxide vượt trội hơn so với các phương pháp khử caffeine khác, tuy nhiên lại có một vài yếu tố hạn chế sử dụng. Đầu tiên, các thiết bị áp lực cao cần có chuyên môn và chi phí để thiết lập và tiếp tục hoạt động. Thứ hai, rất tốn kém khi chạy – người ta cho rằng phương pháp chiết xuất chỉ khả thi về mặt thương mại khi 3000 tấn cà phê mỗi năm được khử caffeine bằng cách này. 

Khử caffeine bằng nước 

Khử caffein bằng nước là một cách khác. Có hai phương pháp khác nhau được sử dụng: ‘phương pháp nước của Thụy Sĩ’ và ‘phương pháp nước của Pháp’. 

Phương pháp nước của Thụy Sĩn đã được phát triển, như tên cho thấy, ở Thụy Sĩ. Nó liên quan đến việc ngâm hạt cà phê trong nước nóng để chiết xuất caffeine, với một số hợp chất hương vị cũng được chiết xuất. Dịch chiết được đưa qua bộ lọc carbon, loại bỏ có chọn lọc caffeine. Lúc này, nước có hương vị có thể được sử dụng để loại bỏ caffeine từ một mẻ hạt cà phê mới. Bởi vì nó đã bão hòa với các hợp chất hương vị, chủ yếu là caffeine được loại bỏ khỏi mẻ hạt cà phê mới, giữ nguyên hương vị ban đầu. 

Ngoài ra, phương pháp nước của Pháp có thể được sử dụng. Điều này cũng liên quan đến việc ngâm hạt cà phê trong nước nóng, thời gian này lên đến 24 giờ. Hạt cà phê được loại bỏ và sấy khô, trong khi nước được đưa qua bộ lọc carbon để loại bỏ caffeine một cách chọn lọc. Nước không có caffeine, giàu hương vị sau đó được thêm lại vào hạt cà phê khô, giúp hấp thụ nó. Sau đó chúng được sấy khô và rang. 

Các phương pháp khác 

Mặc dù đây là những phương pháp chính được sử dụng trong việc khử caffeine trong cà phê, nhưng chúng không phải là lựa chọn duy nhất. Một số phương pháp khác vẫn tồn tại. Một số là các biến thể của một trong các chủ đề trên, chẳng hạn như chiết xuất sử dụng nitơ oxit làm dung môi. Thêm vào đó là các phương pháp mới nổi lên từ nghiên cứu khác là đáng ngạc nhiên hơn, chẳng hạn như các vi sinh vật chuyển hóa caffeine đang được sử dụng để khử caffeine.

Và còn một điều nữa. Mặc dù tất cả các phương pháp đều khử được hầu hết caffeine, nhưng không có đồ uống nói trên nào là hoàn toàn hết caffeine. Nếu bạn thực sự muốn tránh hẳn bất kỳ chất caffeine nào, có lẽ tốt hơn là nên uống thứ gì đó không bao giờ có dấu vết của nó ngay từ đầu.

Bài viết đến đây là hết rồi. Hi vọng sẽ giúp ích cho các bạn phần nào trong tương lai. Lần sau nếu có ai hỏi về chủ đề này thì hãy nhớ về hóa học đằng sau chúng nhé!

Tham khảo BBC, Compound Interest, S. N. KatzWikipedia.