KR930003816B1 - 커피의 가수분해 및 오일 추출을 동시에 행하는 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

커피의 가수분해 및 오일 추출을 동시에 행하는 방법

본 발명은 사용한 커피 찌끼(spent coffee grounds)를 가수분해시키는 동시에 이 커피 찌끼로부터 오일을 추출시키는 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 사용한 커피 찌끼를 비교적 고온에서 단시간에 산촉매 가수분해 시키고, 동시에 그 찌끼로부터 커피 오일을 추출시키는 것을 포함한다.

역류 다단식 추출 시스템으로부터 얻은 찌끼와 같이, 사용한 커피찌끼를 특히, 산촉매 존재하 고온에서 가수분해시켜 부차적으로 유용한 커피 고상물을 얻을 수 있다는 것은 오래전부터 알려져 왔었다. 예를 들면, 클러프(Clough)등의 미합중국 특허 제2,573,406호에는 대기 중에서 추출한 커피찌끼를 100℃, 1%황산중에서 약 1시간 가수분해시키고, 이 가수분해물을 중화 및 여과시키고, 이 가수분해물을 대기 추출물과 혼합시키고, 이어서 이 혼합된 추출물을 건조시켜 가용성 커피를 제조하는 방법이 기재되어 있다. 베너(Benner)등의 미합중국 특허 2,687,335호에도 상기한 바와 유사한 방법이 기재되어 있는데, 단, 황산 대신 인산이 사용된다. 이 두 선행 기술의 방법은 가수분해물을 생성하는데 1시간 이상을 필요로 하므로, 비교적 느리고 비능률적인 방법이다. 또한 상기 클러프 등 및 베너 등의 방법은 사용한 커피찌끼 중에 존재하는 것으로 알려져 있는 커피 오일을 동시에 회수하지 못한다.

풀거(Fulger)등이 1982년 12월 30일자로 출원한 후, 일반 양도한 미합중국 특허 출원 제 454,914호에는 상기 방법보다 좀 더 효율적인 가수분해 방법이 기재되어 있다. 이 특허 출원 명세서에는 반응기, 대표적으로 플러그 흐름 반응기(plug flow reactor)중에서 커피 물질을 비교적 고온에서 단시간에 산촉매 가수분해시키는 방법이 기재되어 있다. 커피 물질을 물 중에서 슬러리화하여, 때때로 커피 고상물이 약 5 중량%미만인 비교적 묽은 가수분해물을 생성한다. 이러한 묽은 가수분해물은 고농축을 요하므로, 추가 비용이 들게된다. 또한, 상기 특허출원 명세서에 기재된 방법으로는 커피 물질의 가수 분해 커피 오일의 추출을 동시에 행하지 못한다.

본 발명의 목적은 사용한 커피 찌끼를 가수분해시키는 동시에, 이 커피 찌끼로부터 커피 오일을 추출시키는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 더욱 농축된 가수분해물을 생산하는, 사용한 커피 찌끼의 가수분해 방법을 제공하는 것이다.

본 발명자들은 사용한 찌끼를 물 중에서 슬러리화하여, 이 슬러리를 산성화시킨 후, 이 슬러리 중에 오일용매를 분산시키는 것으로 이루어진 사용한 커피 찌끼의 가수분해 방법이 본 발명의 목적에 부합된다는 것을 발견했다. 이어서, 분산액을 고온에서 반응기, 대표적으로는 플러그 흐름 반응기를 통해 통과시켜, 커피찌끼를 가수분해시키고, 오일 용매중으로 커피 오일을 추출시킨다. 이어서, 커피 오일을 함유하는 용매를 수성 가수분해물 슬러리로부터 분리시키고, 이 가수분해물을 사용한 커피찌끼로부터 분리시킨다.

가수분해시킬 수 있는 물질 및 커피 오일을 함유하는 어떠한 커피물질도 본 발명의 방법에서 사용할 수 있지만, 시판되는 커피 여과시스템으로부터 부분적으로 추출된 사용한 찌끼가 특히 유용하다. 이와같은 여과시스템은 대표적으로 역류 다단식 추출시스템이며, 이 시스템에서는 약 175℃ 이상의 물을 주된 추출부(the most spent section)에 급수시킨다. 가장 적은 양으로 방금 추출된 커피를 함유하는 컬럼으로부터 커피 추출물을 회수한다. 예정된 순환시간이 경과한 후, 주된 추출부로의 흐름을 중지시키고, 추출되지 않은 커피를 함유하는 컬럼으로 분류(奔流)시키고, 이 흐름을 추출시스템을 통해서 조절시킨다. 이 추출부로부터 방출된 커피를 사용한 찌끼라고 칭한다. 하기 표 1에 나타난 바와 같이, 이 사용한 커피 찌끼는 탄수화물 중합체 약 45 중량% 및 본 발명의 방법에 의해 잠재적으로 가수분해될 수 있는 비(非)알칼로이드 질소함유 물질 약 10 중량%를 함유하고, 커피 오일(지질) 약 25 중량%를 함유하며, 이 유용한 커피오일을 회수하는 것이 바람직하다.

[표 1]

사용한 찌끼의 산성화된 수성 슬러리 중에 수불혼화성 오일 용매를 분산시킨 분산액은 궁극적으로 반응기를 통과시켜 제조한다. 제1 단계에서는 사용한 찌기의 수성 슬러리를 제조한다. 슬러리의 적합한 고상물 함량은 슬러리를 유동성으로 유지하기 위한 요구뿐만 아니라, 효율적인 추출을 위해 충분한 용매를 갖게하는 필요성에 기초해서 선택한다. 플러그 흐름 반응기의 경우에는, 대표적으로 총 약 5 내지 25 중량%(건조 중량 기준)의 고상물을 함유하는 반응물을 사용하는 것이 적합하다. 그러나, 본 발명의 슬러리는 여기에 분산되는 오일 용매에 의해 희석되므로, 다른 방법에서 제조되는 것보다 고상물을 더 많이 함유하도록 제조한다. 목적물은 고상물을 5 내지 25 중량% 함유하는 분산액이다. 따라서, 예컨데, 수불혼화성 오일 용매를 용매 : 슬러리가 1 : 1(용적비)이 되도록 슬러리 중에 분산시키면, 초기의 슬러리는 사용한 찌끼를 10-40 중량%(건조 중량 기준)갖도록 제조할 수 있으므로, 분산액은 5-20 중량%의 고상물만을 갖게 된다. 기타 다른 용적비에 대응하는 슬러리의 고상물 함량은 당업자들에게 명백해질 것이다. 액체 밀도가 상당히 다른 경우에, 밀도 차는 슬러리에 적절한 고상물 함량을 측정함에 있어서 반드시 고려되어야 한다.

가수분해에 의해서 얻은 가용성 커피 고상물이 물 중에서는 가용성이지만, 수불혼화성 오일 용매중에서는 일반적으로 가용성이 아니라는 점을 인식하면, 본 발명의 장점이 명백해진다. 상기한 바와 같이, 오일 용매를 사용하면 고상물 함량이 더 높은 슬러리의 사용이 가능하다. 즉, 슬러리 중에 보다 적은 양의 물을 사용하게 된다. 그러나, 보다 적은 양의 물을 사용할 경우, 생성되는 가수분해물에는 보다 높은 농도의 가용성 커피 고상물이 함유되는데, 이는 커피 고상물이 오일 용매 중에서 주로 용해되지 않기 때문이다. 따라서, 가수분해물의 출발 농도가 높기 때문에, 그 만큼 부하 농도는 감소하는 잇점이 있다.

슬러리를 사용한 찌끼 고상물의 함량이 적절하도록 제조한 후, 이 슬러리에 산을 첨가해서 산성화시켜 pH를 0.7 내지 3.0으로 조절시킨다. 이 산은 가수분해 반응을 촉매한다. 본 발명의 방법에서 사용하기 위한 구체적인 산 촉매에는 무기산 뿐만 아니라 유기산도 포함한다. 특히, 강무기산인 황산은 목적하는 pH로 조절하는데 비교적 소량이 필요할뿐만 아니라, 황산은 침전에 의해서 최종 가수분해물로부터 용이하게 분리시킬 수 있으므로 본 발명의 방법에 유용하다. 또한, 황산은 식품 가공업에서 널리 사용된다. 또다른 무기산으로는 인산, 질산, 염산 및 그의 혼합물을 들 수 있다. 단독으로 또는 혼합해서 사용되는 본 발명에 적합한 유기산으로는 아세트산, 시트르산, 타르타르산, 말산, 아디프산 및 푸마르산이 있다. 이산화탄소 기체를 분산액에 주입시켜 다른 적당한 산촉매인 탄소산을 형성할 수 있다. 무기산보다 일반적으로 더 약한 유기산은 적당한 pH로 조절하는데 비교적 더 많은 양으로 사용된다.

일단, 사용한 커피 찌끼의 슬러리를 제조해서, 적당한 pH로 조절한 후에는, 오일 용매 : 슬러리의 용적비를 3 : 1 내지 1 : 1로해서 수불혼화성 오일 용매를 슬러리 중에 분산시킨다. 상기 오일 용매로는 사용한 커피 찌끼중에 함유된 커피오일을 용해시키고, 커피 고상물을 가수분해 하여 제조한 가용성 커피 고상물을 용해시키지 않고, 실제로 수불혼화성인 것들이 적합하다. 선택된 오일 용매는 식품 가공시 사용이 허가된 것들이 가장 바람직하다. 헥산은 쉽게 구입할 수 있고, 비교적 저렴하며, 식품 가공시 사용이 허가된 것이므로 특히 편리한 오일 용매이다. 기타 편리한 오일 용매로는 프레온, 광물성 경질유, 고분자량 알코올, 톨루엔 및 그들의 혼합물이 포함된다. 상기 기준을 충족시키는 용매들중에서 적당한 용매를 선택할 때는 안전성, 비용, 유용성 등을 고려해서 정한다.

수불혼화성 오일 용매는 pH가 조절된 수성 슬러리 중에서 수성 상중의 미세한 액적(droplet)으로서 분산시키는 것이 가장 바람직하다. 이러한 분산액은 당업계에 공지된 어떠한 방법으로도 만들 수 있다. 오일 용매 및 pH가 조절된 슬러리를 함께 탱크에 넣고, 내용물을 적당하게 진탕시키는 것이 적합한 한 방법이다. 이때, 진탕은 에멀젼을 형성시킬 정도로 너무 격렬해서는 안되지만, 분산액을 형성시키기에 충분할 정도로 격렬하게 행하는 것이 좋다. 오일 용매를 분산시키는 또다른 방법은 두 액체를 인-라인 혼합기(in-line mixer)등을 통과시켜 순환시키는 것이다. 사용하는 특정 분산 방법은 중요하지 않지만, 단, 불필요한 에멀젼을 형성할 정도로 너무 격렬하지 않고, 오일 용매가 미세한 액적으로 분사되도록하는 방법이 적합하다.

이와같이 해서 분산액을 제조한 후, 이 분산액을 반응기에 통과시킴으로써 커피 찌끼의 가수분해와 이 찌끼로부터의 오일 추출을 동시에 행할 수 있다. 이 목적에 적합한 반응기로는 고온에서 단시간내 가수분해를 촉진시킬 수 있을 뿐만 아니라, 사용한 커피 찌끼가 분산된 오일 용매 액적과 계속해서 접촉하도록 혼합물의 충분한 분산을 유지시킬 수 있는 것들이다. 플러그 흐름 반응기가 특히 편리한 것으로 밝혀져 있다. 플러그 흐름 반응기는 기본적으로 긴 원통형 파이프로서, 이것을 통해서 반응물질을 통과시켜 반응을 행할 수 있다. 플러그 흐름이란 도관중심부에서의 유체 속도가 관벽 가까이로 흐를때의 속도보다 더 빠른 정상적인 포물선형 프로필(profile)과는 대조적으로 파이프를 통해서 흐르는 반응물의 흐름이 비교적 직선형인 속도 프로필을 의미한다. 반응기의 기하학적 구조는 고상물의 침전을 방지시킬 뿐만아니라 물/용매 분산액의 유동을 중단시키지 않도록 충분한 속도로 유지할 수 있는 구조이어야 한다. 플러그 흐름 반응기의 방출 단부를 오리피스(orifice)또는 기타 유동 제한기로 씌어서 반응기 내의 압력을 조절하고, 또한 방출 속도를 조절한다. 반응기를 가열조 중에 침지시키거나, 또는 반응기 내로 증기를 직접 주입시켜서 반응기의 내용물을 가열시킬 수 있다. 이와는 달리, 반응물질을 반응기내에 넣기 전에 가열시킨 후, 단열시켜 목적하는 온도를 유지시킬 수도 있다.

본 명세서에서 언급한 가수분해 반응은 소위, 단시간내에 행하는 고온 가수분해 반응이다. 반응기 중에서의 분산액의 체류 시간은 바람직하기로는 5-60초, 가장 바람직하기로는 10-15초이다. 반응 시간이 이 보다 훨씬 더 짧으면, 가수분해가 불충분하고, 훨씬 길면 가수분해된 커피 고상물이 분해될 수도 있다. 반응은 약 180-240℃에서 행하는 것이 바람직하다. 반응 시간, 온도 및 슬러리의 pH는 모두 밀접한 관계가 있다. 반응 시간과 온도 사이에는 역(逆)관계가 있으므로, 상기 온도 범위중 상한쪽의 고온을 선택할 경우에는 같은 정도의 가수분해를 행하기 위해서는 보다 짧은 체류시간이 요구된다. 반응 시간과 pH사이에는 직접적인 관계가 있으며, 같은 정도의 가수분해를 행하기 위해서는 슬러리의 pH를 낮출수록 체류시간의 단축 및(또는)온도의 감소를 필요로 한다.

사용한 커피 찌끼로부터 커피 오일의 동시 추출은 분산액이 반응기, 특히 플러그 흐름 반응기를 통과할 때에, 수불혼화성 오일 용매의 분산된 액적과 사용한 커피 찌끼를 연속적으로 접촉시켜 행한다. 본 발명자들은 사용자 커피 찌끼가 친수성이어서, 분산된 수불혼화성 용매 액적을 실제적으로 침투하지 못하지만, 사용한 찌끼는 분산된 액적과 무질서하게 접촉만시켜도 커피 오일을 추출하기에 충분하다는 것을 발견했다. 이와같은 무질서한 접촉은 반응기, 특히 플러그 흐름 반응기 중에서 일어나며, 이 반응기에서 유체 반응 물질을 일정하게 혼합을 한다.

반응기로부터 방출되는 분산액에는 커피 오일을 함유하는 오일 용매, 가수분해된 사용한 찌끼 및 수성 가수분해물이 함유된다. 분산액은 고온이므로, 계속하여 진행시키기 전에 분산액을 냉각시키는 것이 바람직할 수도 있으나, 이 과정은 반드시 필요한 것은 아니다. 커피 오일을 함유하는 오일 용매는 당업계에 공지된 서로 섞이지 않는 두 액체를 분리시키는 방법중 어떠한 방법을 이용하여도 가수분해된 사용한 찌끼 및 가수분해물로부터 분리시킬 수 있다. 원심분리법 및 오일분리기(oil separator)를 통과시키는 방법들은 그 예이다. 이어서, 유용한 커피 오일은 보다 휘발성인 용매를 증발시켜 제거하는 방법에 의해 오일 용매로부터 회수할 수 있다. 회수된 오일 용매는 본 발명의 방법으로 재순환시킬 수 있다.

이어서, 수성 가수분해물로부터 가수분해된 사용한 찌끼를 분리시킬 필요가 있다. 분리시키기 전에 슬러리를 중화시켜 가수분해된 사용한 찌끼가 처분될때 pH가 낮지 않게 하는 것이 바람직하다. 이와 달리, 가수분해된 찌끼를 중화시키기 전에 가수분해물로부터 분리시킬 수도 있다. 분리는 여과법, 원심분리법, 가압법 등과 같은 공지된 방법에 의해 행할 수 있다. 중화는 이온교환 수지 및 이와 유사한 방법에 의해서 염기를 첨가해서 산을 염의 형태로 석출시켜 행할 수도 있다. 휘발성 유기산의 경우에 있어서, 산 제거는 가수분해물의 증류 제거법(stream stripping)에 의해 간단히 행할 수 있다. 가수분해된 사용한 찌끼는 폐기물로서 처분하거나 또는 이 방법에서 연료로서 연소시킬 수 있다.

중화시킨 가수분해물은 가용성 커피 가공시 사용되는 통상적인 커피 추출물과 같은 또다른 커피 추출물과 혼합시킬 수 있다. 가수분해물은 종래의 추출물보다 더 묽어지는 경향이 있으므로, 커피 추출물과 혼합시키기 전에 가수분해물을 농축시키는 것이 바람직하다. 이 가수분해물은 경제적으로 유용한 가용성 커피 고상물의 첨가를 제공하며, 생성되는 커피 추출물의 풍미에 역효과를 미치지는 않는다. 이 혼합 커피 추출물을 통상적인 방법으로 건조시켜 가용성 커피를 제공할 수 있다. 또한 상기 혼합 커피 추출물에 공지의 풍미 농후법(aroma enriching technique)을 적용시켜 비교적 맛이 순한 가수분해물의 풍미 희석 효과를 줄이는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 다음의 비제한 실시예로 더욱 구체적으로 설명한다.

[실시예]

이 실시예에서는 시판용 여과시스템으로부터 얻은 사용한 커피 찌끼를 이용했다. 이 찌끼는 여과시스템중에서 추출시킨, 볶아서 분쇄한 커피 약 50 중량%를 함유했다. 이 찌끼를 물 중에서 슬러리화하여 슬러리가 약 10 중량%(건조 중량 기준)의 커피 찌끼를 갖도록 했다. 이 슬러리를 2개의 실험 샘플과 1개의 대조샘플로 나누었다. 이어서, 이 대조 샘플과 2개의 실험 샘플을 플러그 흐름 반응기에 통과시켰다. 이 반응기는 온도 조절을 위해 스테인레스 강철이 감겨진 내경 약 2.1mm인 튜우브를 유동상 모래조중에 넣어 이루어진 것이다. 반응기의 방출단부에는 0.75mm 내지 1.0mm 크기의 오리피스가 있다. 이 반응기를 고압에 견딜 수 있는 진탕 오토클레이브와 밸브로 연결시켰다. 이 실험 샘플을 헥산 : 슬러리의 용적비를 1 : 1로 하여 헥산과 혼합시키고, 이 헥산을 오토클레이브 중에서 진탕시켜 슬러리 중에 분산시켰다. 대조 샘플은 동일한 용적의 물로 희석했다. 황산을 3개의 샘플 각각의 약 1 중량%로 첨가했다. 반응물질을 오토클레이브 중에 넣고 밀폐해서, 질소를 충입시켜 약 32 기압으로 가압시켰다. 이 오토클레이브와 반응기를 연결시킨 밸브를 적당한시간에서 열어주고, 반응기를 통해서 슬러리 또는 분산액을 가압식으로 강제 이송시켰다. 반응기로부터 방출되는 물질을 모아서 냉각시키고, 방지한채, 커피 오일을 함유하는 헥산, 가수분해된 사용한 찌끼 및 가수분해물로 분리했다. 반응 조건 및 결과를 하기 표 2에 나타냈다. 달리 명시하지 않는 한, 모든 %는 중량%이다.

[표 2]

반응 조건 및 결과

상기 표에서 나타난 바와 같이, 가수분해된 커피 고상물의 수율은 세 경우 모두에 있어서 거의 비슷하였으나, 헥산 오일 용매를 사용한 2개의 실험 샘플에서는 커피 찌끼로부터 약 50%의 커피 오일이 동시에 추출되었다.

Claims (9)

1. (a) 사용한 커피 찌끼를 물 중에 슬러리화하여 찌끼의 중량이 슬러리의 약 5-25 중량%이 되게 하고, (b) 이 슬러리에 산을 첨가해서 pH를 0.7 내지 3.0으로 조절하고, (c) pH를 조절한 슬러리를 수불혼화성 오일 용매와 오일 용매 대 슬러리의 용적비가 1 : 1 내지 3 : 1이 되도록 혼합하고, (d) 오일 용매를 미분된 액적 형태로 pH를 조절한 슬러리 중에 분산시키고, (e) 상기 (d)단계에서 얻은 분산액을 반응기중에서 180℃ 내지 240℃의 온도에서, 5초 내지 60초 동안 가열하여 커피 찌끼를 가수분해 시킨후, 이 찌끼로부터 오일을 추출하고, (f) 커피 오일을 함유하는 오일 용매를 수성 가수분해물로부터 분리시킨후, 이 찌끼를 가수분해물로부터 분리시키는 것을 특징으로 하여, 커피 찌끼의 가수분해와 커피 오일의 추출을 동시에 행하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 (e)단계의 반응기가 플러그 흐름 반응기인 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 (b)단계의 산이 황산, 인산, 질산, 염산, 아세트산, 시트르산, 타르타르산, 말산, 아디프산, 푸마르산 및 그의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 수불혼화성 용매가 헥산, 톨루엔, 프레온, 광물성 경질유, 고분자량 알코올 및 그의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 커피 찌끼가 역류 다단식 커피 여과시스템으로부터 얻는 사용한 찌끼인 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 (f)단계의 커피 오일을 함유하는 오일 용매로부터 커피 오일을 회수하는 단계를 더 포함하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 커피 오일을 오일 용매의 증발에 의해 회수하는 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 (f)단계의 수성 가수분해물을 커피 오일을 함유하는 오일 용매로부터 분리시킨 후, 그리고 가수분해시킨 사용한 찌끼로부터 분리하기 전 또는 후에 중화시키는 단계를 더 포함하는 방법.
9. 제 8 항에 있어서, 중화시킨 수성 가수분해물 수용성 커피 추출물과 혼합시키고, 이 혼합물을 건조시켜서 건조된 가용성 커피를 얻는 단계를 더 포함하는 방법.