A cafeína é um dos ingredientes dietéticos mais consumidos em todo o mundo. Na última década, o mercado de bebidas com cafeína aumentou com a introdução de bebidas funcionais, incluindo a categoria de bebidas energéticas, bem como outras bebidas com cafeína, como as esportivas, sucos e águas. Além dessas bebidas, a cafeína também é encontrada no cacau, chocolate e em suplementos dietéticos.

A natureza oferece mais de 63 espécies de plantas contendo cafeína; contudo, as principais fontes vegetais de cafeína visando a sua comercialização, são o café (Coffea sp.), o chá verde (Camilla sinensis), o guaraná (Paullinia cupana), o cacau (Theobroma cocoa) e a erva-mate (Ilex paraguayensis).

Dependendo da espécie do grão de café, o conteúdo de cafeína nas sementes do cafeeiro em Coffea Arabica, pode chegar a 12g/kg; e em C. Canephora a 22g/kg. Comercialmente, a ANVISA prevê o mínimo de 0,7% de cafeína, em massa para pó homogêneo, fino ou grosso, ou grãos inteiros torrados, e o máximo de 0,1% de cafeína para o produto descafeinado, em massa, e o mínimo de 2,0% m/m de cafeína para café solúvel.

Já as folhas de chá verde contém teores normalmente compreendidos entre 2,5% e 5,5% do extrato seco, sendo estes de impacto no sabor do chá. A parte da planta que possui maior conteúdo de cafeína é o gomo terminal e a primeira folha. A quantidade de cafeína presente no chá é proporcional ao tamanho da folha e ao seu tempo de infusão em solvente aquoso, quanto menor a folha, maior a quantidade de cafeína e quanto maior o tempo de infusão em água do chá verde, maior a concentração de cafeína. Comercialmente, a ANVISA prevê a quantidade mínima de cafeína em 1,5% m/m.

Entre as espécies produtoras de cafeína, o guaraná apresenta teor de aproximadamente 3,25% a 6,98%, dependendo da parte da planta utilizada na extração de cafeína. No tegumento, o teor pode variar de 1,88% a 2,7%, enquanto na amêndoa é de cerca de 2,7% a 5,59%. Comercialmente, a ANVISA prevê a quantidade de cafeína como sendo o mínimo de 3,0% m/m.

A semente de cacau possui teor de aproximadamente 0,8% de cafeína. Comercialmente, a ANVISA prevê a quantidade de cafeína como sendo de 1% a 4% m/m para pasta de cacau, cacau em pó, pó parcialmente solúvel e desengordurado.

A erva-mate apresenta concentração mássica de aproximadamente 0,5% a 2,0% de cafeína. A presença desse composto limita o consumo da planta por parte de uma parcela da população, o que justifica a remoção parcial da mesma, a fim de atingirem-se níveis especificados, segundo a legislação existente que regulamenta a produção de erva-mate descafeinada. Comercialmente, a ANVISA prevê a quantidade de cafeína com o máximo 0,1g a 100g para erva-mate descafeinada.

A descafeinização dos grãos e folhas da erva-mate é economicamente atrativa, pois possibilita a obtenção de produtos descafeinados e cafeína, um bioproduto de valor agregado utilizado em segmentos industriais, como a fabricação de refrigerantes tipo cola.

Atualmente, há um grande esforço para desenvolver e utilizar metodologias de extração e purificação da cafeína que não sejam prejudiciais ao ambiente e não afetem a qualidade final do produto desejado. Nesse sentido, são utilizados solventes em extração sólido-líquido, sendo os mais comuns os orgânicos; os métodos menos usuais utilizam solventes solúveis em água. Em ambos os tipos de processos, suas etapas são onerosas e demoradas, a fim de se obter um produto de qualidade.

Um ponto importante no processo de extração e purificação é a descaracterização da cafeína que ocorre durante o processo, devido a submissão da mesma em elevadas temperaturas. Portanto, é necessário a escolha do método de maior benefício.

Para o processo de extração, é necessário que haja um pré-tratamento do vegetal, que consiste no processamento e separação da parte de interesse, bem como a realização do teste de umidade, a fim de conhecer o teor de água presente no vegetal. O conhecimento da taxa de umidade é importante para análises quanto ao tempo ótimo e a temperatura ideal de torrefação, que evaporará a água presente, não sublimando a cafeína e favorecendo a maior quantidade extraída do composto.

A torrefação e a moagem, respectivamente, são condições processuais seguintes ao pré-tratamento. A primeira controla a umidade presente na matéria orgânica e facilita a moagem e, a segunda, controla o diâmetro de interesse. Não há um diâmetro pré-definido para a extração de cafeína; porém, quanto menor o tamanho da partícula, maior a taxa de extração por aumento de superfície de contato.

Após a moagem, ocorre o processo de extração. Os métodos mais utilizados são a hidrodestilação, extração com solventes e tecnologia supercrítica.

Na hidrodestilação, o material vegetal entra em contato com a água e a cafeína é extraída por difusão. Em seguida, é utilizado um solvente orgânico para recuperação do alcaloide, podendo ser recuperado pela destilação da solução.

O processo de extração com solventes é o mais convencional devido a elevada taxa de solubilidade da cafeína no meio, considerando o clorofórmio e o diclorometano como agentes extratores.

Na extração sólido-líquido utilizando solventes orgânicos como o clorofórmio, o material vegetal entra em contato com clorofórmio e a cafeína é extraída. Em seguida, o solvente é separado e recuperado por destilação. O clorofórmio também pode ser empregado em uma extração líquido-líquido, na qual a cafeína, presente em uma solução aquosa, pode ser extraída pela adição desse composto sob agitação constante da mistura. As características de facilidade na separação de soluto e solvente, devido a seu baixo ponto de ebulição, fazem do clorofórmio um dos solventes mais utilizados nessa metodologia.

Entre os solventes orgânicos, nenhum tem melhor seletividade do que o diclorometano. Essa metodologia é muito utilizada e a extração pode ser aplicada de forma semelhante a extração por clorofórmio.

O uso de solventes orgânicos é considerado como uma das melhores técnicas para a extração de cafeína, visto que a aplicação de diclorometano e clorofórmio proporcionam alta seletividade do composto em questão, 12,9g de cafeína/100g de solvente e 9g de cafeína/100g de solvente, respectivamente. Entretanto, há desvantagens quanto a toxicidade do solvente utilizado e a geração de resíduos após a extração. A manipulação de produtos tóxicos pode ser perigosa e comprometer o processo, além de favorecer a formação de resíduos indesejáveis, os quais são provenientes dos solventes químicos usados na extração, sendo necessário o controle de segurança quanto a toxicidade e gerenciamento de resíduos. Além disso, há a possibilidade da qualidade do produto final ser afetada devido a degradação térmica em função das altas temperaturas alcançadas durante as etapas de extração e purificação.

Com relação a extração por água, suas vantagens são a obtenção de uma cafeína de alta pureza devido a elevada taxa de extração, 2,11g de cafeína solúvel em 100g de água a 25°C, podendo a solubilidade da cafeína aumentar à medida que a temperatura aumenta. Contudo, a solubilidade das substâncias importantes que caracterizam sabor e aroma serem solúveis em água é a maior desvantagem do processo, visando a fabricação de produtos como cafés e chás descafeinados.

Já a tecnologia supercrítica, CO2 supercrítico é considerada uma tecnologia limpa e de alta seletividade, devido a facilidade de separação do solvente e soluto apenas pela diminuição da pressão e elevação da temperatura. O CO2 supercrítico apresenta pressão crítica maleável e temperatura crítica baixa, o que resulta em uma penetração mais rápida no material sólido, resultando em um processo mais eficiente de transferência de massa.

O método de extração por CO2 supercrítico é uma tecnologia mais moderna e considerada uma alternativa limpa no ramo industrial, pois apresenta alta seletividade e facilidade de separação do soluto e do solvente apenas por redução na pressão e aumento da temperatura, gerando produtos com qualidade superior e preservando sabor e aroma, além de ser possível minimizar a produção de resíduos químicos.

De café e bebidas energéticas a chá e refrigerantes, cerca de 90% dos adultos consomem cafeína diariamente. Segundo dados estatísticos, 81% das pessoas consomem refrigerante, 75% café, 65% produtos de chocolate (56% em barra e 38% em pó) e 37% chá.

A concentração de cafeína varia entre as diferentes bebidas, tendo o café, em geral, o valor mais alto em comparação com o chá, refrigerantes e algumas bebidas energéticas. Uma variação significativa na concentração de cafeína dentro de uma categoria de bebidas também pode existir, como no caso do café e do chá. No chá verde, por exemplo, existe uma grande variabilidade no conteúdo de cafeína de acordo com o tipo de chá verde e com o método de preparo. Dado que a cafeína ocorre naturalmente nessas bebidas, o seu conteúdo varia de acordo com a variedade da planta, as condições ambientais de cultivo e/ou o método de preparação usado.