TM Quân

CÀ PHÊ DECAF

(CHUYỆN LOẠI CAFEINE RA KHỎI CÀ PHÊ)



(Make it a decaf -Brendan Borrell - Nature, Vol 483)

  Trần Minh Quân chuyển ngữ

Cà phê chứa khoảng trên 2000 hợp chất hóa học, tạo cho ‘thức uống' này những hương-vị thật lôi cuốn, trong đó có caffeine, một chất tạo phấn kích và cũng là một chất diệt côn trùng thiên nhiên. Loại caffeine và giữ nguyên các hóa chất khác là một vấn đề đầy thách thức. Các nhà ‘pha chế' cà phê phải nhờ đến các chuyên viên hóa học.

      Ludwig Roselius tại Bremen (Đức) đã đăng ký phương pháp loại caffeine thương mại đầu tiên, để có bằng phát minh vào năm 1905. Nhưng cà phê do Ông làm ra, đặt tên là Kaffee HAG, đã dùng benzene trong phương cách khử caffeine, và sau đó thay bằng các hóa chất ít độc hại hơn..

     Ngày nay, các nhà sản xuất có thể ngâm hạt cà phê còn xanh, trong carbon dioxide làm lỏng dưới áp suất cao; hay ngâm hạt trong nước nóng vài giờ để loại caffeine, trước khi rang..

Vài giải thích:

Solvent decaffeination:  Phương pháp dùng các dung môi lựa chọn riêng để tách caffeine. Dung môi thường dùng là methylene chloride và ethyl acetate . Cách dùng solvent trực tiếp (hình trên) : hạt cà phê được hấp bằng hơi, rồi ngâm trong solvent để loại caffeine, hấp lại, làm khô rồi rang. Cách dùng solvent gián tiếp: hạt ngâm trong nước nóng. Nước nóng sau đó pha solvents để loại caffeine, hương vị trong nước được đưa trở lại hạt.

CO2 decaffeination: Solvent decaffeination loại được caffeine, nhưng cũng loại luôn càc chất tạo hương vị của cà phê hay các tiền chất .. Phương pháp dùng CO2 có phần ‘chọn lọc' hơn.. Ở áp suất cao, carbon dioxide hòa tan caffeine. Caffeine sau đó được loại khỏi carbon dioxide bằng cách dùng nước. Phương pháp kéo dài đến 12 giờ.

Water decaffeination:

- Phương pháp Thụy Sĩ, ngâm hạt trong nước nóng để loại caffeine và các chất tạo hương vị của hạt. Caffeine bị loại bằng cách lọc, nhưng hương vị vẫn còn trong nước.. Nước đã bão hòa hương vị, sau khi loại caffeine được dùng lại;

- Phương pháp của Pháp=French, ngâm hạt trong nước nóng 24 giờ. Lấy hạt ra, làm khô, lọc nước để loại caffeine khỏi nước. Nước không còn caffeine được thêm trở lại vào hạt đã khô, để hạt vẫn giữ được hương vị.. cà phê ?

       Những người sành uống cà phê (aficionados), cho rằng các phương pháp khử caffeine trên, làm hỏng vị của cà phê nguyên thủy, nhưng thị trường decaf hiện nay trên thế giới vẫn trị giá 2 tỷ USD/ năm.

       Các nhà nghiên cứu từ lâu, đã tìm kiếm một loại hạt, thu hoạch ngay từ cây cà phê mà không có caffein. Khám phá này, nếu tìm được, sẽ giữ được hương vị phức tạp của hạt nguyên vẹn, giúp người trồng cung ứng được nhu cầu về decaf : nhưng việc biến đổi cây gốc bằng lai tạo, đổi gen lại rất khó khăn và gặp nhiều trở ngại hơn dự kiến!

          Cây cà phê mất nhiều năm mới sinh hạt nhưng lại có thể biến đổi khi có hạt. Hơn nữa , để cây cà phê có thể mang lại lợi tức cho đồn điền trồng, hạt phải chín đồng loạt, cần có độ lớn và hình dạng đều, để có thể thu hoạch thủ công hay dùng máy..Thiếu các đặc tính trên, cây mất giá trị để có thể khai thác thương mại.

       Việc tìm ra cây cà phê không có caffeine, thành công trên giấy tờ nghiên cứu, nhưng lại chưa làm ra được giọt cà phê nào..

      Theo Rod Sharp, một chuyên viện Sinh học tế bào thực vật, đã từng thử nghiệm sản xuất cây cà phê không caffeine vào thập niên 1980s tại DNA Plant Technology ở Cinnaminson, New Jersey, thì: “Các nghiên cứu căn bản, hàn lâm, thường cho thấy là không thể ứng dụng được vào việc sản xuất nông nghiệp; Nghiên cứu thường kém thực tế, chúng tôi nhảy mừng mỗi khi tìm thấy một vấn đề ‘mới' nhưng sau đó mới nhận ra là không thể đem ra áp dụng khai thác thương mại!” Thất bại nhưng Sharp vẫn tin tưởng..'sẽ có một ngày' , ‘It will happen".

Trường hợp khám phá của Paulo Mazzafera, ĐH Campinas Brazil là một ví dụ điển hình: Cuối năm 2003, Mazzafera đã tìm thấy một mẫu lá cà phê trong 95 mẫu thử nghiệm, sau khi xác định lại bằng nhiều thí nghiệm, chắc chắn lá này từ một cây cà phê .. không có caffeine; nhưng cho đến nay, chủng cà phê này vẫn chưa thể trồng được.. đại trà!

   Hai chủng cà phê chiếm hữu thị trường ngày nay là:

Coffea arabica, hạt cà phê vị ngon hơn, thích hợp với khí hậu mát-lạnh.

Coffea canephora, thường biết là robusta, dùng làm cà phê tan liền (instant) và các cà phê pha trộn, phẩm chất kém hơn..

      Hàm lượng caffeine chiếm khoảng 1.2% trong các thương phẩm C. arabica và khoảng 2-3% trong C. canephora.. và đây là yếu tố gây ‘nghiền' cà-phê trên toàn thế giới. Nhưng lại có một số người, dị ứng, hay không chịu được caffeine đã ‘không hưởng được cái thú uống cà phê'!

     Nhà nông nghiệp Gabriel Bertrand, của Viện Pasteur Paris, đã tìm được những chủng cà phê, không chứa caffeine từ 1901 tại các đồn điền trồng cà phê tại Đảo Grande Comore (Madagascar).

    Trên thực tế, có đến gần trăm chủng Coffee, có thể không chứa hoặc chứa rất ít (0.6-1%) caffeine,và hạt cà phê cũng đã được đưa ra thị trường tiêu thụ (kể cả một loại cà phê Ý do Công ty Ily sản xuất). Nhưng vấn đề trở ngại lớn là cây cà-phê thuộc các chủng này, không cho nhiều hạt và hạt lại có nhiều chất đắng hơn..

     Các nhà nông nghiệp vẫn còn đang tìm cách biến chủng các loài này..

Cà phê và .. mơ ước!

        Mazzafera đã thử tìm một chủng cây cà phê không caffeine, từ 1983 tại Agronomical Institute of Campinas (IAC), môt trạm nghiên cứu nông nghiệp xây dựng cả trăm năm trước tại một vùng đồi phía Tây-Bắc Sao Paulo. Ông được hướng dẫn theo học cùng Nhà phối giống cây tiên khởi, Alcides Carvalho, người đã lập ra bộ sưu tập giống cà-phê của IAC, hiện lên tới trên 70 ngàn cây, tiêu biểu cho trên 1000 chủng loại gồm cây hoang, cây phối giống, cây lai tạo, biến chủng và cây nuôi trồng trên toàn thế giới.

       Mazzafera khởi đầu thí nghiệm với một quang phổ kế cũ của Trưởng để đo hàm lượng caffeine, từng cây một; Đến 1987, khi Ông nhận được một vị trí giảng dạy tại ĐH Campinas và thiết đặt được một hệ thống sắc ký dạng lỏng hiệu suất cao tại Phòng thí nghiệm, để phân chất các mẫu thử nhanh và chính xác hơn.

     Và cũng trong giai đoạn này, các nhà khoa học đã xác định được tiến trình ‘4-bước' của việc tổng hợp caffeine trong C. arabica.



   Tiến trình ‘4 bước' tổng hợp caffeine trong cây cà phê

     Mazzafera chuyển sang nghiên cứu về cơ chế sản xuất caffeine trong cây và tìm ra diễn biến này trong 7 chủng cà phê, hy vọng có thể tìm được một ‘trục trặc' nào đó, trong diễn biến có thể khiến hàm lượng caffeine trong cây bị giảm xuống. Ông và Carvalho, tìm cách lai giống các chủng cà phê thương mại với chủng hoang (không phải là arabica) chứa ít caffeine nhưng lại không thể loại được caffeine trong hạt cây lai tạo nếu muốn hạt còn giữ lại được các ưu điểm khác, muốn có từ arabica..



   Lai tạo và Sinh sản

        Năm 2000, Mazzafera hợp với Silvarolla, một nhà phối giống cà phê tại IAC, chuyển mục tiêu, chú trọng vào một nhóm C. arabica, sưu tập được trong chuyến nghiên cứu của Liên Hiệp Quốc, năm 1964, tìm hiểu về cà phê hoang tại Eritrea và Ethiopia. 620 mẫu hạt giống thu thập được, chia thành từng nhóm và đem về trồng thử, tại nhiều nơi trên thế giới, trong đó có Costa Rica. Sau đó 308 cây thuộc dòng dõi ‘costa-rica' này được đem về trồng tại Brazil. Mazzafera tin rằng có thể sẽ dễ dàng hơn khi sản xuất loại cà phê thương mại, khởi đầu từ C. arabia, gốc Ethiopia hơn là lai tạo với các chủng khác? Chính từ nhóm cây sưu tập này mà Ông đã tìm ra một chủng đặc biệt vào năm 2003, cùng với 2 cây khác trong nhóm này. Sau khi xác định là do từ mẫu lá thử nghiệm, cây gốc cho hạt không chứa caffeine, ông tiếp tục khám phá thêm được là cây cà-phê gốc này có một ‘khiếm khuyết sinh học’ vào giai đoạn cuối cùng khi chuyển theobromine thành caffeine (theobromine cũng là một chất gây hưng phấn nhẹ, và thêm lợi tiểu). Chính phủ Brazil đã giúp tài trợ cho nhóm nghiên cứu 1.2 triệu USD cùng điều kiện là giữ kín ‘vị trí' của cây cà phê gốc này; và có thể đã cho trồng thử chủng cà phê này.. trong vài năm sau, hoàn toàn trong bí mật?





Biến đổi hạt cà phê?

      Các phát triển của Kỹ thuật di truyền đã khiến nhiều nhà nghiên cứu tìm cách làm hạt decaf bằng ‘nối' (splicing) genes được chọn vào hạt cây cũng tuyển chọn. Nhưng cây cà phê lại không chịu hợp tác với cách ‘mò mẫm (tinkering) này!

     Năm 1992, Nhà di truyền học John Stiles của ĐH Hawaii (Honolulu) muốn dùng kỹ thuật ‘antisense': ‘một gen được ‘chèn' (inserted) vào một cây để gây giảm sản xuất một protein (mục tiêu muốn nhắm)’(Kỹ thuật này đã được dùng để sản xuất loại cà chua Flavr Savr, cà chua chuyển gen (GMO) đầu tiên được chuẩn thuận để tiêu thụ cho người). Mục tiêu của Stiles là nhằm vào một protein trong tiến trình tổng hợp caffeine!

Nhưng các khó khăn diễn ra ngay lập tức: Tạo ra một cây, thay đổi gen, cần cấy một nhóm tế bào thực vật trên một môi trường thạch agar có nhiều dưỡng chất, chèn một gen lựa chọn vào các tế bào đang cấy và 'dụ' cho các mô tế bào phát triển thành một cây thật sự! Với C. arabica, lại không..dẫn dụ được  và chưa tìm được lý do ‘bí ẩn' này.



         Biến đổi gene và Gây đột biến

        Tiếp tục nghiên cứu trong 7 năm, Stiles và các cộng sự viên tìm mọi cách vượt chướng ngại và tạo được những cây cà phê cho hạt chứa ít caffeine.. Phấn khởi với thành công (!), tháng 8-1999, Stiles tuyên bố với The Wall Street Journal, ông sẽ thử trồng các cây này tại Hawaii và sau đó đưa về trồng tại Mexico..

         Nhưng các cây cà phê này lại không chịu hợp tác theo ý của Stiles!.. Khi cây tăng trưởng, lượng caffeine cũng tăng theo! Nhóm nghiên cứu đành giải tán, Stiles cũng rời Viện ĐH Hawaii, lập một phòng thí nghiệm tư tại Walalua.. Và sau các ‘rắc rối' với Chính quyền địa phương cùng các khó khăn về luật lệ thử nghiệm GMO, theo các quy định của Chính quyền.. Nghiên cứu và đầu tư của Stiles đành chấm dứt! Nhiều nhà nghiên cứu về cà phê nghi ngờ về sự thực của cây cà phê cho hạt ít caffeine của Stiles.

      Nhóm nghiên cứu Nhật của Shinjiro Ogita, tại Phòng thí nghiệm Hiroshi Sano (Narita Institute of Science and Technology-Nhật) cũng không đi được xa hơn! Năm 2001, Ogita bắt đầu nghiên cứu nhắm vào một enzyme trong tiến trình tạo caffeine (enzyme này được tìm ra trước đó khi nghiên cứu về trà). Nhóm Ogita dùng kỹ thuật gây mất hoạt động gen (gene-silencing), gọi là ‘can thiệp vào RNA (RNA interfering), thực hiện trên C. robusta, hy vọng là việc cấy mô sẽ dễ dàng hơn?.. Nhưng không như dự đoán!

          Một số ít tế bào chịu nhận DNA kỹ thuật hóa. Ogita chỉ thu hồi được đủ số lương để tạo được 35 hạt giống transgenic!. Khi đem gieo trồng thử, dùng vài lá, Ogita tìm thấy lượng caffein giảm được 70% so với cây đối chứng. Ogita đã mở champagne ăn mừng kết quả, công bố kết quả trên các tạp chí khoa học nổi tiếng (như Nature). Sau đó Ogita áp dụng các kết quả nghiên cứu vào C. arabica nhưng cây trồng lại không cho hạt!

(Enzyme này là caffeine synthase xúc tác cho các phản ứng 1-N- và 3-N-methylation củ mono-hoặc di-methylxanthines).

   Hiện nay, Ogita còn lưu trữ khoảng 40 cây cà phê transgenic tại Toyama Prefectural University.. Mỗi năm, Ogita cho biết, bộ phận cái của cây transgenic ( pistil=nhụy cái), phát triển và chín, nhưng lại tự hủy một tuần trước khi phấn hoa (stamens) sẵn sàng?

       Các chuyên gia về cà phê cho rằng dù Ogita vượt được các khó khăn trong việc phát triển cây, việc đưa cây cà phê transgenic, hạt chứa ít caffeine vào thị trường.. còn rất lâu mới có thể xảy ra?

         Một chướng ngại lớn khác, theo Nhà sinh hóa Alan Crozier, tại University of Glasgow (Anh) thì.. vẫn còn có vài con đường ‘hẻm' trong tiến trình tổng hợp caffeine.. nên hạt cây cà phê transgenic không thể loại trừ hết hẳn được caffeine! Thuyết phục được giới tiêu thụ chịu xài cà phê GMO cũng là vấn đề cần chú ý. Các đại công ty nông nghiệp như Montesanto luôn đặt ưu tiên cho chủ trương thương mại hóa các kỹ thuật có thể ứng dụng trong nông nghiệp như các lĩnh vực thuốc trừ sâu, diệt cỏ, an toàn cho người tiêu thụ.. hơn là đầu tư vào việc phát triển những cây công nghiệp mang một số đặc tính riêng dành cho một số người tiêu dùng như cây ít caffeine hay cây nhiều chất antioxidants. Tìm ra một Công ty chịu bỏ vốn đầu tư lâu dài là cả một vấn đề..

Chọn chủng cây?

           Các khó khăn và chướng ngại khó vượt trong việc ‘tạo' một cây cà phê chuyển gen để cho hạt không caffeine, đã đưa đến một phương thức hấp dẫn hơn, là tìm và trồng các chủng cà phê thiên nhiên, mọc hoang tại Ethiopia?

        Nhưng phối hợp được các đặc tính muốn có, vào một chủng cà phê để có thể khai thác thương mại, lại đòi hỏi yếu tố thời gian, kéo dài hơn như Mazzafera và Silvarolla tính toán.

      Vào mùa cây cà phê trổ bông, Silvarolla suốt ngày tại đồn điền, cắt từng nhị đực mang phấn hoa khỏi bông, và thu nhặt nhụy cái riêng , để có thể cho thụ phấn nhân tạo sau; Mỗi ngày Bà có thể ‘tạo' được khoảng 800 cây!..

      Hạt do các cây này sản xuất có vị ngon, theo thẩm định của một Hội đồng đánh giá vị, chuyên nếm cà phê tại IAC; nhưng cây lại có khuynh hướng mọc thành bụi và không trổ bông đồng loạt. Toán nghiên cứu xoay qua việc phối giống các cây ‘không - caffeine’ sản lượng thấp; Việc cứ tưởng là dễ.. nhưng kết quả khác xa mong muốn! Caffeine là một chất chống sâu bọ tự nhiên của cây để chống bị côn trùng phá hoại, nay cây bị loại caffeine, để tự vệ, cây phải sản xuất thêm các hợp chất đắng để chống côn trùng!

Từ 2004, IAC kiểm soát chương trình và Mazzafera không còn cộng tác với IAC..

Sau nhiều năm không kết quả, chương trình tìm ‘chủng cây' vẫn còn được tiếp tục:

Nhà di truyền học Benoit Bertrand của Centre National de Recherche Agricole et Développement, Montpellier (Pháp) tìm kiếm lại trong các mẫu cây cà phê sưu tập và tồn trữ tại Trung Tâm..

Chuyên gia nông nghiệp Chifumi Nagai của Hawaii Research Center, Waipahu làm việc tại Madagascar, phối hợp với Công ty Sản xuất cà phê Nhật UCC Ueshima để tạo ra cây cà-phê phối 3 chủng (three-hybrid) cho hạt có vị ngon, sản lượng trung bình và chỉ chứa 0.37% caffeine. Thành quả vẫn gặp khó khăn với các vấn đề tiếp liệu tại Madagascar (hiện nay vẫn chưa đủ cho các chủng cà phê C. arabica thường, dễ trống và thu hoạch..

Mazzafera, vẫn chưa bỏ cuộc, trại trồng cà phê của Ông tại Campinas vẫn còn nuôi trồng hàng trăm cây cà phê đủ chủng loại, sản xuất ra các hạt mà Ông cho là có thể có loại không chứa caffeine? Năm 2006, thất vọng vì không thể tiếp tục nghiên cứu về cà phê Ethiopia, Mazzafera đưa ra kế hoạch mới: Lấy hạt giống từ một chủng C. arabica, ngâm trong dung dịch hóa chất hỗn hợp, tạo biến chủng.. và sau đó đo lượng caffeine trong số 28 ngàn cây-gieo.. Sau thời gian tìm kiếm, ông tìm được 7 cây cho hạt chỉ có 2% caffeine ..Ông đăng ký các cây này với tên Decaffito.. Khó khăn vẫn còn vì các cây này lại vẫn có thể ‘thụ phấn chéo' và hạt tạo ra lại chứa lượng cà phê tăng cao .

Ghi thêm của TMQ:

Hiện có 3 chủng trồng (varietals) trên thị trường, có tiềm năng khai thác thương mại cho hạt chứa caffeine thấp:

- Coffea lancifolia từ Cameroon, Gabon, Madagascar; hạt chứa 0.20-0.80% caffeine.

- Coffea racemosa từ Nam Phi và Zimbabwe, hạt chứa 0.38% caffeine.

- Arabica Laurina từ Trung Mỹ và Brazil.., 0.4-0.75% caffeine

- Cà phê thiên nhiên chứa ít caffeine và Cà phê Decaf:

          Cà phê decaf không phải là hoàn toàn không có caffeine.. vẫn còn một lượng nhỏ caffeine khoảng 0.1 đến 1.5% caffeine, tùy theo hạt cà phê được chọn theo điều kiện nuôi trồng và tiến trình loại caffeine..

         Cà phê decaf có thể là một lựa chọn tốt cho những người không muốn dùng caffeine trong thức uống hàng ngày, vì cà phê decaf cung cấp nhiều hương vị và một số chất không khác xa lắm với cà phê bình thường.. Cà phê decaf có những khoáng chất như magnesium, potassium, riboflavin, niacin và vitamin E..

  Trần Minh Quân 2/2024