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カフェイン除去とは、コーヒー豆、ココア、茶葉、その他のカフェイン含有物質からカフェインを除去することです。カフェイン除去された製品は、一般的に「デカフェ」という略語で呼ばれます。製品の品質を確保するため、製造業者はカフェイン除去されたコーヒー豆を検査し、カフェイン濃度が比較的低いことを確認する必要があります。米国FDAの基準では、カフェイン含有量を少なくとも97%削減する必要があります。[ 1 ] 2006年の研究では、カフェイン除去された飲料には通常、元のカフェイン含有量の1～2%が含まれていますが、場合によっては20%にも達することがわかりました。[ 2 ]
フリードリープ・フェルディナント・ルンゲは、ドイツの詩人ゲーテがベラドンナ抽出物に関する彼の研究を聞き、コーヒー豆の分析を依頼したことを受けて、1820年にコーヒー豆からカフェインを初めて分離した。[ 3 ]ルンゲは化合物を分離することには成功したが、カフェイン自体の化学的性質についてはあまり学ばず、また、このプロセスを商業的に利用してカフェイン抜きのコーヒーを生産しようともしなかった。
コーヒーのカフェイン除去にはさまざまな方法が用いられます。これらの方法は焙煎前に行われ、ジクロロメタンや酢酸エチルなどの有機溶媒、超臨界CO2 、または水を用いて豆からカフェインを抽出し、風味の前駆体はできるだけ元の状態に近い形で残します。[ 4 ]
商業的に成功した最初の脱カフェイン法は、1903年にドイツの商人ルートヴィヒ・ロゼリウスとその同僚によって発明されました。ロゼリウスは、海水に偶然浸かったコーヒー豆の出荷分が、風味をほとんど損なうことなくカフェイン含有量のほとんどを失ったことに気づいたのです。[ 5 ] [ 6 ]この方法は1906年に特許を取得し、コーヒー豆をさまざまな酸または塩基で蒸し、ベンゼンを溶剤として使用してカフェインを除去するものでした。[ 7 ] [ 8 ]このように脱カフェインされたコーヒーは、ヨーロッパのほとんどの地域ではKaffee Handels-Aktien-Gesellschaft （コーヒー貿易会社）という会社名にちなんでKaffee HAGとして、フランスではCafé Sankaとして、後に米国ではSankaブランドのコーヒーとして販売されました。Café HAGとSankaは現在、 Kraft Foodsの世界的なブランドです。
ロゼリウスが最初に開発した方法と同様の方法が引き続き主流であり、直接有機溶媒法として知られることもあります。しかし、ベンゼン（今日では発がん性物質として認識されている）に関する健康上の懸念から[ 9 ] 、ジクロロメタンや酢酸エチルなどの他の溶媒が現在使用されています[ 10 ] 。焙煎されていない（生の）豆は、まず蒸され、次にカフェインを抽出する溶媒で洗浄されますが、他の成分はほとんど影響を受けません。このプロセスは、カフェイン含有量が要求基準を満たすまで8～12回繰り返されます（米国基準ではカフェインの97%が除去され、EU基準では質量で99.9%カフェインフリー）。[ 4 ]
ロゼリウス法のもう一つのバリエーションは、間接有機溶媒法です。この方法では、豆を直接処理するのではなく、まず豆を数時間熱湯に浸し、その後取り出します。残った水は、溶媒（例えばジクロロメタンや酢酸エチル）で処理され、水からカフェインが抽出されます。他の方法と同様に、カフェインは単純な蒸発によって有機溶媒から分離できます。同じ水は、新しい豆のバッチとともにこの2段階のプロセスで再利用されます。数回のサイクルの後、平衡状態に達し、水と豆はカフェインを除いて同様の組成になります。この時点以降、豆から除去されるのはカフェインだけなので、コーヒーの濃度やその他の風味は失われません。[ 11 ]このプロセスの最初の段階で水が使用されるため、間接法によるカフェイン除去は「水処理」と呼ばれることもあります。この方法は1941年に初めて言及され、科学者たちは有機溶剤の使用を回避する方法で水からカフェインを除去する方法を見つけることで、このプロセスをより「自然」で真の水ベースのプロセスにするために多大な努力を払ってきた。[ 12 ]
コーヒーからカフェインを除去する別の方法として、スイスウォーター法があります。この方法では有機溶剤は使用せず、水のみを使用して豆からカフェインを除去します。これは1933年にスイスで初めて開発された技術で、1980年にCoffex SAによって商業化されました。[ 6 ]スイスウォーター法はその後、1988年にブリティッシュコロンビア州バーナビーのThe Swiss Water Decaffeinated Coffee Companyによって導入されました。 [ 13 ]
このプロセスでは、カフェイン抽出メカニズムにグリーンコーヒー抽出物（GCE）を使用します。グリーンコーヒー抽出物は、グリーンコーヒー豆を熱湯に浸し、活性炭フィルターでろ過してカフェイン分子を除去することで得られる、カフェイン以外のグリーンコーヒーの水溶性成分を含む溶液です。 [ 6 ]カフェインと他の成分の両方を含む新鮮な豆をGCE溶液に加えると、GCE（カフェインが少ない）とグリーンコーヒー（カフェインが多い）の間の圧力勾配差により、カフェイン分子がグリーンコーヒーからGCEに移動します。[ 14 ] GCEはグリーンコーヒーの他の水溶性成分で飽和しているため、カフェイン分子のみがGCEに移動し、他の水溶性コーヒー成分はグリーンコーヒーに残ります。新たにカフェインが豊富なGCE溶液を活性炭フィルターに通して再びカフェインを除去し、このプロセスを繰り返します。連続バッチ処理では、最終的な残留脱カフェイン目標を達成するのに8～10時間かかります。[ 15 ]
食品エンジニアのトルン・アテラス・ガリンもコーヒーからカフェインを除去するプロセスを開発した。[ 16 ] [ 17 ]
この工程では、生のコーヒー豆を熱湯とコーヒーの溶液に浸し、カフェインを豆の表面に引き出します。次に、豆を別の容器に移し、使用済みのコーヒーかすから抽出したコーヒーオイルに浸して、しばらく置いておきます。
数時間にわたる高温処理の後、油に含まれるトリグリセリドが豆からカフェインを除去しますが、風味成分は残ります。豆は油から分離され、乾燥されます。油からカフェインが除去され、油は別の豆の脱カフェイン処理に再利用されます。これは直接接触式の脱カフェイン処理法です。
食品科学者は、カフェイン除去の手段として超臨界二酸化炭素（sCO 2）にも注目している。マックス・プランク研究所の科学者クルト・ゾーゼルによって開発されたこの方法は、CO 2（二酸化炭素）を臨界点以上に加熱・加圧してカフェインを抽出する。[ 6 ]生のコーヒー豆を蒸してから高圧容器に入れる。水とCO 2の混合物を300気圧、65 ℃（149 °F）で容器内を循環させる。この圧力と温度では、CO 2は超臨界流体であり、気体と液体の中間の性質を持つ。カフェインはCO 2に溶解するが、抽出したコーヒーの風味に寄与する化合物はCO 2にはほとんど溶解せず、豆の中に残る。別の容器で、追加の水でカフェインをCO 2から除去する。その後、CO 2は圧力容器に再循環される。[ 4 ] [ 18 ]
1979年の分析によると、コーヒーのカフェイン含有量は、淹れ方によって以下のように異なります。[ 19 ]
製品の品質を確保するため、製造業者はカフェイン除去したばかりのコーヒー豆を検査し、カフェイン濃度が比較的低いことを確認する必要があります。米国基準では、カフェイン含有量を少なくとも97%削減する必要があります。[ 1 ]カナダでは、カフェイン除去コーヒーには0.1%未満、カフェイン除去インスタントコーヒーには0.3%未満のカフェインが含まれています。[ 20 ]多くのコーヒー会社は、高速液体クロマトグラフィー（HPLC）を使用して、コーヒー豆に残っているカフェインの量を測定しています。しかし、HPLCは非常に高価になる可能性があるため、一部のコーヒー会社は近赤外（NIR）分光法などの他の方法を使用し始めています。[ 21 ] HPLCは非常に正確ですが、NIR分光法ははるかに速く、安価で、全体的に使いやすいです。最後に、残存カフェインを測定するために一般的に使用される別の方法として、紫外可視分光法があります。これは、 CO2がUV-Vis領域で吸収しないため、超臨界CO2を含む脱カフェインプロセスに有効です。 [ 22 ]
2006年にフロリダ州立大学で行われた、コーヒーショップで用意されたカフェインレスコーヒー10サンプルを対象とした対照研究では、カフェインがいくらか残っていることが示されました。 [ 2 ]このようなカフェインレスコーヒー14～20杯には、通常のコーヒー1杯と同じ量のカフェインが含まれています。[ 2 ] 473ml（16オンス）のコーヒーサンプルには、8.6mg から13.9mgの範囲のカフェインが含まれていました。 人気のデカフェコーヒーブランドの別の研究では、カフェイン含有量は3mgから 32mgまで変動しました 。[ 23 ]対照的に、237ml（8オンス）の通常のコーヒーには95～200mg のカフェインが含まれており、[ 24 ] 355ml（12オンス）のコカ・コーラには36mgのカフェインが含まれています 。[ 25 ]
2009年現在、カフェインを含まないコーヒー豆の栽培に向けた進歩は依然として続いています。「デカフィート」という用語はこの種のコーヒーを表すために作られ、ブラジルで商標登録されています。[ 26 ]
2004年に報告された、カフェインを自然に含まないコーヒー品種Coffea charrierianaの発見により、デカフェタイプのコーヒーの可能性が示されました。この品種はカフェイン合成酵素遺伝子が欠損しているため、テオブロミンをカフェインに変換する代わりに蓄積します。 [ 27 ]この特性は、 C. charrierianaと交配することで他のコーヒー植物に導入することも、通常のコーヒー植物のカフェイン合成酵素遺伝子をノックアウトすることで同等の効果を得ることもできます。[ 28 ]
お茶は、上記で説明した直接法や CO 2法と同様のプロセスを使用して、カフェインを除去することもできます。緑茶の葉から紅茶や烏龍茶の葉を作るために茶葉を酸化しても、お茶のカフェイン量には影響しませんが、茶の亜種 ( Camellia sinensis sinensisとCamellia sinensis assamicaなど) によって天然のカフェイン含有量が異なる場合があります。若い葉や芽は、古い葉や茎よりも重量あたりのカフェイン含有量が多くなります。CO 2法は便利で、爆発性がなく、無毒であるため好ましいですが、 [ 29 ]超臨界二酸化炭素を使用して通常の緑茶とカフェイン除去した緑茶を比較すると、ほとんどの揮発性で非極性の化合物(リナロールやフェニルアセトアルデヒドなど)、緑や花の香りの化合物 (ヘキサナールや ( E )-2-ヘキセナールなど)、およびいくつかの未知の化合物がカフェイン除去後に消失または減少することが示されました。[ 30 ] [ 31 ]
CO 2プロセス抽出に加えて、お茶は熱湯処理によってもカフェイン除去できます。最適な条件は、水温、抽出時間、茶葉と水の比率を制御することによって満たされます。100 °C 以上の温度、3 分間の適度な抽出時間、および重量/体積比 1:20 の茶葉と水の比率により、カフェイン含有量の 83% が除去され、総カテキンの 95% が保持されました。[ 32 ]フラバノールの一種であるカテキンは、お茶の風味に寄与し、癌につながる可能性のある変異原の抑制を高めることが示されています。[ 33 ]
コーヒーと紅茶の両方に渋味の原因となるタンニンが含まれていますが、紅茶のタンニン含有量はコーヒーの約3分の1です。[ 34 ]そのため、紅茶のカフェイン除去では、この風味を維持するために、コーヒーのカフェイン除去よりもタンニン含有量を維持することに注意が必要です。タンニンを保持することは、その風味のためだけでなく、抗発がん性、抗変異原性、抗酸化性、抗菌性があることが示されているため望ましいです。具体的には、タンニンは血液凝固を促進し、血圧を下げ、血清脂質レベルを低下させ、免疫応答を調節します。[ 35 ]
通常の製造工程における特定のプロセスは、カフェイン含有量を直接的に減少させたり、抽出時のカフェイン放出速度を低下させたりするのに役立つ場合があります。中国では、これは多くの加熱処理されたプーアル茶や、より強く焙煎された武夷山烏龍茶（一般的に「中火」または「強火」と呼ばれる）に顕著に見られます。
一般的に認められている統計では、普通の紅茶（または赤茶）1杯には40～50mg のカフェインが含まれており、これはコーヒー1杯の約半分の量である。[ 36 ]
短時間（30～60秒）の浸出液を捨てる一般的な手法[ 37 ]は、風味を多少損なう代わりに、その後の抽出液のカフェイン含有量を大幅に減らすと考えられているが、研究によると、5分間の浸出でカフェインの最大70%が抽出され、2回目の浸出では1回目の3分の1のカフェイン（茶葉に含まれる総カフェインの約23%）が含まれる[ 38 ] 。