АДСОРБИРУЮЩИЙ КОФЕИН МАТЕРИАЛ, АДСОРБИРУЮЩАЯ КОФЕИН СИСТЕМА, СИСТЕМА ДЕКОФЕИНИЗАЦИИ И ОТНОСЯЩИЕСЯ К НИМ СПОСОБЫ УДАЛЕНИЯ КОФЕИНА ИЗ РАСТВОРОВ
CAFFEINE-ABSORBING MATERIAL, CAFFEINE-ABSORBING SYSTEM, DECAFFEINATION SYSTEM, AND RELATED METHODS FOR REMOVING CAFFEINE FROM SOLUTIONS

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Данная заявка испрашивает приоритет на основании заявки US 62/339073, поданной 19 мая 2016 года, которая явным образом включена в настоящий документ посредством ссылки во всей своей полноте.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Различные известные технологии декофеинизации могут использоваться для удаления кофеина из кофеиносодержащих растворов, включая кофеинсодержащие напитки. Существующие в настоящее время процессы декофеинизации обычно осуществляются, например, на необжаренных зернах кофе перед обжаркой и приготовлением кофейных напитков. Такие традиционные процессы декофеинизации могут занимать 8-10 ч до полного завершения.
Соответственно, в настоящее время существует неудовлетворенная потребность в материалах и способах, подходящих для быстрого и экономичного удаления кофеина из растворов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное краткое изложение сущности изобретения приводится для того, чтобы в упрощенной форме ввести ряд концепций, которые далее описаны ниже в подробном описании. Данное описание сущности изобретения не предназначено для определения ключевых признаков заявленного объекта изобретения, а также не предназначено для использования в качестве средства определения объема заявленного объекта изобретения.
Настоящее изобретение предлагает адсорбирующие кофеин материалы, адсорбирующие кофеин системы и систему декофеинизации, подходящую для удаления кофеина из раствора; способы удаления кофеина из раствора; а также способы получения адсорбирующих кофеин материалов.
В одном аспекте изобретение предлагает адсорбирующий кофеин материал. В варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал в целом включает сшитый полимер и адсорбент кофеина, связанный со сшитым полимером.
Во втором аспекте изобретение предлагает адсорбирующую кофеин систему. В варианте осуществления адсорбирующая кофеин система в целом включает пористую емкость и адсорбирующий кофеин материал, расположенный внутри пористой емкости. В некоторых вариантах осуществления адсорбирующий кофеин материал представляет собой любой адсорбирующий кофеин материал, описанный в настоящей заявке. В варианте осуществления пористую емкость может быть выбрана из бумажного пакета, тканевого пакета, шелкового пакета, полиэтиленового пакета, металлического заварочного шарика, пакета из тканого материала и пакета из нетканого материала.
В третьем аспекте изобретение предлагает способ удаления кофеина из раствора. В варианте осуществления способ в целом включает контактирование раствора с адсорбирующим кофеин материалом в течение заданного времени и в условиях, достаточных для адсорбции кофеина, благодаря чему происходит удаление кофеина из раствора. В некоторых вариантах осуществления адсорбирующий кофеин материал представляет собой любой адсорбирующий кофеин материал, описанный в настоящей заявке. В некоторых вариантах осуществления раствор может представлять собой напиток. В некоторых вариантах осуществления напиток может быть выбран из кофе, черного чая, зеленого чая, чая улун, белого чая, чая пуэр, темного чая, травяного чая, цветочного чая, чая со специями, чая маття, энергетического напитка, напитка на основе алкоголя, матэ, газированного напитка и какао.
В четвертом аспекте изобретение предлагает систему декофеинизации, обычно включающую кофеинсодержащий твердый продукт и адсорбирующий кофеин материал, содержащий сшитый полимер и адсорбент кофеина, связанный со сшитым полимером. В варианте осуществления кофеинсодержащий твердый продукт может быть выбран из молотого кофе, кофе в кристаллах, кофейного порошка, чайных листьев и чайного порошка.
В варианте осуществления сшитый полимер может представлять собой сшитый гидрогель.
В варианте осуществления сшитый полимер включает сшитый полисахарид. В некотором варианте осуществления сшитый полисахарид может быть выбран из целлюлозы, крахмала, гликогена, хитозана, декстрана, альгината, агара, каррагинана, камеди бобов рожкового дерева, гуаровой камеди и пектина.
В варианте осуществления сшитый полимер включает сшитый белок или полипептид. В некоторых вариантах осуществления сшитый белок или полипептид может быть выбран из фиброина, эластина, шелка, коллагена, кератина и желатина.
В варианте осуществления сшитый полимер содержит полимер и сшиватель, и при этом сшиватель представляет собой поливалентный ион. В некоторых вариантах осуществления поливалентный ион может представлять собой ион поливалентного металла, выбранный из поливалентного иона кальция, магния, марганца, железа, меди, кобальта, никеля, цинка, бария, селена, хрома и молибдена. В варианте осуществления массовое отношение сшиватель:полимер может превышать 1:100.
В варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал имеет наименьший диаметр с размером между около 100 нм и около 10 мм. В варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал может иметь форму, выбранную из гранулы, нити, овала и пластины.
В варианте осуществления адсорбент кофеина представляет обой глинистую частицу. В некоторых вариантах осуществления глинистая частица содержит материал, выбранный из лапонита, монтмориллонита, бейделлита, нонтронита, гекторита, сапонита, сауконита, сепиолита и их сочетаний.
В варианте осуществления адсорбент кофеина выбирают из молекулярно импринтированного полимера, цеолита, ионообменной смолы и активированного угля. В варианте осуществления адсорбент кофеина может быть активированным углем, и при этом в активированный уголь может быть введены сахароза и муравьиная кислота.
В варианте осуществления отношение сшитого полимера к адсорбенту кофеина может находиться между около 50:1 и около 1:50.
В варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал может быть термостабильным при температурах, равных или меньших, чем 150°С. В варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал может быть рН-стабильным в диапазоне рН между около 2 и около 10.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеописанные аспекты и многие из дополнительных преимуществ данного изобретения станут более понятными на основе дальнейшего подробного описания, рассматриваемого вместе с сопровождающими чертежами, на которых показано следующее:
на фиг.1 приводится вид в перспективе репрезентативного варианта осуществления адсорбирующей кофеин системы в соответствии с аспектом изобретения;
на фиг.2 приводится вид в перспективе репрезентативного варианта осуществления адсорбирующей кофеин системы в соответствии с аспектом изобретения;
на фиг.3 приводится вид сбоку репрезентативного варианта осуществления адсорбирующего кофеин материала в соответствии с аспектом изобретения;
на фиг.4 приводится вид сбоку репрезентативного варианта осуществления адсорбирующего кофеин материала в соответствии с аспектом изобретения;
на фиг.5 приводится вид сбоку в частичном разрезе системы, подходящей для получения репрезентативного варианта осуществления адсорбирующего кофеин материала в соответствии с аспектом изобретения; и
на фиг.6 приводится вид сбоку в частичном разрезе системы, подходящей для получения репрезентативного варианта осуществления адсорбирующего кофеин материала в соответствии с аспектом изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Несмотря на то, что были проиллюстрированы и описаны иллюстративные варианты осуществления, следует иметь в виду, что в них могут быть сделаны различные изменения без отклонения от сущности и объема изобретения.
Настоящее изобретение предлагает адсорбирующие кофеин материалы, адсорбирующие кофеин системы и систему декофеинизации, подходящую для удаления кофеина из раствора; способы удаления кофеина из раствора; и способы получения адсорбирующих кофеин материалов.
АДСОРБИРУЮЩИЕ КОФЕИН МАТЕРИАЛЫ
В одном аспекте изобретение предлагает адсорбирующие кофеин материалы.
В одном варианте осуществления адсорбирующие кофеин материалы содержат сшитый полимерный материал и адсорбент кофеина, связанный со сшитым полимерным материалом. В настоящем описании сшитый полимер включает полимер и сшиватель, связывающий участок полимера с самим собой или с другим полимером.
Сшитый полимерный материал предпочтительно связан с адсорбентом кофеина. Соответственно, когда адсорбирующий кофеин материал находится в контакте с кофеинсодержащим раствором, по меньшей мере часть кофеина адсорбируется адсорбентом кофеина и благодаря этому удаляется из раствора. Кроме того, если адсорбирующий кофеин материал не употребляется с пищей потребителем, - потребитель не усваивает кофеин, который был удален из раствора.
В варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал содержит сшитый полимер, при этом сшитый полимер является пористым. В варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал содержит сшитый полимер, при этом сшитый полимер является водопроницаемым. Такие пористые и/или водопроницаемые сшитые полимеры обеспечивают диффузию кофеинсодержащих растворов через адсорбирующие кофеин материалы, тем самым облегчая адсорбцию кофеина по всему объему адсорбирующего кофеин материала, а не только на поверхности материала или вблизи нее. Благодаря такому массопереносу кофеинсодержащего раствора через адсорбирующие кофеин материалы, кофеин может быть удален из кофеинсодержащих растворов более эффективно, чем если бы сшитый сополимер не был пористым и/или водопроницаемым. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления сшитый полимерный материал является гидрофильным, тем самым дополнительно облегчая массоперенос водных кофеинсодержащих растворов через адсорбирующий кофеин материал.
В еще одном варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал содержит сшитый полимер, при этом сшитый полимер представляет собой полисахарид. В варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал содержит сшитый полимер, при этом сшитый полимер выбирают из целлюлозы, крахмала, гликогена, хитозана, декстрана, альгината, агара, каррагинана, камеди бобов рожкового дерева, гуаровой камеди и пектина. В варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал содержит сшитый полимер, при этом сшитый полимер представляет собой альгинат. Преимущество сшитых полисахаридов состоит в том, что они обычно являются гидрофильными, обеспечивая тем самым диффузию водных растворов, как описано далее.
В варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал содержит сшитый полимер, при этом сшитый полимер представляет собой белок или полипептид. В варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал содержит сшитый полимер, при этом сшитый полимер выбирают из фиброина, эластина, шелка, коллагена, кератина и желатина. Как и сшитые полисахариды, многие сшитые полипептиды являются гидрофильными и позволяют осуществляться диффузии водных растворов через сшитые полипептиды.
В некоторых вариантах осуществления адсорбирующий кофеин материал содержит сшитый полимер, при этом сшитый полимер является биосовместимым. Как описано ниже, адсорбирующие кофеин материалы подходят для адсорбции и, соответственно, удаления кофеина из кофеинсодержащих растворов, таких как напитки, употребляемые людьми. Предпочтительно использовать биосовместимые и другие нетоксичные материалы в описанных здесь адсорбирующих кофеин материалах, поскольку такие материалы не будут выщелачивать вредные химические вещества, например, в напитки, которые будут употребляться. В некоторых вариантах осуществления адсорбирующий кофеин материал является съедобным. Соответственно, если часть адсорбирующего кофеина материала употреблена в пищу, в таких случаях человеку, который его употребил, не будет причинен вред.
Как отмечалось выше, изобретение предлагает адсорбирующие кофеин материалы, содержащие сшитые полимеры. Сшитые полимеры ковалентно или нековалентно связаны посредством сшивателя. Используемый в настоящем документе термин «сшиватель» означает небольшую область в макромолекуле, из которой выходят по меньшей мере четыре цепи, и образованную реакциями с участием центров или групп на существующих макромолекулах или взаимодействиями между существующими макромолекулами. В некоторых вариантах осуществления небольшая область представляет собой атом или группу атомов, или несколько точек ветвления, соединенных связями, группами атомов или олигомерными цепями. В некоторых вариантах осуществления сшиватель представляет собой ковалентную структуру; однако этот термин также используется для описания центров более слабых химических взаимодействий, таких как ионные связи, водородные связи, ван-дер-ваальсовские взаимодействия, части кристаллитов и даже физические взаимодействия и переплетения.
Сшивание преимущественно создает структурную жесткость, которая позволяет сшитым полимерам инкапсулировать или иным образом содержать адсорбенты кофеина, одновременно обеспечивая диффузию кофеина через полимер. Как указано выше, за счет того, что адсорбенты кофеина содержатся внутри сшитого полимера, адсорбирующий кофеин материал может удалять кофеин из растворов.
В варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал содержит сшитый полимер, при этом сшитый полимер содержит полимер и сшиватель, и при этом сшиватель представляет собой поливалентный ион. В некоторых вариантах осуществления поливалентный ион выбирают из двухвалентного, трехвалентного и четырехвалентного иона. В некоторых вариантах осуществления поливалентный ион представляет собой ион поливалентного металла. В некоторых вариантах осуществления поливалентный ион выбирают из поливалентного иона кальция, магния, марганца, железа, меди, кобальта, никеля, цинка, бария, селена, хрома и молибдена. Вне связи с какой-либо теорией, полагают, что поливалентные ионы координируются с карбонильным и другими фрагментами на двух или более полимерных цепях или на одной и той же цепи, тем самым связывая два или более карбонильных или других фрагмента. Соответственно, ион поливалентного металла может координироваться с карбонилом на одной полимерной цепи и вторым карбонильным фрагментом на второй полимерной цепи, тем самым сшивая полимерные цепи.
2
В варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал содержит сшитый полимер и адсорбент кофеина, связанный со сшитым полимером, при этом сшитый полимер содержит полимер и сшиватель, и при этом массовое отношение сшиватель:полимер превышает 1:100. Как указано выше, сшивание обеспечивает структурную жесткость адсорбирующих кофеин материалов. Как описано в приведенных ниже примерах, в вариантах осуществления, где, например, массовое отношение сшиватель:полимер превышает 1:100, такое сшивание создает достаточную структурную жесткость для инкапсулирования адсорбента кофеина, при этом обеспечивая возможность диффузии кофеинсодержащего раствора. Например, в варианте осуществления сшитый полимер представляет собой продукт реакции 0,01 г CaCl и 1 г альгината натрия. В некоторых вариантах осуществления сшитый полимер представляет собой продукт реакции полимера и избытка сшивателя.
В варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал содержит сшитый полимер и адсорбент кофеина, связанный со сшитым полимером, при этом адсорбирующий кофеин материал является нерастворимым или только частично растворимым в водном растворе. В некоторых вариантах осуществления адсорбирующий кофеин материал нерастворим или только частично растворим в водном растворе, имеющем температуру от около 60°С до около 100°С. В некоторых вариантах осуществления адсорбирующий кофеин материал нерастворим или только частично растворим в напитке, таком как кофе. В таких вариантах осуществления нерастворимый поглощающий кофеин материал может быть удален из водного напитка после того, как оттуда был удален кофеин, что позволяет человеку употреблять напиток без одновременного употребления адсорбирующего кофеин материала.
В варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал содержит сшитый полимер и адсорбент кофеина, связанный со сшитым полимером, при этом сшитый полимер представляет собой сшитый гидрогель. Используемый здесь термин «гидрогель» представляет собой гидрофильную трехмерную разбухающую матрицу, полученную путем химического и/или физического сшивания полимеров. В некоторых вариантах осуществления описанные здесь гидрогели включают гидратированные сшитые гидрофильные полимеры, диспергированные в жидкой среде. В некоторых вариантах осуществления гидрогель выбирают из гидроколлоида и вязкоупругой текучей среды. В некоторых вариантах осуществления описанные здесь гидрогели включают гидратированные сшитые гидрофильные полимеры, которые не диспергированы в жидкой среде.
В варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал содержит сшитый полимер и адсорбент кофеина, связанный со сшитым полимером, при этом адсорбирующий кофеин материал высушен или иным образом обезвожен. Высушенные или иным образом обезвоженные адсорбирующие кофеин материалы являются предпочтительными в некоторых вариантах осуществления, поскольку они обычно легче и меньше, чем их гидратированные аналоги, тем самым снижаются затраты на перевозку и минимизируются требования к хранению. Кроме того, как показано в примерах ниже, такие высушенные или иным образом обезвоженные адсорбирующие кофеин материалы могут быть гидратированы, например, в кофеинсодержащем растворе, и подходят для адсорбции кофеина.
В некоторых вариантах осуществления адсорбирующий кофеин материал имеет наименьший диаметр или размер от около 100 нм до около 10 мм. Как показано на фиг.3 и фиг.4, адсорбирующий кофеин материал 40 включает сшитый полимер 60 и адсорбент 80 кофеина, связанный со сшитым полимером 60. Кроме того, адсорбирующий кофеин материал 40 имеет наименьший диаметр или размер Х характеристики.
За счет сравнительно малого диаметра или размера адсорбирующие кофеин материалы позволяют осуществляться диффузии кофеинсодержащего раствора через их поверхность, тем самым увеличивая площадь контакта между адсорбирующим кофеин материалом и кофеинсодержащим раствором по сравнению с сыпучим материалом с более крупными элементами. Соответственно, в варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал имеет форму гранулы, как показано на фиг.3. В некоторых таких вариантах осуществления адсорбирующая кофеин гранула характеризуется сферической или в целом сферической формой, имеющей наименьший диаметр или размер Х характеристики между около 100 нм и около 10 мм. В другом варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал имеет форму нити или волокна, как показано на фиг.4. В некоторых таких вариантах осуществления нить характеризуется удлиненной структурой, имеющей наименьший диаметр или характеристику Х между около 100 нм и около 10 мм. В варианте осуществления нить имеет наименьший диаметр или характеристику между около 100 нм и около 10 мм и другие характеристики более 10 мм. Например, в варианте осуществления нить имеет наименьший диаметр или характеристику между около 100 нм до около 10 мм и длину от около 1 мм и около 200 мм. Как описано далее, как гранулы, так и нити могут быть изготовлены с помощью способов фокусировки потока и, соответственно, могут быть получены высокоэффективными способами.
В варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал имеет овальную форму. В варианте осуществления овальный адсорбент кофеина имеет наименьший диаметр или размер характеристики между около 100 нм и около 10 мм.
В варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал имеет форму пластины. В варианте осуществления адсорбент кофеина пластинчатой формы имеет наименьший диаметр или размер характеристики между около 100 нм и около 10 мм.
Адсорбирующие кофеин материалы содержат сшитый полимер и адсорбент кофеина, связанный со сшитым полимером. В варианте осуществления адсорбент кофеина ковалентно связан со сшитым полимером. В варианте осуществления адсорбент кофеина нековалентно связан со сшитым полимером, например, посредством электростатических сил, водородных связей, ван-дер-ваальсовских сил и других нековалентных связей. В варианте осуществления адсорбент кофеина физически содержится или иным образом расположен внутри сшитого полимера.
В некоторых вариантах осуществления адсорбирующий кофеин материал содержит сшитый полимер и адсорбент кофеина, связанный со сшитым полимером, при этом адсорбент кофеина представляет собой глинистую частицу. Используемый здесь термин «глинистая частица» представляет собой мелкозернистый породный или почвенный материал, включающий один или несколько глинистых минералов. Используемый здесь термин «глинистые минералы» относится к минералам класса силикатов. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере 50% материала имеет диаметр Стокса <2 мкм. В некоторых вариантах осуществления глинистая частица содержит материал, выбранный из лапонита, монтмориллонита, бейделлита, нонтронита, гекторита, сапонита, сауконита, сепиолита и их сочетаний. В некоторых вариантах осуществления глинистая частица содержит бентонит. В некоторых вариантах осуществления катионы, притягиваемые и/или координированные с поверхностью минерала, замещаются другими катионами, что делает их гомоионными. Глинистые минералы также являются нетоксичными, биоразлагаемыми, обычно не реагируют с другими соединениями и стоят недорого. Как показано в примерах ниже, глинистые частицы эффективны для адсорбции кофеина из кофеинсодержащего раствора, при этом удаляя его из кофеинсодержащего раствора, когда они содержатся в сшитом полимере.
2
2
В некоторых вариантах осуществления адсорбирующий кофеин материал содержит сшитый полимер и адсорбент кофеина, связанный со сшитым полимером, при этом адсорбент кофеина представляет собой активированный уголь. Используемый здесь термин «активированный уголь» относится к форме углеродного соединения, которое имеет мелкие поры малого объема. Считается, что такие мелкие поры малого объема позволяют активированному углю повышать площадь поверхности, доступную для адсорбции или химических реакций. В некоторых вариантах осуществления активированный уголь имеет площадь поверхности между около 500 м/г и около 1500 м/г. В некоторых вариантах осуществления активированный уголь включает поры, выбранные из микропор, мезопор и макропор. Как показано в примерах ниже, активированный уголь эффективен в адсорбции кофеина из кофеинсодержащего раствора, при этом удаляя его из кофеинсодержащего раствора, когда он содержится внутри сшитого полимера.
В некоторых вариантах осуществления активированный уголь содержит материал, занимающий место в активированном угле, который будет адсорбировать сахара из раствора в отсутствие материала. В некоторых вариантах осуществления материал выбирают из сахара и кислоты. В некоторых вариантах осуществления сахар представляет собой сахарозу. В некоторых вариантах осуществления кислоту выбирают из неорганической кислоты и органической кислоты. В некоторых вариантах осуществления кислота представляет собой муравьиную кислоту. Активированный уголь, насыщенный материалом, занимающим место в активированном угле, который будет адсорбировать сахара из раствора в его отсутствие, обеспечивает более высокую селективность в адсорбции кофеина из кофеинсодержащего раствора.
В некоторых вариантах осуществления адсорбирующий кофеин материал содержит сшитый полимер и адсорбент кофеина, связанный со сшитым полимером, при этом адсорбент кофеина представляет собой цеолит. Используемый здесь термин «цеолит» относится к алюмосиликатному минералу, который является пористым. В некоторых вариантах осуществления размер пор находится в диапазоне от около нанометра до около ангстрема. В некоторых вариантах осуществления цеолиты имеют относительно открытые трехмерные кристаллические структуры, построенные из алюминия, кислорода и кремния, со щелочными или щелочноземельными металлами. В некоторых вариантах осуществления такие металлы включают натрий, калий и магний. Как показано в примерах ниже, цеолиты эффективны при адсорбции кофеина из кофеинсодержащего раствора, удаляя его при этом из кофеинсодержащего раствора, когда они содержатся в сшитом полимере.
2
2
3
2
2
3
о
0
2
В некоторых вариантах осуществления цеолит представляет собой кристаллический цеолит Y. В некоторых вариантах осуществления цеолит представляет собой цеолитный алюмосиликат, имеющий молярное отношение SiO:AlO от около 4,5 до около 35. В некоторых вариантах осуществления цеолит представляет собой кристаллический цеолит Y. В некоторых вариантах осуществления цеолит представляет собой цеолитный алюмосиликат, имеющий молярное отношение SiO:AlO от около 4,5 до около 9. В некоторых вариантах осуществления цеолит имеет характерную порошковую рентгендифрактограмму цеолита Y. Описание примера подходящего цеолита можно найти, например, в патенте US 4331694, выданном Izod, содержание которого применительно к цеолитам включено в настоящий документ посредством ссылки во всей полноте. В некоторых вариантах осуществления цеолит имеет емкость ионного обмена не более 0,070. В некоторых вариантах осуществления цеолит имеет размер элементарной ячейки, а, от около 24,20 до около 24,45 ангстрем. В некоторых вариантах осуществления цеолит имеет площадь поверхности (по БЭТ) по меньшей мере 350 м/г. В некоторых вариантах осуществления цеолит обладает сорбционной емкостью по водяному пару при 25°С. В некоторых вариантах осуществления цеолит имеет значение p/p 0,10 менее 5,00% масс. В некоторых вариантах осуществления цеолит имеет значение в испытании на остаточный бутанол не более 0,40% масс.
В некоторых вариантах осуществления адсорбирующий кофеин материал содержит сшитый полимер и адсорбент кофеина, связанный со сшитым полимером, при этом адсорбент кофеина представляет собой ионообменную смолу. Используемый здесь термин «ионообменные смолы» относится к любым органическим соединениям, включающим положительно или отрицательно заряженные участки, способные притягивать ионы противоположного заряда из окружающего раствора. В некоторых вариантах осуществления ионообменные смолы включают пористые твердые материалы. В некоторых вариантах осуществления, когда ионообменные смолы находятся в контакте с раствором, ионообменная смола поглощает по меньшей мере часть раствора и набухает. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления ионообменные смолы адсорбируют компоненты из раствора, особенно компоненты с зарядами, противоположными зарядам самой ионообменной смолы. В некоторых вариантах осуществления ионообменная смола модифицирована или иным образом отрегулирована, чтобы иметь заряд, дающий возможность притягивать и специфически адсорбировать молекулы кофеина.
В некоторых вариантах осуществления адсорбирующий кофеин материал содержит сшитый полимер и адсорбент кофеина, связанный со сшитым полимером, при этом адсорбент кофеина представляет собой молекулярно импринтированный полимер. В некоторых вариантах осуществления молекулярно импринтированный полимер представляет собой полимер с отпечатком кофеина, подходящий для пищевого применения и селективно удаляющий кофеин из кофеинсодержащего раствора. В варианте осуществления, молекулярно импринтированный полимер представляет собой полимер с отпечатком кофеина, описанный в заявке на европейский патент EP 19950203394, поданной 7 декабря 1995, которая включена в настоящий документ посредством ссылки во всей полноте.
В некоторых вариантах осуществления адсорбирующий кофеин материал содержит сшитый полимер и адсорбент кофеина, связанный со сшитым полимером, при этом отношение сшитого полимера к адсорбенту кофеина находится в диапазоне между около 50:1 и около 1:50. В некоторых вариантах осуществления адсорбирующий кофеин материал содержит сшитый полимер и адсорбент кофеина, связанный со сшитым полимером, при этом отношение сшитого полимера к адсорбенту кофеина находится в диапазоне между около 6:1 и около 1:3. В некоторых вариантах осуществления адсорбирующий кофеин материал содержит сшитый полимер и адсорбент кофеина, связанный со сшитым полимером, при этом отношение сшитого полимера к адсорбенту кофеина находится в диапазоне между около 1:1 и около 1:10. В некоторых вариантах осуществления отношение сшитого полимера к адсорбенту кофеина находится в диапазоне между около 1:1 и около 1:4.
Как описано ниже, адсорбирующие кофеин материалы подходят для адсорбции кофеина из кофеинсодержащих растворов. Многие кофеинсодержащие растворы, такие как кофеинсодержащие напитки, подаются и употребляются горячими или теплыми. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления, описанные здесь адсорбирующие кофеин материалы являются термостабильными в диапазоне температур, при которых кофеинсодержащие напитки подаются и употребляются. Используемый здесь термин «термостабильный» относится к соединению или материалу, который не растворяется, не разрушается или не подвергается необратимому изменению в своей химической или физической структуре при относительной высокой температуре. В некоторых вариантах осуществления адсорбирующий кофеин материал, содержащий сшитый полимер и адсорбент кофеина, связанный со сшитым полимером, является термостабильным при температурах по меньшей мере около 150°С. В некоторых вариантах осуществления адсорбирующий кофеин материал является термостабильным при температурах по меньшей мере около 100°C.
В некоторых вариантах осуществления адсорбирующий кофеин материал является рН-стабильным в диапазоне уровней рН. Используемый здесь термин «pH-стабильный» относится к соединению или материалу, которые не растворяются, не разрушаются или не подвергаются необратимому изменению в своей химической или физической структуре при высоких или низких относительных уровнях pH. Кофеинсодержащие растворы, такие как кофеинсодержащие напитки, часто имеют высокие или низкие относительные уровни pH. Например, кофе обычно имеет более низкий относительный уровень рН, между около 3 и около 6. В некоторых вариантах осуществления адсорбирующий кофеин материал, содержащий сшитый полимер и адсорбент кофеина, связанный со сшитым полимером, является pH-стабильным в диапазоне значений pH между около 2 и около 10. В некоторых вариантах осуществления адсорбирующий кофеин материал является рН-стабильным в диапазоне значений рН между около 3 и около 6. Такая рН-стабильность является предпочтительной, поскольку адсорбирующий кофеин материал не растворяется или не разрушается в кислом или щелочном растворе, тем самым сохраняя любой адсорбированный кофеин внутри адсорбирующего кофеин материала. При сохранении кофеина в адсорбирующем кофеин материале адсорбирующий кофеин материал может быть удален из раствора, такого как напиток, благодаря чему кофеин удаляется из раствора.
В варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал состоит из сшитого полимера и адсорбента кофеина, связанного со сшитым полимером.
В варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал состоит по существу из сшитого полимера и адсорбента кофеина, связанного со сшитым полимером.
АДСОРБИРУЮЩИЕ КОФЕИН СИСТЕМЫ
Во втором аспекте изобретение предлагает адсорбирующие кофеин системы.
В варианте осуществления адсорбирующая кофеин система включает пористую емкость и адсорбирующий кофеин материал, расположенный внутри пористой емкости. В некоторых вариантах осуществления адсорбирующий кофеин материал представляет собой любой адсорбирующий кофеин материал, описанный в настоящей заявке.
В варианте осуществления адсорбирующая кофеин система включает пористую емкость и адсорбирующий кофеин материал, расположенный внутри пористой емкости, при этом пористая емкость включает поры с наименьшим размером или характеристикой, которая меньше, чем наименьший размер или характеристика адсорбирующего кофеин материала. Обратимся теперь к фиг.1, на которой проиллюстрирована адсорбирующая кофеин система 10. Как показано на фиг.1, пористая емкость 20 включает множество пор 24 и адсорбирующий кофеин материал 40, расположенный внутри пористой емкости 20. Адсорбирующий кофеин материал 40 включает сшитый полимер 60 и адсорбент 80 кофеина, связанный со сшитым полимером 60.
Такие адсорбирующие кофеин системы 10 предпочтительно сохраняют адсорбирующий кофеин материал 40 находящимся внутри пористой емкости 20, тем самым отделяя адсорбирующий кофеин материал и любой адсорбированный кофеин от раствора, такого как напиток. В некоторых вариантах осуществления размер пор 24 пористой емкости 20 меньше чем от около 100 нм до около 10 мм, и при этом наименьшая характеристика адсорбирующего кофеин материала находится в диапазоне между около 100 нм и около 10 мм.
Пористая емкость может быть любой емкостью, имеющей поры, выполненные с возможностью обеспечения потока текучей среды. В некоторых вариантах осуществления пористая емкость включает тканый материал, такой как пакет из тканого шелка или ткани, или саше. В некоторых вариантах осуществления пористая емкость включает нетканый пористый материал, такой как бумажный чайный пакетик или саше (как показано на фиг.1). В некоторых вариантах осуществления пористая емкость включает нетканую пористую емкость. В некоторых вариантах осуществления нетканый пористая емкость содержит. В некоторых вариантах осуществления пористая емкость включает. В некоторых вариантах осуществления пористая емкость представляет собой металлический заварочный шарик, имеющий множество перфораций. В некоторых вариантах осуществления пористая емкость представляет собой часть френч-пресса/кофейного пресса, в котором адсорбирующий кофеин материал содержится в нижней, фильтрующей части френч-пресса/кофейного пресса. В некоторых вариантах осуществления пористая емкость выполнен с возможностью установки в перколятор или другую кофемашину и с возможностью фильтрации кофейной гущи от кофейного раствора. Как показано на фиг.2, адсорбирующая кофеин система 10 включает в себя пористую емкость 20 в форме кофейного фильтра, подходящего для приготовления и фильтрации кофе. Пористая емкость 20 включает коническую стенку 22 для удерживания кофейной гущи и адсорбирующий кофеин материал 40, расположенный внутри пористой емкости 20. Адсорбирующий кофеин материал 40 включает сшитый полимер 60 и адсорбент 80 кофеина, связанный со сшитым полимером 60.
В некоторых вариантах осуществления пористая емкость включает ручку для извлечения адсорбирующей кофеин системы из раствора. В некоторых вариантах осуществления ручка представляет собой нить.
В некоторых вариантах осуществления пористая емкость выполнена с возможностью вмещать некоторое количество адсорбирующего кофеин материала, подходящее для адсорбции всей или большой части кофеина, например, в чашке кофе объемом 8 унций (240 мл), 12 унций (360 мл), 16 унций (480 мл), 20 унций (600 мл) или более. В некоторых вариантах осуществления пористая емкость выполнена с возможностью вмещать некоторое количество адсорбирующего кофеин материала, подходящее для адсорбции всей или большой части кофеина, например, в кофейнике. В некоторых вариантах осуществления пористая емкость выполнена с возможностью вмещать некоторое количество адсорбирующего кофеин материала, подходящее для адсорбции всей или большой части кофеина, например, в самоваре-кофейнике. В варианте осуществления пористая емкость выполнена с возможностью содержать раствор, используемый для промышленного приготовления большого объема кофе, подходящего для розлива в более мелкие емкости.
СПОСОБЫ УДАЛЕНИЯ КОФЕИНА ИЗ РАСТВОРА
В другом аспекте изобретение предлагает способ удаления кофеина из раствора.
В варианте осуществления способ обычно включает контактирование раствора с адсорбирующим кофеин материалом в течение заданного времени и в условиях, достаточных для адсорбции кофеина, благодаря чему происходит удаление кофеина из раствора. В некоторых вариантах осуществления адсорбирующий кофеин материал представляет собой любой адсорбирующий кофеин материал, описанный в настоящей заявке.
В некоторых вариантах осуществления, способ также включает удаление адсорбирующего кофеин материала из раствора после того, как весь кофеин или его часть будет адсорбирована на адсорбирующем кофеин материале. При этом кофеин полностью удаляется из раствора. Удаление может включать удаление адсорбирующей кофеин системы, содержащей адсорбирующий кофеин материал, как описано в этом документе, из раствора.
Способы по настоящему аспекту включают контактирование раствора с адсорбирующим кофеин материалом в течение заданного времени и в условиях, достаточных для адсорбции кофеина. Условия включают любое условие, достаточное для адсорбции кофеина на адсорбирующий кофеин материал. С учетом описания изобретения и знаний специалистов в данной области техники такие условия будут очевидны специалистам. Параметры условий включают температуру раствора и концентрацию кофеинсодержащего раствора, концентрацию адсорбирующего кофеин материала и тому подобное. Аналогичным образом, специалистам в данной области будет понятно, принимая во внимание описание настоящего изобретения, как долго осуществлять контакт раствора с адсорбирующими кофеин материалами.
Как описано в настоящей заявке, адсорбция кофеина может быть измерена с помощью, например, спектроскопии в УФ-видимой области и ВЭЖХ.
В некоторых вариантах осуществления, способ включает контактирование раствора с адсорбирующим кофеин материалом в течение некоторого времени и в условиях, достаточных для адсорбции кофеина, благодаря чему происходит удаление кофеина из раствора, при этом время составляет между около 1 мин и около 60 мин. В варианте осуществления время составляет между около 2 мин и около 30 мин. В варианте осуществления время составляет между около 3 мин и около 10 мин.
В варианте осуществления способ включает контактирование раствора с адсорбирующим кофеин материалом в течение некоторого времени и в условиях, достаточных для адсорбции кофеина, благодаря чему происходит удаление кофеина из раствора, при этом раствор представляет собой напиток. В варианте осуществления напиток представляет собой кофе. В варианте осуществления напиток выбирают из кофе, черного чая, зеленого чая, чая улун, белого чая, чая пуэр, темного чая, травяного чая, цветочного чая, чая со специями, чая маття, энергетика, напитка на основе алкоголя, матэ, газированного напитка и какао.
В некоторых вариантах осуществления температура раствора составляет между около 60°C и около 110°C при контакте с адсорбирующим кофеин материалом. В некоторых вариантах осуществления, температура раствора составляет между около 90°C и около 100°C при контакте с адсорбирующим кофеин материалом, как например, когда такой напиток, как кофе или чай, заваривается. В некоторых вариантах осуществления температура раствора составляет между около 20°C и около 40°C при контакте с адсорбирующим кофеин материалом, как например, при приготовлении холодной вытяжки или кофе холодного отжима.
В варианте осуществления раствор имеет объем от около 8 унций (240 мл) до около 20 унций (600 мл). В варианте осуществления раствор имеет объем, например, около 8 унций (240мл), около 12 унций (360 мл), около 16 унций (480 мл), около 20 унций (600 мл) или более. В варианте осуществления раствор представляет собой напиток, предназначенный для употребления одним человеком. В варианте осуществления раствор представляет собой кофе в кофейнике. В варианте осуществления раствор представляет собой кофе в самоваре-кофейнике. В варианте осуществления раствор представляет собой большой по объему кофеинсодержащий раствор, например, используемый для промышленного приготовления большого объема кофе, подходящего для розлива в более мелкие емкости.
СИСТЕМА ДЕКОФЕИНИРОВАНИЯ
В другом аспекте настоящее изобретение предлагает систему декофеинизации, включающую кофеинсодержащий твердый продукт и адсорбирующий кофеин материал.
В варианте осуществления кофеинсодержащий материал включает молотый кофе. В варианте осуществления кофеинсодержащий материал включает чайные листья. В варианте осуществления кофеинсодержащий материал включает кофе в кристаллах. В варианте осуществления кофеинсодержащий материал включает кофейный порошок. В варианте осуществления кофеинсодержащий материал включает чайный порошок.
В варианте осуществления адсорбирующий кофеин материал представляет собой любой адсорбирующий кофеин материал, описанный в настоящем документе.
СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АДСОРБИРУЮЩЕГО КОФЕИН МАТЕРИАЛА
В другом аспекте настоящее изобретение предлагает способы получения адсорбирующих кофеин материалов. В варианте осуществления способ по этому аспекту включает контактирование раствора или суспензии, содержащих адсорбент кофеина и полимер, со сшивателем, способным осуществлять сшивание полимера.
В варианте осуществления адсорбент кофеина представляет собой глинистую частицу. В варианте осуществления глину обрабатывают для образования дисперсии глины. В варианте осуществления дисперсию глины обрабатывают с помощью ультразвука и/или смесителя для получения дисперсии глины, содержащей глинистые частицы. В варианте осуществления дисперсия глины разделяется на фракции для удаления загрязнителей, таких как кварц. В варианте осуществления глину обрабатывают концентрированным солевым раствором, чтобы сделать поверхность глинистой частицы гомоионной.
В варианте осуществления способ получения адсорбирующего кофеин материала включает добавление по каплям. Как показано на фиг.6, в варианте осуществления добавление по каплям включает введение капель раствора или суспензии, содержащих адсорбент кофеина и полимер, в раствор, содержащий сшиватель, способный осуществлять сшивание полимера. Когда капли, содержащие адсорбент кофеина и полимер, контактируют с раствором, содержащим сшиватель, полимер становится сшитым полимером, образуя при этом гранулы адсорбирующего кофеин материала, содержащие сшитый полимер и адсорбент кофеина, связанный со сшитым полимером.
В варианте осуществления капли раствора или суспензии, содержащие адсорбент кофеина и полимер, получают с помощью шприца или другого устройства с отверстием, через которое раствор или суспензия могут быть вытолкнуты в виде капель. Как показано в примерах ниже, меньший калибр иглы или отверстие дают меньший адсорбирующий кофеин материал. В варианте осуществления игла представляет собой иглу калибра 6-34.
Для изготовления адсорбирующих кофеин материалов пластинчатой формы применяют внешнюю силу, например, валик, для сплющивания гранул. Для получения адсорбирующих кофеин материалов овальной формы вязкость раствора полимер/адсорбент кофеина находится на сравнительно высоком уровне. Когда он выходит из иглы и входит в раствор сшивателя, его форма сохраняется, в результате чего получают адсорбирующий кофеин материал овальной формы.
В варианте осуществления гранулы вводятся в смеситель с высоким усилием сдвига, который разрывает гранулы, давая гранулы меньшего размера. Как описано далее, гранулы меньшего размера обеспечивают большую площадь поверхности, которая обычно приводит к более быстрой кинетике адсорбции кофеина.
В варианте осуществления раствор или суспензия содержит альгиновую кислоту и бентонитовые глинистые частицы, а сшиватель представляет собой двухвалентный ион кальция.
Фокусировка потока представляет собой способ, в котором используются гидродинамические характеристики для получения капель или пузырьков. Она может использоваться для получения капель или пузырьков различных размеров. Основная операция включает окружение дисперсной фазы (фокусируемой или внутренней текучей среды) текучей средой непрерывной фазы (фокусирующей или обжимающей текучей средой), в результате чего образуются капли вблизи отверстия, через которое экструдируются обе текучие среды.
Фокусирующее поток устройство включает в себя камеру давления, находящуюся под давлением с помощью непрерывной подачи фокусирующей текучей среды. Внутри, одна или несколько фокусируемых текучих сред инжектируются через капиллярную подающую трубку, конец которой открывается перед маленьким отверстием, соединяющим камеру давления с внешней средой. Фокусирующий поток текучей среды формирует мениск текучей среды в острый выступ, образующий устойчивую микро- или нанострую, выходящую из камеры через отверстие; размер струи намного меньше, чем выходное отверстие, что исключает любой контакт (который может привести к нежелательному осаждению или реакции). Капиллярная неустойчивость разрывает устойчивую струю на однородные капли или пузырьки.
В настоящей заявке описана система концентрического потока, подходящая для получения гранул и нитей различных размеров. В процессе использования она может создавать частицы от мелких до крупных, имеющие формы, включающие, например, сферы, удлиненные сферы, эллипсы и нити, за счет регулирования относительной скорости потока растворов, как описано далее. Как показано на фиг.5, фокусируемая текучая среда, включающая полимер и адсорбент кофеина, вводится через капиллярную подачу. Фокусирующая текучая среда, включающая сшиватель, коаксиально окружает фокусируемую текучую среду. В процессе работы полимер сшивается с помощью сшивателя, образуя при этом нити адсорбирующего кофеин материала, содержащие сшитый полимер и адсорбент кофеина, связанный со сшитым полимером. По мере того, как скорость потока фокусирующей текучей среды увеличивается относительно скорости потока фокусируемой текучей среды, образующиеся нити становятся короче.
Следующие примеры приведены с целью иллюстрации, а не ограничения изобретения.
ПРИМЕРЫ
ПРИМЕР 1
Получение репрезентативных адсорбирующих кофеин материалов, включающих глинистые минералы в гранулах альгиновой кислоты, с помощью добавления по каплям
Бентонит, глинистый минерал, богатый монтмориллонитом, смешивали с водой с образованием дисперсии 0,1-10% масс./масс. Дисперсию бентонита далее обрабатывали ультразвуком и расслаивали. Данная обработка разрушала агрегаты и обеспечивала более полное диспергирование глины.
Глину разделяли на фракции для удаления минеральных загрязнителей, таких как кварц. Глину центрифугировали и супернатант удаляли.
Поверхность глинистых частиц делали гомоионной путем добавления высококонцентрированного раствора хлорида кальция, хлорида калия или любой другой соли с желаемым катионом, предпочтительно с низкой энергией гидратации. Затем глину центрифугировали и супернатант удаляли, что позволяло повторить процесс со свежей порцией катионного раствора. После этой стадии глину промывали несколько раз деионизированной водой до тех пор, пока в глинистой суспензии не оставалось следов заряженных частиц. Эта обработка полезна для повышения способности глины быть хорошим адсорбентом для кофеина.
Предполагается, что глинистый минерал может также обрабатываться кислотой, например, неорганическими кислотами, такими как соляная кислота или фосфорная кислота, для дальнейшего увеличения площади поверхности и/или селективности и/или простоты использования.
Альгиновую кислоту растворяли в деионизированной воде в диапазоне 0,5-4% мас./об. и перемешивали до получения гомогенной суспензии без пузырьков воздуха.
Глинистую суспензию тщательно смешивали с раствором альгиновой кислоты. Сочетания, подходящие для предотвращения выщелачивания глины, могут находиться в диапазоне от 6:1 до 1:3 отношения глина:альгиновая кислота по массе.
2
2
Композиционную смесь вводили в 0,1-5 М раствор CaCl по каплям, формируя таким образом гранулы. Образовавшиеся гранулы непрерывно перемешивали для предотвращения агрегации альгинатных гранул и оставляли для затвердевания на 0,5-2 ч. Подходящее количество раствора CaCl в 2-3 раза превышало объем добавляемой глины/альгиновой кислоты.
Гранулы могут быть получены с помощью шприца и иглы калибра 6-34. Частицы меньших размеров могут быть сформированы, например, за счет добавления по каплям более крупных гранул в смеситель с высоким усилием сдвига; данная обработка полезна для увеличения площади поверхности и, следовательно, кинетики адсорбции.
Полученные гранулы промывали несколько раз водой для удаления избытка ионов кальция в гранулах. Гранулы тщательно высушивали с помощью, например, бумажных салфеток, лампы нагрева, пищевой сушилки или другими аналогичными способами. Кроме того, гранулы могли быть заморожены и высушены сублимацией перед использованием. Это уменьшает их размер и вес и позволяет упаковывать большее количество в фильтрующее устройство.
ПРИМЕР 2
Получение репрезентативных адсорбирующих кофеин материалов, включающих активированный уголь в гранулах альгиновой кислоты, с помощью добавления по каплям
Активированный уголь предварительно насыщали сахаром и муравьиной кислотой в воде или аналогичными соединениями для достижения большей селективности по отношению к кофеину. Сахароза/кислота занимает участки в угле, которые как правило поглощают сахара из кофейного экстракта.
Альгиновую кислоту растворяли в деионизированной воде в диапазоне 0,5-4% мас./об. и перемешивали до получения гомогенной суспензии без пузырьков воздуха. Предварительно насыщенный уголь тщательно перемешивали с раствором альгиновой кислоты. Сочетания, подходящие для предотвращения выщелачивания угля, могут находиться в диапазоне от 1:1 до 1:4 отношения активированный уголь:альгиновая кислота по массе.
2
2
Композиционную смесь вводили в 0,1-5 М раствор CaCl по каплям. Образовавшиеся гранулы непрерывно перемешивали для предотвращения агрегации альгинатных гранул и оставляли для затвердевания на 0,5-2 ч. Подходящее количество раствора CaCl в 2-3 раза превышало объем добавляемого угля/альгиновой кислоты.
Гранулы могут быть получены с помощью шприца и иглы калибра 6-34. Частицы меньших размеров могут быть сформированы, например, за счет добавления по каплям более крупных гранул в смеситель с высоким усилием сдвига; данная обработка полезна для увеличения площади поверхности и, следовательно, кинетики адсорбции.
Полученные гранулы промывали несколько раз водой для удаления избытка ионов кальция в гранулах. Гранулы тщательно высушивали с помощью, например, бумажных салфеток, лампы нагрева, пищевой сушилки или другими аналогичными способами. Кроме того, гранулы могли быть заморожены и высушены сублимацией перед использованием. Это уменьшает их размер и позволяет упаковывать большее количество в фильтрующее устройство.
ПРИМЕР 3
Получение репрезентативных адсорбирующих кофеин материалов с помощью способов фокусировки потока
2
2
2
2
2
5% масс. бентонитовой глины смешивали с 95% масс. воды. Суспензию обрабатывали ультразвуком в течение 20 мин. 1,5% масс. альгината смешивали с 98,5% масс. воды. После того, как бентонит и альгинат были диспергированы в воде, суспензию бентонита и раствор альгината смешивали (раствор A/B). Получали 0,2 М раствор CaCl. Раствор А/В помещали в уравнительный резервуар. Уравнительный резервуар полезен для сглаживания любого входного импульса от перистальтического насоса. Когда уравнительный резервуар был почти полным и непосредственно перед выходом раствора A/B из иглы 18 калибра, другой источник питания и контроллер использовали для пропускания раствора CaCl в концентрическую часть потока. Когда раствор A/B выходил из иглы и контактировал с раствором CaCl, альгинат сшивался и образовывал структуру гидрогеля, содержащую или улавливающую суспендированный бентонит. В концентрической части потока раствор CaCl протекает с намного более высокой скоростью, чем раствор A/B, поэтому напряжение сдвига раствора CaCl будет разрывать полосу раствора A/B на нити или, в зависимости от относительных скоростей потока, на гранулы. С помощью регулирования относительной скорости потока можно регулировать длину нити; чем больше разница в скорости потока, тем короче будет нить.
ПРИМЕР 4
Измерения в УФ-видимой области репрезентативной адсорбции кофеина адсорбирующими кофеин материалами
Получали 0,5 мг/мл водного раствора кофеина. Репрезентативный адсорбирующий кофеин материал помещали в раствор кофеина и раствор перемешивали. Аликвоты отбирали в определенные моменты времени. Аликвоты разводили 1:100. Разведенные аликвоты измеряли на спектрометре УФ-видимой областей спектра и регистрировали поглощение при 273 нм.
ПРИМЕР 5
Измерения с помощью ВЭЖХ адсорбции кофеина адсорбирующими кофеин материалами
Адсорбирующие кофеин материалы получали как описано выше. Их сухой вес регистрировали.
Готовили кофе или другой кофеинсодержащий раствор. Адсорбирующий кофеин материал помещали в кофе и перемешивали. Аликвоты отбирали в определенные моменты времени и разводили 1:10. Разведенные образцы фильтровали с помощью фильтрующего устройства с 0,45 мкм ПТФЭ-мембраной и люэровским наконечником. Разведенные образцы помещали во флаконы для ВЭЖХ и анализировали на ВЭЖХ-хроматографе.
Образцы сравнивали с растворами с известными концентрациями кофеина (0,2 мг/мл, 0,4 мг/мл, 0,6 мг/мл, 0,8 мг/мл и 1,0 мг/мл).
Условия в колонке были следующими:
- Колонка: Agilent ZORBAX Eclipse Plus C18, 4,6 мм × 150 мм, (5 мкм)
- Детектор: УФ при 273 нм
- Подвижная фаза: вода/метанол (25/75% об.)
- Скорость потока: 0,70 мл/мин
- Температура: 45°С
- Вводимый объем: 10 мкл
- Время записи: 15 мин
ПРИМЕР 6
Адсорбция кофеина разными адсорбентами кофеина
Данные показывают эффективность адсорбции кофеина при использовании различных материалов в качестве инкапсулированных поглотителей для удаления кофеина. Тестируемыми материалами были бентонит, уголь и лапонит, причем размеры частиц варьировали от нанометров до микрометров. Как показано в таблице 1-1, при отношении материала к раствору 15,0% масс., бентонитовые нити способны удалять 100% кофеина из 1,57 мг/мл кофеинсодержащего раствора через 10 мин. Как показано в таблице 1-2, при отношении материала к раствору 24,1% масс., угольные гранулы способны удалять 98,5% кофеина из 0,311 мг/мл кофеинсодержащего раствора через 30 мин. Как показано в таблице 1-3, при отношении материала к раствору 19,6% масс., лапонитовые гранулы способны удалять 74,2% кофеина из 0,625 мг/мл кофеинсодержащего раствора через 20 мин.
Таблица 1-1. Альгинат:уголь (1:3); гранулы; отношение материала к раствору 24,1%
Время (мин)
% уменьшения кофеина
Концентрация (мг/мл)
0
0
1,573673505
2
70,51838456
0,463944371
10
94,31222498
0,089507009
30
98,48632284
0,023820336
Таблица 1-2.Альгинат:лапонит (1:3); гранула; отношение материала к раствору 19,6% масс.
Время (мин)
% уменьшения кофеина
Концентрация (мг/мл)
0
0
0,311201665
2
60,43998456
0,123111427
3
63,69760245
0,112973666
5
67,5550616
0,100969189
10
71,65023959
0,088224926
20
74,17417312
0,080370403
Таблица 1-3. Альгинат:бентонит (1:12); нить; отношение материала к раствору 15% масс.
Время (мин)
% уменьшения кофеина
Концентрация (мг/мл)
0
0
0,625462472
1
40,74502166
0,370617652
2
76,72135161
0,14559921
3
90,15360582
0,0615855
5
97,75598117
0,014035496
10
100,4352222
0,002722152
Исходя из этих данных, поглотители кофеина, связанные со сшитыми полимерами, демонстрируют эффективность адсорбции кофеина более 70% всего за несколько минут. Эти результаты показывают, что структура гидрогеля является высокопроницаемой для кофеинсодержащего раствора и дает возможность поглотителю адсорбировать молекулы кофеина по мере того, как кофеинсодержащий раствор входит в структуру и выходит из нее.
ПРИМЕР 7
Адсорбция кофеина высушенными адсорбирующими кофеин материалами
Адсорбирующие кофеин материалы, включающие 2:1 альгинат:бентонит и 1:3 альгинат:бентонит, получали как описано выше. Содержащие 2:1 и 3:1 альгинат:бентонит адсорбирующие кофеин материалы далее высушивали сублимацией.
В дополнение к этому, адсорбирующие кофеин материалы, включающие 1:1 альгинат:бентонит и 1:3 альгинат:бентонит, получали как описано выше. Содержащие 1:1 и 1:3 альгинат:бентонит адсорбирующие кофеин материалы сушили на воздухе.
Сублимированные адсорбирующие кофеин материалы и воздушно-сухие адсорбирующие кофеин материалы ресуспендировали в растворе кофеина.
Данные, обобщенно представленные в таблицах 2-1-2-4, показывают, что инкапсулирующий поглотитель высушенный гидрогелевый материал адсорбирует кофеин. С сублимированными гранулами альгинат:бентонит 2:1 материал способен удалять 38,8% кофеина из 0,132 мг/мл кофеинсодержащего раствора через 5 мин, при использовании отношения материала к раствору 1% масс. С воздушно-сухими бентонитовыми гранулами альгинат:бентонит 1:1 материал способен удалять 26,1% кофеина из 0,132 мг/мл кофеинсодержащего раствора через 5 мин, при использовании отношения материала к раствору 1% масс. Данные показывают, что сублимированные образцы имеют более высокую эффективность адсорбции кофеина по сравнению с воздушно-сухими образцами.
Таблица 2-1. Альгинат:бентонит (1:1); воздушно-сухие; гранула; отношение материала к раствору 1% масс.
Время (мин)
% уменьшения кофеина
Концентрация (мг/мл)
0
0
0,13217945
2
13,88041812
0,11383239
5
26,06656887
0,097724803
Таблица 2-2.Альгинат:бентонит (3:1); сублимированный; гранула; отношение материала к раствору 1% масс.
Время (мин)
% уменьшения кофеина
Концентрация (мг/мл)
0
0
0,13217945
2
23,924395
0,100556317
5
38,78861789
0,080908868
Таблица 2-3. Альгинат:бентонит (1:3); гранула; воздушно-сухие; отношение материала к раствору 1,8% масс.
Время (мин)
% уменьшения кофеина
Концентрация (мг/мл)
0
0
1,573673505
2
10,76275072
1,404302949
10
17,41718954
1,299583808
30
20,55271571
1,250240864
Таблица 2-4. Альгинат:бентонит (1:3); гранула; сублимированные; отношение материала к раствору 1,8% масс.
Время (мин)
% уменьшения кофеина
Концентрация (мг/мл)
0
0
1,573673505
2
13,3766975
1,363167961
10
16,48852653
1,314197932
30
31,58816529
1,076578917
ПРИМЕР 8
Влияние размера гранул репрезентативных адсорбирующих кофеин материалов на адсорбцию кофеина
Адсорбирующие кофеин материалы в форме гранул получали с использованием добавления по каплям, как описано здесь далее. Три композиции одного и того же материала были изготовлены в трех различных размерах, с диаметром гранул 2,9±0,2 мм, 3,1±0,3 мм и 5,0±0,7 мм. При одной и той же композиции, 0,85% альгината, 3,4% бентонита и 95,75% воды, и в одинаковых условиях, тестировали с использованием отношения материала к кофеинсодержащему раствору 50% масс. Как обобщенно представлено в таблицах 3-1-3-3, данные показывают, что чем крупнее гранулы, тем менее эффективным оказывается материал для поглощения кофеина. Гранулы 2,9±0,2 мм способны удалять 91,9% кофеина; гранулы 3,1±0,3 мм способны удалять 92,8% кофеина; и гранулы 5,0±0,7 мм способны удалять 84,2% кофеина.
Таблица 3-1. Альгинат:бентонит (1:4); гранулы; d=2,9±0,2 мм; отношение материала к раствору 50% масс.
Время (мин)
% уменьшения кофеина
Концентрация (мг/мл)
0
0
2,384574119
2
54,58168288
1,083033435
5
66,94565394
0,788205381
10
80,16846654
0,472897614
20
88,68067053
0,269917801
30
91,8760077
0,193722618
Таблица 3-2. Альгинат:бентонит (1:4); гранулы; d=3,2±0,3 мм; отношение материала к раствору 50% масс.
Время (мин)
% уменьшения кофеина
Концентрация (мг/мл)
0
0
2,384574119
2
54,32967645
1,089042716
5
73,30934616
0,636458424
10
82,1183821
0,426400433
20
88,56563094
0,272661005
30
92,79317724
0,17185203
Таблица 3-3. Альгинат:бентонит (1:4); гранулы; d=5,0±0,7 мм; отношение материала к раствору 50% масс.
Время (мин)
% уменьшения кофеина
Концентрация (мг/мл)
0
0
2,384574119
2
40,65565005
1,41511001
5
57,42115185
1,015324193
10
68,50477418
0,751027004
20
79,32714282
0,492959602
30
84,22377616
0,376195751
Гранулы двух меньших размеров, 2,9±0,2 мм и 3,1±0,3 мм, показали сходное поглощение кофеина, и гранулы более крупного размера 5,0±0,7 мм показали значительное снижение поглощения кофеина за одинаковый период времени. Предполагается, что пониженная адсорбция кофеина для более крупных гранул обусловлена более низким отношением площади поверхности к объему, что приводит к снижению поверхности контакта между материалом и кофеинсодержащим раствором. Эти результаты демонстрируют, что формы и размеры материала играют важную роль в эффективности снижения содержания кофеина. В частности, более высокие отношения площади поверхности к объему увеличивают поглощение кофеина.
ПРИМЕР 9
Влияние концентрации адсорбента кофеина на адсорбцию кофеина
Адсорбирующие кофеин материалы с различными соотношениями адсорбента кофеина к сшитому полимеру получали, как описано в настоящем документе.
Данные, обобщенно представленные в таблицах 4-1-4-2, показали, что адсорбирующие кофеин материалы с более высокой концентрацией поглотителя кофеина имеют тенденцию адсорбировать кофеин в большей степени в данном кофеинсодержащем растворе до достижения материалом высокой емкости. Данные иллюстрируют два материала, тестировавшиеся в одинаковых условиях в кофеинсодержащем растворе, имеющем одинаковую концентрацию. Один адсорбирующий кофеин материал имеет состав 1 часть альгината к 3 частям бентонита по массе, и другой адсорбирующий кофеин материал имеет состав 1 часть альгината к 6 частям бентонита по массе. Как показано в таблицах 4-1 и 4-2, материал, который содержит в составе 1 часть альгината к 6 частям бентонита по массе, имеет более быструю кинетику адсорбции и более высокую адсорбционную способность.
Таблица 4-1. Альгинат:бентонит (1:3); микрогранула d=1,8±0,3 мм; 22,5% масс.
Время (мин)
% уменьшения кофеина
Концентрация (мг/мл)
0
0
0,260175871
1
63,61808513
0,094656964
2
76,89851028
0,060104502
3
84,01180171
0,041597434
5
83,43473919
0,043098812
10
93,92782028
0,015798346
20
95,83497638
0,010836386
Таблица 4-2. Альгинат:бентонит (1:6); микрогранула d=1,8±0,3 мм; 22,1% масс.
Время (мин)
% уменьшения кофеина
Концентрация (мг/мл)
0
0
0,260175871
1
72,02099096
0,07279463
5
91,74879791
0,021467637
10
95,04314248
0,012896547
20
96,1387428
0,01004606
ПРИМЕР 10
Адсорбция кофеина репрезентативными адсорбирующими кофеин материалами в различных кофеинсодержащих напитках
Адсорбирующие кофеин материалы получали, как описано в настоящем документе, и помещали в разные кофеинсодержащие напитки.
Как обобщенно представлено в таблицах 5-1-5-3, данные показывают, что адсорбирующий кофеин материал работает в кофе, чае и дегазированном напитке, приводя к адсорбции кофеина.
Таблица 5-1. Альгинат:бентонит (1:4); гранула; газированный напиток; 45% масс.
Время (мин)
% уменьшения кофеина
Концентрация (мг/мл)
0
0
0,142152905
2
63,31980135
0,052141968
5
82,08686566
0,025464041
10
90,63775191
0,013308708
Таблица 5-2. Альгинат:бентонит (1:4); гранула; зеленый чай; 45% масс.
Время (мин)
% уменьшения кофеина
Концентрация (мг/мл)
0
0
0,158399055
2
67,5348421
0,051424503
5
82,63840769
0,027500598
10
88,26206625
0,018592776
Таблица 5-3. Альгинат:бентонит (1:4); гранула; кофе; отношение материала к раствору 50% масс.
Время (мин)
% уменьшения кофеина
Концентрация (мг/мл)
0
0
2,384574119
2
54,58168288
1,083033435
5
66,94565394
0,788205381
10
80,16846654
0,472897614
20
88,68067053
0,269917801
30
91,8760077
0,193722618
Хотя проиллюстрированы и описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, следует иметь в виду, что в них могут быть сделаны различные изменения без отклонения от сущности и объема изобретения.