Nghiên cứu tách caffeine từ hạt cà phê bằng phương pháp trích ly dung môi có hỗ trợ vi sóng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
-

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

––––––––

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU TÁCH CAFFEINE TỪ HẠT CÀ PHÊ BẰNG
PHƯƠNG PHÁP TRÍCH LY DUNG MÔI CÓ HỖ TRỢ VI SÓNG

Giảng viên hướng dẫn: TS. Trần Quang Ngọc
Sinh viên thực hiện:

Đỗ Ngọc Sơn

Mã số sinh viên:

56130338

Khánh Hòa – 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
BỘ MÔN KỸ THUẬT HÓA HỌC

––––––––

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU TÁCH CAFFEINE TỪ HẠT CÀ PHÊ BẰNG
PHƯƠNG PHÁP TRÍCH LY DUNG MÔI CÓ HỖ TRỢ VI SÓNG

Giảng viên hướng dẫn: TS. Trần Quang Ngọc
Sinh viên thực hiện:

Đỗ Ngọc Sơn

Mã số sinh viên:

56130338

Khánh Hòa, tháng 7/2018


LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô Bộ môn Kỹ thuật Hóa học - Khoa Công
nghệ Thực phẩm trường Đại học Nha Trang đã quan tâm, dạy dỗ, chỉ bảo tận tình chu
đáo để em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy giáo TS. Trần Quang
Ngọc đã quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này trong thời
gian qua.
Em cảm ơn đến lãnh đạo Trường Đại học Nha Trang, Phòng Thí nghiệm khu
Công Nghệ Cao, các Khoa Phòng Ban chức năng đã giúp đỡ, tạo điều kiện trong suốt
quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện đồ án tốt nghiệp.
Em cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn động viên, ủng hộ em trong suốt thời gian
qua.
Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế, đồ án tốt nghiệp này
không thể tránh được những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý

kiến của các thầy cô để em có thêm kiến thức làm hành trang vững chắc trong tương lai.
Em xin kính chúc quý thầy cô trường Đại học Nha Trang lời chúc sức khỏe, thành
công trên con đường giảng dạy.
Nha Trang, ngày 01 tháng 07 năm 2018
Sinh viên

Đỗ Ngọc Sơn


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
––––––––
..........................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
Nha Trang, ngày

tháng năm 2018

Giảng Viên Hướng Dẫn

TS. Trần Quang Ngọc


MỤC LỤC
Đề Mục

Trang

Trang bìa

i

Quyết định giao ĐA/KLTN

ii

Nhận xét của giảng viên hướng dẫn

iii

Lời cảm ơn

iv

Mục lục

v

Danh mục hình

vi

Danh mục bảng

vii

Danh mục viết tắt

viii

MỞ ĐẦU

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

3

Giới thiệu về cà phê

3

1.1.1. Nguồn gốc cây cà phê

3

1.1.2. Đặc điểm các loại cây cà phê phổ biến ở Việt Nam

3

1.1.3. Đặc điểm và cấu tạo của hạt cà phê[29]

5

1.1.

1.2.

Giới thiệu về caffeine

8

1.2.1. Cấu trúc và tính chất

8

1.2.2. Hoạt tính sinh học

9

1.3.

Cà phê Decaf

10

1.3.1. Giới thiệu về cà phê Decaf

10

1.3.2. Thị trường sản xuất tiêu thụ

10

1.3.3. Các phương pháp sản xuất cà phê Decaf

12

1.4.

Các phương pháp tách chiết

1.4.1. Cơ sở quá trình tách chiết

15
15


1.4.2. Một số phương pháp tách chiết

16

1.4.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết

23

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

27

2.1.

Đối tượng nghiên cứu

27

2.2.

Dụng cụ - hóa chất – thiết bị

27

2.2.1. Dụng cụ

27

2.2.2. Thiết bị

27

2.2.3. Hóa chất

28

2.3.

Phương pháp nghiên cứu

28

2.3.1. Sơ đồ thực nghiệm

28

2.3.2. Phương pháp xác định độ ẩm

33

2.3.3. Phương pháp xác định hàm lượng tro

33

2.3.4. Phương pháp xác định hàm lượng caffeine trong nguyên liệu

34

2.3.5. Phương pháp tính hiệu suất trích ly

35

2.3.6. Phương pháp sắc ký bản mỏng (TLC)

35

2.3.7. Phương pháp quang phổ hồng ngoại FTIR

36

2.3.8. Phương pháp quang phổ hấp thụ UV-Vis

36

2.3.9. Quy trình chế biến cà phê Decaf

37

2.3.10. Phương pháp đánh giá cảm quan

39

2.3.11. Phương pháp xử lý số liệu

40

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

41

3.1.

Độ ẩm của nguyên liệu hạt cà phê

41

3.2.

Hàm lượng tro của nguyên liệu hạt cà phê

41

3.3.

Hàm lượng caffeine trong nguyên liệu hạt cà phê

41

3.4.

Ảnh hưởng của các điều kiện trích ly đến hiệu suất trích ly

42

3.4.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ nguyên liệu/dung môi đến hiệu suất trích ly 42
3.4.2. Ảnh hưởng của công suất lò vi sóng đến hiệu suất trích ly

43

3.4.3. Ảnh hưởng của thời gian trích ly đến hiệu suất trích ly

45

3.5.

Phân tích caffeine

46

3.5.1. Phương pháp sắc ký bản mỏng (TLC)

46

3.5.2. Phương pháp quang phổ hồng ngoại FT-IR.

47

3.5.3. Phương pháp quang phổ hấp thụ UV-Vis

48

3.6.

Chế biến thử nghiệm cà phê Decaf

49

3.6.1. Quá trình tách caffeine ra khỏi hạt cà phê.

49

3.6.2. Quá trình rang xay

50

3.6.3. Đánh giá cảm quan sản phẩm cà phê Decaf

51

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

52

TÀI LIỆU THAM KHẢO

53

PHỤ LỤC

56


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1. Cây cà phê ........................................................................................... 3
Hình 1. 2. Công thức cấu tạo của caffeine ............................................................ 8
Hình 1. 3. Quy trình khử caffeine bằng dung môi .............................................. 13
Hình 1. 4. Quy trình khử caffeine bằng nước ..................................................... 14
Hình 1. 5. Quy trình khử caffeine bằng CO2 ...................................................... 15
Hình 1. 6. Kỹ thuật chiết ngâm dầm ................................................................... 16
Hình 1. 7. Kỹ thuật chiết ngấm kiệt .................................................................... 17
Hình 1. 8. Hệ thống chiết soxhlet........................................................................ 18
Hình 1. 9. Hệ thống chưng cất lôi cuốn hơi nước ............................................... 19
Hình 1. 10. Hệ thống chiết có hỗ trợ siêu âm ..................................................... 20
Hình 1. 11. Hệ thống chiết có hỗ trợ vi sóng ...................................................... 21
Hình 1. 12. Hệ thống chiết bằng CO2 siêu tới hạn .............................................. 22
Hình 2. 1. Hạt cà phê vối .................................................................................... 27
Hình 2. 2. Sơ đồ thực nghiệm ............................................................................. 29
Hình 2. 3. Hệ thống trích ly có hỗ trợ vi sóng .................................................... 30
Hình 2. 4. Chiết lỏng lỏng bằng chloroform ....................................................... 31
Hình 2. 5. Làm khan............................................................................................ 31
Hình 2. 6. Hệ thống cô quay chân không ............................................................ 32

Hình 2. 7. Caffeine tinh chế ................................................................................ 32
Hình 2. 8. Quy trình chế biến cà phê Decaf ........................................................ 37
Hình 3. 1. Biểu đồ ảnh hưởng của tỉ lệ nguyên liệu và dung môi đến hiệu suất
trích ly ............................................................................................................................ 43
Hình 3. 2. Biểu đồ ảnh hưởng của công suất lò vi sóng đến hiệu suất trích ly... 44
Hình 3. 3. Biểu đồ ảnh hưởng của thời gian trích ly đến hiệu suất trích ly ........ 46
Hình 3. 4. Sắc ký bản mỏng ................................................................................ 47
Hình 3. 5. Phổ hồng ngoại FTIR ......................................................................... 48


Hình 3. 6. Phổ hấp thụ của caffeine trích ly........................................................ 49
Hình 3. 7. Phổ hấp thụ của caffeine chuẩn ......................................................... 49
Hình 3. 8. Hạt cà phê đã tách caffeine ................................................................ 50
Hình 3. 9. Hạt cà phê chưa tách caffeine ............................................................ 50
Hình 3. 10. Bột cà phê Decaf .............................................................................. 50
Hình PL. 1. Hệ thống trích ly có hỗ trợ vi sóng .................................................. 58
Hình PL. 2. Hệ thống cô quay chân không ......................................................... 58
Hình PL. 3. Máy quang phổ hồng ngoại khả kiến UV-Vis................................. 58
Hình PL. 4. Hệ thống quang phổ hồng ngoại FTIR ............................................ 58


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1. Thành phần hóa học của hạt cà phê ..................................................... 6
Bảng 2. 1. Tính chất một số dung môi hữu cơ .................................................... 28
Bảng 2. 2. Các mức chất lượng ........................................................................... 40
Bảng 3. 1. Độ ẩm của hạt cà phê ......................................................................... 41
Bảng 3. 2. Hàm lượng tro của hạt cà phê ............................................................ 41
Bảng 3. 3. Hàm lượng caffeine trong nguyên liệu .............................................. 42
Bảng 3. 4. Ảnh hưởng của tỉ lệ nguyên liệu/dung môi đến hiệu suất trích ly .... 42
Bảng 3. 5. Ảnh hưởng của công suất lò vi sóng đến hiệu suất trích ly ............... 44

Bảng 3. 6. Ảnh hưởng của thời gian trích ly đến hiệu suất trích ly .................... 45
Bảng 3. 7. Kết quả đánh giá cảm quan ............................................................... 51
Bảng PL. 1. Đánh giá cảm quan sản phẩm cà phê Decaf theo phương pháp cho
điểm TCVN 3215-79...................................................................................................... 56


DANH MỤC VIẾT TẮT
Decaf

Decaffeinated coffee

DNA

Deoxyribucleic acid

SFE

Supercritical Fluid Extraction

SCF

Super Critical Fluid

TLC

Thin Tayer Chromatography

FTIR

Fourrier Transformation InfraRed

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

HSTL

Hệ số trọng lượng

HPLC

High performance liquid chromatography


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Cà phê là một đặc sản nhiệt đới có giá trị kinh tế trên thế giới, nó là mặt hàng đứng
thứ hai trong số các mặt hàng giao thương trên thế giới chỉ sau dầu mỏ. Sản lượng cà phê
trung bình hằng năm trên thế giới khoảng 6 triệu tấn, lượng cà phê giao dịch hằng năm
khoảng 3 triệu tấn. [4]
Nước ta có điều kiện khí hậu thiên nhiên thích hợp để phát triển loại cây cao cấp
này. Nhiều vùng đất đỏ rất thích hợp để trồng cà phê, điển hình là các tỉnh thuộc Tây
Nguyên nước ta (Đắc Lắc, Gia Lai, Kon Tum, Đắc Nông, Lâm Đồng,...), các tỉnh miền
Trung (Quảng Trị, Hà Tĩnh,…).
Caffeine trong hạt cà phê có những tác động sinh lý nhất định đến cơ thể con người.
Nó là một chất kích thích nhẹ giúp tạo sự tỉnh táo trong công việc hằng ngày. Trong y học,
người ta còn dùng caffeine như chất trợ tim hoặc là thuốc lợi tiểu. Nhưng bên cạnh đó,
caffeine cũng có một số tác dụng bất lợi đến với sức khỏe con người như gây mất ngủ, tăng
huyết áp, tăng nhịp tim,…
Nhằm đa dạng hóa sản phẩm và đáp ứng nhu cầu của một bộ phần người tiêu dùng

sử dụng cà phê có hàm lượng caffeine thấp, hiện nay dòng sản phẩm cà phê có hàm lượng
caffeine thấp (cà phê Decaf) đang được chú ý và nhu cầu thị trường ngày càng tăng. Cà phê
Decaf có hàm lượng caffeine thấp nhưng vẫn đảm bảo hương vị đặc trưng của sản phẩm cà
phê.
Có nhiều phương pháp loại bỏ caffeine trong hạt cà phê đã được nghiên cứu và đưa
vào sản xuất: phương pháp trích ly bằng dung môi, phương pháp sử dụng CO2 siêu tới hạn,
phương pháp sử dụng dung môi là nước. Trong đó, phương pháp sử dụng dung môi là nước
có nhiều ưu điểm như không độc hại, có thể trích ly được tối đa lượng caffeine mà vẫn giữ
được hương vị của sản phẩm cà phê. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là thời gian
kéo dài, điều kiện trích ly ở nhiệt độ và áp suất cao.
Với mục tiêu giải quyết những hạn chế trên, tôi chọn thực hiện đề tài: “Nghiên cứu
1


tách caffeine từ hạt cà phê bằng phương pháp trích ly dung môi có hỗ trợ vi sóng”.
2. Mục tiêu
Tách caffeine từ hạt cà phê.
Thử nghiệm chế biến cà phê chứa hàm lượng caffeine thấp (cà phê Decaf).
3. Nội dung nghiên cứu
Quy trình tách caffeine từ hạt cà phê bằng phương pháp trích ly dung môi có hỗ trợ
vi sóng.
Đánh giá hiệu suất trích ly caffeine.
Xác định điều kiện trích ly tối ưu.
Phân tích hóa lý caffeine.
Chế biến thử nghiệm cà phê Decaf.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
Ý nghĩa khoa học: Đưa ra quy trình trích ly caffeine từ hạt cà phê bằng phương pháp
trích ly dung môi có hỗ trợ vi sóng.
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu đề tài có thể ứng dụng để thử nghiệm chế
biến cà phê Decaf với quy trình hiệu quả và kinh tế hơn.

2


CHƯƠNG 1:
1.1.

TỔNG QUAN

Giới thiệu về cà phê

1.1.1. Nguồn gốc cây cà phê
Cà phê mọc hoang dại và được biết
đến vào khoảng thế kỷ thứ 13 -14 ở cao
nguyên Ê-ti-ô-pi-a và ở vùng biên giới giáp
cao nguyên Boma ở Sudan. Sau đó, cây cà
phê được trồng một cách có hệ thống đầu
tiên vào khoảng thế kỷ 15 tại các khu vườn
miền Nam Yemen. Từ giữa thế kỷ 17,
người Ả Rập mất vị trí độc tôn trong việc
Hình 1. 1. Cây cà phê [37]

trồng cây cà phê và cây cà phê đã lan

rộng trên khắp thế giới, từ Ceynon sang Java tới Nam Mỹ. Hiện nay cây cà phê được trồng
tập trung chủ yếu ở Braxil, Colombia, Mexico và các nước Trung Phi. [2]
Lần đầu tiên, cà phê được đưa vào Việt Nam vào năm 1875, giống Arabica được
người Pháp mang từ đảo Bourton sang trồng ở phía Bắc sau đó lan rộng ra các tỉnh miền
Trung như Quảng Trị, Quảng Bình,…Sau thu hoạch chế biến dưới thương hiệu “Arabica
du Tonkin”, cà phê được nhập khẩu về Pháp. Ở nước ta, người Pháp thành lập các đồn điền

cà phê như Chinê, Xuân Mai, Sơn Tây, tuy nhiên cà phê được trồng theo phương thức du
canh du cư nên năng suất thấp, giảm từ 400 – 500 kg/ha những năm đầu và giảm xuống còn
100 – 150 kg/ha khi càng về sau. Để cải thiện tình hình, Pháp du nhập vào nước ta hai giống
mới là cà phê vối và cà phê mít vào năm 1908, các đồn điền mới lại mọc lên ở phía Bắc
như ở Hà Tĩnh (1910), Thanh Hóa (1911), Nghệ An (1915). Thời điểm lớn nhất (1946 –
1966) đạt 13.000 ha. [6]
1.1.2. Đặc điểm các loại cây cà phê phổ biến ở Việt Nam
Trên thế giới có trên 100 loại cà phê khác nhau. Tuy nhiên, số loại cà phê có giá trị
kinh tế cao thì không nhiều. Hiện nay, có ba giống cà phê được trồng chủ yếu trên thế giới
cũng như ở Việt Nam là giống cà phê chè (coffea arabica), cà phê vối (coffea canephora)
và giống cà phê mít (coffea liberica).
3


Phân loại khoa học các giống cà phê như sau:[34]
-

Giới

Plantae

Ngành

Mangnoliophyta

Lớp

Mangnoliopsida

Bộ

Gentianales

Họ

Rubiaceae

Chi

Coffea

Loài

Coffea arabica - cà phê chè
Coffea canephora - cà phê vối
Coffea liberica - cà phê mít

Đặc tính của các giống cà phê như sau: [3]
-

Giống cà phê chè (coffea arabica)
Xuất xứ ở cao nguyên Ê-ti-ô-pi-a có đặc điểm là cây nhỏ, lá mỏng và nhỏ, hoa màu

trắng có hương thơm, có khả năng chịu lạnh (ở nhiệt độ 15 – 20oC), nhân hình tròn, nhỏ có
mùi hương và mùi thơm hơn các loại cà phê khác. Hàm lượng caffeine khoảng 1 – 2%. Ở
Việt Nam được trồng nhiều ở các tỉnh phía Bắc nơi có điều kiện thời tiết lạnh, thời gian thu
hoạch từ tháng 10 năm trước đến tháng 3 năm sau.
-

Giống cà phê vối (coffea canephora)

Xuất xứ ở Công Gô có đặc điểm là dễ trồng, chịu được điều kiện vùng đất xấu, chịu

hạn tốt hơn, cho năng suất cao hơn giống cà phê chè nhưng không chịu được lạnh và gió
mạnh. Nhân hình trứng, to. Hàm lượng caffeine khoảng 2 – 4%. Loại này phù hợp cho sản
xuất cà phê hòa tan, thời gian thu hoạch từ tháng 12 năm trước đến tháng 4 năm sau.
-

Giống cà phê mít (coffea liberica)
Có đặc điểm là cây cao tới 8 – 10 m, lá to, quả mọng, năng suất cao, có khả năng

sinh trưởng ở vùng đất xấu, chịu hạn tốt, chịu ẩm tốt nhưng hương thơm kém và có vị đắng

4


mạnh. Hàm lượng caffeine khoảng 0,8 – 1,2%. Thời gian thu hoạch từ tháng 5 đến tháng 8
năm sau.
1.1.3. Đặc điểm và cấu tạo của hạt cà phê[29]
1.1.3.1.

Cấu tạo

Quả cà phê bao gồm các phần như sau: lớp vỏ quả, lớp vỏ thịt, vỏ trấu, lớp vỏ lụa và
nhân cà phê.
- Lớp vỏ quả: là lớp vỏ ngoài cùng, có màu đỏ, đỏ sẫm hoặc vàng tùy loại, mềm. Cà
phê chè mềm hơn cà phê vối và cà phê mít.
- Lớp vỏ thịt (lớp nhớt): nằm dưới lớp vỏ quả, mềm. Vỏ thịt cà phê vối và cà phê chè
mềm, ngọt, mỏng, dễ bong tróc khi xay xát hơn cà phê mít.
- Vỏ trấu: là một lớp vỏ cứng bao bọc nhân, cấu tạo chủ yếu là cellulose. Vỏ trấu cà
phê chè mỏng hơn, dễ vỡ hơn cà phê vối và cà phê mít.

- Vỏ lụa: nằm dưới lớp vỏ trấu, mỏng, mềm, có màu sắc tùy loại.
- Nhân cà phê: lớp tế bào phần ngoài của nhân cứng, có những tế bào nhỏ, trong có
chứa những chất dầu. Phía trong có những tế bào lớn và mềm hơn. Một quả cà phê thường
có một, hai hoặc ba nhân. Thông thường chỉ có 2 nhân. Trong nhân có phôi mầm.
1.1.3.2.

Thành phần hóa học

- Vỏ quả: có màu đỏ do chất anthocyanin và các vết alkaloid, trong vỏ chứa 21,5 –
30% chất khô (tanin, caffeine, các enzyme,…)
- Vỏ thịt: là những tế bào mềm chứa nhiều đường và pectine, ngoài ra còn có enzyme
pectinase phân giải pectine trong quá trình lên men và lên men đường làm pH dao động
trong khoảng 5,6 – 6,4.
- Vỏ trấu: chứa chủ yếu là cellulose, một ít caffeine (0,4%) do khuếch tán từ vỏ trong
lúc phơi khô hoặc lên men.
- Nhân: nước chiếm 10 – 12%, protein chiếm 9 – 11%, lipid chiếm 10 – 13%, các loại
đường chiếm 5 – 10%, tinh bột chiếm 3 – 5%. Ngoài ra còn có một số chất thơm, khoáng
và alkaloid.
5


Thành phần hóa học của hạt cà phê:
Bảng 1. 1. Thành phần hóa học của hạt cà phê
Thành phần hóa học

Hàm lượng (%)

Nước

8 – 12

Chất béo

4–8

Đạm

1,8 – 2,5

Protein

9 - 16

Caffeine

0,8 – 4

Tanin

2

Acid Caffeic

8 -9

Pantosan

5

Tinh bột

5 – 23

Dextrin

0,85

Đường

5 – 10

Cellulose

10- 20

Hemillulose

20

Lignin

4

Vai trò của một số thành phần hóa học đến chất lượng cà phê:
- Carbohydrate: Hàm lượng carbohydrate trong cà phê khô khoảng 60%. Phần lớn là
các polysaccharide hòa tan hoặc không hòa tan trong nước và một phần nhỏ là các đường
saccharose, glucose,…Trong quá trình rang các carbohydrate biến đổi nhiều, chúng có thể
phân hủy thành các hợp chất khác nhau hoặc biến mất hoàn toàn như các chất đường đã nói
trên. Các đường khử tham gia một số phản ứng tạo màu và mùi cho cà phê rang. Các
6

polysaccharide không hòa tan trong nước, chúng tạo nên những thành tế bào của hạt cà phê
và sau khi pha trở thành bã cà phê.
- Chất béo: Trong cà phê nhân tổng hàm lượng chất béo chiếm khoảng 13%. Trong
quá trình rang các hợp chất béo mất đi 1 – 2%. Các chất béo chủ yếu tạo thành dầu cà phê
là trigliceride và diterpene, là dạng este của acid bão hòa, nhất là panmitic, behenic,
arachidic. Các diterpene này rất nhạy với acid, nhiệt và ánh sáng. Hàm lượng diterpene
giảm đi trong quá trình bảo quản cũng như quá trình rang có thể là do tạo thành các terpnene
bay hơi, naphtalene và quinoline.
- Các acid: Đại diện quan trọng nhất của nhóm acid là các loại acid chlorogenic. Đây
là những loại acid đặc trưng đối với cà phê. Trong quá trình rang chúng bị phân hủy 30 –
70%, sau khi rang có sự hình thành một số acid dễ bay hơi. Tất cả các acid này đều góp
phần tạo vị chua của cà phê.
- Các protein: Hầu như không có mặt trong cà phê rang, do rang ở nhệt độ cao nên
một phần bị phân hủy, phần còn lại kết hợp với carbohydrate và các acid chlorogenic tạo
thành những chất màu nâu. Bằng phương pháp thủy phân, người ta thấy trong thành phần
protein của cà phê có những acid amin sau: cysteine, alanine, phenylalanine, histidine,
leucine, lysine,…Các acid amin này ít thấy ở trạng thái tự do, chúng thường ở dạng liên
kết. Khi gia nhiệt, các mạch polypeptide bị phân cắt, các acid amin được giải phóng ra tác
dụng với nhau hoặc tác dụng với những chất tạo mùi và vị cho cà phê rang. Trong số các
acid amin kể trên đáng chú ý nhất là những acid amin có chứa lưu huỳnh như cystein,
methionine và proline, chúng góp phần tạo nên hương vị đặc trưng của cà phê sau khi
rang. Đặc biệt, methionine và proline có tác dụng làm giảm tốc độ oxi hóa các chất thơm,
làm cho cà phê rang giữ được mùi vị khi bảo quản. Trong quá trình chế biến chỉ có một
phần protein bị phân giải thành acid amin, còn phần lớn bị biến thành hợp chất không tan.
- Các alkaloid: Trong quá trình rang, hàm lượng caffeine hầu như không thay đổi.
Trigoneline giảm khoảng 75%, tạo thành các sản phẩm gồm acid nicotinic, nicitinamide và
các chất thơm bay hơi như pyrine và pyrol. Trong đó đáng chú ý nhất là niacin, trong cơ
thể con người có tác dụng như một loại vitamine. Trong thành phần của các hợp chất thơm

có khoảng 50% aldehyde, 20% ketone, 8% ester, 7% heterocylic, 2% dimethyl sulfide, một
7


lượng ít hơn là các sulfide hữu cơ khác, còn có một lượng nhỏ nitrile, alcohol hoặc các
hydrocarbon đã bão hòa và chưa bão hòa có trọng lượng phân tử thấp như isoprene.
- Các chất khoáng: Hàm lượng chất khoáng trong cà phê khoảng 3 – 5%, chủ yếu là
kali, nitơ magie, photpho, clo. Ngoài ra còn thấy nhôm, sắt, đồng, iod, lưu huỳnh,… những
chất này ảnh hưởng không tốt đến mùi vị cà phê. Chất lượng cà phê cao khi hàm lượng chất
khoáng càng thấp và ngược lại.
1.2.

Giới thiệu về caffeine

1.2.1. Cấu trúc và tính chất
Caffeiene là một hợp chất tự nhiên có mặt trong lá, hạt và quả của hơn 60 loài thực
vật.
Caffeine nằm trong nhóm hợp chất alkaloid (là những hợp chất vòng có chứa nitơ
trong phân tử).
Công thức phân tử: C8H10N4O2.
Tên phổ biến: caffeine
Danh pháp quốc tế: 3,7-dihydro-1,3,7-trimethyl-1H-purine-2,6-dione.[33]

Hình 1. 2. Công thức cấu tạo của caffeine [36]
-

Tính chất của caffeine:[36]
-

Khối lượng mol: 194,19g/mol.

-

Trạng thái: rắn.

-

Đặc điểm: dạng tinh thể, không màu, không mùi, vị đắng.

-

Nhiệt độ thăng hoa: 178oC.

-

Nhiệt độ nóng chảy: 238oC.

-

Hòa tan: tan nhiều trong nước nóng và chloroform.
8


1.2.2. Hoạt tính sinh học
Caffeine là một hoạt chất có dược tính. Tùy thuộc vào liều lượng, nó có thể kích
thích nhẹ đối với hệ thần kinh trung tâm. Bất kì tác động dược lý nào của caffeine đều nhất
thời, thông thường tác dụng này sẽ ngưng sau vài giờ. Caffeine không tích tụ trong cơ thể
theo thời gian sử dụng. Nó thường bài tiết và thải ra ngoài sau vài giờ sử dụng.
Một số người có thể bị mất ngủ do caffeine. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu cho
thấy rằng những người tiêu thụ caffeine có trí nhớ tăng và cải thiện khả năng tranh luận. Và

những người này có thành tích cao trong khả năng vận động, cải thiện khả năng luyện tập
thính giác, thị giác.
Caffeine còn có tác dụng giảm đau đầu, giúp con người cảm thấy năng động. Kích
thích hệ thần kinh trung ương, làm tinh thần minh mẫn, tăng hiệu suất làm việc.
Caffeine cũng có thể làm tăng hiệu quả diệt tế bào ung thư của thuốc chống ung thư.
Các chất gây phá hủy DNA và có thể hỗ trợ trong việc khắc phục kháng thuốc tự nhiên [23].
Bức xạ ion hóa và các tác nhân alkyl hóa làm tăng hiệu lực độc của caffeine đối với các tác
nhân phá hoại DNA. Tác nhân chống ung thư của caffeine có thể liên quan đến khả năng
ức chế sự tạo liên kết các chất chuyển hóa hoạt động của các chất gây ung thư đối với chuỗi
DNA tế bào [20]. Do đó caffeine có thể được sử dụng trong việc điều chỉnh hoạt tính của các
loại thuốc thêm vào trong cơ thể. Sự kết hợp của caffeine với adrinamycin (một loại thuốc
chống ung thư) có thể làm tăng đáng kể hoạt tính kháng u trong cơ thể mà không làm tăng
tác dụng phụ của nó. Caffeine ức chế các hoạt chất gây ung thư trong khói thuốc lá, nhưng
việc sử dụng đồng thời chất caffeine và thuốc lá cũng tạo thành một mối nguy hại đối với
thai nhi đang phát triển [8].
Ngoài ra, caffeine làm giảm lượng paracetamol do đó làm giảm độc tính cho gan.
Caffeine cũng làm tăng epinephirine trong huyết tương, tăng tiêu thụ oxy và chuyển hóa
carbonhydrate trong khi giảm quá trình chuyển hóa lipid. Caffeine làm thay đổi hoạt động
tim mạch bằng cách gia tăng động mạch huyết áp.[19]
Tùy theo hàm lượng hấp thu, caffeine có thể gây kích thích nhẹ. Đôi khi nó cũng
dẫn đến việc gây nghiện ở một số người, triệu chứng thường thấy nhất là đau đầu, mệt lả
9


hoặc trạng thái mơ màng. Với quá nhiều hàm lượng caffeine có thể gây ngộ độc với một số
biểu hiện như sau: nóng tính, thường xuyên rơi vào tình trạng bị kích động, gây tiểu khó,
gây mất ngủ, huyết áp tăng nhanh, các bệnh lý về đường ruột và thỉnh thoảng lại bị rơi vào
ảo giác. Đối với người lớn, ước tính khoảng 13 – 19 gam caffeine có thể gây chết người. [1]
1.3.

Cà phê Decaf

1.3.1. Giới thiệu về cà phê Decaf
Để đáp ứng nhu cầu của một số bộ phận người tiêu dùng bị ảnh hưởng tiêu cực từ
hoạt tính sinh học của caffeine trong cà phê như gây mất ngủ, tăng huyết áp và nhịp
tim,…Cà phê Decaf đã ra đời để đáp ứng nhu cầu trên.
Cà phê Decaf cũng giống như các loại cà phê thông thường, ngoại trừ khoảng 97%
hàm lượng caffeine đã được loại bỏ trong thành phần hạt cà phê. Mặc dù đã loại bỏ phần
lớn caffeine khỏi hạt cà phê nhưng cà phê Decaf vẫn có những giá trị dinh dưỡng tương tự
cà phê thông thường. Nó vẫn có những hoạt chất chống oxy hóa như axit hydrocinnamic
và polyphenol giúp ngăn ngừa các bệnh ung thư, tiểu đường và tim mạch[12]. Ngoài ra, mỗi
cốc cà phê Decaf còn cung cấp 2,4% lượng magie cần thiết hàng ngày, 4,8% kali và 25%
niacin (còn gọi là vitamin B3) [10]. Nó còn giúp làm giảm triệu chứng ợ nóng, trào ngược
axit trong thực quản so với cà phê thông thường. Uống 2 ly cà phê Decaf mỗi ngày sẽ giúp
giảm nguy cơ ung thư trực tràng đến 48% [21].
1.3.2. Thị trường sản xuất tiêu thụ
Trên thế giới:
Nhu cầu tiêu thụ cà phê trên thế giới rất lớn. Hàng năm, lượng tiêu thụ trên thế giới
ước tính vào khoảng 94,5 triệu bao cà phê nhân (khoảng 5,6 triệu tấn). Có thể chia các nước
tiêu dùng cà phê thành 4 nhóm chính theo khu vực địa lý như sau:
 Nhóm các nước Tây Bắc Âu và Nam Âu.
 Nhóm các nước Bắc Mỹ: Trong đó thị trường Mỹ là lớn nhất với nhu cầu hằng năm
khoảng 4kg/người/năm.

10


 Nhóm các nước châu Á- Thái Bình Dương: Trong đó thị trường tiêu biểu là Hàn
Quốc và Nhật Bản.
 Nhóm các nước Đông Âu và Nga: Đây là thị trường mới nổi với rất nhiều sản phẩm

tiềm năng về cà phê.
Trong số hơn 80 thành viên của tổ chức cà phê quốc tế (ICO), có tới hơn 40 nước xuất
khẩu cà phê. Các nước này có thể vừa trồng vừa xuất khẩu hoặc chỉ kinh doanh cà phê xuất
khẩu. Tuy nhiên các nước sản xuất cà phê lớn trên thế giới đều là những nước vừa sản xuất
vừa xuất khẩu. Điển hình là các nước như: Braxin, Colombia, Việt Nam, Uganda, Bờ Biển
Nga, Ê-ti-ô-pi-a, Ấn Độ,...Trong đó Braxin và Colombia là các nước sản xuất và xuất khẩu
cà phê chè chủ yếu trên thế giới, các nước còn lại của Châu Á và Châu Phi là các nước xuất
khẩu cà phê vối lớn của thế giới.[31]
Ngày nay với mối quan tâm về sức khỏe và những loại thực phẩm có liên quan về sức
khỏe ngày càng gia tăng. Do đó, khi hoạt tính của caffeine trong cà phê được biết đến rộng
rãi thì một bộ phận lớn người tiêu dùng chuyển sang các loại đồ uống có ít hoặc không có
caffeine. Tại Mỹ và Tây Âu có khoảng 8 – 10% lượng cà phê nhân nhập khẩu hàng năm
được xử lý để loại caffeine.
Trong nước:
Việt Nam là nước sản xuất và xuất khẩu cà phê đứng thứ 2 trên thế giới. Sản lượng
tiêu thụ cà phê rang xay của Việt Nam trong niên vụ 2016/17 ước đạt 2,5 triệu bao và sẽ
tăng nhẹ lên khoảng 2,55 triệu bao trong niên vụ 2017/18 do sự phát triển nhanh chóng của
các cửa hàng cà phê. Các thực khách sử dụng cà phê tại Việt Nam thích cà phê rang xay do
chúng vẫn giữ nguyên được hạt và hương vị nguyên chất. Thị trường cà phê nội địa tiếp tục
nóng lên với sự cạnh tranh gay gắt từ các thương hiệu cà phê nước ngoài nổi tiếng như
Dunkin Donuts, Coffee Beans & Tea Leaves, Gloria Jeans, My Life Coffee, McCafe và
PJ’s với một số chuỗi cà phê Hàn Quốc như Coffee Bene và The Coffee House.[32]
Tuy nhiên, các chuỗi cửa hàng nội địa lâu đời như Trung Nguyên, Phúc Long,
Highlands và các chuỗi cửa hàng mới như Passio, Thục, Cộng đã tìm thấy những thức uống
riêng của mình từ đó giúp họ có thể sống sót trên thị trường cà phê Việt Nam đầy tính cạnh
11


tranh. Thị trường cà phê nội địa Việt Nam được dự báo sẽ có mức tăng trưởng nhẹ do thị
trường nước ta còn cần nhiều sản phẩm cà phê với chất lượng cao để phát triển và mở rộng.

Thói quen sử dụng cà phê thông thường có hàm lượng caffeine cao đang chiếm ưu thế
thị phần trên thị trường trong nước nhưng vấn đề sức khỏe và sức khỏe trong thực phẩm
ngày càng được quan tâm tại Việt Nam cùng với sự cạnh tranh từ các thương hiệu cà phê
ngoại nhập. Chắc hẳn thị trường cà phê chứa hàm lượng caffeine thấp đang hứa hẹn có một
tiềm năng phát triển vô cùng lớn tại Việt Nam.
1.3.3. Các phương pháp sản xuất cà phê Decaf [33]
Quy trình sản xuất cà phê Decaf thành công được thương mại hóa đầu tiên bởi phát
minh của thương nhân cà phê người Đức có tên là Ludwig Roselius vào năm 1903 và được
cấp bằng sáng chế vào năm 1906. Việc nghiên cứu cà phê đã tách caffeine của ông được
thúc đẩy bởi ông cho rằng cha của ông vì uống cà phê quá nhiều đã bị ngộ độc.
“Quy trình Roslius” được thực hiện bằng cách chưng cất hạt cà phê với dung dịch
nước muối và sau đó sử dụng hợp chất hóa học hữu cơ benzen làm dung môi để tách
caffeine. Tuy nhiên, quá trình này không còn được sử dụng do thực tế là benzen được biết
là chất gây ung thư.
Ngày nay để sản xuất cà phê Decaf thì người ta thường sử dụng ba phương pháp
chính để tách caffeine ra khỏi hạt cà phê:
Phương pháp khử caffeine bằng dung môi (solvent decaffeination)
Đây là phương pháp cổ nhất dùng để tách caffeine ra khỏi hạt cà phê. Ở phương
pháp này, nguyên liệu hạt cà phê được làm mềm bằng các ngâm với hơi nước nóng. Sau đó
hạt cà phê được rửa liên tục trong một dung môi có khả năng hòa tan caffeine, cuối cùng
dung môi chứa caffeine sẽ được rút đi và hạt cà phê được ngâm lại với hơi nước để loại bỏ
dung môi dư còn sót lại.
Các dung môi hữu cơ thường sử dụng trong phương pháp này là: methylen choloride
và ethyl acetate.

12


Phương pháp này có nhược điểm không thể loại bỏ hoàn toàn lượng dung môi hữu
cơ còn lại trong hạt cà phê do đó người ta hạn chế sử dụng phương pháp này.

Hình 1. 3. Quy trình khử caffeine bằng dung môi [33]
Phương pháp khử caffeine bằng nước (water decaffeination)
Phương pháp khử caffeine bằng nước được phát minh đầu tiên ở Thụy Sĩ vào năm
1933 và được phát triển như một phương pháp có khả năng thương mại hóa bởi Coffex S.A
vào năm 1980.
Trong phương pháp này, nguyên liệu hạt cà phê được ngâm trong nước nóng để hòa
tan caffeine. Dịch chiết sau đó được lọc qua một bộ lọc than hoạt tính, độ xốp của bộ lọc
này có kích thước chỉ giữ được các phân tử caffeine đồng thời cho phép các phân tử hương
vị đi qua nó. Sau quá trình lọc ta sẽ thu được hạt cà phê không chứa caffeine và dịch chứa
hương vị sẽ nằm ở một bể khác.
Các hạt cà phê không chứa caffeine và hương vị sẽ bị loại bỏ, còn tại bể có dịch chứa
hương vị thì một mẻ cà phê mới sẽ được đưa vào. Tại đây dịch chiết đã được bão hòa với
các thành phần hương vị nên hương vị trong mẻ cà phê mới sẽ không bị hòa tan mà chỉ có
thành phần caffeine trong hạt cà phê sẽ bị trích xuất ra dịch chiết. Kết thúc quá trình khử
caffeine, hạt cà phê vẫn đảm bảo được thành phần hương vị của nó.
Phương pháp khử caffeine bằng nước được sử dụng rộng rãi bởi nó chỉ sử dụng một
13


loại dung môi duy nhất là nước mà không dùng thêm bất cứ chất hóa học nào khác, giúp
bảo vệ môi trường và sản phẩm hạt cà phê không chứa chất gây hại đến sức khỏe con người.

Hình 1. 4. Quy trình khử caffeine bằng nước [33]
Phương pháp khử caffeine bằng CO2 siêu tới hạn (supercritical carbon
dioxdide decaffeination)
Phương pháp khử caffeine bằng CO2 là phương pháp mới nhất. Nó được phát triển
bởi Kurt Zosel, một nhà khoa học của Viện Max Plank. Phương pháp này sử dụng chất lỏng
CO2 thay cho dung môi hóa học.
Ở phương pháp này, hạt cà phê ngâm nước được đặt trong một bình chứa bằng thép

không gỉ được gọi là bình chiết. Hệ thống chiết sau đó được đóng kín và CO2 lỏng được
bơm vào trong cà phê ở áp suất khoảng 70 atm để tách caffeine ra khỏi hạt cà phê. CO2 hoạt
động như dung môi hòa tan và tách caffeine ra khỏi hạt cà phê, để lại thành phần hương
vị. Sau đó, caffeine chứa CO2 được chuyển sang một buồng chứa khác gọi là buồng hấp
thụ. Ở đây áp lực được giải phóng và CO2 quay trở lại trạng thái khí của nó, để lại
caffeine. Khí CO2 không chứa caffein được bơm trở lại vào bình chứa có áp suất để tái sử
dụng.
Đây là một phương pháp thân thiện với môi trường vì CO2 dư thừa có thể được thải
ra ngoài không khí một cách an toàn và không làm hại đến môi trường. Hơn nữa, nếu điều
chỉnh đúng cách, phương pháp này sẽ giúp ta giữ được hương vị của cà phê hầu như nguyên
14