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Verfahren zum Entfernen von Koffein aus grünen
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Kaffeebohnen Die Erfindung betrifft die Entfernung von Koffein aus
grünen Kaffeebohnen mit einem koffeinspezifischen Lösungsmittel.
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Man ist seit langem bemüht, Koffein aus grünen Kaffeebohnen mit einem
Verfahren, bei dem die Bohnen nicht zerstört werden, zu entfernen. Bisher hat man
jedoch noch keine ausreichende Extraktion bewirkt, ohne daß man zusätzlich erhebliche
Mengen an Wasser zu den grünen Bohnen gegeben hat.
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Die Zugabe von Wasser vor oder während der Extraktion macht zusätzliche
Einrichtungen erforderlich und erhöht auch die Verfahrenszeit und die Energiekosten.
Darüber hinaus muß das für die Entkoffeinisierung zugefügte Wasser in einer nachfolgende
Verfahrensstufe entfernt werden. Hierfür benötigt man nicht nur zusätzliche Zeit
und Energie, sondern auch der Geschmack des Endproduktes kann dadurch beeinflußt
werden. Deshalb besteht ein Bedürfnis nach einem anderen Verfahren, bei dem man
grüne Kaffeebohnen jeglichen Feuchtigkeitsgehaltes, und ohne daß eine Vorbefeuchtung
erforderlich ist, verwenden kann.
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Bei der üblichen Entkoffeinisierung werden vorbefeuchtete ganze grüne
Bohnen mit einem Lösungsmittel extrahiert. So wird gemäß US-PS 3 671 263 als Lösungsmittel
ein chlorierter Kohlenwasserstoff verwendet, und gemäß US-PS 2 309 092 wird eine
wäßrige Lösung, die kaffeelösliche Stoffe ent-
hält, aber kein Koffein,
verwendet.
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Aus US-PS 3 879 569 ist es bekannt, Koffein quantitativ aus rohen
Kaffeebohnen mittels flüssigem Kohlendioxid bei einem Druck oberhalb des kritischen
Druckes zu entfernen. Auch in US-PS 3 806 619 wird das Extrahieren von grünem Kaffee
mittels feuchtem überkritischen Kohlendioxid beschrieben und in US-PS 3 843 824
wird Koffein aus gerösteten Kaffeebohnen durch Kontakt mit feuchtem überkritischen
Kohlendioxid extrahiert. Bei diesen Verfahren ist es jedoch erforderlich, daß man
die Kaffeebohnen anfeuchtet, um befriedigende Extraktionsraten zu erzielen.
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Die Erfahrungen des Standes der Technik haben ergeben, daß selbst
die stärksten Koffeinlösungsmittel, wie sie bisher angewendet wurden, nicht in der
Lage waren, trockene grüne Kaffeebohnen wirksam zu entkoffeinisieren.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun die Entkoffeinisierung von
grünen Kaffeebohnen ermöglicht, und zwar unabhängig davon, ob diese naß oder trocken
sind, indem man die Bohnen mit einem Koffeinlösungsmittel in Kontakt bringt und
diesen Kontakt eine ausreichende Zeit beibehält, um wenigstens einen Teil des in
den grünen Kaffeebohnen enthaltenen Koffeins zu extrahieren, worauf man dann das
Koffeinlösungsmittel von den grünen entfernt. Erfindungsgemäß wird Dimethylsulfoxid
als Koffeinlösungsmittel verwendet.
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Bei der vorliegenden Erfindung macht man von der Entdeckung Gebrauch,
daß Dimethylsulfoxid, ein aprotisches Lösungsmittel, Koffein aus grünen Kaffeebohnen
in dem niedrigfeuchten Zustand, wie er typischerweise beim Verschiffen
und
beim Lagern vorliegt, freisetzen kann. Angesichts des Standes der Technik, bei dem
die Notwendigkeit bestand, die Bohnen vor der Extraktion zu befeuchten, ist es überraschend,
daß dieses Lösungsmittel Koffein; ohne daß man zusätzlich Feuchtigkeit zufügt, selektiv
freisetzen kann.
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Die erfindungsgemäß verwendeten grünen Kaffeebohnen können irgendwelche
Produkte des Handels sein. Für die vorliegende Erfindung ist es jedoch vorteilhaft,
daß man die milderen und die besonders hocharomatischen Kaffeesorten, wie kolumbianischen
Kaffee, wirksam entkoffeinisieren kann.
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Die grünen Kaffeebohnen können jeden gewünschten Feuchtigkeitsgehalt
haben, jedoch enthalten sie üblicherweise weniger als etwa 20 % Feuchtigkeit, bezogen
auf das Gesamtgewicht der Bohnen. Der Grad und die Selektivität, mit welcher man
bei diesen niedrigen Feuchtigkeitsgehalten die Extraktion durchführen kann, ist
gegenüber den bekannten Verfahren des Standes der Technik erheblich. Vorzugsweise
haben die Bohnen einen Feuchtigkeitsgehalt, wie er normalerweise beim Verschiffen
und Lagern vorliegt. Dieser Feuchtigkeitsgehalt beträgt typischerweise weniger als
etwa 10 % und liegt meistens im Bereich von etwa 4 bis etwa 9 %.
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Mit solchen Feuchtigkeitsgehalten sind die Bohnen stabil gegen irgendwelche
negativen Einflüsse aufgrund von Mikroorganismen oder gegen Alterung und Austrocknung.
Das verwendete Lösungsmittel, Dimethylsulfoxid, ist ein aprotisches Lösungsmittel,
welches bei seiner Lösungskapazität weder Protonen abgibt oder annimmt. Man nimmt
an, daß ein Komplex in den grünen Kaffeebohnen zwischen dem Kaliumchlorogenat und
dem Koffein vorliegt, der, wie der Stand der Technik gezeigt hat, selbst gegenüber
den stärksten Koffeinlösungsmitteln resistent ist, wenn man nicht vorher diesen
Komplex mittels Wasser aufbricht. Ohne hier an eine besondere Theo-
rie
gebunden zu sein, scheint Dimethylsulfoxid in der Lage zu sein, diesen Komplex aufzubrechen,
ohne daß hierbei Feuchtigkeit benötigt wird. Dimethylsulfoxid ist eine farblose
hygroskopische Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von etwa 189°C. Es ist bekannt als
ein sehr wirkungsvolles aprotisches Lösungsmittel, welches leicht in die tierische
oder menschliche Haut oder andere Gewebe eindringt. Zwar kann der Feuchtigkeitsgehalt
der Bohnen so niedrig wie gewünscht sein, jedoch hat Dimethylsulfoxid den Vorteil,
daß es mit Wasser mischbar ist und praktisch mit Bohnen jeglichen Feuchtigkeitsgehaltes
anwendbar ist.
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Das Lösungsmittel soll die Bohnen in einer ausreichenden Menge und
unter solchen Bedingungen kontaktieren, daß eine annehmbare Extraktionsrate und
ein annehmbarer Extraktionsgräd erzielt werden. Vorzugsweise beträgt die Konzentration
des Koffeins in dem Dimethylsulfoxid während des Kontaktes weniger als 0,3 und vorzugsweise
weniger als etwa 0,05 g pro kg Dimethylsulfoxid, um eine wirksame Entkoffeinisierungsrate
zu erzielen. Ein Vorteil des Dimethylsulfoxids besteht auch darin, daß Dimethylsulfoxid
sehr selektiv für Koffein zusammen mit Chlorogensäure ist. Andere Kaffeekomponenten,
z. B. Zucker, werden in unterschiedlichen Mengen durch Dimethylsulfoxid aufgelöst.
Es ist deshalb bevorzugt, daß man die Konzentration an diesen weiteren löslichen
Materialien innerhalb des Dimethylsulfoxids möglichst hoch hält, und zwar vorzugsweise
in der Nähe des Sättigungspunktes.
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Der Sättigungsgrad des Dimethylsulfoxids mit Koffein kann bei absatzweisen
Verfahren bei verhältnismäßig niedrigen Niveaus gehalten werden, indem man ausreichend
große Mengen des Lösungsmittels verwendet, so daß bei dem gewünschten Entkoffeinisierungsgrad
das Dimethylsulfoxid in der Lage ist,
das gesamte extrahierte Koffein
zu lösen. Alternativ und vorzugsweise gibt man ein festes Adsorptionsmittel zu dem
Lösungsmittel hinzu, in welches das Koffein eindringt und welches das Koffein aus
der Lösung abzieht, wodurch eine wirksame Antriebskraft zum Extrahieren des Koffeins
aus den grünen Kaffeebohnen beibehalten wird.
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Wendet man ein festes Adsorptionsmittel an, dann soll dieses vorzugsweise
hochselektiv in bezug auf Koffein sein im Gegensatz zu den anderen Komponenten innerhalb
der Extraktionslösung, die aus dem Lösungsmittel, Koffein und weiteren gelösten
Kaffeefeststoffen besteht. Dies kann man dadurch erzielen, daß man das feste Adsorptionsmaterial
so auswählt, daß es hochselektiv gegenüber Koffein ist, oder indem man es mit anderen
löslichen Kaffeestoffen sättigt.
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Gewünschtenfalls kann man die Selektivität des festen Adsorptionsmittels
erhöhen, indem man es mit einem geeigneten koffeinselektiven Überzug versieht. Dies
wird in der anhängigen US-Patentanmeldung Serial No. 159,725 vom 16. Juni 1980 mit
dem Titel "Adsorption Decaffeination" beschrieben.
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Man kann alle üblichen festen Adsorptionsmittel, die aus dem Stand
der Technik bekannt sind, bei der vorliegenden Erfindung anwenden. Das Adsorptionsmittel
muß in der Lage sein, Koffein zu adsorbieren und muß unter den Verfahrensbedingungen
physikalisch stabil sein. Geeignete Adsorptionsmittel für Koffein sind beispielsweise
Tone, wie sie in den US-PS'en 2 391 981 und 2 416 484 beschrieben werden, Zeolithe
oder Ionenaustauscherharze gemäß US-PS 3 108 876, hydratisierten Silikate gemäß
US-PS 2 375 550, polymere nichtionogene Adsorptionsharze, insbesondere Styrol-Divinylbenzol-makrovernetzte
Harze, wie sie in US-PS 3 531 463 beschrieben werden und Aktivkohle, insbesondere
feinteilige
Aktivkohle aus Kokosnußschalen oder Kohle. Vorzugsweise
ist das Adsorptionsmittel ausgewählt aus Aktivkohle, Ton, hydratisierten Silikaten,
Zeolithen, Ionenaustauscherharzen, nichtionogenen Adsorptionsharzen und Kombinationen
davon. Ganz besonders wird Aktivkohle bevorzugt wegen des ausgeglichenen Verhältnisses
von Kosten und Wirksamkeit.
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Das feste Adsorptionsmittel soll in ausreichenden Mengen verwendet
werden, um eine wirksame niedrige Konzentration des Koffeins innerhalb des Dimethylsulfoxidlösungsmittels
während der Kontaktzeit zwischen den grünen Bohnen und des Lösungsmittels aufrechtzuerhalten.
Die genaue Menge des festen Adsorptionsmittels hängt von der Kapazität sowohl des
Dimethylsulfoxids als auch des festen Adsorptionsmittels bei der jeweils involvierten
Temperatur ab. Es kann auch wünschenswert sein, eine Uberschußmenge des festen Adsorptionsmittels
anzuwenden, um dadurch die höchstmögliche Antriebskraft für die Entkoffeinisierung
zu erzielen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann absatzweise oder kontinuierlich
durchgeführt werden. Absatzweise Verfahren haben den Vorteil der Einfachheit, wobei
man lediglich die Materialien vermischen muß, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.
Eine kontinuierliche Verfahrensweise wird jedoch bevorzugt, weil man die Gesamtgröße
der Ausrüstung und auch die Verfahrenszeit vermindern kann. Dadurch, daß man konstant
das Dimethylsulfoxid oder das feste Adsorptionsmittel abzieht und erneuert, um das
Koffein daraus zu entfernen, wird die Gesamtmenge des benötigten Lösungsmittels
und des festen Adsorptionsmittels minimalisiert.
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Die größte Antriebskraft für die Extraktion erzielt man, wenn man
den Strom des Lösungsmittels im Gegenstrom zu den Bohnen führt. Dies kann man erzielen,
indem man entweder
eine vollkommen kontinuierliche oder eine absatzweise
Verfahrensweise in bekannten Vorrichtungen durchführt. Ein weiterer Vorteil der
kontinuierlichen oder semikontinuierlichen Verfahrensweise besteht darin, daß man
das Lösungsmittel mit den Bohnen in einem kontinuierlich fließenden Strom in Kontakt
bringen kann und das Lösungsmittel dann über ein getrenntes Bett aus dem festen
Adsorptionsmittel leitet, wo das Lösungsmittel durch die Entfernung des Koffeins
erneuert wird. Arbeitet man nach einem solchen Verfahren, dann kann man einen Kontakt
zwischen den grünen Kaffeebohnen und dem festen Adsorptionsmittel vermeiden.
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Um eine gute Extraktion gemäß der vorliegenden Erfindung zu erzielen,
ist auch die Temperatur, wie sie während des Kontaktes zwischen den Bohnen und dem
Koffeinlösungsmittel vorliegt, von Bedeutung. Die Temperatur beeinflußt die Extraktionsrate,
die Selektivität des Lösungsmittels und des festen Adsorptionsmittels und die relativen
Kapazitäten des Lösungsmittels und des festen Adsorptionsmittels zum Zurückhalten
des extrahierten Koffeins. Ebenso wird durch die Temperatur auch der Geschmack der
fertigen Kaffeeproduktes beeinflußt. Man kann infolgedessen nicht eine bestimmte
Temperatur oder einen bestimmten Temperaturbereich als universelle Optimaltemperatur
angeben. Im allgemeinen sind Temperaturen im Bereich von etwa 500C bis etwa 1000C
zur Erzielung guter Ergebnisse geeignet.
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Die Auswahl der jeweiligen spezifischen Temperatur hängt von den Materialien,
der Vorrichtung und den angewendeten Bedingungen ab und kann innerhalb oder außerhalb
des angegebenen Bereiches liegen.
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Die Gesamtkontaktzeit bzw. die Verweilzeit in einem Extraktor hängt
von den vorerwähnten Faktoren sowie auch von dem gewünschten Koffeinextraktionsgrad
ab. Wirtschaftlichkeit
ist ein wesentlicher Faktor, jedoch muß
man auch berücksichtigen, daß eine zu lange Kontaktzeit den Kaffeegeschmack nachteilig
beeinflussen kann. Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß er diese Faktoren
miteinander ausgleichen kann, wobei eine entsprechende Situation in dem Beispiel
angegeben wird.
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Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren entkoffeinisierten grünen
Kaffeebohnen werden dann in üblicherweise geröstet, wobei man einen hochqualitativen
entkoffeinisierten Kaffee erhält, den man in üblicher Weise abmischen kann. Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, daß man die Bohnen vor der Entkoffeinisierung
nicht anzufeuchten braucht, jedoch ist es nicht erforderlich, die Bohnen vor dem
Rösten zu trocknen oder die Röstzeit auszudehnen, um den überschüssigen Feuchtigkeitsgehalt
zu berücksichtigen. Dies verbessert die Effizienz des Verfahrens und vermindert
die zum Rösten der Bohnen benötigte Energie. Da man die überschußfeuchtigkeit der
Bohnen nicht mehr zu entfernen braucht, wird dadurch auch die Qualität des Endproduktes
verbessert.
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Das nachfolgende Beispiel beschreibt die Erfindung, wobei jedoch andere
Verfahrensparameter im Rahmen der vorliegenden Erfindung angewendet werden können.
Alle Teile und Prozentsätze sind auf das Gewicht bezogen.
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Beispiel In einem Becherglas werden 10 g grünen kolumbianische Kaffeebohnen
mit einem Wassergehalt von etwa 6 % mit 100 g Dimethylsulfoxid kontaktiert. Dazu
werden 10 g feinteilige Aktivkohle (12 x 40 mesh) zum Adsorbieren des Koffeins aus
dem
Dimethylsulfoxid gegeben. Der Inhalt des Becherglases wird während etwa 8 h bei
einer Temperatur von etwa 820C gehalten. Die Analyse zeigt, daß 82,6 % des ursprünglichen
Koffeingehaltes der Bohnen entfernt worden sind.