СПОСОБЫ И СИСТЕМЫ ДЕКОФЕИНИЗАЦИИ
METHODS AND SYSTEMS OF DECAFFEINATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к системам и способам переработки и/или экстракции веществ из алкалоидсодержащих материалов, таких как чайные листья. Описан способ экстракции кофеина из указанных материалов с применением воды, в котором предпочтительно не используют искусственные, то есть синтетические химические растворители. Предпочтительно, указанная система и способ обеспечивают возможность наличия других водорастворимых не содержащих кофеин компонентов (например, катехинов и полифенолов) алкалоидсодержащих материалов в составе декофеинизированного продукта. Преимущественно, кофеин, экстрагированный из алкалоидсодержащих материалов, обратимо адсорбируют на адсорбенте, и большое количество кофеина может быть десорбировано с адсорбента и дополнительно использовано в различных областях.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Способы и стадии, используемые при переработке чайных листьев чайных деревьев в процессе декофеинизации в декофеинизированные чайные продукты, существенно влияют на качество готовых чайных продуктов, в частности, аромат и/или интенсивность. Качество, в частности, определяют по содержанию чайных катехинов (которые могут составлять до 30% от сухой массы чайных листьев в зеленом чае), производных теафлавина, таких как теафлавин-3-галлат, и/или полифенолов. Таким образом, способ, используемый для переработки чайных листьев в чайные продукты, в частности, в декофеинизированный чай, может быть чрезвычайно важен для коммерческой жизнеспособности, успеха или признания чайных продуктов. Другой фактор, важный для коммерческой жизнеспособности указанных продуктов, представляет собой степень извлечения побочных продуктов декофеинизации, в частности, кофеина. В целом, кофеин составляет примерно 3% от сухой массы чайных листьев чайного дерева, что в пересчете на чашку объемом 8 унций (250 мл) составляет от 30 мг до 90 мг, в зависимости от типа.
8
10
4
2
Кофе и чай представляют собой алкалоидсодержащие продукты. Основной алкалоид, содержащийся в них, представляет собой ксантиновый алкалоид кофеин, (CHNO, 1,3,7-триметил-1H-пурин-2,6(3H,7Н)-дион), который умеренно растворим в воде при комнатной температуре (2 г/100 мл), но очень хорошо растворим в кипящей воде (66 г/100 мл). Радиус молекулы кофеина составляет  с наблюдаемым гидродинамическим диаметром в растворе кофеина ~1 нм.
Однако вещества, которые делают привлекательным употребление чая и кофе, не принимая во внимание кофеин, существенно отличаются. Аромат чая, главным образом, определяется водорастворимыми компонентами, которые могут находиться в свежесобранных чайных листьях, а также в высушенных и/или окисленных чайных листьях. С другой стороны, аромат кофе, главным образом, определяется способом обжаривания, которому кофе подвергают после высушивания зерен (бобов).
Чайные или кофейные напитки обычно получают завариванием чайных листьев или кофейного порошка (полученного из обжаренных кофейных зерен) в горячей воде. Температура воды для заваривания чая обычно составляет от 70 до 100°С, в зависимости от качества чая и требуемого вкуса. Кофе обычно заваривают при 100°С или выше 100°С и зачастую применяют давление в процессе экстракции водорастворимых компонентов.
Таким образом, тогда как чай содержит много необходимых водорастворимых компонентов в свежем, высушенном и/или окисленном (но не обжаренном) чайном листе, в кофе основная часть водорастворимых компонентов образуется лишь в процессе обжаривания, при этом зеленые, не обжаренные кофейные зерна содержат в качестве водорастворимых компонентов только кофеин и небольшое количество нерастворимых в воде предшественников аромата, которые становятся водорастворимыми в процессе обжаривания.
Соответственно, существует известный способ декофеинизации с применением воды, а именно «Швейцарский водный способ». В указанном способе кофеин экстрагируют из зеленых, не обжаренных кофейных зерен с помощью воды. Кофеин удаляют из смеси с помощью активированного углерода. Декофеинизированные кофейные зерна высушивают и обжаривают. Обжаривание придает аромат кофе. В целом, кофеин необратимо связывается с активированным углеродом.
Обычная процедура переработки чая начинается со сбора чайных листьев с последующей их ферментацией и/или высушиванием. После сбора, например, листья Camelia sinensis, вскоре начинают увядать и окисляться, если они не были сразу высушены. Листья постепенно становятся все темнее по мере разрушения хлорофилла и высвобождения танинов. Такой ферментативный процесс окисления обусловлен внутриклеточными ферментами растения и приводит к потемнению чая. При переработке чая потемнение останавливают на предварительно заданной стадии посредством нагревания, что приводит к дезактивации ответственных ферментов. При производстве черных сортов чая остановку окисления посредством нагревания проводят одновременно с высушиванием.
В процессе декофеинизации в листьях остается некоторое количество кофеина. По закону, чай с маркировкой «декофеинизированный» в большинстве стран должен содержать менее 2,5 процента от исходного содержания кофеина, которое обычно составляет менее 2 мг на чашку.
При декофеинизации чая зачастую используют процессы, аналогичные «прямому способу» декофеинизации кофе.
В прямом способе чайные листья сначала пропаривают в течение 30 минут, а затем многократно промывают дихлорметаном или этилацетатом в течение нескольких часов. Затем растворитель сливают, а листья пропаривают в течение времени, достаточного для удаления остаточного растворителя. Иногда сорта чая, декофеинизированные с помощью этилацетата, называют сортами «природной обработки», поскольку этилацетат может быть получен из различных фруктов или овощей. Однако почти весь этилацетат, используемый для декофеинизации, является синтетическим, не природным. Кроме того, в процессе на основе этилацетата происходит удаление многих ароматических компонентов чая, ценных для потребителей. Таким образом, процесс декофеинизации на основе дихлорметана является основным способом, используемым для декофеинизации чая.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Декофеинизированные сорта чая с маркировкой «органические» зачастую декофеинизированы способом на основе диоксида углерода (СО). Чай, декофеинизированный способом на основе СО, сохраняет 92 процента полифенолов (антиоксидантов) по сравнению с чаем, декофеинизированным с помощью способа с применением этилацетата, в котором сохраняется лишь 18 процентов полифенолов. В способе декофеинизации на основе СО, используемый для декофеинизации СО фильтруют и возвращают в цикл в количестве примерно 99%. В указанном способе чайные листья по существу «сварены под давлением» СО. При высоком давлении и высоких температурах СО достигает сверхкритического состояния. СО становится растворителем, в котором небольшие неполярные молекулы притягивают небольшие молекулы кофеина. Поскольку «молекулы аромата», такие как полифенолы, обычно крупнее, то они остаются неизменными, поэтому указанный процесс обеспечивает хорошую сохранность аромата чая. После пропускания через чайные листья, обогащенный кофеином СО фильтруют для удаления кофеина, а затем возвращают в цикл для дальнейшего использования при декофеинизации. В патентах США 4167589 и 4976979 описаны способы декофеинизации на основе СО. Указанные патенты, а также в другие патентные и непатентные публикации, упомянутые в настоящем документе, включены в настоящий документ посредством ссылки в полном объеме.
2
Несмотря на то, что процессе декофеинизации чая на основе СО может считаться натуральным, для него необходимо дорогостоящее оборудование и сложное управление процессом.
Оба органических растворителя, обычно используемых для экстракции кофеина из чая, а именно этилацетат и дихлорметан, имеют среднюю полярность, что обеспечивает возможность растворения кофеина, но минимизирует сопутствующую экстракцию полярных, более растворимых в воде вкусовых и ароматических компонентов. Сверхкритический диоксид углерода в жидком состоянии является растворителем с умеренной неполярностью или средней полярностью и, следовательно, обеспечивает некоторую селективность для экстракции кофеина.
При применении в качестве натурального растворителя воды, условия, используемые для удаления кофеина из чайных листьев, относительно близки условиям, используемым при получении чая как напитка и, следовательно, можно ожидать, что такой способ приводит к сопутствующей экстракции водорастворимых компонентов, отличных от кофеина, которые обеспечивают основной вклад во вкусовые качества готового чайного продукта. Таким образом, одна из трудностей способа экстракции чайных листьев с применением воды заключается в получении продукта, который, тем не менее, содержит требуемые концентрации водорастворимых компонентов, обеспечивающих вкусовой профиль готового продукта.
Таким образом, существует потребность в «натуральном» способе декофеинизации чая, в частности, в способе с применением воды, который не включает химическую экстракцию кофеина и в котором используют относительно простое оборудование и/или управление процессом. Существует также потребность в извлечении экстрагированного кофеина на высоком уровне. Настоящее изобретение направлено на достижение указанной/указанных и/или других целей и/или задач.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
На фиг. 1 представлен пример схемы общего способа получения декофеинизированного чайного продукта.
На фиг. 2 представлен пример системы для декофеинизации алкалоидсодержащих материалов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении описаны способы и системы декофеинизации алкалоидсодержащих материалов. В большинстве случаев удаляемый кофеин может быть извлечен для дальнейшей переработки.
Несмотря на то что некоторые варианты реализации настоящего изобретения относятся к декофеинизации любых алкалоидсодержащих материалов, таких как, но не ограничиваясь ими, чайные листья (свежие, высушенные, частично высушенные, окисленные или частично окисленные), кофе или матэ, большинство вариантов реализации настоящего изобретения относятся к декофеинизации чайных листьев, которые, как правило, высушены после сбора.
В одном из вариантов реализации настоящее изобретение относится к способу получения декофеинизированного чайного продукта, такого как декофеинизированные чайные листья, включающему:
(i) добавление воды, предпочтительно имеющей температуру менее 70°С, к чайным листьям с получением водной смеси чайных листьев,
(ii) отделение чайных листьев от указанной смеси чайных листьев с получением водного экстракта и экстрагированных чайных листьев;
(iii) приведение в контакт водного экстракта со стадии (ii) с активным углеродным адсорбентом (АСА);
(iv) проведение обратимой адсорбции кофеина в указанном экстракте на АСА с получением водного экстракта декофеинизированного чая (DTE),
(v) приведение в контакт водного DTE с экстрагированными чайными листьями стадии (ii) с получением дополнительной водной смеси чайных листьев, необязательно повторение стадий (ii)-(iv) 2-12 или 4-10 раз и
(vi) высушивание дополнительной водной смеси чайных листьев с получением декофеинизированного чайного продукта.
В предпочтительном варианте реализации АСА и кофеин, адсорбированный на нем, могут быть десорбированы, и АСА приводят в контакт со следующим водным экстрактом.
Время между добавлением воды или DTE с получением водной смеси чайных листьев на стадии (i) или дополнительной водной смеси чайных листьев на стадии (v) и отделением экстрагированных чайных листьев на стадии (ii) может составлять более 2 минут, но менее 60 минут, предпочтительно от 2 до 20 минут.
Отношение чайных листьев к воде на стадии (i) может составлять от 1:5 до 1:10, включая от 1:5 до 1:9 и от 1:6 до 1:8.
Вода или декофеинизированный чайный экстракт на стадии (i) или DTE на стадии (v) может иметь широкий диапазон температур, например, менее 80°С или, как указано выше, менее 70°С. Их температура также может быть менее 60°С, предпочтительно от 5°С до 60°С, предпочтительно от 15°С до 50°С или от 15°С до 30°С при смешивании указанных чайных листьев или экстрагированных чайных листьев. Выделение на стадии (ii) может быть центробежным выделением, например, в центрифуге непрерывного действия или в центрифуге со сплошным ротором, такой как противоточная центрифуга или прямоточная центрифуга.
Чайные листья на стадии (i), в целом, содержат не содержащие кофеин водорастворимые компоненты, а декофеинизированный чайный продукт на стадии (vi), в целом, содержит не содержащие кофеин водорастворимые компоненты, при этом декофеинизированный чайный продукт на стадии (vi) может содержать по меньшей мере примерно 50%, 60%, 70%, 80%, предпочтительно 90% не содержащих кофеин водорастворимых компонентов чайных листьев со стадии (i).
Не содержащие кофеин водорастворимые компоненты, в частности, могут представлять собой чайные полифенолы (действующие как вкусовые компоненты, а также как антиоксиданты), такие как катехины и/или эпикатехины (до 30% от сухой массы чайных листьев в зеленом чае), аминокислоты, такие как L-теанин, теафлавин, включая производные теафлавина, такие как теафлавин-3-галлат, и/или теарубигин.
К АСА может быть добавлен растворитель, и кофеин, адсорбированный на нем, может быть десорбирован.
Десорбированный кофеин может быть выделен из растворителя, и растворитель необязательно возвращают к АСА. Кофеин может быть высушен посредством испарения растворителя.
2
Растворитель может представлять собой спирт, такой как метанол или этанол, или сложный эфир, такой как этилацетат. Предпочтительно, десорбируют более 60%, 70%, 80%, 90%, 95% или 98% кофеина, адсорбированного на указанном АСА, и растворяют в указанном растворителе. В одном из вариантов реализации АСА представляет собой часть адсорбционной колонны. АСА может содержать предпочтительно круглые пористые частицы углерода, при этом более 90% указанных частиц предпочтительно имеют размер от 0,1 до 0,66 мм и площадь поверхности >1300 м/г.
АСА предпочтительно имеет йодное число более 1350 мг/г.
Декофеинизированный чай может представлять собой черный чай или зеленый чай (Camellia sinensis L.), или чай матэ (Ilex paraguariensis L.). Из чайных листьев может быть удалено по меньшей мере 85%, 90 или 95% кофеина, и/или содержание кофеина в декофеинизированном чайном продукте не превышает 0,4%, предпочтительно 0,3%, более предпочтительно 0,2% или 0,1%.
Настоящее изобретение относится также к декофеинизированному чайному продукту, полученному любым из способов, описанных в настоящем документе.
Декофеинизированный чайный продукт, полученный из чайных листьев, может содержать менее 0,5%, предпочтительно менее 0,4%, 0,3%, 0,2% или 0,1% кофеина и по меньшей мере 40%, 50%, 60%, 70%, 80% или 90% чайных катехинов, теафлавина, включая производные теафлавина, такие как теафлавин-3-галлат, теарубигина и/или полифенолов, таких как эпикатехины, чайных листьев, из которого он получен.
2
2
Настоящее изобретение относится также к применению активного углеродного адсорбента, содержащего предпочтительно круглые пористые частицы углерода, при этом более 90% указанных частиц имеют размер от 0,1 до 0,66 мм, площадь поверхности >1300 м/г и йодное число более 1350 мг/г, для декофеинизации алкалоидсодержащих материалов, таких как, но не ограничиваясь ими, чай, кофе или матэ.
Настоящее изобретение относится также к системе декофеинизации алкалоидсодержащих материалов, содержащей:
центрифугу непрерывного действия или центрифугу со сплошным ротором, имеющую входное отверстие и по меньшей мере одно выходное отверстие для жидкости, а также по меньшей мере одно выходное отверстие для твердых материалов; и
2
адсорбционную колонну, которая функционально присоединена к одному из указанных по меньшей мере одного выходного отверстия для жидкости, и содержит активный углеродный адсорбент, содержащий предпочтительно сферические или круглые пористые углеродные частицы, при этом более 90% указанных частиц имеют размер от 0,1 до 0,66 мм, площадь поверхности >1300 м/г и йодное число более 1350 мг/г.
2
В некоторых вариантах реализации настоящее изобретение относится к набору для декофеинизации чая, содержащему: в одном контейнере углеродный адсорбент, который содержит предпочтительно сферические или круглые пористые частицы углерода, при этом более 90% указанных частиц имеют размер от 0,1 до 0,66 мм, площадь поверхности >1300 м/г и йодное число более 1350 мг/г, в адсорбционной колонне, выполненной с возможностью адсорбции кофеина из алкалоидсодержащих материалов, и во втором контейнере - инструкции по применению колонны для экстракции алкалоидсодержащих материалов.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ И ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ
Способы согласно настоящему изобретению включают способы экстракции с применением воды. То есть алкалоидсодержащие материалы, в частности, чайные листья, декофеинизируют с применением воды для экстракции кофеина.
Настоящее изобретение направлено на получение декофеинизированных чайных продуктов, таких как декофеинизированные чайные листья, посредством экстракции кофеина из чайных листьев с применением воды, при сохранении оставшихся необходимых компонентов чайных листьев в готовом продукте.
Общеизвестно, что растворимость кофеина при низких температурах невелика, например, 2% при 20°С, и существенно увеличивается вплоть до температуры кипения воды. Так, при 95°С растворимость составляет 60%. Растворимость других компонентов чая, таких как полифенолы, ароматические соединения и теанин, аналогичным образом увеличивается с повышением температуры, при этом наилучшей температурой для получения чайного напитка для употребления человеком является 70-98°С. Однако вода согласно настоящему изобретению имеет температуру менее 70°С, менее 60°С, предпочтительно от 5°С до 60°С, предпочтительно от 15°С до 40°С или от 15°С до 30°С. Вода может быть возвращена в цикл. Рециркулированная форма воды означает, что вода, пропущенная через по меньшей мере часть процесса или системы согласно настоящему изобретению, то есть вода, которую ранее добавляли к чайным листьям для получения смеси чайных листьев, отделяли от указанных чайных листьев и предпочтительно затем приводили в контакт с активным углеродным адсорбентом, может быть использована вместо свежей воды. Рециркулированная вода, пропущенная через все указанные процессы (включая адсорбцию кофеина) также упомянута в настоящем документе как декофеинизированный чайный экстракт (DTE). В целом, вода представляет собой обычную питьевую воду или дистиллированную воду, но может содержать добавки, такие как буферные соли, органические кислоты или другие водорастворимые ингредиенты, которые допустимы в качестве пищевых добавок.
Чайные листья, смешанные с водой, образуют смесь чайных листьев. До выделения чайных листьев из указанной смеси может пройти до 20 минут, включая до 15, до 10, до 5 минут. В целом, смесь должна оставаться в смешанном состоянии в течение по меньшей мере 1 или 2 минут.
2
2
Выделение чайных листьев из указанной смеси может быть проведено в центрифуге, которая также может выполнять функцию смесительного бака. В целом, предпочтительные центрифуги, обеспечивающие возможность разделения твердых и жидких компонентов, такие как центрифуги непрерывного действия и центрифуги со сплошным ротором. Особенно предпочтительные центрифуги, которые не разрушают нежные клетки чайных листьев и которые предназначены для минимизации механического воздействия на чайные листья. Таким образом, выделение обычно должно происходить при низких значениях силы g для минимизации воздействия на структуру листа. Сила g (от англ. gravitational - гравитационная) представляет собой меру ускорения, ощущаемого как масса [м/с]. Низкие значения силы g находятся в диапазоне 2-100, 2-50, предпочтительно от 5 до 40 м/с. Разделение приводит к получению водного экстракта и экстрагированных чайных листьев. «Водный» в контексте настоящего документа означает водянистую консистенцию, но наличие в составе, помимо воды, дополнительных ингредиентов. Дополнительный ингредиент может быть, но не обязательно должен действительно растворяться в воде или образовывать водные эмульсии или суспензии. Водная смесь согласно настоящему изобретению, в целом, содержит твердые вещества в форме чайных листьев. Такой водный экстракт, из которого удалена большая часть, если не все чайные листья, подвергают адсорбции.
В контексте настоящего изобретения адсорбция представляет собой адгезию атомов, ионов и/или молекул из жидкости или растворенного твердого вещества на поверхность. Указанные процесс приводит к образованию пленки адсорбата, в данном случае преимущественно кофеина, на поверхности адсорбента. Адсорбция представляет собой поверхностный процесс. Термин «сорбция» включает адсорбцию и абсорбцию, тогда как десорбция, которая также является поверхностным явлением, противоположна адсорбции.
В настоящем изобретении кофеин может быть обратимо адсорбирован на адсорбент. Это означает, что адсорбат, в данном случае кофеин, сначала адсорбируют на адсорбент, но он может быть выделен из адсорбента с помощью подходящего растворителя, например, спирта или этилацетата. Адсорбент преимущественно имеет высокую специфичность в отношении кофеина по сравнению с его специфичностью в отношении не содержащих кофеин чайных компонентов, то есть адсорбент адсорбирует кофеин (которые составляет примерно 3% сухой массы чая), но в гораздо меньшей степени не содержащие кофеин водорастворимые компоненты чайных листьев, например, менее 20%, менее 10%, менее 5%, менее 5%, менее 3%, менее 2% от общего содержания указанных других водорастворимых компонентов чайных листьев, таких как чайные катехины (до 30% от сухой массы чайных листьев в зеленом чае), производные теафлавина, такие как теафлавин-3-галлат, и/или другие полифенолы.
Насыщение воды (в данном случае DTE) водорастворимыми компонентами, отличными от кофеина, положительно влияет на экстракционные равновесия указанных компонентов за пределами чайных листьев. В целом, последующая экстракция водорастворимых не содержащих кофеин компонентов замедлена, и более высокая концентрация указанных компонентов в DTE в совокупности с замедленной экстракцией указанных компонентов из чайных листьев приводит к более высокому содержанию указанных компонентов в готовом чайном продукте.
∞
∞
В процессе экстракции растворенных веществ, в данном случае кофеина, а также не содержащих кофеин водорастворимых компонентов, в растворитель, такой как вода/DTE, растворенные вещества переходят из одной фазы (в данном случае фазы чайных листьев) в другую фазу (в данном случае фазу воды/DTE). В зависимости от растворимости растворенных веществ в растворителе и времени экстракции достигается равновесие. В начале экстракции (время t=0) растворенные вещества находятся только в чайных листьях, но спустя некоторое время экстракции (t=∞) растворенное вещество(-а) переходит(-ят) в раствор, и достигается равновесие концентрации растворенного вещества в фазе чайных листьев (с') и в водной фазе (с). После достижения насыщения растворителя одним или более растворенными веществами не происходит никаких изменений содержания растворенного вещества (веществ) между двумя фазами.
Как известно специалистам в данной области техники, равновесие растворенного вещества (веществ) в обеих фазах объясняют законом распределения Нернста: «При растворении в двух несмешивающихся жидкостях вещества, растворимого в каждой из них, указанное вещество самопроизвольно распределяется между двумя жидкостями таким образом, что соотношение его концентрации в двух жидких фазах является постоянным при данной температуре, при условии, что молекулярное состояние распределенного вещества является одинаковым в обеих фазах».
K=с (фаза 1)/с' (фаза 2),
где с' (фаза листьев) и с (фаза воды/DTE) представляют собой концентрации в данном случае водорастворимого вещества (веществ) в двух фазах.  K называют коэффициентом распределения.
кофеин)
(растворимые не содержащие кофеин компоненты чая)
(кофеин)
(растворимые не содержащие кофеин компоненты чая)
й
й
й
й
й
й
й
й
й
й
й
Соответственно, повышенная концентрация не содержащих кофеин водорастворимых компонентов чая в DTE приводит к снижению экстракции не содержащих кофеин водорастворимых компонентов чая при последующей экстракции/на следующих стадиях экстракции из чайных листьев в DTE, тем самым замедляя потерю ценных не содержащих кофеин водорастворимых компонентов чая в DTE и максимизируя их содержание в декофеинизированных чайных листьях. Таким образом, при последних экстракциях (например, 3-5) одной партии чайных листьев с применением DTE единственным растворимым веществом, экстрагируемым в значительном количестве, является кофеин, для которого равновесие было нарушено в результате адсорбции на адсорбенте. Таким образом, при каждой экстракции партии чайных листьев с применением DTE K( становится больше, чем K, при этом соотношение K/K становится больше 1, предпочтительно больше 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 при 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 9, 10, 11 или 12 экстракции партии чайных листьев с применением DTE, полученного в предыдущей экстракции.
В контексте настоящего изобретения используют активный углеродный адсорбент (АСА), который может быть регенерирован, то есть кофеин может быть десорбирован, и его обычно десорбируют с АСА с помощью растворителя с получением регенерированного АСА. Полная регенерация может быть достигнута после нескольких технологических циклов, например, после получения более 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 или 20 партий декофеинизированных чайных продуктов с помощью нагревания или пара, с применением или без применения потока газов, таких как азот, кислород или воздух, для удаления прочно адсорбированных компонентов и полной регенерации АСА. Регенерированный АСА не содержит (полностью регенерирован, исходный растворитель десорбирован) или по существу не содержит (растворитель десорбирован) кофеина и может быть, в целом, снова использован для адсорбции кофеина после простого промывания водой после десорбции растворителя.
Способ согласно настоящему изобретению приводит к получению декофеинизированного продукта, который получают «без применения растворителя» и который является «не содержащим растворителя», т.е. нет непосредственного контакта алкалоидсодержащих материалов (включая чай и кофе) с растворителем, нет даже органического растворителя, который в контексте настоящего изобретения используют только для регенерации АСА и для выделения кофеина.
2
2
2
2
2
Преимущественно, АСА содержит пористые углеродные частицы, которые предпочтительно являются круглыми и в некоторых вариантах реализации сферическими, предпочтительно более 70%, предпочтительно 80% или 90% указанных частиц имеют размер от 0,05 до 1 мм, от 0,1 до 1 мм, предпочтительно от 0,1 до 0,75 мм, наиболее предпочтительно от 0,1 до 0,55 мм, площадь поверхности >1100 м/г, >1200 м/г, предпочтительно >1300 м/г и/или йодное число более 1200 мг/г, 1300 мг/г, предпочтительно 1350 мг/г. «Активированный углерод» представляет собой обобщенный термин, используемый для любого углеродистого материала, подверженного контролируемой термической обработке для увеличения степени пористости. Имея большую площадь внутренней поверхности и объем пор, активированный углерод является эффективным адсорбентом. Активированный углерод производят, главным образом, двухстадийным способом карбонизации с последующей физической активацией, но он может быть получен в одну стадию карбонизации и химической активации. Карбонизация относится к стадии, на которой органические соединения превращают в углеродсодержащий остаток (уголь) посредством термического процесса, в отсутствие кислорода. В случае физической активации после карбонизации проводят газификацию угля окислительным агентами, такими как пар и СО. Для химической активации могут быть использованы химические соединения, такие как ZnCl и KOH, зачастую одновременно с карбонизацией. Для получения активированного углерода могут быть использованы почти все органические материалы с высоким содержанием углерода. Исторически активированный углерод получают из древесины, каменного угля или материалов животного происхождения, таких как кости. В настоящее время для получения активированного угля изучены многие побочные продукты сельского хозяйства. Скорлупы кокосовых орехов, древесные опилки, рисовая шелуха, ореховые скорлупы, вишневые, финиковые или сливовые косточки, оливковые отходы представляют собой некоторые более современные материалы, используемые для получения активированных углеродных адсорбентов (АСА), которые могут быть использованы в контексте настоящего изобретения. Заявка на патент США 2012/0172216, в которой описаны виды активированного углерода, которые могут быть использованы как адсорбенты, включена в настоящий документ посредством ссылки в полном объеме. В предпочтительном варианте реализации указанные частицы получают из синтетического материала, такого как полистирол (см. публикацию патента США 20040038802, патент США 7160369 или патент США 7662747, которые включены в настоящий документ посредством ссылки в полном объеме.
Круглая частица представляет собой по существу сферическую, то есть шарообразную частицу при взгляде невооруженным глазом. Круглые частицы могут быть, но не обязательно являются сферами в геометрическом смысле. Скорее, они могут быть в форме мяча, но могут отклоняться на 5% или 10% от формы геометрической сферы. Поверхностные вмятины являются скорее нормой, чем исключением. В литературе частицы в форме простого мяча зачастую называют сферическими.
Адсорбент предпочтительно представляет собой часть адсорбционной колонны, которая содержит адсорбент зачастую в цилиндрическом корпусе и имеет входное отверстие в верхней части и выходное отверстие в нижней части. Водный экстракт, оставшийся после выделения чайных листьев из смеси чайных листьев, может быть вылит во входное отверстие колонны, и DTE, декофеинизированный до разной степени, например, 40% в первом цикле и до 99% через 6-12 циклов, представляет собой выходящий поток. После температуры воды и состава чайных листьев (которые, например, могут быть измельчены перед получением водной смеси водных листьев), конструкция колонны определяет, в случае необходимости повторных циклов, их количество (например, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16) для получения подходящего декофеинизированного продукта, в частности, подходящего декофеинизированного чайного продукта, такого как декофеинизированные чайные листья. При повторных циклах вместо воды используют DTE, полученный в качестве исходящего потока, и экстрагированные чайные листья используют вместо не экстрагированных, например, высушенных чайных листьев.
В целом, АСА может быть использован множество раз для адсорбции кофеина до десорбции кофеина, например, от 10 до 200 раз, от 20 до 100 раз или от 20 до 50 раз.
Система согласно настоящему изобретению содержит центрифугу и адсорбционную колонну, выполненную с возможностью подачи водного экстракта, полученного после центрифугирования, во входное отверстие адсорбционной колонны. Таким образом, выходное отверстие центрифуги для жидкости соединено с входным ответствуем адсорбционной колонны, например, патрубком. Специалистам в данной области понятно, что может быть несколько центрифуг и несколько адсорбционных колонн. В одном из вариантов реализации каждая центрифуга соединена с одной адсорбционной колонной. В варианте реализации «непрерывного действия» одна центрифуга предназначена более чем для одной адсорбционной колонны, поэтому исходная адсорбционная колонна время от времени может быть заменена регенерированной адсорбционной колонной, а исходная адсорбционная колонна может быть подвержена десорбции и регенерации. Специалистам в данной области техники понятно, что существует множество возможных настроек для указанной системы. Например, в периодическом процессе соединение между центрифугой и адсорбционной колонной может быть разорвано, например, клапаном, и процесс может быть остановлен, а кофеин десорбирован с адсорбента. В целом, DTE собирают в одном или более бассейнов, которые во многих случаях соединены с сушильной камерой, содержащей, после многократного проведения цикла, экстрагированные чайные листья, но также могут быть прямо или косвенно соединены с центрифугой. Последнее соединение обеспечивает возможность повторного смешивания DTE с экстрагированными чайными листьями, подвергаемыми дополнительному центрифугированию и адсорбции. В одном из вариантов реализации центрифуга может служить в качестве камеры для получения и сохранения смеси чайных листьев в соответствии с настоящим изобретением.
(кофеин)
(растворимые не содержащие кофеин компоненты чая)
На фиг. 1 представлен пример общей технологической схемы получения декофеинизированного чайного продукта. В первой части процесса, также называемой экстракцией, смешивают воду (сначала воду, а затем DTE) и чайные листья. Кофеин экстрагируют из чайных листьев с помощью воды, в том числе DTE, поэтому указанный процесс представляет собой процесс водной экстракции. Экстрагированные чайные листья, в которых снижено содержание кофеина, в данном варианте реализации отделяют от водного экстракта (водный экстракт на фиг. 1 указан как «чайный экстракт, обогащенный кофеином» (CLTE)). В изображенном варианте реализации выделение проводят с помощью проточной центрифуги. В изображенном варианте реализации водный экстракт (CLTE) пропускают через твердофазную колону, содержащую активный углеродный адсорбент (АСА). АСА адсорбирует кофеин из водного экстракта с образованием декофеинизированного чайного экстракта (DTE). DTE смешивают с экстрагированными чайными листьями (в некоторых вариантах реализации также с не экстрагированными чайными листьями) для обогащения экстрагированных чайных листьев растворимыми не содержащими кофеин компонентами чая, которые улучшают качество декофеинизированного чайного продукта. Как описано выше, при каждом повторении увеличивается отношение K/K. Может быть проведено, например, 2-12 или 6-12 контактов одной партии чайных листьев с DTE, полученным из одной исходной партии воды, которую добавляли к исходной партии не экстрагированных чайных листьев. После каждой экстракции с DTE проводят, например, одно, например, центробежное выделение и, например, один контакт с АСА.
После таких, в целом, многократных приведений в контакт экстрагированные чайные листья еще один раз приводят в контакт с DTE, высушивают и получают декофеинизированный чайный продукт. АСА описан в других местах настоящего документа и обеспечивает возможность десорбции кофеина с помощью десорбирующего растворителя, который может быть возвращен в цикл и снова пропущен через АСА для десорбции кофеина, захваченного регенерированным АСА. Предпочтительно, существенную часть (по меньшей мере 90%, предпочтительно по меньшей мере 95%) кофеина, адсорбированного на АСА, десорбируют за одну стадию десорбции растворителем, т.е. однократным элюированием.
Как можно видеть на указанной фигуре, в качестве первой стадии исходную партию воды, имеющую, например, температуру от 5 до 70°С, приводят в контакт с чайными листьями в течение от 1 до 5 минут. Отношение воды к чайным листьям составляет, например, от 1:1 до 1:10. В течение 1-5 минут кофеин экстрагируют из чайных листьев, как и другие растворимые не содержащие кофеин компоненты чая, и получают водный экстракт (CLTE). Растворимые не содержащие кофеин компоненты чая представляют собой необходимые компоненты чайного продукта. Экстрагированные чайные листья, в целом, требуют дополнительной экстракции для снижения содержания кофеина в чайных листьях до приемлемого уровня. С другой стороны, CLTE содержит следующие после кофеина необходимые компоненты. Поэтому кофеин удаляют из CLTE, и полученный DTE снова приводят в контакт с экстрагированными чайными листьями. Поскольку при любой последующей адсорбции содержание кофеина в экстрагированных чайных листьях снижается, CLTE/DTE становится все более и более насыщенным растворимыми не содержащими кофеин компонентами чая. Высокое насыщение обусловливает выведение все меньшего и меньшего количества указанных растворимых не содержащих кофеин компонентов чая из чайных листьев, в то время как удаление кофеина в АСА обеспечивает непрерывное удаление кофеина.
Кофеин, в целом, имеет размер меньше, чем растворимые не содержащие кофеин чайные компоненты, такие как полифенолы. Таким образом, адсорбент может быть предназначен для предпочтительной адсорбции растворимых не содержащих кофеин компонентов чая, так чтобы АСА был «селективным» в отношении кофеина, т.е. адсорбировал большее количество кофеина, чем не содержащих кофеин растворимых компонентов чая. Предпочтительно, более 90%, предпочтительно 95% адсорбированных молекул представляют собой молекулы кофеина.
Как описано в других местах настоящего документа, АСА может быть регенерирован растворителем, и предпочтительно более 70%, более 80%, более 90% и более 95% адсорбированного кофеина десорбируют с помощью предпочтительно органического растворителя. Во время регенерации/десорбции АСА извлекают из цикла адсорбции кофеина и возвращают в цикл только после регенерации (см. «RA» (без кофеина) (см. также фиг. 2). Растворитель для десорбции может быть возвращен в цикл (RDS).
На фиг. 2 представлен пример системы для декофеинизации алкалоидсодержащих материалов. Изображенная система содержит емкость для экстракции, содержащую чайные листья (например, порошок, высевку, дробленые или цельные, высушенные или частично высушенные/окисленные чайные листья). В качестве емкости для экстракции также может быть использована центрифуга. Однако, как понятно специалистам в данной области техники, центрифуга также может быть отдельной конструкцией, следующей после емкости для экстракции. Емкость для экстракции имеет входное отверстие для воды и необязательно отдельное входное отверстие для DTE, а также отверстие для подачи чайных листьев. Если центрифуга представляет собой отдельное от емкости для экстракции устройство, то центрифуга предпочтительно имеет по меньшей мере одно входное отверстие для водной смеси чайных листьев и по меньшей мере два выходных отверстия, одно для экстрагированных чайных листьев и одно для водного экстракта.
Если емкость для экстракции и центрифуга представляют собой одно устройство, то оно предпочтительно содержит вышеуказанные входные отверстия емкости для экстракции, а также вышеуказанные выходные отверстия центрифуги. В целом, чайные листья оставляют в емкости для экстракции/центрифуге в течение нескольких экстракций, сначала с водой, затем с DTE. После проведения нескольких экстракций водную смесь чайных листьев направляют, например, в высушивающий слой, показанный на фиг. 2, и высушивают указанную смесь, удаляя жидкости. Водный экстракт, полученный после каждого центрифугирования, приводят в контакт с АСА («адсорбция») и получают DTE, который возвращают в цикл для дополнительной экстракции чайных листьев в емкости для экстракции/центрифуге. После, например, экстракции одной партии чайных листьев, например, посредством проведения 12 экстракций, АСА извлекают из показанного цикла экстракции/адсорбции и переносят в цикл выделения для извлечения кофеина. В системе, поддерживающей полунепрерывный или непрерывный процесс в системе используют более одной колонны АСА, предпочтительно по меньшей мере 2 для каждого экстрактора/центрифуги. В цикле выделения колонну АСА элюируют растворителем, который предпочтительно вводят в верхней части колонны, тогда как нижняя часть колонны соединена с испарителем, в котором испаряют обогащенный кофеином растворитель. Испаренный растворитель в данном варианте реализации собирают в отдельном контейнере для повторного использования при элюировании колонны АСА. Время от времени АСА может быть полностью регенерирован с помощью нагревателя, который может быть или не быть частью системы. Неочищенный кофеен собирают в нижней части испарителя для дальнейшей переработки.
Выше описаны неограничивающие примеры заявленной системы и способа. Специалистам в данной области техники понятны альтернативные варианты реализации, входящие в объем заявленного изобретения.