Способ получения декофеинизированных кофейных и чайных экстрактов

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Оиоз СоветскихСоциалистическихРеспубликасударгтвеваб кемететЮветв Мннхцрее ИРе делен хЫ)юнееи имрытим(43) Опу 5) Дата Опубликовани сания э 5,06,78(72 Авторы нзобрРлеиия Иностранцы оффри Маргопис, Ивн Фредерик Рашмор Ричард Тьен-Су Луи(."ША ) Иностранная фнрца ьете де Йроиоп Йестйе С, А,фНОСОВ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕКОФЕИНИЗИРОВАННОФЕЙНЫХ И ЧАЙНЫХ ЗКСТРАКЧОВ Изобретение относится к процессу извлечения кофеина нз растятельнььх веществ,Ранее применявшиеся способы извлече ния коФеина из кофе и чая предусматривали использование органических растворителей, а именно ц)ихлорэтилеиа или хлороформа, для обработки исходного раститель. ного сырья или его водного экстракта с по. следующим отделением содержащего кофеин органического растворителя. Однако использование органических растворителей и их последующая обработка для повторноо использования усложняют вссь процесс извлечения кофеина, К тому же из.за токсичиос. ти растворителей требуется соблюдать тгцательность их отделения от конечного про. дукта.Растворители - летучие вегцества, что усложняет работу установки, а нх способность растворясь не только к)еин но и многие другие составляющие напитков вы. зывает необходимость дополнительной их Об работки для выделения этих составляющих.Известен способ получения декофеипизи. рованных кофейных и чайных экстрактов. согласно которому для извлечения кофеи- .на экстракты обрабатывают с помощью угольных алсорбентов1 1 Однако Оследующая регенерация углерода трудноосугццствима, способ дорогостоящий н не нашел про.мышленного применения.Известен способ получения декофеинизироваиных кофейных и чайных экстрактов,предусматрива;ощий пропускание их черезслой иоиообменной смолы 2.Цанный способ наиболее близок к изобретению.Прн работе цо этому способу удаляетсябольшое число важных некофеиновых состав.ляющих и значительно снижается рн концентрата. Обработка концентрата, из которого извлечен кофеин, нейтрализующимиагентами и увеличение таким путем рН до.нормального значении усложняет способ.Целью изобретения является улучшениеорганолептических свойств экстрактов,15Для э.ого согласно предлагаемому, спо.сооу эк)-.ранты пропускают через слой не.полярной смолы с дипольным моментом, иепревышающим .2,0 дебай, После окончанияпроцесса декофеинизацин экстрактов из смо.лье водным раствором органического растворителя удаляют некофеиновые растворимыекомпоненты экстракта, которые после этогонозвраща)от в экстракт,Из неполярных смол для осуществленияспособа целесообразно брать стиролдивннил.25 бензольную или акриловую. До того, какприступить к удалению некофеиновых растворимыхкомпонентов со смолы, последнюю следует промыть сильной струей холодной водыв направлении, обратном нанравлеиив пропускания экстракта, а загем смолу промывают горячей водой с температурой 6 Ь - 85 С.Концентрация водного ралвора органического растворителя, используемого для обработки смолы, составляет 4 О - 80 фй, причемиз органических растворителей следует использовать спиртовойаеьдегидпый или кетонный растворитель с моаекуляриым весом,не превышающим 100.Предлагаемый способ предусматривает.следующие операции,Пропускание кофейных или чайных экстрактов через гидрофобную полимернуюсмолу с дипольным моментом, составляющим менее 2;О дебай, и адсорбцию при этомкофеина и векофеиновцх растворимых компонентов обрабатываемого экстракта.Разделение смолы и экстракта, свободного от кофеина,Промывка смолы и адсорбированных наней кофеина и некофеиновых растворимыхсоставляющих 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 одновременнос удалением кофеина адсорбирует и другиекомпоненты. При неббходимоСти их в последующем можно удалить из смолы и вернутьв напиток, а удаление из напитка одновременно с кофеином такой составляющей, какхлорогенная кислота или хлорогенат, иуменьшение ее содержания в напитке на25 - 50% обеспечивает получение напитка созначительно уменьшенной кислотностью имягким вкусом,Применяемая смола должна быть прочной, нерастворимой в условиях извлечениякофеина и последующей регенерации. Средний размер частиц 840 в250 мкм, удельнаяповерхность смолы 100 - 1000 мгг. Общийобъем пор должен составлять 40 - 60%, раз-.мер их 50 - ЗООА,Смолу берут для. работц в смоченном илигидратном состоянии, .Смолу с полярностью, приближающейсяк верхнему пределу (2,0 дебай), приводятв контакт с водой. Смолу с меньшей полярностью вначале надо намочить я водонерастворимом растворителе 1 ацетон; этанол, метанол), Чтобы из смол не удалялась гидрат.ная вода, их нельзя подвергать излишнемувоздействию .воздуха или растворителей.Для осуществления способа используютсмолы на основе сложного акрилового эфии выпускаемыеопод товарным знаком Эмберлайт компанией Роле энд Хаас (филадельфия, Пенсильвания).Из указанных смол наиболее предпочтительны смыы на основе полистирола-дивинилбензола, обозначаемые ХАДн ХАД,В начале процесса получают экстракт,(обычно водный) растительного вещества, содержащий примерно 10 - 50 вес.% растворимых компонентов. Его иногда подвергают6 обработке, обеспечивающей удаление .летучих компонентов,. например, паром, подаваемым противотоком,Удаление летучих компонентов из водного экстракта не является обязательным, ноесли оно проводится, то выделенные летучиекомпоненты улавливают и возвращают вэкстракт после освобождения его от кофеина.Удаление кофеина из водного, не содержащего летучих компонентов экстракта растительных венеств производят путем кон тактирования экстракта со смолой.Для этого используют колонны, танки,имеющие слои, удерживающие тонко измель.ченную смолу,При контактировании экстракта со смолой необходимо обеспечить длительность контакта примерно 20 - бО мин,Наиболее удобно пропускать экстракт через ряд слоев таким. образом, чтобы он вначале контактировал е менее обработаннымислоями смол, .В зависимости от отработанности смолдлительность контакта с ними экстракта удлиняют до 5 час.В случае необходимости получения кондчного продукта в виде высушенного поИ рошка экстракт после удаления кофеина сгущают любыми принятыми в данной областитехники средствами, Также любым удобными возможным способом осуществляют сушкуэкстракта, при этом необходимо создать условия, обеспечивающие получение качествен.ного продукта.Регенерацию смолы начинают с промывки ее сильной струей воды и вытеснения остатков экстракта из слоя. Промывку ведутпредпочтительно в направлении, обратном45 движению потока экстракта во время измельчения кофеина. Для промывки используют воду с температурой 0 - 30 С.Вода после промывки с растворимымикомпонентами, может быть добавлена в исходный экстракт. или в экстракт, свободныйО от кофеина.Затем смолу промывают горячей водой,у которойболее высокая растворимость.Температура водь 1 65 - 85 С. Если обеспечить удаление из 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 обратноФНоминальный средний размер 300 - 840частиц, мкмВодный экстракт при 22 С медленно пропускают через слой указанной смолы. Послеснижения активности до 10% от первоначальной смолу выводят из контакта с экстрактом и подвергают обратной промывкеводой в объеме, равном объему слоя смолы,для удаления унесенных твердых частиц кофе. Затем смолу регенерируют,1 О Воду с температурой 70 С циклическипропускают через. смолу до тех пор, покане будет удален, по существу, весь кофеин,Когда содержащая кофеин вода выходит изслоя смолы, ее пропускают через обратнуюосмотическую систему, содержащую целлю.лозно-ацетатную мембрану с коэффициен том отражения хлористого натрия 94%. Этасистема обеспечивает удаление кофеина изрециркуляционного среды.После удаления всего кофеина смолу под.Ю вергают второй промывке с.нспользованиемраствора, состоящего из 40% воды н 60%пропанола. Этот раствор снова повторно пропускают через смолу циклически, Когда раствор выходит из слоя, производят отгоикуего с водяным паром при 120 С для удаления из него всего пропанола, Полученныйводный раствор, содержащий растворимыекомпоненты, затем концентрируют посредством обезвоживания под вакуумом и последостижения концентрации сухих веществ,равной 10%, возвращают в экстракт, из которого удален кофеин, Газовую фазу, состоящую не водяного пара и пропанола, тем временем конденсируют для восстановления раствора из пропанола и воды и рециклизируют для элюирования смолы. После удаления растительного веществаиа смолы ее промывают циклическим пото; ком воды для удаления оставшегося проаанола. Во время цикла промывки раствор, со держащий пронаиол, снова отгоняют с водя ным паром нри 120 С. Конденсат, получаемый при этой отгонке, включают в промывочный раствор предыдущей стадии, тогда как отогнанную воду рециклизируют в смо. лу до тех пор, пока Ъз смолы не будет удален весь нропанол. Смола после такой обработки не содержит адсорбированных растворимых компонентов кофе и принимает свою активную 56 форму. Экстракт медленно пропускают черезэту смолу для извлечения кофеина, а затемповторяют процесс,. как описано.Лример 2. 350 мл отогнанного с водяным паром водного экстракта кофе, имею щего концентрацию сухих веществ на уров,. не 18 вес,%, пропускают при скорости5 мл/мин в условиях окружающей среды через колонну с самотечным питанием, содержащую 100 мл насадки в виде смолы Эмбер- лайт.КСАД, первоначально погруженной в воду. 5 615839Однако вместе с кофеином могут вымываться нз смолы и другие растворимые компоненты, главным образом хлорогенная кислота. Эти компоненты отделяют от промывочного раствора известными способами, например электродиализом, фракционнрованной возгонкой. Полученные таким путем растворимые компоненты желательно возвра.щать в экстракт после освобождения его откофеина. В частности, удаление из экстракта хлорогенной кислоты, как было уже сказано, приводит к получению продукта с мягким вкусом. Если нужен продукт более острого вкуса, то выделенную из промывной водыхлорогениую кислоту можно частично ввести в экстракт, свободный от кофеина,Смолу после промывки водой элюируюторганическим растворителем, выбираемымиз числа спиртов, альдегидов и кетонов, вкоторых хорошо растворяются некофеиновыерастворимые компоненты, Получаемый приэтом смешанный водно-органический элюатсодержит, по крайней мере, 40 - 80 вес.% органического растворителя, Температура используемого на этой стадии растворителя10 - 40 С. Получаемый промывочный раствор содержит некофеиновые растворимыекомпоненты, поэтому его обрабатывают путем отгонки водяным паром при температуре, достаточной для улегучивания органи.ческого растворителя, При этом раствори.мые компоненты оказываются в водном растворе. Органический растворитель с водянымпаром улавливают, конденсируют и используют в дальнейшем, а растворимые компоненты при необходимости возвращают в экстракт.Затем смолу подвергают промывке. дляудаления следов органического растворите- ЗВля водой при температуре, достаточно высокой для испарения органического растворителя, оставшегося на смоле, и равной10 - 40 С,Жидкий водный промывочный раствор,содержащий удаленный со смолы органический растворитель, подвергают отгонке сводным паром, чтобы отделить органическийрастворитель в виде газовой фазы, затем ееконденсировать и добавить в элюирующийраствор,Обработанная таким путем смола готова для дальнейшего извлечения кофеина из.водного экстракта растительного вещества,. Иример 1. Для извлечения кофеина изводного экстракта кофе, общее содержание. растворимых компонентов в котором составляло примерно 15%, используют стиролдивинилбензольную смолу Эмберлайт КСАД)имеющую следующие физические характеристики:Дипольный момент, дебай, 0 3Объем пор 50 - 55% (мл пор/мл 50 55слоя на сухой основе),%Удельная поверхность, м/гИстинная влажная плотность, г/смз 1,02Средний диаметр пор,Я 50Скелетная плотность, г/см 1,08 60Смола КСАД(стиралдивиццлбгнзольная смола) имеет следующие характериетнки:Дипоаьный момент,дебай 0,3Объем пор (мл пар/мл слояна сухой основе), % 40 - 45Удельная поверхность, м/г 320Истинная влажная плот ность, г/см 1,02Средний днаметр пор 1 90 10Скелетная плотность, г/см 1,06Номинальный средний размер частиц, мкм 300 - 840Начальную жидкость, выходящую из ко.лоньы, сбрасывают, так как она представляет собой воду, использованную для предварнтельного увлажнения и предохранения отвысыхания смолы. Экстракт, собираемый затем из колонны, показывает медленное сцнжение адсорбцноиной способности смолы.Первые 00 мл экстракта показывают сте- фпень извлечения кофеина 95%; вторые 100 мл70/ю, и третьи 1 ОО мл примерно 50% Содержание хлорогенной кислоты в продуктетакже пг 5 казывает подобное снижецие эффективности смолы. Первые 100 мл показывают снижение 35% от содержания экстракта; вторые 20% н третьи 6%.Отогнанные ранее ароматические вещества возвращают в экстракт, из которого извлечен кофеин. Затем экстракт разбавляютгорячей водой до нормальной крепости на- Юпитка (прнмерно 1,1% сухих веществ). Вкуснапитка мягкий, чистый и менее киелыи, безухудшения аромата и наличия летучих веществ.Затем колонну подвергают обратной промывке с помощью 200 мл холодной воды длявытеснения оставшихся сухих веществ кофеи оставшейся (примерно 50 мл) части первоначальнога экстрактцога питацця, Теперьпроизводят регенерацию смолы,ЛПДля этого вначале воду с. температуройб 5 С пропускают через колонну со смолойдо тех пор, пока в выходящем потоке непоявится кофеин, Затем 50%-ный водныйраствор пропанола прн 18 С пропускают через колонну до тех пар, пока це будут удалены все оставшиеся растворим ые ком поненты, адсорбированные смолой. Смолу промывают водой прн 30 С для повторной гидратацнн и повторного использования. Последующий анализ показывает, по существу,полную регенерацию смолы до активности,которой она обладала перед навлечениемкофеина.Лример 3, 225 мл смолы ЗмберлайтКСЛД, предварительно увлажненной водой, помешают в химический стакаи вместес 225 мл деароматизированиого водного экстракта кофе, имеющего концентрацию су.хнх веществ 18 вес.%.Смола КСЛДимеет следующие физические характеристикн: 6 в71 иддлыаый мам нг. йбай .8 Объем пор (мл пор/мл слояца сухой основе),% 50 - 55Удельная поверхность, м/г 450Истинная влажная плотность, г/ем 1,05Средний диаметр пор, А 80.Скелетная плотность, г/см з 1,24Номинальный средний размер частиц, мкм 300 в 8Смесь медленно перемешивают в течениечае в условиях окружающей среды и за. тем декантируют раствор кофе. Анализ отделенного раствора показал, что извлечение кофеина достигает 90% н удаление хлорогенной кислоты 76%.После обратной промывки и регенерации смолы таким образом 5 как описано в примере 2, она восстанавливает сваю первоначальную активность.//рп,иер 4. Был извлечен кофеин, как описано в примере 3, е использованием рав цого количества смолы 43 мберлайт КСЛДЭта смола имеет следуащие физические характеристики:Дипольцый момент, .дебай1,8Объем пар (мл пар/мл елаяна сухой ос 5 и 1 це), "с 50 - 54Удельная поверхность (цасухой аецаве),. г,г, 140Истинная влажная платность, /1 05Средции диаметр пар (цасухой основе), Л 250Скелетная плотность (цасухой основе), г/ем" 1,23Номинальный средний размер частиц, мкм 250 - 840Анализ отделецца 5 о раствора кафе показал, чта кафецц извлечен на 75%, а хлорогецная кислота ца 60/о,После обратной прамывкц и регенерации смолы таким образам, как описана в примере 2 ее активность восегацавливаетея./7 рп.чер 5, 100 мл гидрзтированцай смолы Эмбердайт КСЛДпомещают в химичеекнй стакан вместе е 100 мл водного экстракта чая, имеющега содержание сухих веществ 15 вес,%, Готовят раствор чая, смешивая саатветствуюигие количества воды и товариога порашкаобразнага экстракта чая. Полу. ценную смесь медленно перемешивают в химическом стакане 30 миц в условиях окружающей среды и затем раствор чая декантнруют. Анализом раствора установлено, чта извлечение кофеина произошла больше, чем ца 90%.После регенерация емалз полностью восстанавливает свою первоначальную активность./7 рияер 6. На батарее цз восьми экетракторов, каждйй из которых загружен 450 кг зеленых кофейных бобов, производят цзвле. чение кофеица с помощью воды. Боби в отдельных экстрактарах имеют меньшее коли. чеетво кофеина. С начала процесса бобы кон. тактируют с экстракциацпой среды, имеющей наиболее ццзкае еадепжлцце ко 1)синь (от615839 предыдущего процесса экстрагнрования в системе). Когда содержание кофеина в бо.бах в каком-либо экстракторе снижается примерно до 2% от первоначальной велнчн- н ны, то экстрактор, содержащнй этн бобы, удаляют нз оатарен н включают экстрактор со свежими зелеными кофейными бобами, устанавливая его в конец батареи.Экстракцню зеленых бобов производят водной средой, нагретой до температуры примерно 93 С. Эта среда циркулирует в замкну- и тбм цикле через батарею н удаляет кофеин и некоторые дополнительные растворимые компоненты кофе из зеленых бобов, Расход .водной среды составляет примерно 12 л/мнн,Отдельно от батареи, но в пределах замкнуого цикла экстракцнонной среды находит ся зона контакта . смолы, предназначенная для извлечения кофеина нз экстракцнонной среды. Эта зона состоит из большого количества параллельных колонн, каждая нз которых содержит насадку нз предварительно увлажненной смолы Эмберлайт КСАД.Количество находяшнхся в действия колонн со свежей смолой определяют таким образом, чтобы обеспечнть полное извлечение кофеина нз экстракцнонной среды. Кроме того, колонны со смолой периодически про мывают н регенернруют, как описано в прнмере 1, а затем производят замену колонн с отработанной смолой в действующей батарее, чтобы сохранить эффективность нзвлечення кофеина, Среда после обработки смо-.лой не содержит кофеина. Среду возвращают в экстракцнонную батарею, где она удаляет дополнительный кофеин нз зеленых кофейных бобов, Так как среда была подвергнута селектнвному извлечению кофеина с помощью смолы, о она содержит большую Э часть других растзорнмых компонентов кофе, первоначально совместно экстрагнрованных нз бобов. формула изобретения. Способ получения декофенннзнрован.Мых кофейных н чайных экстрактов путемпропускання нх через слой смолы, отличающийся тем, что, с целью улучшения органолептнческнх свойств экстрактов, смолу берут неполярную сднпольным моментом, непревышающим 2,0 дебай;: прн этом воднымраствором органического, растцорнтеля нзсмолы удаляют некофенновые растворимыекомпоненты кофе илн чая; которые затемвводят в декофенннзнрованный экстракт,2. Способ по и. 1, отличающийся тем, чтонз неполярных смол берут стиролднвнннлбензольную нлн акрнловую смолу.3, Способ по и. , отличающийся тем, чтоперед удалением некофенновых растворимыхкомпонентов смолу промывают горячей водой с температурой 65 - 85 С.4, Способ по и. 1, отличающийся тем, чтоводный раствор органического растворителя берут с концентрацией 40 - 80%.5. Способ по и. 1, отличающийся тем, чтойз органических растворителей берут спнрговой, альдегндный нлн кетонный растворитель с моцекулярным весом, не превышающнм 100.6. Способ по и, 1, отличающийся тем,что перед промывкой горячей водой смолу.промывают сильной струей холодной водыв направлении, обратном направлению пропускания экстракта.Источники информации, принятые вовнимание прн экспертизе:. Патент США215582,.кл, 99 - 69,1939,2, Патент США3108876, кл. 99 - 63,1961,Составитель М, АндрееваТекред О. Луговая Корректор Д,Мельниченко Тираж 603 Подписное Редактор Е. ХорннаЗаказ 378947 ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР но делам изобретений н открытийОбработанные кофейные бобы сушат, а затем обрабатывают обычными способами, чтобы получить обжаренный смолотый продукт, пригодный для приготовления водного 10кстракта кофе, используемого в пронзводтве растворнмого кофе - конечного проукта. Получаемый в этом случае экстракт е требует обычной обработки для удаления офенна, что обеспечивает получение проукта с высокими. вкусовыми показателями.