Способ получения декофеинизированных кофейных и чайных экстрактов Советский патент 1978 года по МПК A23F1/10 

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕКОФЕИНИЗИРОВАННЫХ КОФЕЙНЫХ И ЧАЙНЫХ ЭКСТРАКТОВ приступить к удалению некофеиновых растворимых компонентов со смолы, последнюю следует промыть сильной струей холодной РОДЫ в направлении, обратном направлению пропускания экстракта, а смолу промывают горячей водой с температурой CiS-85°С. Концентрация водного раствора органического растворителя, нсподьзуемого для обработки смолы, составляет 40-вО /о, причем из органических растворителей следует использовать спиртовой,, альдегидный или кетонный растворитель с вюаекулярным весом, не превышающим 100. Предлагаемый способ предусматривает следующие операции. Пропускание кофейных или чайных экстрактов через гидрофобную полимерную смолу с дипольным моментом, составляющим менее 2,-0 дебай, и адсорбцию при этом кофеина и цекофеиновых растворимых компонентов обрабатываемого экстракта. Разделение смолы и экстракта, свободного от кофеина. Промывка смолы и адсорбированных на ней кофеина и некофеиновых растворимых составляющих водой. Элюирование не содержащей более ко феина смолы промывочным раствором, содержащим воду и органический растворитель, для удаления некофеиновых растворимых составляющих. Удаление промывочного раствора со смолы водой.Особенностью используемой смолы является ее специфичность по свойству селективного адсорбирования кофеина. Однако даже и эта смола одновременно с удалением кофеина адсорбирует и другиекомпоненты. При не бходимо 1ти их в последующем можно удалить из смолы и вернутб в напиток, а удаление из напитка одновременно с кофеином такой составляю дей, как хлорогенная кислота или хлорогенат, и уменьшение ее содержания в напитке на 25-50°/о обеспечивает получение напитка со значительно уменьщенной кислотностью и вкусом. Применяемая смола должна быть прочной, нерастворимой в условиях извлечения кофеина и последующей регенерации. СредНИИ размер частиц 840--250. Mjpi, удельная поверхность смолы 100-1000 мг/г. Общий объем пор должен составлять 40-60%, размер их 50-300 А.. Смолу берут для работы в смоченном или гидратном состоянии.. Смолу с полярностью, приближающейся к верхнему пределу (2,0 дебай), приводят в. контакт с водой. Смолу с меньщей полярHOCTbKt вначале надо намочить з водонерастворимом растворителе ацетон,- этанол, метанол). Чтобы из смол не удалялась гидратная вода, их нельзя подвергать излищнему воздействию воздуха или растворителей. Для осуществления способа используют смолы на основе сложного акрилового эфиV А П О .„ V А П -7 И вылускаемыечюд товарным знаком «Эмбер.. лайт компанией «Роле энд Хаас (Филадельфия, Пенсильвания). Из указанных смол наиболее предпочтительны смрлы на основе полистирола-дивинилбензола, обозначаемые ХАД-2 и ХАД-4. В начале процесса получают экстракт .(обычно водный) растительного вещества, содержащий примерно 10-50 вес.% растворимых компонентов. Его иногда подвергают обработке, обеспечивающей удаление летучих компонентов, например, паром, подаваемым противотоком. Удаление летучих компонентов из водного экстракта не является обязательным, но если оно проводится, то выделенные летучие компоненты улавливают и возвращают в экстракт после освобождения его от кофеина. Удаление кофеина из водного, не содержащего летучих компонентов экстракта растительных веиеств производят путем контактирования экстракта со смолой. Для этого используют колонны, танки, имеющие слои, удерживающие тонко измельченную смолу. При контактировании экстракта со смолой необходимо обеспечить длительность кон такта примерно 20-60 мин. Наиболее удобно пропускать экстракт через ряд слоев таким.образом, чтобы он вначале контактировал с менее обработанными слоями смол. В зависимости от отработанности смол длительность контакта с ними экстракта удлиняют до 5 час. В случае необходимости получения конечного продукта в виде высушенного порошка экстракт после удаления кофеина сгущают любыми принятыми в данной области техники средствами. Также любым удобным и воз1 ожным способом осуществляют сущку экстракта, при этом необходимо создать условия, обеспечивающие получение качественного продукта. Регенерацию смолы начинают с промывки ее сильной струей воды и в лтеснения остатков экстракта из слоя. Промывку ведут предпочтительно в направлении, обратном движению потока экстракта во время измельчения кофеина. Для промывки используют воду с температурой О-30°С. Вода после промывки с растворимыми компонентами, может быть добавлена в исходный экстракт или в экстракт, свободный от кофеина. Затем смолу промывают горячей водой, у которой более высокая растворимость. Температура воды 65-85С. Если обеспечить удаление и:5 воды кофеина, то можно организовать замкнутую систему рециркуляции воды, т. е. после удаления из воды кофеина возвращать ее для промывки смолы. Для отделения от воды кофеина используют, например, системы обратно -,

Однако вместе с кофеином могут вымываться из смолы и другие растворимые компоненты, главным образом хлорогенная кислота. Эти компоненты отделяют от промывочного раствора известными способами, на; пример электродиализом, фракционированной возгонкой. Полученные таким путем растворимые компоненты желательно возвращать в экстракт после освобождения его от кофеина. В частности, удаление из экстракта хлорогенной кислоты, как было уже скаsa io, приводит к получению продукта с мягким вкусом. Если нужен продукт более острого вкуса, то выделенную из промывной воды хлорогенную кислоту можно частично ввести в экстракт, свободный от кофеина.

Смолу после промывки водой элюируют органическим растворителем, выбираемым из числа спиртов, альдегидов и кетонов, в которых хорошо растворяются некофеиновые растворимые компоненты. Получаемый при этом смешанный водно-органический элюат содержит, по крайней мере, 40-80 вес.% органического растворителя. Температура используемого на этой стадии растворителя 10-40°С. Получаемый промывочный раствор содержит некофенновые растворимые компоненты, поэтому его обрабатывают путем отгонки водяным паром при температуре, достаточной для улетучивания органического растворителя. При этом растворимые компоненты оказываются в водном растворе. Органический раствори тель с водяным паром улавливают, конденсируют и используют в дальнейшем, а растворимые компоненты при необходимости возвращают в экстракт.

Затем смолу подвергают промывке для удаления следов органического растворителя водой при темт е ратуре, достаточно высокой для испарения органического растворителя, оставшегося на смоле, и равной 10-40°С.

Жидкий водный промывочный раствор, содержащий удаленный со смолы органический растворитель, подвергают отгонке с водным паром, чтобы отделить органический растворитель в виде газовой фазы, затем ее конденсировать и добавить в элюирующий раствор.

Обработанная таким путем смола готова для дальнейшего извлечения кофеина из водного экстракта растительного вещества.

Пример }. Для извлечения Кофеина из водного экстракта кофе, общее содержание растворимых компонентов в котором составляло примерно 15%, используют стиролдивинилбензольную смолу «Эмберлайт КСАД-4) имеющую следующие физические характеристики:.

Дипольный момент, дёбай,(

Объем пор 50-55% (мл пор/мл 50-55

слоя на сухой основе),%

Удельная поверхность, щг-750

Истинная влажная плотность, г/см 1,02Средний диаметр пор, А50

Скелетная плотность, ,08

Номинальный средний размер 300-840

частиц, мкм

Водный экстракт при 22°С медленно пропускают через слой указанной смолы. После снижения активности до 10% от первоначальной смолу выводят из контакта с экстрактом и подвергают обратной промывке водой в объеме, равном объему слоя смолы, для удаления унесенных твердых частиц кофе. Затем смолу регенерируют.

Воду с температурой 70°С циклически пропускают через, смолу до тех пор, пока не будет удален, по существу, весь кофеин. Когда содержащая кофеин вода выходит из слоя смолы, ее проаусКают через обратную осмотическую систему, содержащую целлю,озно.-ацетатную мембра11у с коэффициентом отражения хлористого натрия 94%. Эта система обеспечивает удаление кофеина из рециркуляционной среды.

После удаления всего кофеина смолу подвергают второй промывке с использованием раствора, состоящего из 40% воды и 60% пропанола. Этот раствор снова повторно пропускают через смолу циклически. Когда раствор выходит из слоя, производят отгонку его с водяным паром при 120°С для удаления из него всего пропанола. Полученный водный раствор, содержащий растворимые компоненты, затем концентрируют посредством обезвоживания под вакуумом и после достижения концентрации сухих веществ, jpaвнoй 10%, возвращают в экстракт, из которого удален кофеин. Газовую фазу, состоящую йа водяного пара-и пропанола, тем временем конденсируют для восстановления раствора из пропанола и воды и рециклизируют для элюированйя смолы.

После удаления растительного вещества из смолы ее промывают циклическим потог ком воды для удаления оставшегося npotigнола. Во время цикла промывки раствор, содержащий пропанол, снова отгоняют с водяным паром нри 120°С. Конденсат, получаемый при этой отгонке, включают в промывочный раствор предыдущей стадии, тогда как отогнанную воду рециклизируют в смолу до тех пор, пока %з смолы не будет удален весь пропанол.

Смола после такой обработки не содержит адсорбированных растворимых компонентов кофе и принимает свою активную форму. Экстракт медленно пропускают через эту смолу для извлечения кофеина, а затем 1Ювтор51юТ процесс, как описано.

Пример 2. 350 мл oTorHaHiforo с водяным паром водного экстракта кофе, имеющего концентрацию сухих веществ на уровне 18 вес./о, пропускают при скорости 5 мл/мин в условиях окружающей среды через колонну с самотечным питанием, содержащую 100 мл насадки в виде смолы «Эмберлайт КСАД-2, первона 1ально погруженной в врду. Смола «КСАД-2 (стиролдивинилбензольная смола имеет следующие характеристики:Дяпольный момент, дебай0,3 Объем пор (мл пор/мл слоя на сухой основе),%40-45 Удельная поверхность, 320 Истинная влажная плотность, 1,02 Средний диаметр пор, А 90 Скелетная плотность, г/см 1,06 Номинальный средний размер частиц, мкм300-840 Начальную жидкость, выходящую из КОЛОН.ы, сбрасывают, так как она представляет собой воду, использованную для предварительного увлажнения и предохранения от высыхания СМОЛЬ. Экстракт, собираемый затем аз колонны, показывает медленное снижение адсорбционной способности смолы. Первые 100 мл экстракта показывают степеиь извлечения кофеина 95%; вторые 100 мл и третьи 100 мл аркмерно 50%. Содержание хлорогеиной кислоты в продукте Также показывает подобное снижение эффективности смолы. Первые 100 мл показывают снижение 35% от содержания экстракта; вторые и третьи 6%. Отогнанные ранее ароматические вещест ва возвращают в экстракт, из которого извлечен кофеин. Затем экстракт разбавляют горячей водой до нормальной крепости напитка (примерно 1,И/о сухих веществ). Вкус напитка мягкий, чистый и менее кислый, без ухудшения аромата и наличия летучих веществ. Затем колоииу подвергают обратной нррйывке с помощью 200 мл холодной воды для вытеснения оставшихся сухих веществ кофе и оставщейся (примерио 50 мл) части перво: начального экстрактного, нитяння.. Теперь производят регенерацию смо.лы. Для этого вначале воду с температурой 65°С пропускают через колонну со смолой до тех пор, пока в выходящем потоке не появится кофеин, Затем 50%-ный водный раствор пропанола при 18°С пропускают через колонну до тех пор, пока не будут удалены все оставщиеся растворимые компоненты, адсорбированные смолой. Смолу промыBaiot водой при 30°С для повтормой гидрата цки и повторного спользования. Последующий анализ показывает, по сугместву, полную регенерацию смолы до активности, которой она обладала перед извлечением кофеина. Пример 3. 225 мл смолы «ЭмберлаЙт КСАД-7, предварительно увлажненной зОдои, помешают в химический стакан вместе с 225 мл деароматизировайного водного экстракта кофе, имеющего концентрацию сухих веществ 18 вее.%. Смола «КеАД-7 имеет следующнефизические характеристики: ПййпЛ1-.1ын момрнт- itpfia.S LR Объем пор (мл пор/мл слоя на сухой основе),%50-55 Удельная поверхность, м /г 450 Истинная влажная плотность, г/см д1,05 Средний диаметр пор, А 80. Скелетная плотность, г/см 1,24 Номинальный средний размер частиц, мкм 300-800 Смесь медленно перемещивают в течение I час в условиях окружающей среды и затем декантируют раствор кофе. Диализ отделенного раствора показал, что извлечение кофеина достигает 90% и удаление хлорогениой кислоты 76%. , После обратной промывки и регеиерации смолы таким образом, как описано в примере 2, она восстаиавливает свою первоначальмуго активность. Пример 4. Был извлечен кофеин, как описано в примере 3, с использованием равного количесгва смолы 4Эмберлайт КСАД-8 Эта смола имеет следующие физические Характеристики:Дипольный момент, дебай 1,8 Объем пор (мл nop/JHV слоя на сухой ociiOBe), %50-54 Удельная поверхность, (на сухой основе), .140 Исти иная вл а ж н а я плотность, ,05 Средний диаметр пор (на сухой основе) ,-А 250 Ске етная плотность (на сухой основе), ,23 Номииальный средний раз. мер частиц, мкм 250-840 Анализ отделенного раствора кофе показал, что Кофенн извлечен на 75%, а хлорогеиная кислота на 60%. После обратной промывки и регенерации СМОЛЫ таким образом, как описано в примере 2, ее активность восстанавливается. , Пример 5. И.Ю мл гидратярованиой смолы «Эмберлайт КСАД-2 по лещают в химический стакан вместе с 100 мл водного экстрак та чая, имеющего содержание сухих веществ 15 вес.%., Готовят раствор чая, смешивая соответствующне количества воды и товарного порошкообразного экстракта чая. Полуменяую смесь медленно перемешивают в химическом стакане 30 мин в условиях окружающей среды и затем раствор чая декантируют. Ана. раствора установлено, что извлечение кофеина произошло больше, чем на 90%. После регенерации смола полностью вос-станавливает свою первоначальную актив-, ность. ; Пример 6. На батарее из восьми экстракторов, каждый из которых загружен 450 кг зеленых кофейных бобов, производят извлечение кофеи1.а с помо1и.ью воды. Бобы в отдельгш,х экстракторах имеют меньшее количество кофеина. С начала процесса бобы контактируют с эк€тракцио н)ой среды, имеющей наиболее низкое содепжжже ксиЬршш (от 61 предыдущего процесса экстрагирования в системе). Когда содержание кофеина в бо бах в каком-либо экстракторе снижается примерно до 2% от-первоначальной величины, то экстрактор, содержащий эти бобы, удаляют из батареи и включают экстрактор со свежими зелеными кофейными бобами, устанавливая его в конец батареи. Экстракцию зеленых бобов производят водной средой, нагретой до температуры примерно 93°С. Эта среда циркулирует в замкнут8м цикле через батарею и удаляет кофеин ц некоторые дополнительные растворимые компоненты кофе из зелен лх бобов. Расход водной среды составляет примерно 12 л/мин. Отдельно от батареи, но в пределах замкHy:goro цикла экстракционной среды находится зона контакта смолы, предназначенная для извлечения кофеина из экстракционной среды. Эта зона состоит из большого количества параллельных колонн, каждая из которых содержит насадку из предварительно увлажненной смолы «Эмберлайт КСАД-2. Количество находящихся в дeйctвии колонн со свежей смолой определяют таким образом, чтобы обеспечить полное извлечение кофеина из экстракционной среды. Кроме того, колонны со смолой периодически промывают и регенерируют, как описано в примере 1, а затем производят замену колонн с отработанной смолой в действующей батарее, чтобы сохранить эффективность извлечения кофеина. Среда после обработки смолой не содержит кофеина. Среду возвращают в экстракционную батарею, где она удаляет дополнительный кофеин из зеленых кофейных бобов. Так как среда была подвергнута селективному извлечению кофеина с помощью смолы, -уз она содержит большую часть других растворимых компонентов кофе, первоначально совместно экстрагированных из бобов. Обработанные кофейные бобы сушат, а затем обрабатывают обычными способами, чтобы получить обжаренный смолотый продукт, пригодный для приготовления водного экстракта кофе, используемого в производстве растворимого кофе - конечного продукта. Получаемый в этом случае экстракт не требует обычной обработки для удаления кофеина, что обеспечивает получение продукта с высокими, вкусовыми показателями. Формула изобретения . Способ получения декофеинизированПых кофейных и чайных экстрактов путем пропускания их через слой смолы, отличающийся тем, что, с целью улучшения органолептических свойств экстрактов, смолу берут неполярную с дипольным моментом, не превышающим 2,0 дебай, при этом водным раствором органического, растадрителя из смолы удаляют некофейновые растворимые компоненты кофе или чая; которые затем вводят в декофеинизированный экстракт. 2.Способ по п. I, отличающийся тем, что из неполярных смол берут стиролдивинилбензольную или акриловую смолу. 3.Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед удалением некофеиновых растворимых компонентов смолу промывают горячей во . , Дои с температурой 65-85°С. - Способ по п. 1, отличающийся тем, что водный раствор органического растворителя берут с концентрацией 40-80%. 5- Способ по п. 1, отличающийся тем, что «з органических растворителей берут спирТовой, альдегидный или кетонный растворитель с молекулярным весом, не превышающим 100. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед промывкой горячей водой смолу промывают сильной струей холодной воды направлении, обратном направлению про пускания экстракта. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1.Патент США № 2151582,-кл. 99-69, 1939. 2.Патент США № 3108876, кл. 99-63, 1961.