CN1007867B - 同时完成咖啡水解和油提取 - Google Patents

Abstract

公开了一种同时水解废咖啡渣并从其中提取咖啡渣油的方法，废咖啡渣用水调成浆，往渣浆中加入一种酸以调节其pH值，并与一种水不溶性的油溶剂相混合，在渣浆中将油溶剂分散成细小的液滴，然后将分散系统通过一个反应器，最好是一个柱式流动反应器，使废咖啡渣水解，并将咖啡油萃取到油溶剂滴液中，含咖啡油的油溶剂从含水水解产物中分离出来，废渣也从含水水解产物中分离出来，从油溶剂中选择性地回收咖啡油，将含水水解产物选择性地中和，并与可溶性咖啡提取物相合并。

Description

本发明是一种同时咖啡水解和提取油的方法。更确切地说，本发明包括废咖啡渣在高温、短时间条件下的酸催化剂分解，同时从渣中提取咖啡油。

人们早已知道，逆流多级提取系统中排出的废咖啡渣，能够被水解特别是在高温和有酸催化剂的条件下，能够提供额外的有用的咖啡固体。例Clough等人在USP2573406中，公开了一种可溶性咖啡的制造方法，在1%的硫酸中，在100℃下，对常压下提取的咖啡渣进行水解，约1小时，中和并过滤水解产物，接着合并水解产物和常压提取物，随后弄干合并产物，得到可溶性咖啡。Benner等人在USP2687335中，也公开了类似的制法，不过，用磷酸代替硫酸。这两种方法，时间慢，效率低，生产水解产物要花1小时以上。Clough和Benner等人的方法中，没有一个可同时回收众所周知的存于废咖啡渣的咖啡油。

Fulger等人于1982年12月30日在共同转让专利申请U、S、Ser.No454914中，公开了一种更有效的水解方法。该专利资料中公开了在一个反应器里，一个典型的柱式流动反应器里，在较高温度，较短时间内，用酸催化法，去水解咖啡原料。把咖啡原料在水里调成浆，产生相当稀的水解产物，其咖啡固体量小于5重%。这样稀的水解产物需要大大浓缩，这意味着增加费用。此外，该共同转让专利所提供的方法中，不包括从咖啡料中同时提取加啡油。

本发明的一个目的，是提供一种方法，可以同时水解废咖啡渣兼并从中提取咖啡油。

本发明的另一个目的，是提供一种咖啡渣水解方法，此法可生产较浓的水解产物。

现已发现，上述目的可通过下列方法实现，即一种废咖啡渣水解法，它包括：首先把废咖啡渣在水中调成浆，酸化渣浆，分散一种油溶剂于渣浆中。使分散系统通过一种反应器，一个典型的单向流动反应器进行的，在高温下，水解咖啡渣并将提取的油溶于油溶剂中。含咖啡油的溶剂从含水水解浆中分离出来的，而水解产物则从废咖啡渣里分离出来的。

本发明适用于一切仍含水解质和咖啡油的咖啡料，对从商用咖啡渗滤装置中部分提取的废咖啡渣特别有用。这种渗滤装置是一种典型的逆流式多级提取组合，该组合中最后的废渣区域里装有温度175℃以上的水。咖啡提取物是从装有最新鲜咖啡 和提取得最少咖啡的塔中提取出来的。达到预定循环时间，水停止流入最后的废渣区域后，含有未提取咖啡的塔促使水流动，整个提取组合的流动均被调整。从废物区域排出的咖啡叫作废咖啡渣。从下面表1可以看出，废咖啡渣中含有约45重%的聚合糖类和约10重%的非生物碱含氮物，该含氮物可采用本发明加予水解。此外，废渣中含25重%的咖啡油（类脂化合物），这是有价值的咖啡油，要求加予回收。

表1    废咖啡渣的近似组成

成份    重%

（按干料计算）

聚合糖类    45

类脂化合物    25

（咖啡油）

惰性物质    20

“蛋白质”    10

（非生物碱含氮物）

水不溶性油溶剂在酸化渣浆中的分散主要是在反应器内进行的。第一步制备渣浆。渣浆中的固体含量必须选择适当，要保持渣浆可以流动，并有足够的溶剂，以利于有效地提取。对于单向流动反应器来说，最适用的反应物，其所含固体总量约占5-25重%（干料计算）。而本发明的渣浆是通过本身溶油剂的分散来稀释的。制备渣浆时，其固体含量比其它情况都高。分散系统中的固体含量为5-25重%，这是个目标。因此，譬如说，如果水不溶性油溶剂在渣浆中分散，其油溶剂与渣浆的体积比为1∶1，最初的渣浆可按10-40重%的废渣（干料）来配制，以便分散仅有5至10重%的固体。掌握本工艺的人可以轻易地列出对应于其它容量比例的废渣浆的固体含量。如果液体密度的区别大，则在确定正确的渣浆固体含量时，必须考虑到密度差。

本发明的一个比较明显的优点是，水解法所得的可溶性咖啡固体可以溶于水中而不溶于水不溶性油溶剂中。如上所述，使用油溶剂时，允许采用较高固体含量的渣浆，换句话说，允许采用少水的渣浆。不过，如果使用较少的水，其水解产物含有较高浓度的可溶性咖啡固体，因为咖啡固体不溶于油溶剂中。高起始浓度的水解产物较好，所以本方法的优点就取决于低浓度渣浆的装料量。

具有合适的咖啡渣固体含量的废渣浆制备好后，往渣浆中加酸，使之酸化，调节其pH值在0.7-3.0之间，酸的催化作用引起水解反应。用在本发明中的专门的酸催化剂，包括无机酸和有机酸。硫酸是一种强无机酸，它在本方法中是特别有用的。不但由于需要酸的数量较小就能达到所期望的pH值，而且用沉淀法很容易地从最终水解产物中分离出硫酸。此外，硫酸广泛用于食品加工工业中。添加的无机酸，包括磷酸，硝酸，盐酸和它们的混合物。适合于单独和联合使用的有机酸，包括有醋酸、柠檬酸、酒石酸、苹果酸、己二酸、富马酸。将二氧化碳气体通入分散系统中能形成碳酸，它也是一种合适的酸催化剂。有机酸一般总是比无机酸弱一些，为了调节合适的pH值，使用有机酸的用量就相对大一些。

一旦废咖啡渣浆已制备好，并调节到合适的pH值，一种水不溶性的油溶剂分散在废渣浆中，油溶剂与废渣浆的体积比在3∶1和1∶1之间。合适的油溶剂包括那些事实上是水不溶性油溶剂，它可以溶解废渣浆内的咖啡油，并且最好不溶解从咖啡固体的水解产物中产生的可溶性咖啡固体。所选择的油溶剂应准予使用在食品加工方面。己烷是特别合适的油溶剂，能够使用在食品加工工业中，它容易获得而且比较经济。其它合适的油溶剂，包括氟利昂，轻矿物油，高分子量的醇类，甲苯和它们的混合物。选择能满足以上给定条件的合适的油溶剂，以安全、经济、来源充足为原则。

水不溶性油溶剂最好是能在含水的和已调pH值的废渣浆中作为水相中溶剂分散成细小液滴。分散系统可用任一已知工艺来获得。一个合适的方法是，把油溶剂和已调pH值渣浆一起放入箱里，并适度地搅拌它，不应该猛烈地搅动，以至形成乳化，但是，搅拌还是要强有力，以便形成分散系统。

另一种油溶剂的分散方法是使两种液体循环在一个管状混合器或其它类似装置。所用的分散方法不是关键，只要不猛烈，以至形成不希望的乳化;而且只要能使油溶剂分散成很小的液滴，就行了。

已准备好的分散系统，使它通过一个反应器，以使同时完成咖啡渣的水解，并从中提取咖啡油。合适的反应器不仅能缩短时间、促进高温水解 反应，而且保持混合物充分地分散，以便废咖啡渣继续地与分散的油溶剂液滴接触。单向流动反应器特别的方便，它基本上是一根圆柱形的管子，反应物从中通过发生反应。“单向流动”这个术语指的是反应通过管道流动时，呈相对平缓速度型，与它成对照的是一般抛物线型，在管道中心的流速高于靠近管壁处的流速。反应器的形状必须是这样，保持着一个足够流动速度不仅可以防止固体凝结，而且避免破坏水/溶剂分散系统。单向流动反应器排放端装有一个喷嘴或其它节流阀以控制反应器的压力，并控制排放的比例。反应器中的物质可以用浸入反应器的加热槽来加热。或靠蒸汽直接喷入反应器来加热。反应物在送入反应器之前先把它加热，反应器应是绝热的，以维持所期望的温度。

这里所要的水解反应是一个称作是短时间、同温度的水解。分散系统在反应器中的停留时间在5秒至60秒之间均是可取的，最好是10至15秒。如果反应在一个更短的时间内进行，水解就不充分。反应时间过长又可能导致咖啡固体水解的降低。反应温度在180℃-240℃之间是可取的。反应时间和温度以及渣浆的pH值都是互相联系的。反应时间与反应温度之间存在着反比关系。如果反应温度选择温度区间的上限，那么，得到相同数量的水解产物所需停留时间就短些。反应时间与渣浆的pH值之间存在着正比关系。渣浆的pH值低一点，反应物所需停留的时间就要短一些，或者pH值低所需反应温度也低些，均能得到同样数量的水解产物。

同时从废咖啡渣中提取咖啡油的过程是，分散系统通过反应器，确切地说是单向流动反应器时，废咖啡渣继续与分散的水不溶性油溶剂的液滴相接触。由于废咖啡渣是亲水的，它实际上并不渗入到分散的水不溶性的液滴，已经发现，废渣仅仅无规则接触于分散液滴就够了，以便提取咖啡油。这种无规则接触只发生在这种反应器，特别是单向流动反应器，流态反应物在该反应器内混合稳定。

从反应器流出的分散产物有含有咖啡油的油溶剂，水解废渣以及含水水解产物。分散产物处于较高温度之下，在进入下一个流程之前冷却一下是可取的，但并不是必须非这样做不可。用任何一种已知的分离两种互不相溶液体的技术就可以从水解废渣和水解产物中分离出含咖啡油的油溶剂。离心分离与通过油分离器正是这种技术的两个例子。通过更易挥发的溶剂的蒸发和汽提可以从油溶剂中回收到有价值的咖啡油。回收的油溶剂在本发明的方法中是可以循环使用的。

从含水水解产物中分离出水解废渣也是必要的，希望能够在分离之前中和渣浆，使水解废渣在处理时不处于低pH值状态。另一种方法是，水解渣在中和之前，先把它从水解产物中分离出来。分离可以采用已知的方法诸如过滤、离心分离、挤压等。中和可以通过加入一种碱，使酸以盐的形式沉淀出来，也可以通过离子交换树脂等类似的方法。如使用的是挥发性的有机酸，则可以简便地通过蒸汽抽提水解产物的方法来除去酸。水解废渣可以简单地作为废物除去，或当作燃料烧掉。

中和后的水解产物可以同任何一种咖啡提取物相合并，正象通常可溶性咖啡加工过程中的咖啡提取物一样。由于水解产物往往会比通常的提取物稀一些，在与咖啡提取物合并之前，希望能够浓缩水解产物。水解产物提高了，有价值的可溶性咖啡固体的经济效益，相反地，它对所得咖啡提取物的香味不起作用。合并的咖啡提取物可通过一般技术来干燥，从而获得可溶性咖啡。同样，合并咖啡提取物也可应用已知的芳香浓缩技术，使温和的水解产物不减少香味。

打算以下列示例来阐明本发明的具体的实施。这例子并不意味着超出本发明的权利要求书。

以商用渗滤装置得到的废咖啡渣作为例子。渣的含量占渗滤装置中提取的烤过和研磨过的起始咖啡含量的50重%。渣与水调成浆，以使渣浆所含干咖啡渣重量约10%。渣浆分为两个实验样品和一个对照样品。然后对照样品与两个实验样品就通过单向流动反应器。该反应器由内径为2.1mm的螺旋形不锈钢管组成，浸在流态沙池中，以便调节温度。在反应器的排放端装有一个0.75mm-1.0mm的喷嘴。反应器通过阀门与一个搅拌着的高压釜相连接，高压釜可以耐得住增加的压力。实验样品与己烷1∶1的体积比（己烷与渣浆之比）相混合，己烷通过搅拌作用而分散在高压釜里。对照样品用等体积的水稀释。分别于三个样品中加入硫酸，加入量均是按重量计的1%。然后将反应物放入高压釜并密封好，用氮气增压至32大气压。在适当的时侯打开连接高压釜和反应器的 阀门，高压使渣浆或分散系统通过反应器。反应器的排放物被收集、冷却并分离成为含有咖啡油的己烷、水解废渣及水解产物。反应条件及结果见下列表2。所有的百分数，未标出的均以重量计。

表2

对照样    实验    实验

试样1    试样2

分散系统中的固体量（%）    4.34    8.68    8.68

（以干料计算）

水相中的硫酸量（%）    1.0    1.0    1.0

反应时间（秒）    25    23    60

反应温度（℃）    200    200    200

水解咖啡固体收率（%）    39    31    44

己烷中可提取的可提取的可用油（%）    -    52    53

上述三种实验中的水解咖啡固体的收率是明显清楚的，其中两个实验试样是用己烷作为油溶剂的，同时从咖啡渣中提取约为50%的咖啡油。

Claims (9)

1、一种同时水解咖啡渣并从其中提取咖啡油的方法包括：

(a)用水将废咖啡渣调成浆，使咖啡渣占废渣浆重量的5%-25%；

(b)向废渣浆中加一种酸，调节其pH值至0.7-3.0之间；

(c)将调好pH值的废渣浆与一种水不溶性的油溶剂相混合，油溶剂与废渣浆的体积比为1∶1-3∶1；

(d)将油溶剂分散在调节pH值的混合浆中，呈细小的液滴；

(e)在反应器中将分散系统(d)加热至温度180℃-240℃之间，加热时间为5秒至60秒，以便咖啡渣水解并从中提取咖啡油；

(f)从含水水解产物中分离出含有咖啡油的油溶剂，并将渣从该水解产物中分离出来。

2、在权利要求1的方法中，（e）的反应器是一种柱式流动反应器。

3、在权利要求1的方法中，（b）的酸从下列一组酸中选择：硫酸、磷酸、硝酸、盐酸、醋酸、柠檬酸、苹果酸、酒石酸、己二酸、富马酸以及它们的混合物。

4、权利要求1的方法中，水不溶性油溶剂从下列一组溶剂中选择：己烷、甲苯、氟利昂、轻矿物油、高分子量的醇类以及它们的混合物。

5、权利要求1的方法中，咖啡渣是从逆流多级咖啡渗滤装置排出的废渣。

6、权利要求1的方法中，还包括从（f）项中的含咖啡油的油溶剂中回收咖啡油。

7、权利要求6的方法中，通过蒸发油溶剂回收咖啡油。

8、权利要求1的方法中，还包括在含咖啡油的油溶剂分离之后，以及在水解废渣分离之前或之后中和（f）项中的含水水解产物。

9、权利要求8的方法中，还包括将中和了的含水水解产物同含水可溶性咖啡提取物合并，并将合并物干燥得到干的可溶性咖啡。