CH623994A5

CH623994A5 - Process for removing caffeine

Info

Publication number: CH623994A5
Application number: CH405977A
Authority: CH
Inventors: Peter Kummer
Original assignee: Coffex Ag
Priority date: 1977-03-31
Filing date: 1977-03-31
Publication date: 1981-07-15

Description

**WARNUNG** Anfang DESC Feld konnte Ende CLMS uberlappen **.

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Gewinnung von Coffein mittels Elektrodialyse, dadurch gekennzeichnet, dass eine saure, wässrige, coffeinhaltige Lösung durch mindestens eine Zelle einer Elektrodialysenanlage zwischen zwei Kationen durchlässige Membranen (1, 2) geleitet wird, dass eine erste Spüllösung an der der positiven Elektrode zugewandten Membrane (1) vorbeigeleitet wird, um den zur Aufrechterhaltung der Elektrodialyse erforderlichen pH-Wert in der Lösung aufrechtzuerhalten, und dass eine zweite Spüllösung an der der negativen Elektrode zugewandten Membrane (2) vorbeigeleitet wird, um das durch die Membrane (2) gewanderte Coffein abzuleiten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige, coffeinhaltige Lösung aus grünen Kaffeebohnen gewonnen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige, coffeinhaltige Lösung aus geröstetem Kaffee gewonnen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige, coffeinhaltige Lösung aus Tee gewonnen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige, coffeinhaltige Lösung aus Kaffee oder Teeabfällen gewonnen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung durch mehrere Zellen einer Elektrodialyseanlage geleitet wird, wobei die nebeneinanderliegenden Zellen durch Anionen durchlässige Membranen (4, 5) voneinander getrennt sind.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Coffein mittels Elektrodialyse.

Es sind verschiedene Verfahren zur Entkoffeinisierung von Kaffee und Tee bekannt.

In der US-Patentschrift 2 045 854 ist ein solches Verfahren zum Entkoffeinieren von Kaffee offenbart, bei dem Kaffeebohnen mittels gesäuertem Wasser aufgeschlossen werden. Die aufbereiteten Kaffeebohnen werden dann einem elektrischen Strom ausgesetzt, in dem man die Kaffeebohnen zwischen zwei Elektroden einbringt, wobei die Kaffeebohnen mittels permeabler Membranen von den Elektroden getrennt sind. Es entstehen somit zwei Räume zwischen den Elektroden und den Membranen. Durch den elektrischen Strom wird in dem zwischen Kathode und Membrane vorhandenen Raum das frei werdende Coffein gesammelt, und in dem Raum zwischen Anode und Membrane treten Säureionen aus.

Dieses Verfahren geht von der Annahme aus, dass die Bohnenwand eine semipermeable Wand sei, welche nur die Coffein und mineralischen Ionen austreten lassen sollte. Dies ist jedoch absolut nicht der Fall, denn auch im sauren Wasser treten aus den Bohnen sehr viele andere Stoffe in das Wasser über, was zu einem wesentlichen Extraktverlust (unter den z. B. nach Schweizer Lebensmittelgesetz erforderlichen 22%) und damit zu einem entscheidenden Aromaverlust führt. Nicht zuletzt ist es die zum Teil dissozierte, negativ geladene Chlorogensäure, welche im Rohkaffee in relativ grossen Mengen (6-8 C/o) vorhanden ist und nebst anderen Stoffen leicht ins Wasser austritt, was einen grossen Gewichtsverlust ergibt. Dies ist sowohl aromamässig wie auch wirtschaftlich nicht tragbar.

Zudem kann mit einfachen Versuchen gezeigt werden, dass die Assoziation von Coffein in Coffeinionen stark pH abhängig ist und die Lösung beim Stromfluss sehr rasch an H+-lonen verarmt, wodurch das Assoziationsgleichgewicht zu Ungunsten des Coffeinions verschoben und die Coffeinwanderung sehr langsam wird, sofern die H+-lonen nicht dauernd im richtigen Verhältnis nachgeliefert werden. Dies ist auch der Grund für die extrem langen Stromeinwirkungszeiten.

Zweck der Erfindung ist es, die angebenen Nachteile zu beheben.

Es stellt sich somit die Aufgabe, ein Verfahren zum Entziehen von Coffein zu schaffen, bei dem der Extraktverlust gering ist und ein möglichst hoher Assoziationsgrad des Coffeins beibehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass eine saure, wässrige, coffeinhaltige Lösung durch mindestens eine Zelle einer Elektrodialyseanlage zwischen zwei Kationen durchlässige Membranen geleitet wird, dass eine erste Spüllösung an der der positiven Elektrode zugewandten Membrane vorbeigeleitet wird, um den zur Aufrechterhaltung der Elektrodialyse erforderlichen pH-Wert in der Lösung aufrechtzuerhalten, und dass eine zweite Spüllösung an der der negativen Elektrode zugewandten Membrane vorbeigeleitet wird, um das durch die Membrane gewanderte Coffein abzuleiten.

Das erfindungsgemässe Verfahren weist den Vorteil auf.

dass durch die Kombination der Membranen die positiven Coffeinionen aus der zu behandelnden Lösung austreten können und die negativen Chlorogensäureionen zurückbleiben.

Eine Diffusion der anderen aus dem Kaffee stammenden, im Wasser gelösten neutralen Stoffe durch die Membranen ist vernachlässigbar klein. Damit kann der Extraktverlust praktisch vermieden werden. Mit einem geeigneten Wasserstoffionenfluss durch die Lösung kann der pH-Wert in der Lösung gehalten oder so verschoben werden, dass der Assoziationsgrad des Coffeins optimal bleibt.

Im folgenden wird das erfindungsgemässe Verfahren anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, wird die wässrige, coffeinhaltige Lösung zwischen zwei Kationen durchlässige Membranen 1, 2 einer Elektrodialysenalage durchgeleitet und wird einem elektrischen Feld ausgesetzt. Das elektrische Feld wird mittels zwei Elektroden 3 aufgebaut. Zwischen der einen Membrane 1 und der positiven Elektrode 3 ist eine Anionen durchlässige Membrane 4 angeordnet. Zwischen dieser Membrane 4 und der einen Kationen durchlässigen Membrane 1 wird eine erste Spüllösung durchgeleitet. Die erste Spüllösung besteht aus einer Säure. Das assozierte Coffein-+Ion durchwandert nun die in Feldrichtung gelegene Membrane 2 und wird von einer zweiten Spüllösung aufgenommen, die zwischen dieser Membrane 2 und einer weiteren Anionen durchlässigen Membrane 5 durchgeleitet wird.

Ebenso werden alle anderen positiven Ionen, wie H+-Ionen, Natrium, Kalium, Magnesium usw. von der zweiten Spüllösung aufgenommen. Um den idealen pH-Wert in der Lösung aufrechtzuerhalten, werden die aus der ersten Spüllösung abgewanderten H+-Ionen durch eine geeignete Wasserstoffionen-Konzentrationseinstellung dieser ersten Spüllösung nachgeliefert. Die in der Lösung vorhandenen negativen Chlorogensäureionen werden von den beiden Membranen 1, 2 abgestossen und verbleiben in der Lösung.

Die Lösung und die erste und zweite Spüllösung können in Kreisläufen geführt werden, bis das Coffein nahezu aus der Lösung entfernt ist und sich in der zweiten Spüllösung angereichert hat. Dadurch können mehr als 96% des in der Lösung enthaltenen Coffeins entfernt werden.

Der Prozess wird bei einer Temperatur geführt, welche so hoch als möglich, jedoch nach oben beschränkt ist, durch die Haltbarkeit der Membranen einerseits und der Temperaturbeständigkeit der Lösung anderseits. Als Beispiel kann bei einem Extrakt aus grünen Kaffeebohnen z. B. mit ca. 50c C gefahren werden.

Eine Elektrodialyseanlage enthält im allgemeinen mehrere solcher Zellenpakte im gleichen Feld, wobei die Pakete für das

beschriebene Verfahren durch Anionen durchlässige Membranen 4. 5 voneinander getrennt sind. Dadurch erfolgt ein Anionenaustausch zwischen den beiden Spüllösungen, so dass diese elektrostatisch im Gleichgewicht bleiben.

Zusätzlich zu den beiden genannten Spüllösungen kann eine weitere Spüllösung zum Spülen der Elektroden vorgesehen werden, um die Ablagerungen an den Elektroden zu reduzieren.

Im folgenden werden Anwendungsbeispiele des Verfahrens beschrieben.

Beispiel 1
Entkoffeinierung von grünen Kaffeebohnen
Die grünen Kaffeebohnen werden in der üblichen Weise mit Wasser so lange extrahiert, bis diese gut coffeinfrei sind.

Dabei soll möglichst wenig Wasser verwendet werden, um eine hochkonzentrierte Lösung zu erhalten. Der Extrakt kann entweder so direkt in die Elektrodialyse-Apparatur eingebracht oder vorher aulkonzentriert werden. Es ist auch möglich, die Extraktion in einem geschlossenen Kreislauf direkt mit der Elektrodialyse-Apparatur zu verbinden. Zur Beschleunigung des Anfahrens kann die Lösung auch von Anfang an durch Ansäuren auf den optimalen pH-Bereich gebracht werden.

Die Lösung wird sodann in üblicher Weise auf ein Gewicht, welches ca. 80(/o des Eigengewichts der eingesetzten Bohnenmenge entspricht, eingeengt, was z. B. am besten durch Destillation unter Vakuum erfolgt.

Wird zum Ansäuren der Lösung eine leicht flüchtige Säure verwendet (z. B. Ameisensäure), geht ein grosser Teil dieser Säure mit Wasserdampf weg, so dass eine nachfolgende Neutralisation überflüssig wird. Die verbleibenden Spuren haben keinen Einfluss auf das Kaffeearoma, da ja der Röstkaffee von Natur aus auch schon Ameisensäure enthält. Bei Verwendung von anderen Säuren kann der konzentrierte Extrakt mit einer lebensmittelzulässigen Base neutralisiert werden.

Die konzentrierte Lösung wird den in der Zwischenzeit getrockneten Bohnen zugegeben und durch diese vollständig wieder aufgenommen. Die Bohnen werden wieder getrocknet und ergeben nach dem Rösten einen absolut geschmacklich einwandfreien Kaffee mit hohem Extraktgehalt.

Beispiel 2
Entkoffeinierung von Lösungen aus geröstetem
Kaffee oder Tee
Mit dem prinzipiell gleichen Vorgehen wie bei Beispiel 1 kann der Extraktauszug vor dem Aulkonzentrieren durch Elektrodialyse entkoffeiniert werden, wobei anschliessend die weitere Aufarbeitung zum Solublekaffee oder Solubletee nach dem bekannten eingeführten Verfahren direkt erfolgen kann.

Beispiel 3
Coffeinentzug aus Prozesswasser bei der
Rohkaffeeaufarbeitung
Die gleiche Methode kann auch angewandt werden zur Coffeingewinnung aus dem coffeinhaltigen Wasser, wie sie beim Gähren der grünen Kaffeeschalen anfallen oder auch durch spezielle Extraktion aus den Aussenteilen der Kaffeekirsche (Pulpe) hergestellt werden können. Dabei kann die Prozessführung vereinfacht werden, da auf den Erhalt der Lösung keine Rücksicht genommen werden muss, sondern nur das in die Spüllösung I übertretende Coffein von Bedeutung ist.

Die Coffeinaufbereitung aus der Spüllösung I kann auf die bekannten Arten erfolgen, wie: Aulkonzentrieren und Umkristallisieren oder Extraktion mit organischen Coffeinlösungsmitteln usw. Diese sollen nicht in den Umfang dieses Patentes enthalten sein.

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Gewinnung von Coffein mittels Elektrodialyse, dadurch gekennzeichnet, dass eine saure, wässrige, coffeinhaltige Lösung durch mindestens eine Zelle einer Elektrodialysenanlage zwischen zwei Kationen durchlässige Membranen (1, 2) geleitet wird, dass eine erste Spüllösung an der der positiven Elektrode zugewandten Membrane (1) vorbeigeleitet wird, um den zur Aufrechterhaltung der Elektrodialyse erforderlichen pH-Wert in der Lösung aufrechtzuerhalten, und dass eine zweite Spüllösung an der der negativen Elektrode zugewandten Membrane (2) vorbeigeleitet wird, um das durch die Membrane (2) gewanderte Coffein abzuleiten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige, coffeinhaltige Lösung aus grünen Kaffeebohnen gewonnen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige, coffeinhaltige Lösung aus geröstetem Kaffee gewonnen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige, coffeinhaltige Lösung aus Tee gewonnen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige, coffeinhaltige Lösung aus Kaffee oder Teeabfällen gewonnen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung durch mehrere Zellen einer Elektrodialyseanlage geleitet wird, wobei die nebeneinanderliegenden Zellen durch Anionen durchlässige Membranen (4, 5) voneinander getrennt sind.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Coffein mittels Elektrodialyse.

Es sind verschiedene Verfahren zur Entkoffeinisierung von Kaffee und Tee bekannt.

In der US-Patentschrift 2 045 854 ist ein solches Verfahren zum Entkoffeinieren von Kaffee offenbart, bei dem Kaffeebohnen mittels gesäuertem Wasser aufgeschlossen werden. Die aufbereiteten Kaffeebohnen werden dann einem elektrischen Strom ausgesetzt, in dem man die Kaffeebohnen zwischen zwei Elektroden einbringt, wobei die Kaffeebohnen mittels permeabler Membranen von den Elektroden getrennt sind. Es entstehen somit zwei Räume zwischen den Elektroden und den Membranen. Durch den elektrischen Strom wird in dem zwischen Kathode und Membrane vorhandenen Raum das frei werdende Coffein gesammelt, und in dem Raum zwischen Anode und Membrane treten Säureionen aus.

Dieses Verfahren geht von der Annahme aus, dass die Bohnenwand eine semipermeable Wand sei, welche nur die Coffein und mineralischen Ionen austreten lassen sollte. Dies ist jedoch absolut nicht der Fall, denn auch im sauren Wasser treten aus den Bohnen sehr viele andere Stoffe in das Wasser über, was zu einem wesentlichen Extraktverlust (unter den z. B. nach Schweizer Lebensmittelgesetz erforderlichen 22%) und damit zu einem entscheidenden Aromaverlust führt. Nicht zuletzt ist es die zum Teil dissozierte, negativ geladene Chlorogensäure, welche im Rohkaffee in relativ grossen Mengen (6-8 C/o) vorhanden ist und nebst anderen Stoffen leicht ins Wasser austritt, was einen grossen Gewichtsverlust ergibt. Dies ist sowohl aromamässig wie auch wirtschaftlich nicht tragbar.

Zudem kann mit einfachen Versuchen gezeigt werden, dass die Assoziation von Coffein in Coffeinionen stark pH abhängig ist und die Lösung beim Stromfluss sehr rasch an H+-lonen verarmt, wodurch das Assoziationsgleichgewicht zu Ungunsten des Coffeinions verschoben und die Coffeinwanderung sehr langsam wird, sofern die H+-lonen nicht dauernd im richtigen Verhältnis nachgeliefert werden. Dies ist auch der Grund für die extrem langen Stromeinwirkungszeiten.

Zweck der Erfindung ist es, die angebenen Nachteile zu beheben.

Es stellt sich somit die Aufgabe, ein Verfahren zum Entziehen von Coffein zu schaffen, bei dem der Extraktverlust gering ist und ein möglichst hoher Assoziationsgrad des Coffeins beibehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass eine saure, wässrige, coffeinhaltige Lösung durch mindestens eine Zelle einer Elektrodialyseanlage zwischen zwei Kationen durchlässige Membranen geleitet wird, dass eine erste Spüllösung an der der positiven Elektrode zugewandten Membrane vorbeigeleitet wird, um den zur Aufrechterhaltung der Elektrodialyse erforderlichen pH-Wert in der Lösung aufrechtzuerhalten, und dass eine zweite Spüllösung an der der negativen Elektrode zugewandten Membrane vorbeigeleitet wird, um das durch die Membrane gewanderte Coffein abzuleiten.

Das erfindungsgemässe Verfahren weist den Vorteil auf.

dass durch die Kombination der Membranen die positiven Coffeinionen aus der zu behandelnden Lösung austreten können und die negativen Chlorogensäureionen zurückbleiben.

Eine Diffusion der anderen aus dem Kaffee stammenden, im Wasser gelösten neutralen Stoffe durch die Membranen ist vernachlässigbar klein. Damit kann der Extraktverlust praktisch vermieden werden. Mit einem geeigneten Wasserstoffionenfluss durch die Lösung kann der pH-Wert in der Lösung gehalten oder so verschoben werden, dass der Assoziationsgrad des Coffeins optimal bleibt.

Im folgenden wird das erfindungsgemässe Verfahren anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, wird die wässrige, coffeinhaltige Lösung zwischen zwei Kationen durchlässige Membranen 1, 2 einer Elektrodialysenalage durchgeleitet und wird einem elektrischen Feld ausgesetzt. Das elektrische Feld wird mittels zwei Elektroden 3 aufgebaut. Zwischen der einen Membrane 1 und der positiven Elektrode 3 ist eine Anionen durchlässige Membrane 4 angeordnet. Zwischen dieser Membrane 4 und der einen Kationen durchlässigen Membrane 1 wird eine erste Spüllösung durchgeleitet. Die erste Spüllösung besteht aus einer Säure. Das assozierte Coffein-+Ion durchwandert nun die in Feldrichtung gelegene Membrane 2 und wird von einer zweiten Spüllösung aufgenommen, die zwischen dieser Membrane 2 und einer weiteren Anionen durchlässigen Membrane 5 durchgeleitet wird.

Ebenso werden alle anderen positiven Ionen, wie H+-Ionen, Natrium, Kalium, Magnesium usw. von der zweiten Spüllösung aufgenommen. Um den idealen pH-Wert in der Lösung aufrechtzuerhalten, werden die aus der ersten Spüllösung abgewanderten H+-Ionen durch eine geeignete Wasserstoffionen-Konzentrationseinstellung dieser ersten Spüllösung nachgeliefert. Die in der Lösung vorhandenen negativen Chlorogensäureionen werden von den beiden Membranen 1, 2 abgestossen und verbleiben in der Lösung.

Die Lösung und die erste und zweite Spüllösung können in Kreisläufen geführt werden, bis das Coffein nahezu aus der Lösung entfernt ist und sich in der zweiten Spüllösung angereichert hat. Dadurch können mehr als 96% des in der Lösung enthaltenen Coffeins entfernt werden.

Der Prozess wird bei einer Temperatur geführt, welche so hoch als möglich, jedoch nach oben beschränkt ist, durch die Haltbarkeit der Membranen einerseits und der Temperaturbeständigkeit der Lösung anderseits. Als Beispiel kann bei einem Extrakt aus grünen Kaffeebohnen z. B. mit ca. 50c C gefahren werden.

Eine Elektrodialyseanlage enthält im allgemeinen mehrere solcher Zellenpakte im gleichen Feld, wobei die Pakete für das **WARNUNG** Ende CLMS Feld konnte Anfang DESC uberlappen**.