إزالة الكافيين

إزالة الكافيين هي عملية إزالة الكافيين من حبوب البن والكاكاو وأوراق الشاي وغيرها من المواد التي تحتوي على الكافيين. تُعرف المنتجات منزوعة الكافيين اختصارًا بـ "ديكاف" . ولضمان جودة المنتج، يُلزم المصنّعون باختبار حبوب البن منزوعة الكافيين حديثًا للتأكد من انخفاض تركيز الكافيين فيها. وتشترط معايير إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) خفض محتوى الكافيين بنسبة 97% على الأقل. ^{[ 1 ]} وقد وجدت دراسة أجريت عام 2006 أن المشروبات منزوعة الكافيين تحتوي عادةً على 1-2% من محتوى الكافيين الأصلي، ولكن في بعض الأحيان قد تصل النسبة إلى 20%. ^{[ 2 ]}

أجرى فريدليب فرديناند رونجه أول عملية عزل للكافيين من حبوب البن عام 1820، بعد أن سمع الشاعر الألماني غوته عن عمله على مستخلص البيلادونا ، وطلب منه إجراء تحليل على حبوب البن. ^{[ 3 ]} ورغم أن رونجه تمكن من عزل المركب، إلا أنه لم يتعمق في فهم كيمياء الكافيين نفسه، ولم يسعَ إلى استخدام هذه العملية تجاريًا لإنتاج قهوة منزوعة الكافيين.

العمليات

تُستخدم طرقٌ مختلفة لإزالة الكافيين من القهوة. وتُجرى هذه الطرق قبل التحميص، وقد تستخدم مذيبات عضوية مثل ثنائي كلورو الميثان أو أسيتات الإيثيل ، أو _ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج ، أو الماء لاستخلاص الكافيين من حبوب البن، مع الحفاظ على مركبات النكهة الأولية في أقرب ما يمكن إلى حالتها الأصلية. ^{[ 4 ]}

مذيب عضوي

الطريقة المباشرة

ابتكر التاجر الألماني لودفيج روزيليوس وزملاؤه أول عملية ناجحة تجاريًا لإزالة الكافيين من القهوة عام 1903، بعد أن لاحظ روزيليوس أن شحنة من حبوب البن التي نُقعت بالخطأ في ماء البحر فقدت معظم محتواها من الكافيين مع فقدان طفيف لنكهتها. ^{[ 5 ] [ 6 ]} وحصلت العملية على براءة اختراع عام 1906، وتضمنت تبخير حبوب البن مع أحماض أو قواعد مختلفة ، ثم استخدام البنزين كمذيب لإزالة الكافيين. ^{[ 7 ] [ 8 ]} وبيعت القهوة منزوعة الكافيين بهذه الطريقة تحت اسم "كافيه هاج" (Kaffee HAG ) نسبةً إلى اسم الشركة "كافيه هاندلز-أكتين-جيزيلشافت" ( Kaffee Handels-Aktien-Gesellschaft ) (شركة تجارة البن) في معظم أنحاء أوروبا، وباسم " كافيه سانكا " (Café Sanka) في فرنسا ، ولاحقًا باسم "سانكا" (Sanka) في الولايات المتحدة . وتُعد "كافيه هاج" و"سانكا" اليوم علامتين تجاريتين عالميتين لشركة كرافت فودز .

لا تزال الطرق المشابهة لتلك التي طورها روزيليوس هي السائدة، وتُعرف أحيانًا باسم طريقة المذيب العضوي المباشر . مع ذلك، ونظرًا للمخاوف الصحية المتعلقة بالبنزين (المصنف اليوم كمادة مسرطنة )، ^{[ 9 ]} تُستخدم الآن مذيبات أخرى، مثل ثنائي كلورو الميثان أو أسيتات الإيثيل . ^{[ 10 ]} تُبخّر حبوب البن غير المحمصة (الخضراء) أولًا، ثم تُشطف بالمذيب الذي يستخلص الكافيين، مع الحفاظ على المكونات الأخرى إلى حد كبير. تُكرر هذه العملية من 8 إلى 12 مرة حتى يصل محتوى الكافيين إلى المستوى المطلوب (إزالة 97% من الكافيين وفقًا للمعيار الأمريكي، أو خلو المنتج من الكافيين بنسبة 99.9% من حيث الكتلة وفقًا لمعيار الاتحاد الأوروبي). ^{[ 4 ]}

الطريقة غير المباشرة

يُعدّ أسلوب المذيبات العضوية غير المباشر أحد أشكال طريقة روزيليوس . في هذا الأسلوب، تُنقع حبوب البن في الماء الساخن لعدة ساعات، ثم تُصفّى، بدلاً من معالجتها مباشرةً. يُعالج الماء المتبقي بمذيبات (مثل ثنائي كلورو الميثان أو أسيتات الإيثيل) لاستخلاص الكافيين منه. وكما هو الحال في الطرق الأخرى، يُمكن فصل الكافيين عن المذيب العضوي بالتبخير. يُعاد تدوير الماء نفسه في هذه العملية المكونة من خطوتين مع دفعات جديدة من حبوب البن. بعد عدة دورات، يتحقق التوازن ، حيث يصبح للماء وحبوب البن تركيب متشابه باستثناء الكافيين. بعد هذه المرحلة، يكون الكافيين هو المادة الوحيدة التي تُزال من حبوب البن، فلا تُفقد قوة القهوة أو أي نكهات أخرى. ^{[ 11 ]} ولأن الماء يُستخدم في المرحلة الأولى من هذه العملية، يُشار أحيانًا إلى إزالة الكافيين بالطريقة غير المباشرة باسم "المعالجة بالماء". ذُكرت هذه الطريقة لأول مرة في عام 1941، وقد بذل العلماء جهودًا كبيرة لجعل العملية أكثر "طبيعية" وعملية مائية حقيقية من خلال إيجاد طرق لمعالجة الكافيين من الماء بطرق تتجاوز استخدام المذيبات العضوية. ^{[ 12 ]}

الماء السويسري

تُعدّ عملية الماء السويسري طريقة بديلة لإزالة الكافيين من القهوة. لا تستخدم هذه العملية أي مذيبات عضوية، بل الماء فقط لإزالة الكافيين من حبوب البن. طُوّرت هذه التقنية لأول مرة في سويسرا عام 1933، وسُوّقت تجاريًا من قِبل شركة كوفكس إس إيه عام 1980. ^{[ 6 ]} ثمّ قدّمت شركة سويس ووتر ديكافيينتد كوفي كومباني في بورنابي ، كولومبيا البريطانية ، عملية الماء السويسري عام 1988. ^{[ 13 ]}

تعتمد هذه العملية على مستخلص البن الأخضر لاستخلاص الكافيين. مستخلص البن الأخضر عبارة عن محلول يحتوي على جميع مكونات البن الأخضر القابلة للذوبان في الماء باستثناء الكافيين، ويتم الحصول عليه بنقع حبوب البن الأخضر في الماء الساخن، ثم ترشيحها عبر مرشح من الكربون النشط لإزالة جزيئات الكافيين. ^{[ 6 ]} تُضاف حبوب البن الطازجة، التي تحتوي على الكافيين والمكونات الأخرى، إلى محلول مستخلص البن الأخضر، حيث يؤدي فرق الضغط بين المستخلص (الفقير بالكافيين) والبن الأخضر (الغني بالكافيين) إلى انتقال جزيئات الكافيين من البن الأخضر إلى المستخلص. ^{[ 14 ]} ولأن المستخلص مشبع بالمكونات الأخرى القابلة للذوبان في الماء، فإن جزيئات الكافيين فقط هي التي تنتقل إليه، بينما تبقى المكونات الأخرى في البن الأخضر. بعد ذلك، يُمرر محلول مستخلص البن الأخضر الغني بالكافيين عبر مرشحات الكربون النشط لإزالة الكافيين مرة أخرى، وتُكرر العملية. تستغرق هذه العملية المستمرة من 8 إلى 10 ساعات للوصول إلى النسبة النهائية المطلوبة من الكافيين المتبقي. ^{[ 15 ]}

كما طورت مهندسة الأغذية تورون أتراس غارين عملية لإزالة الكافيين من القهوة. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

الدهون الثلاثية

في هذه العملية، تُنقع حبوب البن الخضراء في محلول من الماء الساخن والقهوة لاستخلاص الكافيين من سطح الحبوب. بعد ذلك، تُنقل الحبوب إلى وعاء آخر وتُغمر في زيوت القهوة المستخلصة من بقايا القهوة المطحونة وتُترك لتنقع.

بعد عدة ساعات من التعرض لدرجات حرارة عالية، تعمل الدهون الثلاثية الموجودة في الزيوت على إزالة الكافيين من حبوب البن، مع الحفاظ على نكهتها. تُفصل الحبوب عن الزيوت وتُجفف. يُزال الكافيين من الزيوت، التي يُعاد استخدامها لإزالة الكافيين من دفعة أخرى من الحبوب. هذه طريقة مباشرة لإزالة الكافيين.

_ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج

لجأ علماء الأغذية أيضًا إلى ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج (sCO2 ₎ كوسيلة لإزالة الكافيين. طُوّرت هذه الطريقة على يد كورت زوسل، العالم في معهد ماكس بلانك، وتستخدم ثاني _أكسيد الكربون (CO2) المُسخّن والمضغوط فوق نقطته الحرجة لاستخلاص الكافيين. ^{[ 6 ]} تُبخّر حبوب البن الخضراء ثم تُضاف إلى وعاء عالي الضغط. يُمرّر مزيج من الماء وثاني أكسيد الكربون _{عبر الوعاء عند ضغط 300} ضغط جوي ودرجة حرارة 65 درجة مئوية (149 درجة فهرنهايت) . عند هذا الضغط ودرجة الحرارة، يكون _{ثاني أكسيد الكربون} سائلًا فوق حرج ، بخصائص تقع بين الغاز والسائل. يذوب الكافيين في ثاني أكسيد الكربون _؛ لكن المركبات التي تُساهم في نكهة القهوة المُحضّرة غير قابلة للذوبان في ثاني أكسيد الكربون إلى حد كبير، _وتبقى في حبة البن. في وعاء منفصل، يُزال الكافيين من ثاني أكسيد الكربون _بإضافة الماء. ثم يُعاد تدوير _ثاني أكسيد الكربون إلى وعاء الضغط. ^{[ 4 ] [ 18 ]}  

حتى عام 2009، استمر التقدم نحو زراعة حبوب البن الخالية من الكافيين. وقد صِيغ مصطلح "ديكافيتو" لوصف هذا النوع من البن، وتم تسجيله كعلامة تجارية في البرازيل. ^{[ 26 ]}

ظهرت إمكانية إنتاج قهوة منزوعة الكافيين باكتشاف صنف Coffea charrieriana الخالي من الكافيين بشكل طبيعي ، والذي نُشر عام 2004. يحتوي هذا الصنف على جين ناقص لإنزيم سينثاز الكافيين ، مما يؤدي إلى تراكم الثيوبرومين بدلاً من تحويله إلى كافيين. ^{[ 27 ]} يمكن إما إدخال هذه الصفة إلى أنواع أخرى من نباتات البن عن طريق تهجينها مع C. charrieriana ، أو يمكن تحقيق تأثير مماثل عن طريق تعطيل جين سينثاز الكافيين في نباتات البن العادية. ^{[ 28 ]}

يمكن أيضًا إزالة الكافيين من الشاي، عادةً باستخدام عمليات مشابهة للطريقة المباشرة أو عملية ثاني أكسيد الكربون _، كما هو موضح أعلاه. لا يؤثر أكسدة أوراق الشاي لإنتاج الشاي الأسود أو شاي أولونغ من الأوراق الخضراء على كمية الكافيين في الشاي، على الرغم من أن أنواع نبات الشاي الفرعية (مثل كاميليا سينينسيس سينينسيس مقابل كاميليا سينينسيس أساميكا ) قد تختلف في محتواها الطبيعي من الكافيين. تحتوي الأوراق والبراعم الصغيرة على نسبة كافيين أعلى من حيث الوزن مقارنةً بالأوراق والسيقان الأكبر سنًا. على الرغم من أن عملية ثاني أكسيد الكربون _مفضلة لكونها مريحة وغير قابلة للانفجار وغير سامة، ^{[ 29 ]} فقد أظهرت مقارنة بين الشاي الأخضر العادي والشاي الأخضر منزوع الكافيين باستخدام ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج أن معظم المركبات المتطايرة غير القطبية (مثل لينالول وفينيل أسيتالدهيد )، ومركبات النكهة الخضراء والزهرية (مثل هيكسانال و( E )-2- هيكسينال )، وبعض المركبات غير المعروفة قد اختفت أو انخفضت بعد إزالة الكافيين. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

إضافةً إلى استخلاص الشاي باستخدام _ثاني أكسيد الكربون ، يمكن أيضًا إزالة الكافيين منه عن طريق المعالجة بالماء الساخن. وتُحقق الظروف المثلى من خلال التحكم في درجة حرارة الماء، ومدة الاستخلاص، ونسبة أوراق الشاي إلى الماء. فعند استخدام درجات حرارة 100  درجة مئوية أو أكثر، ومدة استخلاص معتدلة تبلغ 3 دقائق، ونسبة 1:20 من وزن أوراق الشاي إلى الماء لكل حجم، تتم إزالة 83% من محتوى الكافيين مع الحفاظ على 95% من إجمالي الكاتيكينات . ^{[ 32 ]} الكاتيكينات، وهي نوع من الفلافانول ، تُساهم في نكهة الشاي، وقد ثبت أنها تزيد من تثبيط الطفرات التي قد تؤدي إلى السرطان. ^{[ 33 ]}

يحتوي كل من القهوة والشاي على التانينات ، وهي المسؤولة عن مذاقهما القابض ، إلا أن الشاي يحتوي على ثلث كمية التانينات الموجودة في القهوة تقريبًا. ^{[ 34 ]} لذا، تتطلب عملية إزالة الكافيين من الشاي عناية أكبر للحفاظ على محتوى التانينات مقارنةً بإزالة الكافيين من القهوة، وذلك للحفاظ على هذه النكهة. يُعد الحفاظ على التانينات أمرًا مرغوبًا فيه ليس فقط لنكهتها، بل أيضًا لأنها أظهرت خصائص مضادة للسرطان، ومضادة للطفرات، ومضادة للأكسدة، ومضادة للميكروبات. على وجه التحديد، تُسرّع التانينات عملية تخثر الدم، وتُخفّض ضغط الدم، وتُقلّل مستوى الدهون في الدم، وتُعدّل الاستجابات المناعية. ^{[ 35 ]}

قد تُسهم بعض العمليات التي تُجرى أثناء الإنتاج العادي في تقليل محتوى الكافيين بشكل مباشر، أو ببساطة في خفض معدل إطلاقه خلال كل عملية نقع. في الصين، يتضح هذا في العديد من أنواع شاي بو-إر المطبوخ ، بالإضافة إلى أنواع شاي أولونغ جبل وويي المحروق بدرجة حرارة أعلى ؛ والتي يُشار إليها عادةً باسم "تشونغ هو" (متوسط ​​التحميص) أو "زوهو" (عالي التحميص).

تشير الإحصائية المقبولة عموماً إلى أن كوباً من الشاي الأسود (أو الأحمر) العادي يحتوي على 40-50  ملغ من الكافيين، أي ما يقارب نصف محتوى كوب من القهوة. ^{[ 36 ]}

على الرغم من أن الأسلوب الشائع المتمثل في التخلص من النقع القصير (من 30 إلى 60 ثانية) ^{[ 37 ]} يُعتقد أنه يقلل بشكل كبير من محتوى الكافيين في المشروب اللاحق على حساب فقدان بعض النكهة، تشير الأبحاث إلى أن النقع لمدة خمس دقائق ينتج ما يصل إلى 70% من الكافيين، وأن النقع الثاني يحتوي على ثلث كمية الكافيين الموجودة في النقع الأول (حوالي 23% من إجمالي الكافيين في الأوراق). ^{[ 38 ]}

• كوكاكولا خالية من الكافيين
• بيبسي خالي من الكافيين
• بديل القهوة
• الآثار الصحية للكافيين
• الآثار الصحية للقهوة
• فوائد الشاي الصحية
• قهوة قليلة الكافيين