DE3806372A1

DE3806372A1 - Verfahren zur abtrennung und gewinnung von coffein aus rohkaffee und zur gewinnung von entcoffeiniertem kaffee

Info

Publication number: DE3806372A1
Application number: DE3806372A
Authority: DE
Inventors: Reiner Kopsch; Henning Dr Lutz; Claus F Dr Goesswein
Original assignee: CODE KAFFEE-HANDELSGESELLSCHAFT MBH 2000 HAMBURG DE; CODE KAFFEE HANDEL
Current assignee: Tchibo GmbH
Priority date: 1988-02-24
Filing date: 1988-02-24
Publication date: 1989-08-31
Also published as: US5045334A; CA1337023C; DE3806372C2; NL8900422A; CH678480A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung und Gewinnung von Coffein aus Rohkaffee, bei welchem der Rohkaffee auf schonende Weise wäßrig extrahiert und das Coffein aus dem Extrakt mittels Gelpermeations-Chromatographie abgetrennt wird. Es kann anschließend auf einfache Weise in hoher Ausbeute und im wesentlichen in reiner Form wiedergewonnen werden.

Die Abtrennung von Coffein aus wäßrigen Rohkaffee-Extrakten ist bekannt. So sind beispielsweise in der DE-PS 685 237 und der europäischen Patentanmeldung 8398 Verfahren beschrieben, bei denen das Coffein durch Adsorption an Aktivkohle aus wäßrigen Extrakten entfernt wird. Der Nachteil dieser Verfahren liegt u. a. darin, daß sich das Coffein nur schwer wieder von der Aktivkohle ablösen läßt und daher nicht zur weiteren Verwendung zur Verfügung steht.

Aus der europäischen Patentanmeldug 78 088 ist ein Verfahren bekannt, bei dem das Coffein durch Adsorption an geeignete Harze aus wäßrigen Rohkaffee-Extrakten entfernt wird. Bei dem beschriebenen Verfahren werden Harze benötigt, die ein selektives und starkes Bindungsvermögen für Coffein aufweisen. Als besonders geeignet wird Duolite 5761 der Firma Diamond Shamrock empfohlen.

Im Hinblick auf die Gewinnung von reinem Coffein ist auch dieses Verfahren von Nachteil, da das Coffein sich von derartigen Harzen nur schwer mit Wasser ablösen läßt. Es wird daher empfohlen, das mit Coffein beladene Harz mit organischen Lösungsmitteln zu behandeln, um auf diese Weise das Coffein zurückzugewinnen (vgl. Seite 8, Zeilen 2 bis 26).

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, Coffein aus einem wäßrigen Rohkaffee-Extrakt schonend und auf solche Weise zu entfernen, daß es leicht und weitgehend vollständig ohne die Einwirkung von organischen Lösungsmitteln wiedergewonnen werden kann, wobei gleichzeitig entcoffeinierter Rohkaffee gewonnen werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren nach Anspruch 1 sowie die bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens nach Anspruch 6 vorgeschlagen. Besonders vorteilhafte Verfahrensvarianten ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Gelpermeations-Chromatographie an vernetzten Dextranen dient im allgemeinen der Auftrennung von Substanzgemischen nach der Molekülgröße, d. h. die Moleküle erscheinen im Eluat in der Reihenfolge abnehmender Molekülgröße. Aus der EP-A 87 901 048.6 ist bereits bekannt, daß vernetzte Dextrane gegenüber Chlorogensäuren ein von ihrer Molekularsiebfunktion unabhängiges, selektives Rückhaltevermögen aufweisen, d. h. bei Auswahl eines Dextrans mit geeignetem Vernetzungsgrad verläßt die Gesamtmenge der in einem Rohkaffee-Extrakt enthaltenen Begleitstoffe mit größerem und kleinerem Molekulargewicht als Chlorogensäure in einer Fraktion die Trennsäule, während die Chlorogensäuren selektiv zurückgehalten werden. Wie in der EP-A 87 901 048.6 beschrieben, lassen sie sich dann durch weiters Eluieren mit Wasser in einer relativ reinen und sauber abgetrennten Fraktion gewinnen (vgl. Fig. 1a).

Erfindungsgemäß hat es sich nun überraschenderweise gezeigt, daß Coffein aus einem Rohkaffee-Extrakt mittels Gelpermeations- Chromatographie an hochvernetzten modifizierten Polysacchariden selektiv von den Chlorogensäuren einerseits und den übrigen Begleitstoffen andererseits abgetrennt werden kann, wenn man die Temperatur des Gels auf 40 bis 80, vorzugsweise 50 bis 70 und in besonders bevorzugter Weise auf 60°C erhöht und die Elution mit Wasser bei entsprechenden Temperaturen durchführt.

Besonders geeignete Materialien zur Auftrennung sind Gele von vernetzten Dextranen, wie sie beispielsweise unter der Bezeichnung Sephadex® vertrieben werden. Es ist bereits in der EP-A 87 901 048.6 für die Abtrennung von Chlorogensäure aus Pflanzenextrakten beschrieben, daß die Trennschärfe mit steigendem Vernetzungsgrad des verwendeten Dextrangels ansteigt; d. h. bei vorgegebener Säulenlänge wird mit höher vernetztem Dextrangel eine schärfere Trennung erreicht als bei Verwendung eines Gels mit niedrigerem Vernetzungsgrad, wobei als Hinweis auf den Vernetzungsgrad eines Gels dessen Quellfähigkeit dienen kann. Letztere sinkt mit steigendem Vernetzungsgrad. So werden beispielsweise zur Herstellung von 100 ml gequollenem Gel 20 g Trockenmaterial von Sephadex® G 25 benötigt, während zur Herstellung des gleichen Gelvolumens 40 g des erheblich höher vernetzten Sephadex® G 10 erforderlich sind. Für die Abtrennung von Coffein aus einem Rohkaffee-Extrakt ist die Verwendung von Gelen entsprechend einem Vernetzungsgrad, wie er bei Sephadex® G 15 oder G 10 vorliegt, bevorzugt.

Trägt man nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einen wäßrigen Rohkaffee-Extrakt beispielsweise bei 60°C auf ein hochvernetztes Dextrangel entsprechend Sephadex® G 10 auf und eluiert das Gel anschließend mit Wasser bei dieser Temperatur, so zeigt sich unerwarteterweise, daß der Extrakt in drei Fraktionen aufgetrennt wird (vgl. Fig. 1b). Es erscheint nämlich zunächst wiederum eine Hauptfraktion, welche die Gesamtmenge der in dem Rohkaffee-Extrakt enthaltenen Substanzen mit Ausnahme von Coffein und Chlorogensäuren enthält. Das Coffein erscheint in einem deutlich abgetrennten Peak unmittelbar im Anschluß an die übrigen Begleitstoffe. Die Passage des Coffeins wird demgemäß unter den angegebenen Bedingungen in einem durchfließenden wäßrigen Rohkaffee-Extrakt deutlich und selektiv verzögert, wobei es überraschenderweise unter den angegebenen Bedingungen möglich ist, eine säulenchromatographische Abtrennung des Coffeins von den Chlorogensäuren einerseits und den übrigen Begleitstoffen andererseits herbeizuführen (vgl. Fig. 1b).

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann zunächst eine Vorreinigung vorgenommen werden, indem man den wäßrigen Rohkaffee-Extrakt in der ersten Stufe bei Zimmertemperatur an einem Dextran I mit niedrigerem Vernetzungsgrad, wie beispielsweise Sephadex® G 15, auftrennt. Wie in der EP-A 87 901 048.6 beschrieben, werden hierbei die Begleitstoffe einschließlich des Coffeins gemäß Leitfähigkeitsmessung in einem breiten ersten Peak erhalten, welcher im wesentlichen mit der Elutionsfront am Säulenausgang erscheint. Erfindungsgemäß hat es sich jedoch überraschenderweise gezeigt, daß auch an einem derartigen Gel und bei Raumtemperatur das Coffein insoweit zurückgehalten wird, als nur diejenige Fraktion des Eluats Coffein enthält, die vom Überschreiten des Maximums des ersten Peaks bis zum Erscheinen der Chlorogensäure im Eluat reicht (vgl. Fig. 2, Säule I).

Leitet man die Coffein enthaltende Fraktion dieses Eluats nun in einer 2. Stufe auf ein Dextran II mit hohem Vernetzungsgrad, wie beispielsweise Sephadex® G 10, so kann auch bei Zimmertemperatur eine weitestgehend von Begleitstoffen befreite, wäßrige Coffeinlösung erhalten werden (vgl. Fig. 2, Säule II), während andererseits die Chlorogensäuren leicht nach dem bekannten Verfahren von Gel I eluiert werden können.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird jedoch die zweite Reinigungsstufe bei erhöhter Temperatur, beispielsweise bei 40 bis 80, vorzugsweise 50 bis 70 und insbesondere bei 60°C durchgeführt. Wie das Elutionsbild der Säule II in Fig. 3 zeigt, wird auf diese Weise eine nahezu vollständige Abtrennung der Coffein-Fraktion von den übrigen, von Säule I mitgeschleppten Begleitstoffen erreicht.

Erfindungsgemäß hat es sich ferner gezeigt, daß das Coffein, wie nachfolgend im einzelnen beschrieben, in Abhängigkeit von der Temperatur eine im wesentlichen konstante Menge Chlorogensäuren an sich bindet. Erfindungsgemäß wird das an Chlorogensäure gebundene Coffein als Coffein-Chlorogensäuren- Komplex (CC-Komplex) bezeichnet. Es konnte gezeigt werden, daß diese Menge mit steigender Temperatur zunimmt. Während nämlich der Anteil an Chlorogensäuren in der Gesamtmischung aus Coffein und Chlorogensäuren bei 20°C etwa 20 bis 25% beträgt, so steigt der Chlorogensäureanteil bei 60°C auf über 40% an.

Auch in Anbetracht dieser überraschenden Befunde wird das erfindungsgemäße Verfahren in einer besonders bevorzugten Ausführungsform in der Weise durchgeführt, daß man die Vorreinigung an einem Dextran I bei Zimmertemperatur vornimmt, um eine möglichst niedrige Beladung des Coffeins mit Chlorogensäuren herbeizuführen. Die Abtrennung des Coffeins in der zweiten Stufe auf einem Dextran II mit hohem Vernetzungsgrad wird dann bei 60°C durchgeführt, um auf diese Weise eine möglichst saubere Abtrennung von den in die zweite Stufe mitgeschleppten Begleitstoffen zu erreichen (vgl. Fig. 3).

Erfindungsgemäß konnte ferner gezeigt werden, daß der CC-Komplex durch Aufkonzentrieren der Lösung gespalten werden kann (vgl. Beispiel 9), um reines Coffein zu gewinnen.

Der in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte wäßrige Rohkaffee-Extrakt kann hergestellt werden, indem man den Rohkaffee auf einen Wassergehalt von etwa 50% bringt und bei Temperaturen von 60 bis 100°C 2 bis 4 Stunden, vorzugsweise 3 Stunden lang in ständiger Bewegung extrahiert. Dieser Extrakt wird in das erfindungsgemäße Trennverfahren eingeführt.

Zur Herstellung von coffeinfreiem Rohkaffee können alle Begleitstoffe und Chlorogensäuren enthaltenden Eluat-Fraktionen sowie die aus dem CC-Komplex abgespaltenen Chlorogensäuren zu einer Prozeßlösung vereinigt durch Wasserentzug wieder auf die Extrakt-Ausgangskonzentration gebracht und nach dem beispielsweise in der DE-OS 31 19 277 beschriebenen Verfahren erneut durch einen Rohkaffee geleitet werden. Zu diesem Zweck kann man die Prozeßlösung wiederum bei Temperaturen von 60 bis 100°C 2 bis 4, vorzugsweise 3 Stunden lang in ständiger Bewegung auf vorgefeuchteten Rohkaffee einwirken lassen. Da die Prozeßlösung sich auf den Coffeingehalt mit den Rohkaffeebestandteilen im Gleichgewicht befindet, wird sie diesem nur das Coffein entziehen. Bei kontinuierlicher Durchführung des Verfahrens kann so auf schonende Weise entcoffeinierter Kaffee hergestellt und gleichzeitig das entzogene Coffein aus der wäßrigen Lösung gewonnen werden.

Ein wäßriger Extrakt mit hohem Coffeingehalt kann dadurch gewonnen werden, daß man die von Coffein befreite, bezüglich der übrigen Bestandteile jedoch auf die Ausgangskonzentration eingestellte Prozeßlösung im Gegenstromverfahren durch eine Serie von Rohkaffeefraktionen mit steigendem Gehalt an Coffein führt, wobei die frisch gereinigte Prozeßlösung jeweils auf die Fraktion mit dem niedrigsten Gehalt an Coffein trifft. Wird dieses Verfahren kontinuierlich durchgeführt, so wird jede Kaffeefraktion mehrfach extrahiert, und das Coffein kann auf diese Weise vollständig entzogen werden. Gleichzeitig wird der Trennsäule kontinuierlich eine mit Coffein hochbeladene Prozeßlösung zugeführt.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Coffein und Chlorogensäuren simultan aus einem wäßrigen Extrakt von Rohkaffee abgetrennt und gegebenenfalls rückgewonnen. Zu diesem Zweck werden nur die kein Coffein und keine Chlorogensäuren enthaltenden Fraktionen (NCC-Fraktionen) der Eluate zu einer Prozeßlösung vereinigt, während die Coffein- und die Chlorogensäuren enthaltenden Fraktionen getrennt aufgefangen werden. Der Begriff "Chlorogensäuren" im Sinne der vorliegenden Erfindung umfaßt die Mono-caffeoyl-chinasäuren.

Das Simultanverfahren kann durchgeführt werden, indem man einen wie zuvor beschrieben aus Rohkaffee gewonnenen, Coffein und Chlorogensäuren enthaltenden wäßrigen Extrakt zunächst bei Zimmertemperatur an einer ersten, ein Gel mit niedrigerem Vernetzungsgrad wie beispielsweise Sephadex® G 15 enthaltenden Säule I auftrennt. Bei dieser Vorgehensweise verlassen wie oben ausgeführt die Begleitstoffe einschließlich des Coffeins in einer breiten Fraktion die Säule, während die Chlorogensäuren zunächst zurückgehalten werden und erst bei längerem Eluieren mit Wasser als abgetrennte Fraktion erscheinen.

Wie bereits erläutert, zeichnet sich in der die Begleitstoffe und das Coffein enthaltenden breien Fraktion insoweit eine Differenzierung ab, als das Coffein innerhalb dieser Fraktion gemäß Aufzeichnung des Trennverlaufs nach Leitfähigkeit und Signal des Differential-Refraktometers die Säule I erst nach Erreichen des ersten Maximums verläßt.

Vorzugsweise führt man das Verfahren daher in der Weise durch, daß man die erste Fraktion des Eluats vom beginnenden Anstieg bis zum ersten Maximum des aufgezeichneten Trennverlaufs als NCC-Fraktion I getrennt auffängt. Bei Erreichen des Maximums wird der Elutionsprozeß unterbrochen und der Ausgang der ein Gel wie Sephadex® G 15 enthaltenden Säule mit dem Eingang einer zweiten Säule II verbunden, welche länger als die erste Säule ist und welche ein höher vernetztes Gel enthält. Beispielsweise kann die Länge der Säule 30 cm betragen, und sie kann Sephadex® G 10 in einer Menge von etwa 150 ml enthalten. Das aus der ersten Säule austretende, Coffein enthaltende Eluat wird nun so lange auf die zweite Säule geleitet, bis am Ausgang der ersten Säule Chlorogensäure erscheint. Der Elutionsvorgang wird an dieser Stelle erneut unterbrochen, und die Säulen werden voneinander getrennt. Beide Säulen werden nun jeweils getrennt voneinander mit entionisiertem Wasser eluiert, wobei von der ersten Säule die Chlorogensäuren und von der zweiten Säule die restlichen Begleitstoffe als NCC-Fraktion II sowie das gereinigte Coffein eluiert werden.

Wie zuvor erläutert kann auch in dieser Ausführungsform der Erfindung die zweite Säule II bei Zimmertemperatur gehalten und eluiert werden, vorzugsweise wird jedoch die Temperatur der Säule II auf 40 bis 80, vorzugsweise 50 bis 70 und in besonders bevorzugter Weise auf etwa 60°C erhöht und die Säule bei diesen Temperaturen eluiert, um, wie bereits erläutert, eine bessere Trennschärfe zu erreichen.

Bei kontinuierlicher Durchführung des Simultanverfahrens werden die NCC-Fraktionen I und II zu einer Prozeßlösung vereinigt, diese wird auf die Ausgangskonzentration eingestellt und mit frischem oder teilweise extrahiertem Rohkaffee in Kontakt gebracht. Vorzugsweise wird der Rohkaffee zu diesem Zweck auf einen Wassergehalt von etwa 50% eingestellt. Anschließend wird er mit der aufkonzentrierten Prozeßlösung in Kontakt gebracht, welche dem frisch austretenden Extrakt in der Zusammensetzung entspricht, jedoch weder Coffein noch Chlorogensäuren enthält. Man läßt nun nach bekannten Verfahren die Prozeßlösung ins Gleichgewicht mit dem Rohkaffee treten, wobei dem Kaffee lediglich die in der Prozeßlösung fehlenden Substanzen entzogen werden; d. h die "Lücken" im Spektrum der Komponenten werden ausgeglichen.

Eine schematische Darstellung des kontinuierlichen Simultanverfahrens ist in Fig. 8 wiedergegeben.

Besonders vorteilhafte Ergebnisse können dadurch erzielt werden, daß man die gereinigte NCC-Prozeßlösung im Gegenstromverfahren kontinuierlich durch eine Serie von Rohkaffee- Fraktionen führt. Auf diese Weise entsteht ein Konzentrationsgefälle innerhalb der Rohkaffee-Fraktionen, wobei die frisch gereinigte Lösung immer auf die Fraktion mit dem niedrigsten Gehalt an Coffein und Chlorogensäuren trifft. Es kann somit kontinuierlich Rohkaffee mit sehr niedrigen Coffein- und Chlorogensäuregehalten hergestellt und gleichzeitig eine hochbeladene Prozeßlösung in die Trennstufe eingespeist werden.

Die Geschwindigkeit der selektiven Extraktion bzw. die Zeit bis zur Einstellung des Gleichgewichts können durch Temperatur- und Rührgeschwindigkeit gelenkt werden. Da Coffein und Chlorogensäure mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus den Rohkaffee-Bohnen extrahiert werden, kann durch entsprechende Prozeßführung das Verhältnis von Chlorogensäure und Coffein in dem behandelten Kaffee beeinflußt werden. Ferner ist es möglich, die beiden Komponenten aus dem Kaffee dadurch in unterschiedlichem Verhältnis zu extrahieren, daß man die Konzentration der entsprechenden Komponente in der Prozeßlösung variiert.

Es zeigte sich, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die NCC-Fraktionen nahezu vollständig von Chlorogensäuren und Coffein befreit werden konnten. Ferner wurde auch die Chlorogensäure nahezu frei von Coffein erhalten. Wie bereits oben erläutert gelang es jedoch bisher nicht, die Coffeinfraktion vollständig von Chlorogensäuren zu befreien (vgl. Fig. 6).

In Trennversuchen an Modellgemischen mit konstanten Coffein- und variierenden Chlorogensäuremengen konnte nachgewiesen werden, daß das Coffein eine definierte Menge Chlorogensäure fest an sich bindet (vgl Fig. 7). Wie oben angegeben ist diese Menge zusätzlich abhängig von der Temperatur der Lösung.

Überraschenderweise hat es sich jedoch erfindungsgemäß gezeigt, daß die in verdünnten Lösungen beobachtete Bindung zwischen Chlorogensäure und Coffein sich beim Aufkonzentrieren löst. Engt man nämlich ein wäßriges Eluat mit einem Gehalt von etwa 0,3% Coffein (vgl. Beispiel 2) um das ungefähr 100fache ein, so fällt Coffein als feste Substanz mit einem Reinheitsgrad gemäß HPLC-Analyse von nahezu 100% aus (vgl. Beispiel 6). Aufgrund des beschriebenen Temperatureffekts kann das Ausfällen des reinen Coffeins durch Kühlen beschleunigt werden.

Erfindungsgemäß wird hiermit eine Möglichkeit zur Gewinnung von reinem Coffein ohne die Verwendung organischer Lösungsmittel geschaffen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen erläutert.

Beispiel 1

300 g Columbia-Rohkaffee mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 8,30% wurden mit 1500 ml Wasser versetzt und 3 Stunden lang unter gleichmäßigem Schütteln in einem Wasserbad bei 80°C gehalten. Der Extrakt wurde anschließend von den Kaffeebohnen abgetrennt. Er wies einen pH-Wert von 5,56 auf und wurde auf 160 ml aufkonzentriert.

Der Extrakt wies einen Trockenstoffgehalt von 24,19%, einen Chlorogensäuregehalt von 4,82% und einen Coffeingehalt von 1,55% jeweils bezogen auf das flüssige Konzentrat auf.

Enthaltene Kleinpartikel wurden durch Zentrifugieren bei 3000 g aus der Lösung abgetrennt. 15,0 g dieses Extrakts wurden auf eine Säule mit einer Länge von 20 cm und einem Durchmesser von 2,5 cm gegeben, welche 150 ml Sephadex® G 10 enthielt. Die Säulentemperatur betrug etwa 20°C. Die Säule wurde anschließend mit einer Fließgeschwindigkeit von 200 ml/h mit entionisiertem Wasser einer Temperatur von etwa 20°C eluiert. Das austretende Eluat wurde durch die Meßzelle eines Differential-Refraktometers geleitet und kontinuierlich aufgefangen.

Die Fraktionen wurden unter den folgenden Bedingungen mit HPLC analysiert:

Säule: Waters 8 C 18 10 µ Radialpak
mobile Phase: 1,5% Tetrahydrofuran+1,0% Essigsäure in Wasser
Flußrate: 4 ml/min
Detektor: Waters, Modell 440 bei 280 nm
Integrator: Shimadzu CR 3 A.

Der Elutionsverlauf gemäß Differential-Refraktometer-Messung ist in Fig. 1a wiedergegeben. Er zeigt die bereits aus der EP-A 87 901 048.6 bekannte Auftrennung des Rohextrakts unter den angegebenen Bedingungen in zwei Fraktionen, wobei die zweite Fraktion die Chlorogensäuren in im wesentlichen reiner Form enthielt.

Das oben beschriebene Verfahren wurde wiederholt, mit dem Unterschied, daß die Säule auf eine Temperatur von etwa 60°C erwärmt wurde und die Elution mit Wasser bei etwa dieser Temperatur durchgeführt wurde.

Der Trennverlauf dieser Säule ist in Fig. 1b wiedergegeben.

Wie Fig. 1b zeigt, wurden drei deutlich voneinander abgesetzte Fraktionen erhalten, welche wie in Fig. 1b angegeben jeweils gesondert gesammelt und analysiert wurden.

Die Bestimmung des Trockenstoffgehaltes erfolgte durch 16 Stunden langes Eindampfen von Teilmengen bei 105°C im Trockenschrank. Die Chlorogensäure- und Coffeinanalysen wurden wie oben angegeben mit HPLC durchgeführt.

Die Analysenergebnisse der einzelnen Fraktionen sind in Tabelle 1 wiedergegeben:

Tabelle 1

Wie die Tabelle 1 ausweist, wird zunächst ein Vorlauf von etwa 60 g erhalten, welcher frei von Extraktbestandteilen ist. Es folgt die Fraktion 2, welche den überwiegenden Teil der Extraktbestandteile, jedoch nahezu keine Chlorogensäure und kein Coffein enthält. Die Fraktion 3 enthält nahezu das gesamte in dem Rohkaffee-Extrakt enthaltene Coffein sowie einen Teil der Chlorogensäuren. Die Fraktion 4 enthält dagegen die Chlorogensäuren in nahezu reiner Form.

Beispiel 2 Auftrennung eines Rohkaffee-Extraktes mit Zweisäulentechnik in NCC-, Coffein- und Chlorogensäure-Fraktionen bei 20°C

15 g Konzentrats gemäß Beispiel 1 wurden auf eine Säule I mit einer Länge von 20 cm und einem Durchmesser von 2,5 cm gegeben, welche 100 ml Sephadex® G 15 enthielt. Die Säule wurde anschließend bei Raumtemperatur und mit einer Fließgeschwindigkeit von 200 ml/h mit entionisiertem Wasser eluiert. Das Eluat wurde über das Meßsignal eines Differential- Refraktometers überwacht und kontinuierlich aufgefangen. Nach Erreichen des ersten Peak-Maximums wurde die Elution unterbrochen und das auftretende Eluat auf eine zweite Säule II geleitet, welche eine Länge von 30 cm und einen Durchmesser von 2,5 cm aufwies, und welche 150 ml Sephadex® G 10 enthielt. Die Temperatur der Säule II betrug ebenfalls 20°C. Bei Erreichen des ersten Minimums wurden die Säulen wieder voneinander getrennt und das Eluat der ersten Säule wie zuvor kontinuierlich aufgefangen. Die zweite Säule wurde anschließend unter den gleichen Bedingungen wie oben angegeben eluiert. Der Trennverlauf der beiden Säulen I und II ist in Fig. 2 wiedergegeben.

Die Eluate der Säulen I und II wurden jeweils zu folgenden Fraktionen vereinigt:

1. Vorläufe:
Eluate ohne Extraktbestandteile aus den Säulen I und II.

2. NCC-Fraktion:
Eluat aus Säule I vom beginnenden Kurvenanstieg bis zum Maximum des ersten Peaks und Eluat aus Säule II vom Kurvenanstieg bis zum Wendepunkt des ersten Peaks.

3. Chlorogensäure-Fraktion:
Eluat aus Säule I ab Wendepunkt des ersten Peaks bis zum Ende des zweiten Peaks.

4. Coffein-Fraktion:
Eluat aus Säule II ab Wendepunkt des ersten Peaks bis zum Ende des zweiten Peaks.

Tabelle 2

Wie Tabelle 2 zeigt, wird von der Säule I zunächst ein Vorlauf einer Menge von 43 g erhalten, welcher von Extraktbestandteilen frei ist. Mit der Elutionsfront erscheint sodann die NCC-Fraktion I, welche keine Chlorogensäuren und im wesentlichen kein Coffein enthält. Schließlich wird nach Umschalten des Eluats die Chlorogensäuren enthaltende Fraktion erhalten, welche frei von Coffein ist.

Von der Säule II wird im Anschluß an den Vorlauf mit der Elutionsfront die NCC-Fraktion II erhalten, welche frei von Chlorogensäuren und im wesentlichen frei von Coffein ist. Im Anschluß daran erscheint in einem deutlich abgesetzten Peak die Coffein-Fraktion des Eluats, welche jedoch noch Chlorogensäuren enthält.

Beispiel 3

Das Verfahren gemäß Beispiel 2 wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß die Säule II auf eine Temperatur von etwa 60°C erwärmt wurde und mit entionisiertem Wasser dieser Temperatur eluiert wurde. Die Trennverläufe der Säulen I und II nach dieser Verfahrensvariante sind in Fig. 3 wiedergegeben. Es zeigt sich, daß bei 60°C eine deutlich bessere Abtrennung des Coffeins von den übrigen Begleitstoffen an der Säule II möglich ist, als dies bei 20°C der Fall ist (vgl. Fig. 2).

Beispiel 4 Selektive Extraktion von Coffein und Chlorogensäure aus Columbia-Rohkaffee mit NCC-Prozeßlösung

54,5 g Columbia-Rohkaffee mit einem Ausgangs-Feuchtigkeitsgehalt von 8,30% wurden in einer 250 ml Polyethylen-Flasche mit 45,5 g Wasser versetzt, um einen Feuchtigkeitsgehalt von ca. 50% einzustellen und in einem Wasserbad bei 80°C 30 Minuten lang mittels eines Rüttlers bewegt. Anschließend wurden 125 g einer Prozeßlösung zugesetzt, welche durch Vereinigen der NCC-Fraktionen I und II gemäß Beispiel 2 erhalten worden war. Der Ansatz wurde 300 Minuten lang unter den oben angegebenen Bedingungen bewegt, wobei in regelmäßigen Abständen von Proben von jeweils 1 ml entnommen wurden, um den Coffein- und Chlorogensäure-Gehalt der Flüssigkeit zu bestimmen.

Die Coffein- und Chlorogensäure-Gehalte der Prozeßlösung nach 30 und 300 Minuten Inkubationszeit sind in Tabelle 3 dem Ausgangskaffee gegenübergestellt. Der Extraktionsverlauf ist in Fig. 4 dargestellt.

Tabelle 3

Die Ergebnisse zeigen, daß Coffein und Chlorogensäuren aus Rohkaffee simultan mit NCC-Prozeßlösung extrahiert werden können. Allerdings werden die Substanzen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit extrahiert, wobei besonders zu Beginn der Extraktionszeit Coffein schneller in die Prozeßlösung übergeht als die Chlorogensäuren. Nach einer Extraktionszeit von 300 Minuten war jedoch im wesentlichen das Gleichgewicht erreicht, und der Quotient aus Chlorogensäure und Coffein entsprach etwa demjenigen im Ausgangskaffee (vgl. Tabelle 3).

Beispiel 5 Mehrstufige selektive Extraktion von Coffein und Chlorogensäure aus Columbia-Rohkaffee

Das Verfahren gemäß Beispiel 4 wurde wiederholt, mit dem Unterschied, daß die gleiche Rohkaffeecharge mehrfach mit frischer NCC-Prozeßlösung ins Gleichgewicht gebracht wurde, um den Coffein- und Chlorogensäure-Gehalt weiter zu senken.

Der Rohkaffee wurde wie in Beispiel 3 beschrieben vorbehandelt und aufeinanderfolgend dreimal jeweils 3 Stunden bei 80°C mit einer NCC-Prozeßlösung ins Gleichgewicht gebracht, welche einen Gesamttrockenstoffgehalt von etwa 15% aufwies und welche im wesentlichen frei von Chlorogensäuren und Coffein war (vgl. Tabelle 5). (Bei Vorversuchen hatte es sich gezeigt, daß eine so eingestellte NCC-Prozeßlösung einem auf 50% Feuchtigkeitsgehalt eingestellten Rohkaffee keine NCC-Bestandteile entzieht).

Die jeweiligen Extraktionsstufen wurden wie in Beispiel 4 beschrieben in geschlossenen Polyethylen-Flaschen und in einer temperierbaren Schüttelmaschine durchgeführt. Am Ende jeder Extraktionsstufe wurden Kaffee und Prozeßlösung auf einem Sieb voneinander getrennt und die Prozeßlösung mit HPLC analysiert (vgl. Tabelle 5). Nach dreimaliger Extraktion wurde der Rohkaffee zurückgewogen und zur Feuchtigkeitsbestimmung 16 Stunden lang bei 103°C im Trockenschrank getrocknet. Anschließend wurde er gemahlen und mit HPLC auf seinen Gehalt an Coffein und Chlorogensäuren untersucht. Die HPLC-Analysen wurden wie in Beispiel 1 beschrieben durchgeführt.

Die Ergebnisse sind in den Tabellen 4 und 5 wiedergegeben.

Tabelle 4

Tabelle 5

Die Ergebnisse zeigen, daß der Coffeingehalt des behandelten Rohkaffees von 1,36 auf 0,13% und der Chlorogensäuregehalt von 5,35 auf 1,26% jeweils bezogen auf Trockengewicht des Kaffees gesenkt werden konnten.

Der Extraktionsverlauf ist in Fig. 5 dargestellt. Er bestätigt das in Beispiel 4 erhaltene Ergebnis, daß das Coffein schneller als die Chlorogensäuren extrahiert wird.

Beispiel 6 Herstellung einer mit Coffein und Chlorogensäuren angereicherten Prozeßlösung

Eine NCC-Prozeßlösung mit einer Trockenstoffkonzentration von 15%, welche weitestgehend von Coffein und Chlorogensäuren frei war (vgl. Tabelle 6), wurde nach dem Verfahren gemäß Beispiel 4 dreimal hintereinander mit jeweils 50 g frischem Columbia-Rohkaffee (Feuchtigkeitsgehalt ca. 50%) 3 Stunden lang bei 80°C ins Gleichgewicht gebracht. Zwischen den einzelnen Stufen wurde der Kaffee und die Prozeßlösung jeweils auf einem Sieb voneinander getrennt und die Prozeßlösung mit HPLC analysiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 wiedergegeben.

Tabelle 6

Die Ergebnisse zeigen, daß nach dem beschriebenen Verfahren der Coffeingehalt der Prozeßlösung auf 0,66 g/100 g und der Gehalt an Chlorogensäuren auf 2,20 g/100 g angehoben werden konnte.

Beispiel 7

Die nach dem Verfahren gemäß Beispiel 6 gewonnene, mit Coffein und Chlorogensäuren beladene Prozeßlösung wurde nach dem Verfahren gemäß Beispiel 2 an zwei Dextrangelen I und II in NCC-Fraktionen, Chlorogensäuren und Coffein aufgetrennt.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 wiedergegeben. Die HPLC-Peakbilder der Prozeßlösung vor der Trennung, der NCC-Fraktionen I und II sowie der Chlorogensäure- und Coffein-Fraktionen sind in Fig. 6 wiedergegeben.

Tabelle 7

Die Ergebnisse zeigen, daß die von den Säulen I (Sephadex® G 15) und II (Sephadex® G 10) gewonnenen NCC-Fraktionen I und II bis auf kleine Restmengen von Chlorogensäuren und Coffein befreit werden konnten. Diese Fraktionen sind somit geeignet, als Prozeßlösungen in kontinuierlichen Verfahren wiederum zur selektiven Extraktion von Coffein und Chlorogensäuren aus Rohkaffee eingesetzt zu werden.

Die Trennung an den Säulen I und II entsprach dem in Fig. 2 wiedergegebenen Verlauf.

Die von den Säulen I und II gewonnenen Einzelfraktionen wurden ferner wie in Beispiel 1 beschrieben mit HPLC analysiert. Die Ergebnisse sind in Fig. 6 dargestellt, wobei die absoluten Peakhöhen für den vorliegenden Fall ohne Bedeutung sind, da die Proben in unterschiedlicher Verdünnung in die Analyse eingeführt wurden.

Insgesamt wurden nach dem Verfahren des vorliegenden Beispiels das Coffein mit einer Reinheit von 66,67% und die Chlorogensäuren mit einer Reinheit von 68,29% erhalten.

Beispiel 8 Trennung von Modellgemischen aus Chlorogensäure und Coffein

Um den Mechanismus der Bindung von Chlorogensäuren an Coffein zu untersuchen, wurden drei Modellösungen hergestellt, in denen der Coffeingehalt konstant, die Chlorogensäuregehalte jedoch unterschiedlich waren (vgl. Tabelle 8).

Der pH-Wert der Lösungen betrug jeweils 5,8; alle Trennungen wurden bei 20°C an 30 cm langen Säulen mit einem Durchmesser von 2,5 cm durchgeführt, die jeweils mit 150 ml Sephadex G 10 gefüllt waren. Die Trennverläufe wurden über Leitfähigkeitsmessung und das Signal eines Differential-Refraktometers verfolgt. Da mit der Leitfähigkeitsmessung nur die Chlorogensäuren erfaßbar sind, wird durch die Gegenüberstellung der beiden Meßsignale zugleich der Anteil an Chlorogensäure in den jeweiligen Fraktionen meßbar. Die Chlorogensäuren und das Coffein in den jeweiligen Fraktionen wurden wie in Beispiel 1 beschrieben mit HPLC gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 7 und Tabelle 8 wiedergegeben.

Tabelle 8

Die Ergebnisse zeigen, daß das Coffein in wäßriger Lösung bei pH 5,8 eine etwa konstante Menge von Chlorogensäure an sich bindet. Bei einem Gewichtsverhältnis von 1 : 1 von Coffein und Chlorogensäuren in der Ausgangslösung enthielt die Coffein-Fraktion 73,81% Coffein und 26,19% Chlorogensäuren. Wurde der mengenmäßige Anteil von Chlorogensäure auf weniger als 1 : 0,5 gesenkt (vgl. Versuch 3), so lag die gesamte Chlorogensäure gebunden an Coffein vor (vgl. Fig. 7).

Beispiel 9 Gewinnung von reinem Coffein

420 g einer nach dem Verfahren gemäß Beispiel 2 als Eluat von Säule II gewonnenen, mit Chlorogensäuren verunreinigten Coffein-Fraktion wurden im Rotationsverdampfer auf 4,9 g eingeengt. Aus der hochkonzentrierten Lösung fiel eine Substanz aus, welche mit einer Nutsche abgesaugt wurde. Die Substanz wurde auf dem Filter mit 2 ml Wasser gewaschen, nochmals scharf abgesaugt und 2 Stunden lang bei 110°C im Trockenschrank getrocknet.

Es wurden 0,64 g einer weißen Substanz erhalten, welche mit HPLC wie in Beispiel 1 beschrieben analysiert wurde. Das Ergebnis zeigte, daß es sich bei der gewonnenen, weißen Substanz um Coffein mit einer Reinheit von 99,7% handelte.

Claims

1. Verfahren zur Abtrennung und Gewinnung von Coffein aus Rohkaffee und zur Gewinnung von entcoffeiniertem Kaffee durch wäßriges Extrahieren des Rohkaffees und Abtrennen des Coffeins aus dem Extrakt, dadurch gekennzeichnet, daß man das in dem Extrakt enthaltene Coffein mittels Gelpermeations-Chromatographie an einem Molekularsieb aus einem hochvernetzten modifizierten Polysaccharid bei Temperaturen oberhalb 20°C mit Wasser als Elutionsmittel von den Begleitstoffen abtrennt und das Coffein aus dem Eluat gewinnt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Gelpermeations-Chromatographie bei mindestens 40°C, vorzugsweise bei 50 bis 70°C, durchführt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Molekularsieb ein hochvernetztes Dextran verwendet.

4. Verfahren zur Abtrennung und Gewinnung von Coffein aus Rohkaffee und zur Gewinnung von entcoffeiniertem Kaffee durch wäßriges Extrahieren des Rohkaffees und Abtrennen des Coffeins aus dem Extrakt, dadurch gekennzeichnet, daß man das in dem Extrakt enthaltene Coffein mittels Gelpermeations-Chromatographie an mindestens zwei hochvernetzten Dextrangelen, von denen das erste Gel den niedrigeren Vernetzungsgrad besitzt, mit Wasser als Elutionsmittel von den Begleitstoffen abtrennt, wobei man die Coffein enthaltende Fraktion des Eluats des ersten Gels anschließend auf das zweite Gel gibt und das Coffein aus dem Eluat des zweiten Gels gewinnt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das zweite Gel auf Temperaturen oberhalb 20°C erwärmt und die Elution mit Wasser dieser Temperaturen durchführt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Chromatographie an dem zweiten Gel bei mindestens 40°C, vorzugsweise bei 50 bis 70°C durchführt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man das Verfahren kontinuierlich durchführt und die Coffein befreite Fraktion des Eluats nach Einstellen auf die Extrakt-Ausgangskonzentration als Prozeßlösung mit Coffein enthaltendem Rohkaffee in Berührung bringt, um den Coffeingehalt des Rohkaffees zu senken.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Prozeßlösung im Gegenstromverfahren durch eine Serie von Rohkaffee-Fraktionen mit steigendem Gehalt an Coffein führt, wobei die von Coffein weitgehend befreite Prozeßlösung jeweils auf die Fraktion mit dem niedrigsten Gehalt an Coffein trifft.

9. Verfahren zur simultanen Abtrennung und Gewinnung von Coffein und Chlorogensäuren aus einem wäßrigen Extrakt von Rohkaffee und zur Gewinnung von entcoffeiniertem Rohkaffee mit erniedrigtem Chlorogensäure-Gehalt, dadurch gekennzeichnet, daß man den Extrakt mittels Gelpermeations-Chromatographie parallel an zwei vernetzten Dextran-Gelen I und II mit unterschiedlichem Vernetzungsgrad auftrennt, indem man

(a) den Extrak zunächst auf ein Gel I mit einem Vernetzungsgrad aufbringt, welcher ausreicht, um die Begleitstoffe einschließlich des Coffeins von den Chlorogensäuren abzutrennen,
(b) das Gel I mit Wasser eluiert und die im wesentlichen von Chlorogensäuren freie Fraktion des Eluats auffängt,
(c) den das Coffein enthaltenden Teil der Eluat-Fraktion gemäß Stufe (b) direkt von Gel I auf ein Gel II leitet, welches einen hohen Vernetzungsgrad aufweist und in der Lage ist, das Coffein von den Begleitstoffen abzutrennen.
(d) die Gele I und II mit Wasser eluiert und
(e) die Chlorogensäuren und das Coffein aus den Eluaten gewinnt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die Trennung an dem Gel II in den Stufen (c) und (d) bei Temperaturen oberhalb 20°C durchführt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur mindestens 40°C, vorzugsweise 50 bis 70°C beträgt.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man das Verfahren kontinuierlich durchführt und die keine Chlorogensäuren und kein Coffein enthaltenden Fraktionen der Eluate der Gele I und II zu einer Prozeßlösung vereinigt und nach Einstellen auf die Extrakt-Ausgangskonzentration mit Chlorogensäuren und Coffein enthaltendem Rohkaffee in Berührung bringt, um den Chlorogensäure- und Coffein- Gehalt des Rohkaffees zu senken.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß man die Prozeßlösung im Gegenstromverfahren durch eine Serie von Rohkaffee-Fraktionen mit steigendem Gehalt an Chlorogensäure und Coffein führt, wobei die frisch gereinigte Prozeßlösung jeweils auf die Fraktion mit dem niedrigsten Gehalt an Chlorogensäure und Coffein trifft.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Coffein aus dem Eluat durch Entziehen von Wasser in weitgehend reiner Form ausfällt.