디카페인

디카페인()은 커피콩, 코코아, 차 잎 및 기타 카페인 함유 물질에서 카페인을 제거하는 공정이다. 제품의 품질을 보장하기 위해 제조업체는 새로 가공된 디카페인 커피콩을 테스트하여 카페인 농도가 충분히 낮은지 확인해야 한다. 미국 FDA 기준에 따르면 카페인 함량을 최소 97% 이상 줄여야 한다. 2006년 한 연구에 따르면 디카페인 음료에는 보통 원래 카페인 함량의 1~2%가 들어 있지만, 때로는 20%나 들어 있는 경우도 있는 것으로 나타났다.

커피를 좋아하지만, 위가 약하거나, 저녁에 커피를 마시려는 사람이 늘어나면서, 디카페인 소비량이 점점 급증하고 있다.

보통 디카페인커피는 물로 워싱하는 방법으로 카페인을 제거하는데, 보통은 디카페인을 만들때 일부러 저렴한 원두를 사용한다. 디카페인을 파는 곳 자체가 별로 없다보니 저렴한 원두를 써도 판매가 잘 일어나기 때문이다. 그 때문에 일반원두에 비해 디카페인이 맛없는 경우가 많다.

 디카페인 커피 
프리들리프 페르디난트 룽게는 1820년 커피콩에서 카페인을 처음으로 분리해냈다. 이는 독일의 시인 괴테가 벨라도나 추출물에 대한 그의 연구를 듣고 커피콩에 대한 분석을 요청한 데 따른 것이었다. 룽게는 화합물을 분리하는 데는 성공했지만, 카페인 자체의 화학적 성질에 대해서는 많이 알아내지 못했으며 디카페인 커피를 생산하기 위해 이 공정을 상업적으로 이용하려 하지도 않았다.

 공정 
커피의 카페인을 제거하는 데는 다양한 방법이 사용될 수 있다. 이러한 공정은 로스팅 전 단계에서 이루어지며, 다이클로로메테인이나 아세트산 에틸 같은 유기 용매, 초임계 CO2 또는 물을 사용하여 커피콩에서 카페인을 추출한다. 이때 향미의 전구체들은 가능한 원래 상태에 가깝게 유지한다.

 유기 용매 
 직접법 
최초의 상업적으로 성공한 디카페인 공정은 1903년 독일의 상인 루트비히 로젤리우스와 동료들에 의해 발명되었다. 로젤리우스는 우연히 바닷물에 젖은 커피콩 화물이 향미는 거의 잃지 않으면서 카페인 함량 대부분을 소실했다는 사실을 관찰한 후 이 방법을 고안했다. 이 공정은 1906년에 특허를 받았으며, 커피콩을 다양한 산이나 염기로 증기를 쐬게 한 다음, 벤젠을 용매로 사용하여 카페인을 제거하는 방식이었다. 이 방식으로 생산된 커피는 유럽 대부분의 지역에서 회사 이름인 Kaffee Handels-Aktien-Gesellschaft(커피 무역 회사)를 따서 Kaffee HAG로 판매되었고, 프랑스에서는 Café Sanka로, 나중에 미국에서는 Sanka 브랜드 커피로 판매되었다. Café HAG와 Sanka는 현재 크래프트 푸즈의 세계적인 브랜드이다.
섬네일|Kaffee HAG 디카페인 커피를 위한 1914년 미국 신문 광고
로젤리우스가 처음 개발한 것과 유사한 방법이 계속 주를 이루어 왔으며, 때때로 직접 유기 용매법으로 알려져 있다. 하지만 오늘날 발암물질로 인정받는 벤젠에 대한 건강상의 우려 때문에, 현재는 다이클로로메테인이나 아세트산 에틸 같은 다른 용매가 사용된다.Ronald Clarke and O.O. Vizthum Coffee: Recent Developments. Blackwell Science 2001, p. 109. 로스팅하지 않은(생두) 콩에 먼저 증기를 쐰 다음 용매로 헹구어 카페인을 추출하되, 다른 성분에는 거의 영향을 주지 않는다. 이 과정은 카페인 함량이 요구되는 기준(미국 기준에 따라 카페인 97% 제거, 또는 EU 기준에 따라 질량 대비 99.9% 무카페인)을 충족할 때까지 8~12회 반복된다.

 간접법 
로젤리우스 방법의 또 다른 변형은 간접 유기 용매법이다. 이 방법에서는 콩을 직접 처리하는 대신, 먼저 콩을 뜨거운 물에 몇 시간 동안 담가둔 뒤 콩을 제거한다. 남은 물을 용매(예: 다이클로로메테인 또는 아세트산 에틸)로 처리하여 물에서 카페인을 추출한다. 다른 방법과 마찬가지로 카페인은 단순 증발을 통해 유기 용매에서 분리될 수 있다. 동일한 물을 사용하여 새로운 콩 묶음과 함께 이 2단계 과정을 재순환시킨다. 여러 주기를 거치면 물과 콩이 카페인을 제외하고 유사한 구성을 갖게 되는 용해 평형 상태에 도달한다. 이 지점 이후에는 콩에서 카페인만이 제거되는 물질이 되므로 커피의 농도나 다른 향미의 손실이 없다. 이 공정의 초기 단계에서 물이 사용되기 때문에 간접법 디카페인은 때때로 "물 공정"(water-processed)이라고 불리기도 한다. 이 방법은 1941년에 처음 언급되었으며, 과학자들은 유기 용매의 사용을 피하는 방식으로 물에서 카페인을 처리하는 방법을 찾아 공정을 더 "자연스럽게" 만들고 진정한 수성 기반 공정으로 만들기 위해 상당한 노력을 기울여 왔다.Ronald Clarke and O.O. Vizthum Coffee: Recent Developments. Blackwell Science 2001, p. 111.

 스위스 워터 
섬네일|스위스 워터 공정으로 카페인을 제거한 생두 자루
커피에서 카페인을 제거하는 또 다른 방법은 스위스 워터(Swiss Water) 공정이다. 이 공정은 유기 용매를 전혀 사용하지 않고 오직 물만을 사용하여 카페인을 제거한다. 1933년 스위스에서 처음 개발되었으며, 1980년에 Coffex S.A.에 의해 상업화되었다. 이후 스위스 워터 공정은 1988년 브리티시컬럼비아주 버너비의 스위스 워터 디카페인 커피 회사(The Swiss Water Decaffeinated Coffee Company)에 의해 도입되었다.History of the SWISS WATER Decaffeination Process , Jan 04, 2007

이 공정은 카페인 추출 기제로 생두 추출물(green coffee extract, GCE)을 사용한다. 생두 추출물은 생두를 뜨거운 물에 담근 다음 활성탄 필터를 통해 여과하여 카페인 분자를 제거함으로써 얻은, 카페인을 제외한 생두의 수용성 성분을 포함하는 용액이다. 카페인과 다른 성분을 모두 포함하는 신선한 콩을 GCE 용액에 넣으면, 카페인이 적은 GCE와 카페인이 풍부한 생두 사이의 농도차 압력으로 인해 카페인 분자가 생두에서 GCE로 이동하게 된다. GCE는 생두의 다른 수용성 성분으로 이미 포화되어 있기 때문에 카페인 분자만 GCE로 이동하고, 다른 수용성 커피 성분들은 생두 속에 유지된다. 새로 카페인이 풍부해진 GCE 용액은 다시 카페인을 제거하기 위해 활성탄 필터를 통과하며, 이 과정이 반복된다. 이 연속 배치 공정은 최종 잔류 디카페인 목표치를 달성하는 데 8~10시간이 걸린다.

식품 공학자 토룬 아테라스 가린 또한 커피에서 카페인을 제거하는 공정을 개발했다.

 트리글리세라이드 
이 공정에서 생두는 뜨거운 물과 커피 용액에 담겨 카페인을 콩 표면으로 끌어낸다. 다음으로 콩은 다른 용기로 옮겨져 사용된 커피 찌꺼기에서 얻은 커피 오일에 담가진 채로 유지된다.

수 시간 동안 고온을 유지하면 오일 속의 트리글리세라이드가 콩에서 향미 성분은 제외하고 카페인만을 제거한다. 콩은 오일과 분리되어 건조된다. 오일에서 카페인이 제거되면, 이 오일은 다른 콩 묶음의 카페인을 제거하는 데 재사용된다. 이는 디카페인의 직접 접촉 방식 중 하나이다.

 초임계 CO2 
식품 과학자들은 디카페인 수단으로 초임계 이산화 탄소(sCO2)를 활용하기도 한다. 막스 플랑크 연구소의 과학자 쿠르트 초젤(Kurt Zosel)이 개발한 이 방법은 임계점 이상으로 가열되고 가압된 CO2(이산화 탄소)를 사용하여 카페인을 추출한다. 생두에 증기를 쐰 다음 고압 용기에 넣는다. 물과 CO2의 혼합물을 300 atm 및  조건에서 용기에 순환시킨다. 이 압력과 온도에서 CO2는 기체와 액체의 중간 성질을 가진 초임계 유체 상태가 된다. 카페인은 CO2에 용해되지만, 추출된 커피의 향미를 내는 화합물들은 CO2에 거의 녹지 않아 콩에 그대로 남는다. 별도의 용기에서 카페인은 추가적인 물을 통해 CO2로부터 씻겨 나간다. 그런 다음 CO2는 압력 용기로 다시 재순환된다.

 커피의 카페인 함량 

1979년의 한 분석에 따르면, 커피는 준비 방식에 따라 다음과 같은 카페인 함량을 갖는다.

  1회 제공량  카페인 함량 우려낸 커피(Brewed)    80–135 mg 드립(Drip)    115–175 mg 에스프레소(Espresso)    100 mg

 디카페인 커피의 카페인 함량 
제품 품질을 보장하기 위해 제조업체는 새로 가공된 디카페인 커피콩을 테스트하여 카페인 농도가 충분히 낮은지 확인해야 한다. 미국 기준에 따르면 카페인 함량을 최소 97% 이상 줄여야 한다. 캐나다에서는 디카페인 커피의 카페인 함량이 0.1% 미만이어야 하며, 디카페인 인스턴트 커피의 경우 0.3% 미만이어야 한다. 많은 커피 회사들이 커피콩에 남은 카페인 양을 측정하기 위해 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)를 사용한다. 그러나 HPLC는 비용이 상당히 많이 들 수 있기 때문에 일부 커피 회사들은 근적외선 분광법(NIR)과 같은 다른 방법을 사용하기 시작하고 있다. HPLC가 매우 정확하지만, NIR 분광법은 훨씬 빠르고 저렴하며 전반적으로 사용하기 쉽다. 마지막으로 남은 카페인을 측정하는 데 일반적으로 사용되는 또 다른 방법으로는 자외선 가시광선 분광법이 있다. CO2가 UV-Vis 범위에서 흡수되지 않기 때문에 초임계 CO2를 포함하는 디카페인 공정에 유용하다.

2006년 플로리다 주립 대학교에서 카페에서 준비된 10개의 디카페인 커피 샘플을 대상으로 실시한 대조 연구 결과, 일부 카페인이 남아 있는 것으로 나타났다. 이러한 디카페인 커피를 14~20잔 마시면 일반 커피 한 잔에 해당하는 카페인을 섭취하게 된다. 473 ml(16온스) 분량의 커피 샘플에는 8.6 mg에서 13.9 mg 범위의 카페인이 포함되어 있었다. 대중적인 디카페인 커피 브랜드에 대한 또 다른 연구에서는 카페인 함량이 3 mg에서 32 mg까지 다양하게 나타났다."Are You Really Getting Caffeine-Free Decaf Coffee?"  Independent research on 10 popular decaffeinated coffees. Viewed Aug 05, 2008 이와 대조적으로, 237 ml(8온스)의 일반 커피 한 잔에는 95~200 mg의 카페인이 들어 있으며,"Caffeine Content for Coffee, Tea, Soda, and More" List of caffeine content in beverages known to contain caffeine. Viewed Aug 28, 2012 355 ml(12온스)의 코카콜라 한 캔에는 36 mg의 카페인이 들어 있다."Caffeine Amounts in Soda: Every Kind of Cola You Can Think Of" List of caffeine content in popular soft drinks. Viewed Aug 28, 2012

 데카피토 
2009년 기준으로 카페인이 들어 있지 않은 커피콩을 재배하기 위한 연구가 계속되고 있었다. 이러한 유형의 커피를 설명하기 위해 "데카피토"(Decaffito)라는 용어가 만들어졌으며 브라질에서 상표로 등록되었다.

데카피토 유형 커피에 대한 전망은 2004년에 보고된 천연 무카페인 품종인 Coffea charrieriana의 발견으로 밝아졌다. 이 품종은 결함이 있는 카페인 합성 효소 유전자를 가지고 있어, 카페인으로 전환하는 대신 테오브로민을 축적한다. 이 특성을 C. charrieriana와 교배하여 다른 커피 식물에 도입하거나, 일반 커피 식물에서 카페인 합성 효소 유전자를 제거함으로써 유사한 효과를 얻을 수 있다.

 디카페인 차 

차 또한 카페인을 제거할 수 있으며, 보통 위에서 설명한 직접법이나 CO2 공정과 유사한 방식을 사용한다. 찻잎을 산화시켜 녹차에서 홍차나 우롱차를 만드는 과정은 차의 카페인 양에 영향을 주지 않지만, 차나무 아종(예: 중국종 vs 아삼종)에 따라 천연 카페인 함량이 다를 수 있다. 어린 잎과 싹은 오래된 잎과 줄기보다 무게당 더 많은 카페인을 함유하고 있다. CO2 공정은 편리하고 폭발 위험이 없으며 독성이 없어 선호되지만, 초임계 이산화 탄소를 사용한 일반 녹차와 디카페인 녹차를 비교한 결과, 대부분의 휘발성 비극성 화합물(리날룰 및 페닐아세트알데하이드 등), 풀향 및 꽃향 성분(헥사날 및 (E)-2-헥세날 등), 그리고 일부 알려지지 않은 화합물들이 카페인 제거 후 사라지거나 감소하는 것으로 나타났다.

CO2 추출 외에도 뜨거운 물 처리를 통해 차의 카페인을 제거할 수 있다. 수온, 추출 시간 및 잎과 물의 비율을 조절하여 최적의 조건을 맞춘다. 100 °C 이상의 온도에서 3분의 적정한 추출 시간, 그리고 1:20의 잎 대 물의 중량 대비 부피 비율을 유지했을 때 카페인 함량의 83%를 제거하면서도 전체 카테킨의 95%를 보존할 수 있었다. 플라반-3-올의 일종인 카테킨은 차의 맛에 기여하며 암으로 이어질 수 있는 돌연변이원의 억제를 돕는 것으로 나타났다.

커피와 차 모두 수렴제 맛을 내는 탄닌을 가지고 있는데, 차의 탄닌 함량은 커피의 약 3분의 1 수준이다. 따라서 차의 디카페인 공정에서는 이 맛을 유지하기 위해 커피보다 탄닌 함량을 보존하는 데 더 많은 주의가 필요하다. 탄닌을 보존하는 것은 맛뿐만 아니라 항암, 항돌연변이, 항산화 및 항균 특성을 가지고 있는 것으로 밝혀졌기 때문에 바람직하다. 특히 탄닌은 혈액 응고를 촉진하고 혈압을 낮추며 혈청 지질 수치를 감소시키고 면역 반응을 조절한다.

일반적인 생산 과정 중의 특정 공정들은 카페인 함량을 직접적으로 줄이거나, 각 추출 과정에서 방출되는 속도를 늦추는 데 도움이 될 수 있다. 중국에서는 많은 숙성 보이차뿐만 아니라 '중화'(중간 불) 또는 '족화'(강한 불)로 불리는 고온에서 덖은 무이암차 우롱차에서 이러한 현상이 뚜렷하게 나타난다.

일반적으로 받아들여지는 통계에 따르면 일반적인 홍차 한 잔에는 40~50 mg의 카페인이 들어 있으며, 이는 커피 한 잔 함량의 대략 절반 수준이다.

짧은 시간(30~60초) 우린 물을 버리는 일반적인 기술이 향미를 다소 희생하면서 이후 우려낸 차의 카페인 함량을 크게 줄인다고 믿어지지만, 연구에 따르면 5분간 담갔을 때 카페인의 최대 70%가 추출되며, 두 번째 우려낼 때는 첫 번째의 3분의 1 수준(찻잎 전체 카페인의 약 23%)만 남는 것으로 나타났다.

 같이 보기 
 커피 대용품

 각주 

분류:화학공학 공정
분류:커피