Caffeine là một trong những hợp chất tương đối dễ hòa tan được quan tâm khi sản xuất cà phê hòa tan. Tuy nhiên, nói rằng caffeine được “giữ lại” hay “mất đi” trong dây chuyền cần phân biệt giữa lượng caffeine tuyệt đối và nồng độ caffeine trên mỗi đơn vị khối lượng sản phẩm. Khi nước bị loại khỏi dịch chiết, nồng độ có thể tăng dù tổng lượng caffeine không tăng.

Trích ly quyết định lượng caffeine đi vào dịch như thế nào?

Muốn tránh nhầm lẫn giữa hai hiện tượng này, dữ liệu phải được quy đổi về lượng caffeine tuyệt đối ở từng dòng. Khi đó mới có thể nói một công đoạn làm mất caffeine hay chỉ làm dung dịch cô đặc hơn.

Ở bước trích ly, caffeine có xu hướng được chuyển vào pha nước cùng các chất hòa tan khác. Mức thu hồi phụ thuộc vào điều kiện tiếp xúc giữa nước và cà phê rang xay. Nhiệt độ, thời gian, kích thước hạt và thiết kế hệ trích ly có thể thay đổi mức độ khai thác. Vì caffeine không phải là đại diện cho toàn bộ chất hòa tan, việc dùng riêng caffeine để đánh giá hiệu suất trích ly sẽ không cho biết đầy đủ chất lượng dịch chiết.

Rang là công đoạn trước dây chuyền hòa tan nhưng có ảnh hưởng đến nền hóa học mà quá trình trích ly tiếp nhận. Mức rang thay đổi cấu trúc hạt và thành phần hóa học. Tuy nhiên, khi theo dõi caffeine, cần tránh suy luận đơn giản rằng rang càng đậm thì caffeine càng tăng hoặc giảm theo một hướng cố định. Cần đo trên cùng cơ sở khối lượng và kiểm soát tổn thất khối lượng trong rang.

Bát bột cà phê xay đặt cạnh phin inox và cốc sứ trên mặt đá đen
Bát bột cà phê xay đặt cạnh phin inox và cốc sứ trên mặt đá đen

Cô đặc và sấy làm thay đổi nồng độ khác với làm mất chất

Sau trích ly, cô đặc chủ yếu loại nước. Nếu tổng lượng caffeine trong dòng sản phẩm được bảo toàn, nồng độ caffeine trên mỗi gram chất rắn có thể thay đổi theo tỷ lệ nước và chất rắn. Khi dịch cô đặc được sấy, quá trình loại nước tiếp tục làm tăng tỷ lệ chất rắn. Vì vậy, một bảng theo dõi tốt phải có cả khối lượng dòng, chất rắn và lượng caffeine tuyệt đối ở từng điểm.

Các nghiên cứu về cà phê hòa tan cho thấy caffeine có thể được định lượng bằng sắc ký lỏng và được dùng cùng các chỉ tiêu như 5-CQA để mô tả thành phần sản phẩm. Một nghiên cứu phát triển cà phê hòa tan giàu chlorogenic acid cũng báo cáo caffeine của các công thức khác nhau và cho thấy thành phần cuối phụ thuộc vào nguyên liệu và cách phối trộn, không chỉ vào một bước sấy riêng lẻ.

Thiết kế lấy mẫu và cơ sở biểu diễn kết quả

Retention chỉ có thể tính khi xác định rõ điểm đầu và điểm cuối. Nếu lấy caffeine trong nguyên liệu làm mốc, cần biết khối lượng caffeine ban đầu và lượng caffeine thu được trong sản phẩm. Nếu chỉ so sánh mg caffeine/g bột trước và sau sấy, có thể nhầm giữa thay đổi nồng độ và tổn thất thật. Đây là lỗi phổ biến trong diễn giải dữ liệu chế biến.

Để theo dõi dây chuyền, nên lấy mẫu ở nguyên liệu rang, dịch chiết, dịch cô đặc và bột cuối. Mỗi mẫu cần ghi khối lượng dòng và phương pháp phân tích. Khi dữ liệu được quy đổi về lượng caffeine tuyệt đối, có thể xác định công đoạn nào tạo ra tổn thất thực sự. Nếu tổng lượng gần như không đổi nhưng nồng độ thay đổi, đó chủ yếu là hiệu ứng cô đặc.

Khả năng giữ caffeine vì vậy là bài toán cân bằng vật chất hơn là một chỉ tiêu riêng của công nghệ sấy. Muốn kết luận một công đoạn có làm mất caffeine hay không, cần theo dõi lượng tuyệt đối, kiểm soát cơ sở tính và đặt kết quả trong chuỗi trích ly–cô đặc–sấy. Cách tiếp cận này giúp tránh việc diễn giải một thay đổi nồng độ thành một tổn thất hóa học.

Một vấn đề khác là cơ sở biểu diễn kết quả. Caffeine có thể được báo cáo theo mg/g nguyên liệu, mg/g chất khô hoặc mg/g bột thành phẩm. Các đơn vị này trả lời những câu hỏi khác nhau. Khi theo dõi khả năng giữ lại, nên giữ cả khối lượng dòng và hàm lượng trên đơn vị khối lượng để có thể chuyển đổi giữa các cơ sở mà không làm mất thông tin.

Khi nào một thay đổi quy trình thực sự làm thay đổi caffeine recovery?

Nếu dịch chiết được phối trộn từ nhiều dòng nguyên liệu, caffeine của từng dòng cũng cần được ghi riêng trước khi trộn. Một thay đổi về tỷ lệ phối trộn có thể làm caffeine của sản phẩm cuối thay đổi mà không liên quan đến hiệu quả trích ly hoặc sấy. Điều này đặc biệt quan trọng khi dây chuyền sử dụng nhiều loại cà phê hoặc nhiều mức rang.

Phương pháp phân tích cần được xác nhận về độ chính xác và độ lặp ở nền cà phê tương ứng. Ma trận nhiều hợp chất có thể ảnh hưởng đến tín hiệu phân tích nếu phương pháp không được kiểm soát. Vì vậy, dữ liệu khả năng giữ lại chỉ đáng tin khi quy trình lấy mẫu, chuẩn bị mẫu và định lượng được giữ ổn định.

Theo dõi caffeine theo từng công đoạn còn có giá trị khi nghiên cứu thay đổi quy trình. Nếu một thay đổi làm tăng thu hồi chất rắn nhưng caffeine thu hồi không tăng tương ứng, đó là dấu hiệu cho thấy thành phần dịch chiết đã thay đổi. Đây là thông tin có thể hữu ích hơn một con số hiệu suất tổng.

Nếu dây chuyền có bước phối trộn nhiều dòng nguyên liệu, caffeine của từng dòng cần được ghi riêng trước khi trộn. Một thay đổi về tỷ lệ phối trộn có thể làm caffeine của sản phẩm cuối thay đổi mà không liên quan đến hiệu quả trích ly hoặc sấy.

Một số lưu ý khi đọc dữ liệu

Đối với sản phẩm cuối, caffeine trên mỗi khẩu phần còn phụ thuộc vào khối lượng bột sử dụng. Vì vậy, dữ liệu sản xuất và dữ liệu tiêu dùng là hai lớp khác nhau.

Tài liệu tham khảo

  • Nóbrega et al. (2023), Classification of instant coffees based on caffeine content and roasting degree using NIR spectrometry and multivariate analysis, Microchemical Journal, 190, 108624.
  • Development of an instant coffee enriched with chlorogenic acids (2016), Journal of Food Science and Technology, PMCID: PMC4984699.
  • Moroney et al. (2020), Trends in Food Science & Technology, 96, 45–60.
  • NCBI Bookshelf, Coffee: extraction and instant coffee manufacture.
← Bài trướcBài tiếp theo →

Caffeine is one of the relatively soluble compounds of interest in instant-coffee production. But saying caffeine is “retained” or “lost” along the line requires distinguishing between absolute caffeine amount and caffeine concentration per unit of product mass. When water is removed from the extract, concentration can increase even though total caffeine hasn't changed.

How does extraction determine the amount of caffeine entering the liquid?

To avoid confusing these two phenomena, data needs to be converted to absolute caffeine amount at each stream. Only then can you say a step causes caffeine loss versus just making the solution more concentrated.

At the extraction step, caffeine tends to transfer into the aqueous phase along with other soluble matter. The recovery level depends on contact conditions between water and roasted-ground coffee. Temperature, time, particle size, and extraction-system design can change the degree of extraction. Since caffeine isn't representative of all soluble matter, using caffeine alone to assess overall extraction efficiency can be misleading.

Roasting is a step before the instant line but affects the chemical baseline that extraction receives. Roast level changes bean structure and chemical composition. However, when tracking caffeine, you should avoid the simple inference that darker roasting always increases or decreases caffeine in one fixed direction. Measurement needs to be on the same mass basis with controlled conditions.

A bowl of ground coffee beside a stainless phin and a ceramic cup on a black stone surface
A bowl of ground coffee beside a stainless phin and a ceramic cup on a black stone surface

Concentration and drying change concentration differently from causing loss

After extraction, concentration mainly removes water. If total caffeine in the product stream is conserved, caffeine concentration per gram of solids can change according to the water-to-solids ratio. When the concentrate is dried, water removal continues to increase the solids ratio. So a good tracking table needs both stream mass, solids, and total caffeine amount at each stage.

Studies on instant coffee show caffeine can be quantified by liquid chromatography and used together with indicators like 5-CQA to describe product composition. A study developing chlorogenic-acid-enriched instant coffee also reported caffeine across different formulas and showed the final composition depends on raw material and blending, not the drying step alone.

On what basis should sampling and results be reported?

Retention can only be calculated once the start and end points are clearly defined. If caffeine in the raw material is used as the reference, you need to know the initial caffeine mass and the caffeine amount obtained in the product. If you only compare mg caffeine per gram of powder before and after drying, you can confuse a concentration change with a real loss. This is a common error in interpreting processing data.

To track the line, sampling should be done at roasted raw material, extract, concentrate, and final powder. Each sample needs recorded stream mass and analytical method. When data is converted to absolute caffeine amount, you can determine which stage actually causes loss. If the total amount stays nearly constant but concentration changes, that's mainly a concentration effect.

The ability to retain caffeine is therefore more a mass-balance problem than an indicator specific to drying technology. To conclude whether a step causes caffeine loss, you need to track absolute amount, control the calculation basis, and place results within the extraction–concentration–drying chain. This approach helps avoid interpreting a concentration change as a chemical loss.

Another issue is the basis for reporting results. Caffeine can be reported as mg/g raw material, mg/g dry matter, or mg/g finished powder. These units answer different questions. When tracking retention, you should keep both stream mass and content per unit mass so you can convert between bases without losing information.

When does a process change actually change caffeine recovery?

If the extract is blended from multiple raw-material streams, each stream's caffeine also needs recording separately before blending. A change in blend ratio can change the final product's caffeine without relating to extraction or drying efficiency. This matters especially when the line uses multiple coffee types or roast levels.

The analytical method needs to be validated for accuracy and repeatability in the relevant coffee matrix. A multi-compound matrix can affect the analytical signal if the method isn't controlled. So retention data is only trustworthy when sampling, sample preparation, and quantification procedures stay stable.

Tracking caffeine stage by stage also has value when studying a process change. If a change increases solid recovery but caffeine recovery doesn't increase correspondingly, that's a sign the extract composition has shifted. This can be more useful information than a single overall efficiency number.

If the line has a step blending multiple raw-material streams, each stream's caffeine needs recording separately before blending. A change in blend ratio can change the final product's caffeine without relating to extraction or drying efficiency.

Some notes when reading the data

For the final product, caffeine per serving also depends on the amount of powder used. So production data and consumption data are two different layers.

References

  • Nóbrega et al. (2023), Classification of instant coffees based on caffeine content and roasting degree using NIR spectrometry and multivariate analysis, Microchemical Journal, 190, 108624.
  • Development of an instant coffee enriched with chlorogenic acids (2016), Journal of Food Science and Technology, PMCID: PMC4984699.
  • Moroney et al. (2020), Trends in Food Science & Technology, 96, 45–60.
  • NCBI Bookshelf, Coffee: extraction and instant coffee manufacture.
← PreviousNext →