- قهوه؛ چرا و چطور بدون کافئین میشود
قبل از توضیح در مورد قهوه بدون کافئین یا decaffeinated coffee بیاید به اختصار در مورد کافئین صحبت کنیم.
_ کافئین با طعم تلخ و اثرات سمی برای اکثر حشرات به عنوان یک آفتکش طبیعی عمل میکند و بعضی گیاهان مثل قهوه، چای، کاکائو و کولا از کافئین برای محافظت از خود در برابر حمله برخی حشرات استفاده میکنند. اما کافئین برای ما افزایش سطح هوشیاری و تمرکز را به همراه دارد و روزانه میلیاردها نفر برای تامین انرژی روزانه خود از قهوه و دیگر نوشیدنی های کافئین دار استفاده میکنند.
کافئین از نظر ساختار مولکولی بسیار شبیه به مولکولهای آدنوزین است.( آدنوزین یکی از هورمونهای موثر بر خواب است که فعالیت نورونها را کم کرده و باعث احساس خستگی و خوابآلودگی میشود.) و بر همان گیرندههای آدنوزین مینشید و از دریافت آن جلوگیری میکند.
با تمام ویژگیهای بینظیر کافئین، برخی از افراد به دلیل بیماری و یا شرایط خاص به کافئین حساسیت دارند و حتی دوستداران قهوه که ترجیح میدهند کافئین مصرفی خود را کنترل کنند، قهوه بدون کافئین یک جایگزین عالی است که امکان نوشیدن قهوه در هر ساعتی از شبانهروز را فراهم میکند.
گوته، شاعر و نویسنده آلمانی در سال 1819 در دیدار با فریدلیب دانگه ( شیمیدان آلمانی) از خواست تا بررسی کند، چرا نوشیدن قهوه باعث میشود شبها بیدار بماند؟ و یک سال بعد دانگه توانست کافئین را شناسایی کند و با استفاده از بنزن (Benzene) کافئین را از قهوه استخراج کند. به این ترتیب اولین روش جداسازی کافئین از قهوه ابداع شد و تقریبا یک قرن بعد ثبت اختراع شد.
_ لودویگ روزلیوس (Ludwig Roselius) بازرگانی آلمانی که در زمینه قهوه فعالیت میکرد و به دلیل باور به خطرناک بودن کافئین، دنبال روشی برای حذف این ماده از قهوه بود.
در پی یک حادثه بخشی از محموله دانه سبز قهوه او به دریا ریخته و خیسانده شده بود. بعد از مصرف این قهوهها متوجه مقدار کم کافئین آنها به نسبت دیگر قهوهها شد.
به همین واسطه او روشی برای decaf (دیکف) کردن قهوه ها ابداع کرد که شامل بخار دادن و خیساندن دانههای سبز قهوه و سپس استفاده از بنزن به عنوان حلال، کافئین را از دانه سبز قهوه استخراج کرد. و خیلی زود این فراوری را ثبت کرده و شرکت Kaffee HAG را تاسیس کرد.
با عرضه قهوه بدون کافئین به بازار، این محصول به سرعت در میان شهروندان آلمانی به خصوص افراد برجسته دهه 1920 و 1930 محبوب شد.
قهوه بدون کافئین Kaffee HAG به در سال 1909 توسط روزیلوس وارد امریکا شد و تا سال 1914 این محصول را با برند خود Kaffee HAG Corporation به فروش میرساند و همزمان نیز در فرانسه این محصول را با نام تجاری Sanka عرضه میکرد. در جریان جنگ جهانی اول و قطع ارتباط بین آلمان و امریکا این برند توسط دولت امریکا مصادره شد.
روزلیوس برای احیای برند خود در امریکا از نام Sanka استفاده کرد و در سال 1932 شرکت General Food خط تولید Sanka در امریکا را خرید و با تبلیغات گسترده محصول جدید خود را معرفی کرد. یکی از روشهای تبلیغاتی آنها استفاده از رنگ نارنجی برای بسته بندیهای خود و ارسال قوریهای نارنجی رنگ به کافهها و غذاخوری ها بود که یادآور رنگ بسته بندیهای Kaffee HAG و Sanka بود و به مرور این رنگ به معرف قهوه decaf تبدیل شد.
در آن دوران باور عمومی بر آن بود که قهوه بدون کافئین برای سیستم قلبی _ عروقی مفید است. و مصرف قهوه حدود 20 الی 25 درصد از کل سرانه مصرف قهوه در امریکا را شامل میشد.
_ فرایندی که آقای رزولیوس برای جدا کردن کافئین استفاده می کرد شامل:
- بخار دهی و خیساندن دانههای سبز قهوه با آب داغ به منظور حجیم شدن و نفوذ راحت تر حلال به بافت سلولی دانه سبز قهوه. (تقریبا اندازه دانههای سبز 100 درصد افزایش مییابد.)
- استفاده از حلال بنزن برای جدا کردن کافئین.
- خشک کردن دانههای سبز قهوه .
امروزه فرایندهای decaf کردن به طور قابل توجهی تغییر کردهاند و دیگر از بنزن و دیگر مواد شیمیایی که برای سلامتی انسان مضر باشد، استفاده نمیشود.
روش کافئین زدایی که آقای روزلیوس ابداع کرد همچنان مبنا بسیاری از فرایندهای حذف کافئین است و امروزه این شیوه را direct organic solvent یا به فارسی، استفاده از حلالهای آلی به صورت مستقیم شناخته میشوند. و از حلالهایی مثل متیل کلراید Methylene Chloride و اتیل استات Ethyl Acetate استفاده میشود. که خود به دو روش مستقیم (direct organic solvent) و روش غیر مستقیم (indirect organic solvent) تقسیم میشود.
- روشهای دیگر جدا کردن کافئین از قهوه شامل: استفاده از کربن دیاکسید (CO2) به شکل مایع و گاز.
- استفاده از آب (Water Process) است.
و هدف استفاده هرچه کمتر از حلالهای آلی برای جدا کردن کافئین است، و نمونه کامل این فراوری را میتولن فراوری بر پایه آب Swiss Water دانست که فقط از آب برای حذف کافئین از دانه سبز قهوه استفاده میکند.
- روش حلالهای آلی (Organic Solvent)
در انتخاب حلال برای جداسازی کافئین از دانههای سبز قهوه به متغیرها و استانداردهایی مثل 1.قدرت حلالیت 2.قیمت 3.قابل کنترل بودن 4.تاییدیه سلامت 5.در دسترس بودن توجه میشود.
در این روش ابتدا دانههای قهوه به وسیله آب داغ و بخار خیسانده می شوند تا رطوبت آنها به 25 الی 40 درصد افزایش پیدا کند و به نوعی تخللها و منافذ بسیار ریز دانه سبز قهوه باز شود و حلال راحتتر به داخل آن نفوذ کند و وارد ساختار سلولی آن شود. در ادامه دانههای سبز قهوه در مجاورت با حلال قرار میگیرد تا کافئین از آنها جدا شود. این همجواری هم میتواند به صورت ثابت و یا همراه با همخوردن دائمی (Agitation) باشد.
بعد از استخراج کافئین دانهها به وسیله بخار آب و حرارت شسته میشوند تا کاملا از حلال پاک شوند. در نهایت دانههای سبز قهوه خشک میشوند تا رطوبت آنها به 10 الی 12 درصد برسد و آماده بسته بندی شوند.
حلال نیز تصفیه میشود تا مجدد قابل استفاده شود و کافئین نیز به عنوان محصول جانبی به شرکتهای تولید نوشیدنی و داروسازی ها فروخته میشود.
قابلیت انحلال کافئین در متیل کلراید و اتیل استات پایین است، به همین دلیل در طی فرایند کافئین زدایی حلالها تصفیه میشوند و به چرخه تولید بازگردانده میشوند.
همانطور که اشاره شد این شیوه شامل دو روش مستقیم و غیر مستقیم است، در روش غیر مستقیم در ابتدا قهوهها خیسانده میشوند و بعد از آن به کمک آب کافئین را از دانههای سبز قهوه استخراج می کنند و بعد آّ حاوی کافئین را با حلال تصفیه میکنند تا کافئین جدا شود و دوباره این محلول بدون کافئین را به دانههای سبز قهوه بر میگردانند و بعد از کاهش رطوبت و خشک کردن دانهها بدون کافئین، آنها آماده بسته بندی میشوند. در واقع در این روش حلال با دانههای قهوه تماس پیدا نمیکند.
نکته مهم در فراوری دیکف به وسیله حلالهای آلی به روش غیر مستقیم این است که خود حلال در آب حل نشود و دیگر مواد محلول در آب که از دانه سبز قهوه عصارهگیری شده اند از دست نروند و تغییری در عطر و طعم قهوه بهوجود نیاید.
_ متیلکلراید یا دیکلرومتان از حلالهای فراگیری است که در جدا کردن کافئین از قهوه استفاده میشود و مصرف مقدار زیاد این ماده برای سلامتی مضر است، طبق گزارش FDA مقدار مجاز مصرف روزانه آن 30 تا 300 میکروگرم در روز است. در یک کیلو قهوه دیکف رُست شده با متیلکلراید ممکن است 200 میکروگرم متیلکلراید وجود داشته باشد. پس جای نگرانی نیست.
این روش فراگیرترین و ارزانترین نوع فراوری دیکف است و بیشتر برای قهوههای کامرشیال استفاده میشود.
_ اتیلاستات که آن را با اسم Sugarcane Process نیز میشناسیم. و معمولا از این اسم بر روی بسته بندی قهوههای دیکف شده با اتیلاستات استفاده میشود.
در واقع در ساخت اتیلاستات از نیشکر sugarcane استفاده میشود. این ماده به صورت طبیعی در بعضی میوهها مثل سیب و گلابی وجود دارد و در غلظت بالا خاصیت حل کنندگی دارد و حتی به عنوان لاک پاک کن استفاده میشود.
- مراحل فراوری قهوه دیکف با اتیل استات:
- جدا کردن پوسته نقرهای (Silver Skin) از روی دانه سبز قهوه.
- رطوبت دهی با استفاده از آب و بخار.
- استخراج کافئین با اتیل استات.
- پاک کردن قهوه از حلال اتیل استات با استفاده از حرارت و بخار که Steam Stripping Process نامیده میشود.
- خشک کردن دانههای سبز قهوه تا میزان رطوبت 10 الی 12 درصد.
شرکت Coffein Compagnie آلمان که بزرگترین کارخانه تولید قهوه بدون کافئین است بعد از خشک کردن دانههای سبز قهوه یک مرحله اضافه به نام Polishing انجام میدهد. در این مرحله از مقدار کمی Carnauba Wax (موم برزیلی) استفاده میکند تا ماندگاری قهوهها بیشتر بشه. البته شواهد زیادی در رابطه با تاثیر Polishing با ماندگاری و یا کیفیت قهوه وجود ندارد.
همانطور که میدانید علاوه بر کافئین، املاح و مواد دیگری نیز در دانه سبز قهوه وجود دارند که محلول در آب هستند. در این نوع از فراوری ابتدا دانههای سبز قهوه با آب خیسانده میشوند و در مدت زمان تقریبی 8 ساعت تمام مواد محلول در دانه سبز قهوه را عصارهگیری میکنند که شامل کافئین، قندها و هر آنچه که سازنده طعم (Flavour) و عطر (Aroma) میشود، است. حالا ما یک عصاره از تمام املاح موجود در دانه سبز قهوه داریم و برای جدا کردن کافئین از این محلول دو راه وجود دارد: این عصاره حاوی کافئین و دیگر مواد محلول را با استفاده از فیلترهای کربن فعال (Activated Carbon) تصفیه کنیم تا کافئین از محلول جدا شود و این عصاره بدون کافئین به دانههای سبز قهوه بازگردانده میشوند. در نهایت دانههای سبز قهوه را خشک میکنند تا رطوبت آنها به مقدار استاندارد برسد و آماده بسته بندی شوند.
شرکت Coffein Compagnie در کنار روش اتیل استات، از فراوری بر پایه آب نیز استفاده میکند که Hanseatic Water نام دارد.
روش دوم: استفاده از عصاره قهوه سبز ( Green Coffee Extraction ) یا به اختصار GCE است. که شامل تمام مواد محلول در آبی که در دانه سبز قهوه وجود دارد به جز کافئین است. این بار برای دیکف کردن دانههای سبز قهوه از این محلول استفاده میکنیم، با همجواری GCE با دانههای سبز قهوه به دلیل اینکه املاح موجود در آن با املاح محلول در دانه سبز قهوه یکسان است، بدون عصارهگیری از دیگر املاح کافئین را در خود حل کند.
شرکت Swiss Water از این روش برای تولید قهوه دیکف خود استفاده می کند.
فراوری Swiss Water در سال 1933 در سوئیس ابداع شد و در سال 1980 فعالیت تجاری خود را آغاز کرد و در دهه 1990 نیز تاییدیه سلامت گرفت. در اوایل کار این نوع فراوری ثبات لازم را نداشت و قهوه های فراوری شده به این روش با هم تفاوت داشتند و در اوایل 2000 بود که این فرایند اصلاح شد و به ثبات رسید.
- عصاره دانه سبز قهوه یا GCE:
در ابتدا دانههای سبز قهوه بخار دهی میشوند و بعد با استفاده از آب داغ عصاره گیری میشوند، در مرحله بعد به وسیله فیلترهای کربنی که مشخصا برای جدا کردن مولکولهای کافئین طراحی شده جدا میکنند . این محلول به اسم green coffee extract معروف است و از این محلول برای دیکف کردن دانههای قهوه استفاده میشود، این محلول در واقع مثل مایع مخمر است که یک بار تولید میشود و میتوان بارها و بارها از آن استفاده کرد.
- مراحل فرایند دیکف در کارخانه Swiss Water:
- در ابتدا همه کثیفی ها و گردوخاک را از دانههای سبز قهوه جدا میکنند و بعد پوسته نقرهای Silver Skin از روی دانههای سبز جدا میشود و دانهها از نظر اندازه دسته بندی میشوند.
- مرحله بعد رطوبت دهی و خیساندن دانهها است، رطوبت مد نظر 50 درصد است.
- قهوههای رطوبت دهی شده را در محلول GCE غرق میکنند و به این ترتیب تنها چیزی که از دانههای سبز قهوه عصارهگیری میشود کافئین است چون مابقی املاح به صورت یکسان در محلول GCE و دانههای سبز قهوه وجود دارد. در واقع این اتفاق به دلیل فرایند اسمز (Osmosis) است و در طول فرایند این محلول GCE به صورت مداوم در حال تصفیه شدن است.
- بعد از جدا کردن کافئین دانههای سبز قهوه باید خشک شوند، کارخانه Swiss Water در سه مرحله دانههای سبز قهوه را خشک میکند، اول رطوبت دانهها تا حدود 20 درصد کاهش پیدا میکند و در مرحله بعد رطوبت دانه ها به حدود 10.5 درصد میرسانند و بعد دانهها را خنک میکنند تا دما بالا باعث افت کیفیت آنها نشود.
در کارخانه Swiss Water دانههای قهوه بعد از دیکف شدن به سرعت بسته بندی نمیشوند برای مدت 2 الی 3 روز در سیلوها انبار میشوند تا دانه ها استراحت داشته باشن و بعد بسته بندی میشوند.
بنا به تحقیقات انجام شده این استراحت چند روزه به ثبات stability کمک میکنه. از دیگر مزیتهای شرکت Swiss Water امکان نظارت مستقیم در لحظه بر فرایند دیکف است.
کافئین به دست آمده نیز به عنوان یک محصول جانبی با اسم Organic Caffeine به فروش میرسد.
در بخش ارزیابی کنترل کیفی قهوههای دیکف شده از روش liquid – Chromatography (کروماتوگرافی مایع برای آزمایش مقدار کافئین در محصول نهایی استفاده میشود که در کنار دقت بسیار بالا بسیار سریع نیز هست. در فراوری دیکف به روش Swiss Water مقدار 99.9 درصد از کل کافئین موجود در دانهها جدا میشود.
در کنترل کیفی قهوهها علاوه بر بررسی طعمی قهوهها، مقدار کافئین از نظر وجود آکریلآمید (Acrylamide) و Mycotoxin ( سمی که توسط قارچها تولید میشوند) و Ochratoxin (یک نوع مایکوتوکسین است که در غلات و گوشت و دانه سبز قهوه وجود دارد. و به دلیل درست خشک نشدن، نگهداداری در محیط مرطوب و یا هر شرایطی که امکان رشد کپک (قارچ) ایجاد کنه، به وجود میآید.)
- فراوری به وسیله CO2 یا (Carbonic Natural Decaffeination):
آقای Zosel در سال 1971 روش استفاده از CO2 را برای جدا کردن کافئین از دانههای سبز قهوه را به ثبت رسانید، در سال 1982 شرکت Kaffee HAG از این روش برای دیکف کردن قهوه های خود استفاده کرد و 22 درصد افزایش فروش داشت.
در این نوع فراوری از گاز کربن دیاکسید و یا کربن دیاکسید مایع که اسم Supercritical Carbon Dioxide میشناسیم استفاده میشود و بیشتر برای قهوههای تخصصی Specialty مورد استفاده قرار میگیرد. CO2 قابلیت محدودای برای حل کردن کافئین دارد، اما مزیت CO2 این است که فقط کافئین را در خود حل میکند و املاح دیگر دست نخورده باقی میمانند.
_ در شروع، مثل مابقی روشهای فراوری که گفته شد، ابتدا قهوهها را با آب داغ و بخار به مدت 3 ساعت رطوبت دهی میکنند تا منافذ بسیار ریز و سخت دانه سبز قهوه باز بشه و استخراج کافئین آسان تر انجام بشه. بعد از رطوبت دهی قهوهها وارد مخازنی که با اسم Extraction Tank میشناسیم میشوند، این مخازن قابلیت تحمل و 70 bar فشار را دارند. از 6 مخزن برای جدا کردن کافئین استفاده میشود، در این مخازن CO2 مایع بعد از استخراج کافئین به گاز CO2 تبدیل میشه و دیگر توانایی حمل کافئین را با خود ندارد. به این صورت کافئین از گاز CO2 جدا میشود و دوباره تحت فشار و دما مشخصای به مایع تبدیل میشود و دوباره وارد جریان استخراج کافئین از دانههای سبز قهوه میشه و این چرخه انقدر تکرار میشه تا کافئین از دانههای سبز قهوه جدا بشه. این فرایند ممکنه تا یک هفته طول بکشه و یکی از دلایل گرانتر بودن این روش به نسبت دیگر فراوریهاست.
بعد از اتمام فرآیند دیکف، دانههای سبز قهوه از تانکرها به دستگاه خشک کن منتقل میشوند. در مرحله اول خشک کردن دانهها به مدت 7 ساعت تا رسیدن به رطوبت 35 درصد ادامه پیدا میکنه و بعد از آن به یک دستگاه خشک کن دیگر میروند در مدت زمان 3 ساعت به رطوبت 10 الی 12 درصد برسه و آماده بسته بندی میشوند.
- دیگر روشهای کافئین زدایی:
آقای Torunn Atteraas Garin (تورون آتراس گارین) که در موسسه Max Planck فعالیت میکرد، نقش پررنگی در فرایندهای دیکف مثل فراوری CO2 داشته اند و فراوری Triglyceride Process را ابداع کردن.
در این فراوری از چربیهای (لیپید) موجود در قهوه برای جداسازی کافئین استفاده میشود.
همچنین محققان در تلاش اند تا از طریق اصلاح نژادی و تغییر در ژنتیک قهوه گیاه قهوه، مانع از بیوسنتز کافئین شوند، اما هنوز موفق به کشت در مقیاس بالا و تجاری سازیی آن نشده اند.
- کدام روش جدا کردن کافئین مناسب تر است؟
پاسخ به این سوال دشوار است. چون طعم و کیفیت نوشیدنی علاوه بر روش فراوری تحت تاثیر فرایند رُست (Roast) نیز هست. همچنین نوع فراوری دیکف نیز بر چگونگی برشتهکاری دانههای سبز قهوه اثرگذار است. پس امکان ارزیابی برابر فراوریهای مختلف به سختی ممکن میشود.
_ معمولا به دلیل اختلاف قیمتها از روشهای DCM (متیل کلراید) و EA (اتیل استات) به دلیل در دسترس بودن و کمهزینه بودن برای قهوههای اقتصادی استفاده میشوند و از روشهای CO2 و Swiss Water برای قهوههای تخصصی به کار میروند.
از نظر روانی نیز مردم علاقه بیشتری به استفاده از فراوریهای بر پایه آب و CO2 به نسبت اتیل استات و متیل کلراید دارند. با اینکه همه این روشهای حذف کافئین ذکر شده تاییده سلامت و بهداشت دارند، اما اسامی اتیل استات و متیل کلراید برای مردم ترسناک است.
_ تحقیقات کمی در زمینه تاثیرات فرایند decaf بر طعم منتشر شده است. اما آزمایشات انجام شده نشان میدهد که اسیدیته قهوههای دیکف بالاتر از قهوههای معمولی است و در فرایندهای اتیل استات طعمیادهای میوهای (Fruity note) است.
- تاثیر فرایند دیکف بر روی طعم:
در یک آزمایش از عربیکا کشت شده در برزیل و روش کافئین زدایی متیلاستات استفاده شده، یک نمونه قهوه بدون کافئین و یک نمونه قهوه معمولی، این دو نمونه در شرایط آزمایشگاهی در دمای 250_245 رُست شده اند و از نظر رنگ مشابه بودند. نتیجه این آزمایش نشان داد که: مقدار مواد سازنده عطرها در نمونه بدون کافئین به نسبت قهوه معمولی کاهش یافته است، اما هیچ یک از ترکیبات بیشتر نشده و یا کاملا از بین نرفته است.
فرایندهای جدا کردن کافئین از دانه قهوه میتواند بر طعم آن اثرگذار باشد. کافئین مزه تلخی دارد اما تاثیر کافئین بر مزه تلخی قهوه بسیار ناچیز است و عمده تلخی قهوه به دلیل اسید کلروژنیک(CGA) است و مقدار CGA در قهوههای بدون کافئین بیشتر است.
- نقصهای رایج در صورت خطا در فراوریهای دیکف:
_ اشکالات رایج در فراوریهای اتیل استات و متیل کلراید، طعم پختگی (Cooked) است.
_ قهوههای بدون کافئین در فراوری CO2 ممکن است (Flat) باشند.
_ قهوههای بدون کافئین در فراوری بر پایه آب ممکن است تنواری پایین و شدت کم در طعمها داشته باشند که بدلیل کاهش مواد محلول در آب است.
اما در نهایت فراوریهای امروزی تاثیر کمی بر طعم قهوهها دارند و تنها تفاوتهای جزئی مشاهده میشوند.
قهوههای دیکف به خاطر خیسانده شدن در ابتدا فرایند دیکف و خشک شدن مجدد زودتر از قهوههای عادی بیات میشوند و طعم ماندگی (Stale) در آنها ایجاد میشود.
- استانداردها در قهوه بدون کافئین:
اطمینان از مقدار کافئین در قهوه بدون کافئین محصول نهایی امری حیات است. در ایالات متحده استاندارد دیکف، جدا کردن حداقل 97 درصد از کل کافئین موجود در دانهسبز قهوه است.و در واقع مقدار کل کافئین مجاز حدود 0.3 درصد از وزن قهوه باشد. در کانادا و اروپا حداکثر میزان کافئین موجود در قهوه بدون کافئین باید کمتر از 0.1 درصد باشد.
و مقدار متیل کلراید موجود در قهوه دیکف بدون کافئین باید کمتر از 10 ppm باشد.
- هدف این مقاله معرفی قهوه بدون کافئین است و توجه به این نکته که قهوههای بدون کافئین امروزی تجربهای غنی و کامل از قهوه با تمام بارزههای مثبت را در اختیار ما قرار میدهند و لذت نوشیدن قهوه را برای افرادی که منع مصرف کافئین دارند فراهم میکند.
نویسنده: امیر پوربخش
منابع:
The Craft and science of Coffee
Sprudge
The Decaf Project
decafco.com