NO136132B - Fremgangsm}te for fjerning av koffein fra r}kaffe. - Google Patents

Description

I de siste årtier er det blitt kjent, et stort antall fremgangsmåter som går ut på å fjerne koffein fra kaffe. De fleste av disse fremgangsmåter fjerner koffeinet fra råkaffen som er oppsluttet med vann, ved behandling med løsningsmidler som ekstraherer alkaloidet mest mulig selektivt. Her kommer blant annet estere i betraktning, aromatiske hydrokarboner såvel som spesielt halogsierte hydrokarboner alene eller i blanding. Videre er også koffeinet blitt fjernet fra vandige ekstrakter fra råkaffe og brent kaffe i motstrømapparater f.eks. med trikloretylen, og den gjenblivende, koffeinfrie, vandige fase tilføres igjen til de ekstraherte bønner i kretsløpet.

En hovedulempe ved disse fremgangsmåter er at de anvendte løsningsmidler må fjernes fullstendig igjen fra bønnene, respektive ekstraktene ved forhøyete temperaturer.

Dette skjer ved damping med ekspandert vanndamp i til-knytting til koffeinfjerningen, noe som nødvendiggjør et betyde-lig oppbud av tekniske og analytiske foranstaltninger. Det er derfor foretatt forsøk på å fjerne koffeinet fra råkaffen med andre enn de ovennevnte midler. Således ble f.eks. i henhold til USP 1.640.648 egenskapen hos koffeinet til å sublimere ved 178°C utnyttet på den måte at man behandlet råkaffen til frigjøring av koffeinet i bønnen først med alkalier, oppvarmet den så til 178°C og ledet en inertgasstrøm gjennom, som kunne bestå av H2, N2 eller C02- og transporterte deretter det sublimerende koffein vekk med gasstrømmen. Her kunne man imidlertid ikke gå under slutt-verdier på 0,35% koffein i råkaffen, slik at denne kaffe hverken kan gjelde som koffeinfattig eller som koffeinfri i den betyd-ning som den tyske næringsmiddelforskrift legger i dette. Som tungtveiende ulempe må man dessuten se den kjensgjerning at kaffen må behandles med alkalier og dessuten ved meget høye temperaturer.

I nyere tid er det også blitt kjent en fremgangsmåte (DOS 2.005.293) som fjerner koffeinet fra den fuktige råkaffe med overkritisk, altså gassformig, C02. Arbeidsområdet når det gjelder temperaturen, ligger her på mellom 40 og 80°C, idet den nedre grense dannes av den kritiske temperatur for Bearbeid-elsen av råkaffe i dette temperaturområdet fører blant annet til at den derav fremstilte brente kaffe ikke er helt tilfredsstil-lende hva smaken angår.

Det ble videre fastslått at koffeinet også kan fjernes fra råkaffen ved temperaturer som ligger under den kritiske temperatur, altså med flytende karbondioksyd. En koffeinfjerning fra råkaffen er derved mulig såvel med en tofaséblanding av flytende og gassformig karbondioksyd som enfaset med flytende karbondioksyd, dvs. noe over likevekttrykket for karbondioksydet, respektive dets løsninger ved den aktuelle temperatur. Det har imidlertid vist seg at under disse betingelser er løseevnen til det flytende karbondioksyd ikke svært selektivt og at det foruten koffeinet også trekkes ut ekstraktstoffer fra råkaffen, som er av betyd-ning for aromadannelsen ved brenningen, og at den således behand-le.te kaffe derfor influeres i sin aroma. Liknende iakttakelser er også beskrevet i det ovenfor nevnte DOS 2.005.293.

Flytende karbondipksyds egnethet som løsningsmiddel er beskrevet på flere steder i litteraturen, således fremfor alt ved utvinning av kaffearomaolje, se M. Sivetz "Coffee Processing Technology", bind 2, s. 21-23, videre GB-PS 1.106.468, respektive A-PS 285.307, og av andre aromakonsentrater, f.eks. Food Technology 23, 11, 50 (1969), dvs. altså av ekstrakter som ut-gjør blandinger av et stort antall komponenter.

Av dette følger at ved ekstraksjon av råkaffe med flytende karbondioksyd fjernes ekstraktstoffer samtidig med koffeinet, og at det derved på den ene side fåes ekstrahert koffein i sterkt forurenset form, mens på den annen side kaffen mangler komponenter som er viktige for aromadannelsen.

Overraskende nok er det nå fastslått at ved forhøyelse av trykket i ekstråksjonssystemet tiltar selektiviteten for det flytende karbondioksyd for koffein påfallende, og spesielt over det kritiske trykk fjernes praktisk talt rent koffein fra kaffen, uten at innholdet av aromadannende ekstraktstoffer avtar.

Gjenstand for oppfinnelsen er derfor en fremgangsmåte for fjerning av koffein fra råkaffe ved ekstraksjon med flytende karbondioksyd, og den er karakterisert ved at man først bringer råkaffe med vann til et fuktighetsinnhold på 10-60% og ekstraherer koffeinet selektivt med vannholdig, flytende karbondioksyd ved et trykk over det kritiske trykk.

Koffeinet som er ekstrahert ved denne fremgangsmåte, fåes som hvitt pulver i en renhet av over 98%. Denne renhetsgrad er hittil ikke oppnådd med de hittil kjente fremgangsmåter for fjerning av koffein. Den høye selektivitet for det flytende C02 med hensyn på koffein var derfor på grunn av det som hittil var kjent, ikke på noen måte å forvente.

Ekstraksjonen utføres i temperaturområdet mellom 0°C

og den kritiske temperatur for karbondioksydet (ca. 31,4°cj og fortrinnsvis ved trykk i området fra 80 ato og oppover, hvorved det av økonomiske overveielser gis en øvre grense for det trykk som kan anvendes, i området på ca. 400 ato.

Det foretrekkes videre at det anvendes flytende karbondioksyd som er mettet med vann for ekstraksjonen.

Innstillingen av fuktigheten i råkaffen foregår hen-siktsmessig ved en damping før ekstraksjonen. Derved oppslutter bønnene.

En spesielt foretrukken utførelsesform av fremgangsmåten (se fig. 1) foregår på den måte at man først fukter råkaffen slik at den inneholder 50% vann. Man pumper så flytende CO2 ve<* en temperatur på 20°c og et systemtrykk på 80 ato og derover gjennom råkaffefyllingen (1) og fjerner det her løste koffein i en ettersjaltet aktivkull-adsorber (2). Aktivkullet varpå for-hånd blitt fullstendig mettet med vann og adsorberer det løste koffein kvantitativt. Det således rensete løsningsmiddel befordres ved hjelp av pumpen (3) videre i trykkretsløpet. Som forråds-beholder for CO^ tjener en kuletank (8) . ;Det er også mulig å fukte råkaffen med en mindre vann-mengde enn 60%, men i alle fall må da vann-andelen i sorbsjons-sjiktet senkes i tilsvarende grad. Generelt skal man arbeide slik at hverken den fuktige råkaffe- eller adsorberfyllingen blir til-ført eller berøvet vann gjennom løsningsmidlet, da det ellers opptrer ytterligere ekstrakttap (foruten koffein) i kaffen, som ville sette et spørsmålstegn ved fremgangsmåtens suksess, da ekstraktinnholdet av kaffe er med på å bestemme verdien av denne. ;I denne sammenheng må det tas hensyn til at vannopp-taket i aktivkull, men også i råkaffen, ved atmosfæretrykk er annerledes enn under forhøyet trykk, særlig med C02 som flytende fase. Med hensyn til fuktingen av aktivkull og råkaffe retter man seg altså etter de verdier som fremkommer for vannopptagningsevnen til begge stoffer av de tilsvarende sorpsjonsisotermer i avhengig-het av trykket til det flytende C02. På denne måte forhindres det at vann beveger seg som en fase nr. 2 i kretsløpet, hvilket kunne føre til de ovenfor nevnte ekstrakttap. ;I en annen utføreisesform av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen (se fig. 2) foregår koffeinutskillelsen fra løsningsmidlet ved at den koffeinholdige løsningsmiddelstrøm først ledes inn i skillekaret (4), fordampes, kondenseres igjen i varmeveksleren (5) og befordres videre ved hjelp av flytende-gasspumpen (3). Ved fordampingen forblir koffeinet kvantitativt i skillekaret (4) og kan her trekkes av. Riktignok må man ved denne utførelsesform utlikne det lave vanntap som kommer i stand ved at den flytende karbonsyre som kommer inn i ekstraksjonsbeholderen (6) ved den foregående fordamping i skillekaret (4), er vannfattigere enn det er ved utgangen fra den fuktige råkaffe-fylling (1). Dette unngås ved tilsvarende vanntilsetning i vann-beholderen (7) . ;Alt etter strømningshastighet for løsningsmidlet i ekstraksjonsbeholderen bg systemtrykket ligger bearbeidelsestiden for oppnåelse av et koffeinrestinnhold i bønnene på 0,02-0,08%, regnet på tørrstoff, på mellom 10 og 50 timer. - Koffein-innholdet i den brente kaffe som utvinnes av denne, ligger i det samme området, og de vannløselige substanser mellom 23 og 27%, alt etter arten av den kaffeblanding som man går ut fra. ;Hastigheten for koffeinekstraksjonen er avhengig av koffeinets vanddng fra det indre av bønnen til dens overflate, altså hovedsakelig av diffusjonen. En akselerasjon av koffein-^ vandringen kan eksempelvis oppnås<*>ved periodisk forandring av systemtrykket i ekstraksjonsbeholderen eller ved ultralyd. Disse forholdsregler kan underbygges ved tilsetninger av kaffe-egne substanser til CO^ i f.eks. som stammer fra kaffeolje og/eller kaffevoks, som fører til bedre penetrasjon av celleveggene inne i bønnen for koffein og løsningsmiddel.

Den avgjørende fordel ved denne fremgangsmåte i mot-setning til samtlige andre hittil kjente metoder for fjerning av koffein fra råkaffe ligger i at den brente kaffe som utvinnes er, selv ved en bearbeidelsesvarighet på 50 timer ikke mer lar seg skjelne fra et ubehandlet produkt, både hva smaken angår og visuelt, noe som uten tvil for en vesentlig del skyldes den lave bearbeidelsestemperatur.

Eksempler

1.

I ét anlegg som vist i fig. 1, ble 3 kg råkaffe med en innstilt fuktighet på 50% bearbeidet i 14 timer ved 20°C og et trykk på 350 ato med flytende, vannmettet karbonsyre i kretsløp-et. Adsorberfyllingen hadde likeledes et vanninnhold på 50%. Etter tørking ble råkaffen og også en brenneprøve av denne analysert.

Resultatet fremgår av nedenstående tabell (de oppnådde verdier er angitt i kolonne A, mens kolonne B inneholder sammen-likningsverdiene for det ubehandlete utgangsprodukt): 2.

I et anlegg som vist i fig. 1, ble 3 kg råkaffe med en innstilt fuktighet på 30% bearbeidet i 25 timer ved 25°C og 90 ato med flytende, vannmettet karbonsyre i kretsløpet. Adsorberfylling-en hadde likeledes et vanninnhold på 30%.

Resultatene etter tørking, respektive brenning, var:

3.

I et anlegg som vist i fig. 2, ble 1 kg råkaffe med en innstilt fuktighet på 45% bearbeidet i 18 timer ved 25°C og et trykk på 380 ato med flytende, vannmettet karbonsyre i kretsløpet. Temperaturen i skillekaret ble holdt på 28°c, og det her hersk-ende C02~trykk var 70 ato.

Resultatene etter tørking, respektive brenning, var:

Fra skillekaret ble det etter avtapping av C02 tappet

ut fuktig koffein som,hadde en renhetsgrad på 98%.

Sammenligningsforsøk

Fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen ble sammenlignet med fremgangsmåten i henhold til tysk søknad nr. 2.005.293 ved at én og samme råkaffe ble bragt til samme restkoffeininnhold, begge de anvendte prøver ble forarbeidet under samme betingelser til brent kaffe og endelig til en drikkeferdig kaffe, og prøvene ble sammenlignet i den såkalte "triangeltest" (beskrevet i Food Research 13, 1958, sidene 503-505). Forsøksresultatene er som følger:..

Råkaffén ble ved fremgangsmåten i henhold til den tyske søknad bearbeidet én gang ved 160 bar.og 80°C, altså med overkritisk C02< og den annen prøve én gang ved hjelp av fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse ved 80 bar og 27°c, altså med flytende C02. De derved oppnådde restkoffeininnhold utgjorde henholdsvis 0,065 og 0,070% (regnet på tørrstoff). Denne forskjell kan regnes som neglisjerbar.

Etter brenning av de to charger og brygging av kaffe under samme betingelser ble kaffedrikkene sammenlignet i den nevnte triangeltest. De 6 kombinasjonsmuligheter for 3 prøvekopper ble

betegnet med tresifrede tall.

I alt ble det utført 20 tester. Som utvelgelseskriterium ble det spurt etter den prøve som sensorisk best, respektive minst tilsvarte en ubehandlet kaffe ("originalkaffelikhet").

Bedømmelsen viste følgende:

1. Av 20 tester ble det truffet 13 riktige avgjørelser, dvs. at spørsmålet om en prøve (blant i hvert tilfelle 3 kopper) måtte bedømmes forskjellig, ble besvart med "ja" og dessuten i den riktige rekkefølge.

Herved ble det funnet, i henhold til ovennevnte litteratursted, side 504, en høysignifikant forskjell med en statistisk sannsynlighet i uttalelsene på 99%. 2. Bare de 13 riktige svar ble så vurdert med hensyn til spørsmålet om større "originalkaffe-likhet". Herved kom det frem at for den i henhold til foreliggende oppfinnelse fremstilte kaffe var 11 bedømmelser pro og 2 kontra. Hvis man analyserer disse 11 svar (av 13) i henhold til tabellen på side 504 i ovennevnte litteratursted, så får man en statistisk sannsynlighet for uttalelsene på 99,9%; regner man den på grunnlag av 20 tester, så får man allikevel så stor sannsynlighet som 95%.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte for fjerning av koffein fra råkaffe ved ekstraksjon med flytende karbondioksyd, karakterisert ved at man først bringer råkaffen med vann til et fuktighetsinnhold på 10-60 % og så ekstraherer koffeinet selektivt med vann-héldig, flytende karbondioksyd ved et trykk over det kritiske trykk og i temperaturområdet mellom 0°C og karbondioksydets kritiske temperatur.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at man arbeider ved trykk i området fra 80 til 400 ato.

3. Fremgangsmåte som angitt i hvilket som helst av kravene 1-2, karakterisert ved at man anvender vannmettet karbondioksyd til ekstraksjonen.

4. Fremgangsmåte som angitt i hvilket som helst av kravene 1-3, karakterisert ved at man oppslutter råkaffen med vann eller vanndamp før ekstraksjonen.