Chlorogenic acids là một nhóm hợp chất quan trọng trong hóa học cà phê, trong đó các caffeoylquinic acids thường được theo dõi bằng sắc ký. Khi dịch cà phê được cô đặc, câu hỏi đầu tiên không phải là “CGA tăng hay giảm” mà là đang nói đến nồng độ hay tổng lượng. Loại nước khỏi một dịch chứa CGA chắc chắn có thể làm nồng độ tăng nếu hợp chất được giữ lại, nhưng điều đó không chứng minh cấu trúc hóa học của CGA không thay đổi.

Cần phân biệt tăng nồng độ với tăng lượng chlorogenic acids

Trong cà phê, thành phần CGA chịu ảnh hưởng mạnh từ nguyên liệu và mức rang. Một nghiên cứu trên cà phê thương mại cho thấy mức CGA thay đổi đáng kể giữa các mẫu và mức rang là yếu tố quan trọng. Vì vậy, khi đánh giá cô đặc, mẫu đầu vào phải được xác định rõ. Nếu hai dịch có nguồn nguyên liệu khác nhau, sự khác biệt cuối cùng không thể quy hoàn toàn cho thiết bị cô đặc.

Muỗng/bát chứa bột cà phê ở tiền cảnh trước lớp hạt rang
Muỗng/bát chứa bột cà phê ở tiền cảnh trước lớp hạt rang

Cô đặc có thể làm thay đổi hàm lượng biểu kiến như thế nào?

Vì vậy, một mẫu sau cô đặc có thể cho hàm lượng CGA trên một đơn vị khối lượng cao hơn nhưng tổng lượng CGA của cả dòng lại không tăng. Hai cách biểu diễn này phải được tách khỏi nhau.

Cô đặc thường dựa trên việc loại nước, có thể bằng bay hơi chân không hoặc các kỹ thuật khác. Nhiệt độ và thời gian lưu của dịch là hai biến đáng chú ý vì CGA không phải một hợp chất duy nhất và các đồng phân có thể có độ ổn định khác nhau. Một quá trình ở nhiệt độ thấp nhưng thời gian rất dài vẫn có thể tạo ra tác động khác một quá trình nhiệt cao trong thời gian ngắn.

Để phân biệt hiệu ứng nồng độ với biến đổi hóa học, cần tính lượng CGA tuyệt đối trước và sau cô đặc. Nếu nồng độ tăng đúng với hệ số giảm thể tích trong khi tổng lượng gần như không đổi, có thể giải thích chủ yếu bằng cô đặc. Nếu tổng lượng giảm hoặc tỷ lệ giữa các đồng phân thay đổi, cần xem xét tổn thất, phân hủy hoặc biến đổi hóa học.

Đo chlorogenic acids trên những cơ sở nào?

Phương pháp phân tích cũng quyết định chất lượng kết luận. Sắc ký lỏng hiệu năng cao hoặc sắc ký lỏng – khối phổ có thể theo dõi 5-CQA và các dạng CQA khác, thay vì chỉ đo một chỉ số hấp thụ tổng. Nghiên cứu trên cà phê thương mại đã định lượng nhiều nhóm CQA và cho thấy 5-CQA là dạng chiếm tỷ lệ cao nhất trong các mẫu khảo sát. Điều này cho thấy “tổng CGA” có thể che mất sự thay đổi của từng cấu tử.

Khi cô đặc, độ nhớt của dịch cũng có thể tăng. Điều đó làm thay đổi truyền nhiệt và truyền khối, khiến điều kiện vận hành ở cuối quá trình khác với đầu quá trình. Nếu nhiệt độ thành thiết bị cao hơn nhiệt độ trung bình của toàn dịch, nguy cơ tạo vùng quá nhiệt cần được xem xét. Vì vậy, thời gian lưu và cách truyền nhiệt phải được ghi cùng dữ liệu hóa học.

Một thiết kế nghiên cứu tốt nên lấy mẫu trước cô đặc, giữa quá trình và sau cô đặc. Mỗi mẫu cần ghi khối lượng dòng, hàm lượng chất rắn, thể tích hoặc khối lượng dịch và nồng độ từng CGA. Từ đó có thể tính mass balance và xác định liệu sự thay đổi đến từ mất nước hay mất chất.

Cô đặc không nên được xem là một bước chỉ làm tăng hàm lượng CGA trên mỗi gram sản phẩm. Giá trị của dữ liệu nằm ở việc xác định hợp chất được giữ lại bao nhiêu, cấu trúc nào thay đổi và điều kiện nhiệt đã tạo ra tác động gì. Khi phân biệt rõ nồng độ với tổng lượng, quá trình cô đặc có thể được đánh giá bằng một cơ sở khoa học vững hơn.

Một điểm cần chú ý là CGA có thể được biểu diễn theo nhiều cơ sở: trên thể tích dịch, trên khối lượng chất khô hoặc theo lượng tuyệt đối của cả dòng. Nếu chỉ nhìn mg/L, một dịch được cô đặc mạnh luôn có xu hướng cho giá trị cao hơn. Vì vậy, nghiên cứu trước–sau phải báo cáo ít nhất nồng độ và lượng tuyệt đối.

Nhiệt độ bề mặt thiết bị và thời gian lưu có thể không giống nhau trong toàn hệ. Nếu dịch đi qua vùng gia nhiệt mạnh, một phần thay đổi hóa học có thể xảy ra cục bộ. Dữ liệu nhiệt độ theo vị trí giúp giải thích kết quả hóa học tốt hơn một nhiệt độ trung bình của toàn mẻ.

Cũng cần xem xét khả năng các dạng CGA chuyển đổi tương đối với nhau. Nếu tổng lượng gần ổn định nhưng tỷ lệ giữa 3-CQA, 4-CQA và 5-CQA thay đổi, việc chỉ báo cáo tổng CGA sẽ bỏ qua thông tin về thành phần. Các phương pháp sắc ký có khả năng phân tách từng dạng vì thế có giá trị trong nghiên cứu cơ chế.

Thiết kế so sánh để đánh giá đúng hiệu quả cô đặc

Khi mục tiêu là tối ưu cô đặc, không nên đặt mục tiêu đơn giản là giữ CGA cao nhất. Điều kiện phải đồng thời đáp ứng nồng độ cuối, năng lượng, khả năng bơm và chất lượng cảm quan. Một dịch có khả năng giữ lại hóa học tốt nhưng quá đặc hoặc có tổn thất hương lớn vẫn chưa phải phương án tốt nhất.

Một cách kiểm tra khác là đối chiếu lượng chlorogenic acids tuyệt đối trước và sau cô đặc với lượng chất rắn được thu hồi. Nếu lượng chất giảm trong khi chất rắn vẫn được thu hồi, dữ liệu đó cho thấy cần tìm nguyên nhân ngoài hiện tượng tăng nồng độ do mất nước. Đây là bước phân biệt cần thiết trước khi quy kết cho phản ứng hóa học.

Một số lưu ý khi đọc dữ liệu

Khi so sánh các điều kiện cô đặc, nên giữ cùng mức chất rắn đầu vào và cùng khối lượng dòng nếu có thể. Nếu lượng đầu vào khác nhau, kết quả nồng độ cuối không đủ để xác định hiệu quả của quá trình.

Để tránh diễn giải sai, phép phân tích nên ghi rõ mẫu được quy về khối lượng dịch ban đầu, khối lượng chất khô hay thể tích. Cùng một mẫu có thể cho các con số khác nhau tùy cơ sở biểu diễn. Khi cơ sở tính được giữ cố định, sự thay đổi của chlorogenic acids mới có thể được so sánh giữa các điểm cô đặc.

Tài liệu tham khảo

  • Correa et al. (2018), Effect of falling-film freeze concentration on bioactive compounds in aqueous coffee extract, Journal of Food Process Engineering. DOI: 10.1111/jfpe.12606.
  • Influence of drying techniques on sensory profile and chlorogenic acid content of instant coffee powders (2022), Measurement: Food, 6, 100030.
  • Mills et al. (2013), The effect of processing on chlorogenic acid content of commercially available coffee, Food Chemistry. DOI: 10.1016/j.foodchem.2013.06.014.
  • Development of an instant coffee enriched with chlorogenic acids (2016), Journal of Food Science and Technology.
← Về Cà phê cô đặcBài tiếp theo →

Chlorogenic acids are an important compound group in coffee chemistry, with caffeoylquinic acids commonly tracked by chromatography. When coffee liquid is concentrated, the first question isn't “does CGA increase or decrease” but whether you're talking about concentration or total amount. Removing water from a CGA-containing liquid can certainly increase concentration if the compound is retained.

Distinguishing increased concentration from increased chlorogenic-acid amount

In coffee, CGA composition is strongly influenced by raw material and roast level. A study on commercial coffee found CGA levels vary significantly between samples, with roast level being an important factor. So when assessing concentration, the input sample needs to be clearly defined. If two liquids come from different raw-material sources, the final difference can't be entirely attributed to the concentration process.

A scoop of ground coffee in the foreground, roasted beans behind
A scoop of ground coffee in the foreground, roasted beans behind

How can concentration change apparent content?

So a sample after concentration can show higher CGA content per unit mass while the total CGA amount in the whole stream hasn't increased. These two ways of expressing the result need to be kept separate.

Concentration usually relies on removing water, whether by vacuum evaporation or other techniques. Temperature and the liquid's residence time are two notable variables since CGA isn't a single compound and its isomers can have different stability. A low-temperature process with a very long time can still create a different effect than a high-heat, short-time process.

To distinguish the concentration effect from chemical change, you need to calculate absolute CGA amount before and after concentration. If concentration increases in proportion to the volume-reduction factor while total amount stays nearly unchanged, this can mostly be explained by concentration alone. If total amount decreases or the ratio between isomers changes, loss, decomposition, or chemical transformation needs consideration.

On what basis should chlorogenic acids be measured?

The analytical method also determines the quality of the conclusion. High-performance liquid chromatography or liquid chromatography-mass spectrometry can track 5-CQA and other CQA forms, rather than just measuring a total absorbance index. A study on commercial coffee quantified multiple CQA groups and showed 5-CQA is the dominant form in the samples surveyed. This shows “CGA” as a general term can hide meaningful differences between isomers.

During concentration, the liquid's viscosity can also increase. That changes heat and mass transfer, making operating conditions at the end of the process different from the beginning. If the equipment wall temperature is higher than the liquid's average temperature, the risk of creating overheated zones needs consideration. So residence time and heat-transfer method need to be recorded alongside chemical data.

A good research design should sample before concentration, during the process, and after concentration. Each sample needs recorded stream mass, solids content, liquid volume or mass, and each CGA concentration. From there, you can calculate a mass balance and determine whether the change comes from water loss or matter loss.

Concentration shouldn't be seen as a step that only increases CGA content per gram of product. The value of the data lies in determining how much compound is retained, which structure changes, and what effect the thermal conditions created. When concentration and total amount are clearly distinguished, the concentration process can be assessed on a more solid scientific basis.

A point worth noting is that CGA can be expressed on multiple bases: per volume of liquid, per mass of dry matter, or as absolute amount for the whole stream. If you only look at mg/L, a heavily concentrated liquid will always tend to show a higher value. So before-after studies must report at least both concentration and absolute amount.

Equipment surface temperature and residence time may not be uniform throughout the whole system. If the liquid passes through a strongly heated zone, part of the chemical change can happen locally. Position-based temperature data helps explain chemical results better than a single average batch temperature.

You also need to consider the possibility that CGA forms convert relative to each other. If total amount stays nearly stable but the ratio between 3-CQA, 4-CQA, and 5-CQA changes, reporting only total CGA misses composition information. Chromatographic methods capable of separating each form are therefore valuable for mechanistic research.

Designing a comparison to properly assess concentration effectiveness

When the goal is optimizing concentration, you shouldn't simply aim for maximum CGA retention. Conditions must simultaneously meet final concentration, energy, pumpability, and sensory quality. A liquid with excellent chemical retention but that's too thick or has major aroma loss still isn't the best solution.

Another way to check is comparing absolute chlorogenic-acid amount before and after concentration against the amount of solids recovered. If the compound amount decreases while solids are still fully recovered, that data shows you need to look for a cause beyond the concentration-driven concentration increase. This distinguishing step is necessary before attributing the change to a chemical reaction.

Some notes when reading the data

When comparing concentration conditions, you should keep the same input solids level and the same stream mass where possible. If input amounts differ, the final concentration result isn't enough to determine the process's effectiveness.

To avoid misinterpretation, the analysis should clearly state whether the sample is expressed relative to initial liquid mass, dry-matter mass, or volume. The same sample can give different numbers depending on the basis of expression. Only when the calculation basis is held fixed can the change in chlorogenic acids be compared across concentration points.

References

  • Correa et al. (2018), Effect of falling-film freeze concentration on bioactive compounds in aqueous coffee extract, Journal of Food Process Engineering. DOI: 10.1111/jfpe.12606.
  • Influence of drying techniques on sensory profile and chlorogenic acid content of instant coffee powders (2022), Measurement: Food, 6, 100030.
  • Mills et al. (2013), The effect of processing on chlorogenic acid content of commercially available coffee, Food Chemistry. DOI: 10.1016/j.foodchem.2013.06.014.
  • Development of an instant coffee enriched with chlorogenic acids (2016), Journal of Food Science and Technology.
← Back to Cà phê cô đặcNext →