去除咖啡因的同时保留风味化学家解释脱咖啡因咖啡背后的化学原理

对于许多人来说，新鲜煮好的咖啡的香气是美好一天的开始。但咖啡因可能会导致其他人头痛和紧张。这就是为什么许多人选择喝不含咖啡因的咖啡。

我是一名化学教授，曾讲授过有关化学物质为何能溶解于某些液体而不溶解于其他液体的课程。脱咖啡因的过程为这些化学概念提供了极好的真实例子。然而，即使是最好的脱咖啡因方法也无法去除所有的咖啡因——一杯8盎司的咖啡中通常会残留约7毫克的咖啡因。

生产商在去除咖啡因时，希望去除咖啡因，同时保留所有(或至少大部分)其他化学香气和风味化合物。脱咖啡因的历史悠久，现在几乎所有咖啡生产商都使用三种常用方法之一。

所有这些方法也用于制作脱咖啡因茶，它们都从预先润湿的绿咖啡豆或未烘焙的咖啡豆开始。使用烘焙过的咖啡豆会使咖啡的香气和味道截然不同，因为脱咖啡因步骤会去除烘焙过程中产生的一些味道和气味化合物。

二氧化碳法

在20世纪70年代早期开发的一种相对较新的二氧化碳萃取法中，生产商使用高压二氧化碳从湿润的咖啡豆中提取咖啡因。他们将二氧化碳泵入装有湿润咖啡豆的密封容器中，咖啡因分子溶解在二氧化碳中。

将含有咖啡因的二氧化碳从咖啡豆中分离出来后，生产商将二氧化碳混合物通过盛有水的容器或活性炭床。活性炭是经过高温加热并暴露于蒸汽和氧气的碳，从而在碳中形成孔隙。此步骤会过滤掉咖啡因，很可能还会过滤掉其他化学化合物，其中一些化合物会影响咖啡的味道。

这些化合物要么与活性炭的孔隙结合，要么留在水中。生产商使用热量干燥脱咖啡因的咖啡豆。在高温下，任何剩余的二氧化碳都会蒸发。然后生产商可以重新加压并重复使用相同的二氧化碳。

这种方法可以去除96%到98%的咖啡因，并且最终得到的咖啡只含有极少量的二氧化碳残留物。

这种方法需要昂贵的设备来制造和处理二氧化碳，被广泛用于去除商业级或超市咖啡中的咖啡因。

瑞士水处理工艺

瑞士水法最初于20世纪80年代初投入商业使用，该法使用热水去除咖啡中的咖啡因。

首先，生产商将一批绿咖啡豆浸泡在热水中，以从咖啡豆中提取咖啡因和其他化学化合物。

这有点像你冲泡烘焙咖啡豆时发生的情况——你把深色的咖啡豆放入清水中，导致咖啡呈深色的化学物质就会从咖啡豆中渗出到水中。同样，热水也会从尚未脱咖啡因的咖啡豆中吸收咖啡因。

在浸泡过程中，咖啡豆中的咖啡因浓度高于水中的咖啡因浓度，因此咖啡因会从咖啡豆中转移到水中。然后，生产商将咖啡豆从水中取出，放入不含咖啡因的淡水中——如此反复，更多的咖啡因会从咖啡豆中转移到水中。生产商重复此过程，最多10次，直到咖啡豆中几乎没有咖啡因残留。

过滤后的水中含有咖啡因和从咖啡豆中溶解出来的任何风味化合物，然后经过活性炭过滤器。活性炭过滤器可以捕获咖啡因和其他类似大小的化合物，例如糖和称为多胺的有机化合物，同时允许大多数其他化合物留在过滤后的水中。

然后，生产商使用过滤后的水(饱和风味但不含大部分咖啡因)来浸泡新一批咖啡豆。此步骤可使浸泡过程中丢失的风味化合物重新进入咖啡豆中。

该动画展示了瑞士水处理过程的步骤。

瑞士水处理法因其不含化学物质且能够保留大部分咖啡的天然风味而备受推崇。事实证明，这种方法可以去除94%至96%的咖啡因。

基于溶剂的方法

这种传统且最常见的方法最早出现于20世纪初，它使用有机溶剂，即溶解咖啡因等有机化合物的液体。乙酸乙酯和二氯甲烷是两种常用的溶剂，用于从生咖啡豆中提取咖啡因。主要有两种基于溶剂的方法。

在直接法中，生产商将湿豆直接浸泡在溶剂中或含有溶剂的水溶液中。

溶剂从咖啡豆中萃取出大部分咖啡因和其他溶解度与咖啡因相似的化合物。大约10小时后，生产商将咖啡豆从溶剂中取出并干燥。

在间接法中，生产商将咖啡豆浸泡在热水中几个小时，然后将其取出。然后他们用溶剂处理水以去除水中的咖啡因。二氯甲烷是最常见的溶剂，它不溶于水，因此会在水面上形成一层。咖啡因在二氯甲烷中的溶解性比在水中更好，因此大部分咖啡因都留在二氯甲烷层中，生产商可以将其与水分离。

与瑞士水法一样，生产商可以重复使用“不含咖啡因”的水，这可能会恢复第一步中去除的一些风味化合物。

这些方法可以去除大约96%到97%的咖啡因。

脱咖啡因咖啡可以安全饮用吗?

乙酸乙酯是一种常见溶剂，天然存在于许多食品和饮料中。美国食品和药物管理局认为它是一种安全的脱咖啡因化学品。

美国食品药品监督管理局和职业安全与健康管理局认为，摄入二氯甲烷的浓度如果超过每公斤体重10毫克，就是不安全的。然而，烘焙咖啡豆中残留的二氯甲烷含量非常少——大约每公斤2到3毫克。这远低于美国食品药品监督管理局的限制。

OSHA及其欧洲同行制定了严格的工作场所规则，以尽量减少参与脱咖啡因过程的工人接触二氯甲烷的量。

生产商使用二氯甲烷去除咖啡豆中的咖啡因后，会将咖啡豆蒸干。然后，咖啡豆会在高温下烘焙。在蒸干和烘焙过程中，咖啡豆会变得非常热，残留的二氯甲烷会蒸发掉。烘焙步骤还会将化学物质分解成其他化合物，从而产生新的风味化学物质。这些化学物质赋予咖啡独特的风味。

此外，大多数人在190°F至212°F之间的温度下冲泡咖啡，这也是二氯甲烷蒸发的另一个机会。

保留香气和味道

从化学角度来说，只溶解咖啡因而不溶解咖啡豆中的其他化学化合物是不可能的，因此脱咖啡因过程不可避免地会去除一些有助于咖啡香气和味道的其他化合物。

但有些技术，如瑞士水处理法和间接溶剂法，有一些步骤可能会重新引入一些提取的化合物。这些方法可能无法将所有额外的化合物重新注入咖啡豆中，但它们可能会重新添加一些风味化合物。

通过这些流程，您可以喝到一杯不含咖啡因的美味咖啡——除非服务员不小心调换了咖啡壶。