커피 디카페인의 "보이지 않는 챔피언": 초임계 CO2 기술 살펴보기
눈치 채지 못했을 수도 있지만 '카페인-프리' 라벨이 붙은 커피는 실제로 등급이 다릅니다. 가장 비싼 것은 독일의-초임계 이산화탄소 추출이 개발한 물리적 기술을 사용합니다. 가격이 저렴하지는 않지만, 맛을 잃지 않고 카페인을 제거해주기 때문에 커피를 아는 사람들은 신뢰한다.
I. 모든 것이 어떻게 시작되었는가
흥미롭게도 초임계 현상은 1822년 프랑스 과학자 Tour에 의해 처음 발견되었습니다. 그는 밀봉된 강철 공을 가열하는 동안 온도가 특정 지점에 도달하면 내부의 액체와 기체가 구별할 수 없게 되는 것을 관찰했습니다.-계면이 단순히 사라지는 것입니다. 그러나 발견은 한 가지입니다. 실제 적용에는 100년 이상이 걸렸습니다.
1869년 영국의 과학자 앤드류스는 이를 알아내고 공식적으로 "임계점" 개념을 제안했습니다. 즉, 이산화탄소가 31도, 7.38메가파스칼에 도달하면 "기체도 액체도 아닌" 상태가 됩니다. 나중에 1879년에 누군가가 이 액체가 고체를 용해할 수 있다는 것을 발견했지만 당시에는 단지 언급되었을 뿐이었고 그것에 대해 더 깊이 생각하는 사람은 아무도 없었습니다.
진정한 돌파구는 1962년에 나타났습니다. 독일 막스 플랑크 연구소의 Kurt Zosel은 초임계 이산화탄소를 연구하던 중 우연히 카페인을 용해하려고 시도했는데{1}}놀랐습니다. 놀랍게도 효과가 좋았습니다. 그는 이것이 중요한 응용이 될 수 있다는 것을 깨달았습니다. 1978년, 세계 최초로 초임계 CO2를 사용하여 카페인 제거에 사용하는 공장이 독일에서 가동되기 시작했습니다. 실험실에서 산업 규모의-생산 규모로 전환하는 데 16년이 걸렸습니다.
II. 무엇이 그렇게 특별하게 만드는가
초임계 CO2의 상태는 설명하기 어렵습니다. 밀도가 액체와 유사하여 용해력이 있습니다. 그러나 점도가 낮고 확산이 빠르고 투과성이 액체보다 훨씬 강합니다. 쉽게 말하면 가스코트를 입은 액체와 같습니다.
더욱 흥미로운 점은 압력과 온도를 조정하면 라디오 주파수를 조정하는 것처럼-용해되는 물질을 제어할 수 있다는 것입니다. 카페인을 용해시키려면 카페인을 목표로 하는 "주파수"에 맞춰 조정하십시오. 이러한 큰-분자 향미 화합물은 용해되지 않은 상태로 남아 자연적으로 콩에 남아 있습니다.
일반적인 액체 CO2는 용해 능력이 제한된 비극성 용매입니다.- 그러나 초임계 상태에 들어가면 용해력이 '활성화'됩니다. 이것은 형이상학이 아닙니다. 그것은 물리학입니다.
III. 공장에서 작동하는 방식
이 장비를 갖춘 시설을 방문하면 미로 같은 파이프와 밸브로 연결된 스테인리스강 고압 반응기의 첫 번째-열-이 흥미롭지 않게 보일 수 있습니다. 그러나 내부 프로세스는 교묘하게 설계되었습니다.
첫 번째 단계는 전처리입니다. 생 커피콩을 뜨거운 물에 30분 정도 담가두면 수분 함량이 30~50%까지 높아집니다. 이 단계는 콩의 세포 구조를 열어 추출 중에 더 나은 침투를 가능하게 합니다.
두 번째 단계는 추출입니다. 콩을 고압 반응기에 넣고-초임계 CO2를 주입한 후 압력을 심해저 압력보다 250~300기압{4}}높입니다. 그런 다음 5~12시간 동안 기다리는 게임이 시작됩니다. 이 시간 동안 초임계 유체는 셀 수 없이 많은 작은 핀셋처럼 작용하여 콩 세포에 구멍을 뚫어 카페인 분자를 골라서 제거합니다. 카페인과 다른 분자 구조를 가진 이러한 향미 화합물은 뒤에 남아 있습니다.
세 번째 단계는 분리입니다. 카페인을 함유한 CO2는 분리 반응기로 들어갑니다. 압력이 감소하면 CO2는 다시 가스로 바뀌어 빠져나가고 카페인은 침전됩니다. CO2는 회수, 재가압 및 폐쇄{2}}루프 사이클로 재사용되며 배출이 거의 발생하지 않습니다.
최종 결과: 카페인의 96~98%가 제거되고 커피 원두는 원래의 풍미 프로필을 유지합니다. 분리된 카페인도 낭비되지 않고-제약 및 음료 산업에 판매됩니다.
IV. 기술 비교
오늘날 커피의 카페인을 제거하는 세 가지 주요 방법이 있습니다.
하나는 디클로로메탄이나 에틸 아세테이트를 사용하는 용매 추출입니다. 비용은 저렴하지만 소비자들은 유기용제 잔류물에 대해 우려하는 경우가 많습니다. 스타벅스는 디클로로메탄 방식을 사용합니다.{2}}잔류량이 안전기준보다 훨씬 낮다고 강조하지만 소비자의 심리적 저항을 극복하기는 어렵습니다.
또 다른 하나는 1980년대에 개발된 스위스 워터 프로세스(Swiss Water Process)입니다. 이는 다소 복잡한 원리를 지닌 물리적 방법입니다. 뜨거운 물은 콩에서 카페인과 향미 성분을 모두 용해한 다음 활성탄으로 카페인을 걸러내고 향미가-풍부한 물을 콩으로 되돌려 향미 화합물을 재흡수할 수 있도록 합니다. 장점은 화학 용매가 없다는 점이지만 공정이 복잡하고 물 소비량이 많고 비용이 상당합니다.
그리고 초임계 CO₂ 방식이 있습니다. 이는 유기용매를 전혀 사용하지 않는 순수한 물리적 공정입니다. CO2 자체는 무독성, 비-인화성, 저렴하고 쉽게 구할 수 있습니다. 추출 온도는 실온에 가깝기 때문에 열-에 민감한 향미 화합물이 손상되지 않습니다. 가스는 재활용되어 환경에 미치는 영향을 최소화합니다.
단 하나의 단점이 있습니다. 장비가 매우 비싸다는 것입니다. 수백 기압을 견딜 수 있는 빌딩 시스템에는 고급-자재와 엄격한 안전 표준이 필요합니다. 연간 생산량이 수천 톤이 아니면 투자금 회수가 불가능하다. 그러다 보니 이 기술을 활용하는 공장은 주로 미국, 독일, 이탈리아에 집중되어 있고, 이들의 제품은 대부분 전문 커피숍이 아닌 슈퍼마켓 체인을 통해 유통되고 있다.
V. 커피 너머: 더 넓은 적용
초임계 CO2 기술은 커피 카페인 제거를 넘어선 지 오래되었습니다. 식품 산업에서는 홉, 에센셜 오일, 식물의 바닐린에서 향미 성분을 추출하고 어유에서 오메가{3}}3를 추출하는 데 사용됩니다. 의약품에서는 한약에서 활성 성분을 추출하고 초미세 약물 입자를 생성하는 데 사용됩니다. 환경 보호 분야에서 연구자들은 진정한 친환경 세탁을 목표로 드라이클리닝에서 퍼클로로에틸렌을 대체할 수 있는 물질로 이를 연구하고 있습니다.
발전, 나노재료 제조, 전자 폐기물 처리, 바이오플라스틱 합성 등 훨씬 더 야심찬 응용 분야가 연구되고 있습니다. 오랫동안 오염물질로 비난받아온 이산화탄소는-언젠가 예상치 못한 환경 영웅이 될 수도 있습니다.
6. 그 커피 한잔으로 돌아가기
다음번에 디카페인 커피를 마실 땐 주의하세요. 여전히 커피 맛이 강하고 밋밋하거나 묽은 맛이 나지 않는 커피를 발견했다면, 그 커피는 초임계 CO2로 만들어졌을 가능성이 높습니다. 그 컵 뒤에는 19세기-세기 물리학의 발견, 20세기-세기 독일 공학, 그리고 놀랄 만큼 정밀한 분자-수준 분리 과정이 숨어 있습니다.
'보이지 않는 챔피언'이라고 해도 과언이 아니다. 소비자를 직접 대면하지는 않지만 고급-무카페인 커피 카테고리 전체를 뒷받침합니다. 여러분이 마시고 있는 것은 단순한 음료가 아닙니다.{3}}100년이 넘는 과학적 진보가 한 컵에 증류된 것입니다.
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