Verfahren zum Entfernen von Koffein aus grünen

Kaffeebohnen Die Erfindung betrifft die Entfernung von Koffein aus grünen Kaffeebohnen mit einem koffeinspezifischen Lösungsmittel.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 %.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.