DE3131573A1 - "verfahren zur extraktion von coffein" - Google Patents

Description

S 714/Dr.K-by

J I O I ü / J

PATENTANWALT DR. RICHARD KNEISSL

Widenmayerstr. 46 ^.

D-8000 MÜNCHEN 22

TeL 089/295125 10. August 19

Societe des Produits Nestle, S.A. in Vevey / Schweiz

Verfahren zur Extraktion von Coffein

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Extraktion von Coffein aus einer wäßrigen Lösung, die Coffein neben anderen nicht-coffeinischen Feststoffen enthält und die aus grünem Kaffee erhalten worden ist. Die Erfindung ermöglicht also die Entcoffeinisierung von grünem Kaffee.

Es hat sich gezeigt, daß die Verbraucher mehr und mehr den Geschmack von entcoffeinisiertem Kaffee bevorzugen und dieser aus medizinischen oder diäthetischen oder ganz einfach aus Modegründen wachsende Anerkennung findet» Von der Nahrungsmittelindustrie werden deshalb entcoffeinisierter Kaffee und entcoffeinisierte Kaffee-Extrakte in großen Mengen hergestellt, wobei üblicherweise Techniken dienen, bei denen chlorierte Lösungsmittel verwendet werden müssen„

Die daraus resultierenden Wachteile sind zweifacher Art. Einesteils sind diese Lösungsmittel nicht genießbar und müssen deshalb nach dem Entcoffeinisierungsprozeß sorgfältig entfernt werden, und andernteils bedarf es bei ihrer Handhabung sehr großer Vorsichtsmaßnahmen.

Es ist deshalb bereits versucht worden, Kaffee durch andersgeartete Verfahren zu entcoffeinisieren, beispielsweise durch Entcoffeinisierung mit Wasser, wobei das im wäßrigen Kaffee-Extrakt enthaltene Coffein auf ionischen Harzen fixiert wird. Dies hat jedoch den Nachteil, daß der pH-Wert des behandelten Kaffees verändert wird. Es ist deshalb nötig, den Anfangs-pH-Wert wiederherzustellen, wozu Stoffe in den Kaffee eingeführt werden müssen, bei denen es sich natürlich um Fremdstoffe handelt, insbesondere um Neutralisationsmittel ο Man hat auch Hoffnunqen auf den Einsatz von Aktivkohle als Adsorptionsmittel gesetzt, jedoch ist man davon schnell wieder abgekommen, da sie neben Coffein beträchtliche Mengen nicht-coffeinischer Feststoffe zurückhält. Da das Verhältnis hinsichtlich des Coffeins ungünstig

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ist, müssen die nicht-coffeinischen Feststoffe zurückgewonnen und dem Kaffee wieder zugesetzt werden, was komplizierte Maßnahmen erforderlich macht.

Durch die vorliegende Erfindung werden nun die oben genannten Nachteile beseitigt, und zwar durch die Verwendung von Harzen, die eine besondere Affinität für Coffein aufweisen. Die Erfindung betrifft deshalb ein Verfahren zur Extraktion von Coffein aus einer wäßrigen Lösung, die Coffein neben anderen nicht-coffeinischen Feststoffen enthält und die aus grünem Kaffee erhalten worden ist, wobei das Kennzeichen darin liegt, daß man diese Lösung mit einem nicht-ionischen mikroporösen Harz, welches Poren eines mittleren Durchmessers von 6 bis 40 A aufweist, in Berührung bringt.

Dieses nicht-ionische mikroporöse Harz verändert den pH-Wert der damit in Berührung gebrachten Lösung nicht oder nur so wenig, daß eine eventuelle Änderung unbedeutend ist, weshalb eine spätere Einstellung nicht nötig ist. Vorzugsweise besitzt das Harz eine spezifische Oberfläche von mindestens 400 m²/g. Die wäßrige Ausgangslösung enthält im allgemeinen insgesamt 1 bis 30 Gew.-% lösliche Feststoffe.

Mit anderen Worten, der als Ausgangsmaterial für die Herstellung der wäßrigen Lösung verwendete grüne Kaffee wird an Coffein und nicht-coffeinischen Feststoffen verarmt, die .dabei in Lösung gehen. Diese Lösung wird ihrerseits an Coffein und nicht-coffeinischen Feststoffen verarmt, die durch das Harz zurückgehalten werden.

Bei einer Ausführungsform zur Enteoffeinisierung von grünem Kaffee wird die verarmte Lösung dem verarmten grünen Kaffee in der gleichen Herstellung oder in einer anderen Herstellung einverleibt.

Bei einer anderen Ausführungsform,, die zur ersten komplementär oder unterschiedlich ist und die"mit Rückführung" benannt wird, wird die verarmte Lösung mit nicht-verarmtem Kaffee in der Weise in Berührung gebracht, daß eine neue wäßrige Lösung erhalten itfird, die ihrerseits mit dem Harz in Berührung gebracht wird, usw₀ Mit anderen Worten, die mit Hilfe des Harzes verarmte Lösung dient dazu, das Coffein und die nicht-coffeinischen Feststoffe aus grünem Kaffee zu extrahieren„ Insgesamt nimmt die verarmte Lösung das Coffein und die nicht-coffeinischen Feststoffe des grünen Kaffees nur im Verhältnis ihrer Fixierung am Harz auf»

Da - wie noch erörtert wird - die Affinität des Harzes für das Coffein groß ist, liegt das Verhältnis fixierte nichtcoffeinische FeststoffesCoffein in der Größenordnung von 0,6s1 bis 1,7s1„ Das heißt, daß schließlich die Verluste an nicht-coffeinischen Feststoffen im Mittel mit dem Coffeingehalt des Kaffees vergleichbar sind, doh„ also, daß sie sehr akzeptabel sind. Aus den gleichen Gründen ist die Entcoffeinisierung vorzüglich, wenn man das Verhältnis nichtcoffeinische FeststoffesCoffein im Kaffee betrachtete Werte von 97 bis 99 % können ohne Schwierigkeiten und besondere Komplikationen erreicht werden»

Selbstverständlich lassen sich auch geringere Werte, welche einer teilweisen Entcoffeinisierung entsprechen, genauso leicht erreichen.,

Es ist klar, daß man vorteilhafterweise nach einer Mischva= riante arbeiten kann, beispielsweise mit Rückführung während einer gegebenen 2eit und anschließender Beendigung durch Zugabe der verarmten wäßrigen Lösung sum verarmten grünen Kaffee»

unabhängig von der Ausführungsform wird die verarmte Lösung

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vorteilhafterweise vor der Zugabe zum verarmten grünen Kaffee bzw. nicht-verarmten grünen Kaffee konzentriert. In ähnlicher Weise wird der verarmte grüne Kaffee vorzugsweise getrocknet, bevor er mit der verarmten Lösung in Berührung gebracht wird.

Als Harz mit Poren eines mittleren Durchmessers zwischen 6 bis 40 A können beispielsweise Produkte der Calcinierung von Styrol/Divinylbenzol-Copolymerharzen verwendet werden, insbesondere solche, die unter dem Warenzeichen Ambersorb XE-340 und XE-348 von der Firma Rohm & Haas vertrieben werden. Diese Harze haben in der Tat eine Porenverteilung, daß etwa 20 bis 25 % derselben einen mittleren Durchmesser zwischen 6 und 40 A aufweisen. Sie besitzen die Form von staubfreien harten Kügelchen.

Wenn die wäßrige Lösung mit diesen Harzen in Berührung gebracht wird, dann zeigt sich ihre sehr große Affinität für Coffein, wobei die Verhältnisse fixierte nicht-coffeinische FeststofferCoffein in der Größenordnung von 0,6:1 bis 1,7:1 liegen, wie oben bereits erwähnt wurde. Dieses Verhältnis ist im übrigen noch günstiger, wenn die Temperatur erhöht ist, weshalb es bevorzugt wird, zwischen 60 und 90⁰C zu arbeiten. Diese Temperaturen begünstigen den Austausch und erhöhen die Fixierungsgeschwindigkeit, was größere stündliche Durchsätze ermöglicht. Schließlich können, anders als bei niedrigeren Temperaturen, keine bakteriologischen Schwierigkeiten auftreten.

Das Inberührungbringen kann in bekannter Weise im Gegenstrom oder in einer Batterie erfolgen. Für eine Entcoffeinisierung von etwa 9 7 %, d.h. für eine praktisch vollständige Entcoffeinisierung, liegen die Verhältnisse Harz:gesamte lösliche Feststoffe vorzugsweise zwischen 0,5:1 und 2,5:1, d.s. 0,5 bis 2,5 kg Harz je kg gesamte lösliche Feststoffe. Für Kaf-

feesorten oder Kaffeegemische, die beispielsweise einen Coffeingehalt von 1,2 bis 1,4 Gew.-S trocken aufweisen, liegen die Verhältnisse Harz/gesamte lösliche Feststoffe typischerweise zwischen 0,5;1 und 1s1₀

Für eine teilweise Enteoffeinisierung genügt es, wenn weniger Harz verwendet wird, beispielsweise die Hälfte bis zu einem Drittel für eine halbe Entcoffeinisierung«

Die Herstellung der wäßrigen Lösung, welche Coffein und nicht-coffeinische Feststoffe enthält, wird durch Inberührungbringen mit grünem Kaffee ausgeführt» Hierzu wird Wasser, das vorzugsweise entsalzt ist, oder die wäßrige Lösung verwendet, die mit Hilfe des Harzes verarmt worden ist, beispielsweise während des Verfahrens mit Rückführung» Das Inberührungbringen mit dem grünen Kaffee wird vorteilhafterweise 2 bis 10 h lang bei einer Temperatur zwischen 60 und 90°C ausgeführte Unterhalb 60°C treten bakteriologische Risiken auf, während oberhalb 90°C die Qualität des fertigen Kaffees, insbesondere seine organoleptische Qualität, leiden kann«

Wenn das Inberührungbringen mit dem grünen Kaffee im Gegenstrom ausgeführt wird, wird das Wasser oder die verarmte wäßrige Lösung vorzugsweise mit einer Temperatur zwischen 85 und 120^pC zugeführt, wobei die Kontaktzeit 1 bis 6 h beträgt» Aufgrund des dynamischen Zustands und der geringeren Kontaktzeit entsprechen diese Behandlungsbedingungen für den grünen Kaffee denjenigen, die im vorhergehenden Absatz genannt wurden.

Das Verfahren ist darüber hinaus in wirtschaftlicher Hinsicht interessant, weil das Harz regeneriert werden kann, d„h„ weil das Harz von zurückgehaltenem Coffein und zurückgehaltenen nicht-coffeinischen Feststoffen befreit werden kann. Es kann deshalb bei einem späteren Verfahren wieder

verwendet werden. Es wurde in dieser Hinsicht festgestellt, daß es nichts von seinen Eigenschaften und von seiner Selektivität verliert, auch nicht nach 30, 40 oder gar 50 Adsorptions/Desorptions(Regenerierungs)-Zyklen für Coffein und nicht-coffeinischen Feststoff. Die mechanischen Eigenschaften ändern sich ebenfalls nicht.

Für die Regenerierung werden heiße polare Lösungsmittel verwendet, wie z.B. Alkohole, z.B. Äthanol oder Isopropanol, Ketone oder Ester, wie Äthylacetat. Alkohol/Wasser-Gemische, beispielsweise 1:1-Äthanol/Wasser-Gemische eignen sich besonders gut. Unter diesen Bedingungen wird höchstens , bei 90°C unter 4 bis 8 Bar gearbeitet. Das Harz wird dabei von allen fixierten Feststoffen, nämlich Coffein und nicht-coffeinischen Feststoffen, befreit.

Es hat sich gezeigt, daß der pH-Wert zwischen der verarmten wäßrigen Lösung und der wäßrigen Ausgangslösung sich um nicht mehr als 0,3 Einheiten unterscheidet, das sind also Werte, welche auf die organoleptischen Qualitäten keinen Einfluß haben und deshalb keiner Korrektur bedürfen.

Die entcoffeinisierten grünen Kaffeebohnen werden geröstet, wobei sich ein Kaffee mit vorzüglicher Qualität ergibt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert. In diesen Beispielen sind die Prozentangaben und Verhältnisse in Gewicht ausgedrückt, sofern nichts anderes angegeben ist. Die wichtigsten Zahlenangaben in diesen Beispielen sind am Ende in einer Tabelle zusammengestellt.

Beispiele 1 bis 5

Man führt in einem geschlossenen Kreislauf 1 1 Wasser durch grünen Kaffee, von diesem durch das Harz und von diesem wieder durch den grünen Kaffee, Der Durchsatz beträgt β l/h, Die Temperatur und die Zeit der Behandlung sind in der Tabelle angegeben»

Wach Beendigung des Verfahrens trennt man den Extrakt ab und wäscht das Hars mit Wasser„ Dann vereinigt man den Extrakt ^ das Waschwasser und den grünen Kaffee und trocknet das Ganze _Q wobei man einen zum Rösten fertigen entcoffeini» sierten grünen Kaffee erhält„

Die erhaltenen Resultate sind in der Tabelle angegeben» Festgehalten sei,, daß Beispiel 4 eine teilweise Enteoff einisierung betrifft und daß in Beispiel 5 ein anderes Harz als in den anderen Beispielen verwendet wirdo

Beispiel 6

Man stellt als kontinuierliche Charge aus den angegebenen 159 g grünem Kaffee 980 g eines Extrakts mit einem Gesamtgehalt an löslichen Feststoffen von 3,40 % und einem Coffeingehalt von 1,98 g/kg her=

Diesen Extrakt bringt raan dann unter den i^eiter unten ange-=· gebenen Bedingungen mit dem Harz in Berührung„

Den behandelten Extrakt, der diesem Verfahren untersogen worden ist und dem das Waschwasser des Harzes zugesetzt worden ist, vereinigt man mit grünem Ausgangskaff©©, wobei man das Ganze vor dem Rösten trocknet„

Die erhaltenen Resultate sind in der Tabelle zu finden»

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Beispiel 7

Aus grünem Kaffee stellt man durch Gegenstromtechnik einen Extrakt her, der nach einer thermischen Konzentrierung einen Gesamtgehalt an löslichen Feststoffen von 19,8 % und einen Coffeingehalt von 1,15 % aufweist.

Dann verfährt man, wie es in Beispiel 6 beschrieben ist. Die erhaltenen Resultate sind in der folgenden Tabelle angegeben .

Menge des grünen Kaffees

Menge des Harzes Spezifische Oberfläche des Harzes (m²/g)

Hars/gesamte lösliche

Feststoff®

Behandlungszeit (h)

Temperatur

g 23Θ f 25© f ISS g -2@4 g

S2_ff7 g 69,7 g 87,1 g 25,0 g SS₁₇*
400 400 400

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Erhaltener Entcoffeini-

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% Coffein/Harz

S Trockenfeststoffe/Harz 4,4

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7

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Claims (1)

1. Patentansprüche;

   1„ Verfahren zur Extraktion von Coffein aus einer wäßrigen Lösung, die Coffein neben anderen nicht-coffoinisehen Feststoffen enthält und die aus grünem Kaffee erhalten worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß man diese Lösung mit einem nicht-ionischen mikroporösen Harz, welches Poren eines mittleren Durchmessers von 6 bis 40 9t. aufweist, in Berührung bringt.

   2„ Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz eine spezifische Oberfläche von mehr als 400 m /g aufvieisto

   3„ Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Lösung insgesamt 1 bis 30 Gew_o-*s lösliche Stoffe enthält»

   ο Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lösung mit dem Harz bei einer Temperatur zwischen 60 und 90°C in Berührung bringt.

   5, Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lösung mit dem Harz in einem Verhältnis von Harzsgesamte lösliche Stoffe zwischen 0,5sΊ und 2,5;1 in Berührung bringt=