디카페인 커피 심화학습 (2) 이산화탄소를 이용한 카페인 제거 방법
커피 향기를 좋아하지만 카페인에 민감한 분들을 위해 디카페인 커피 심화학습을 계속하고 있습니다. 이 포스팅에서는 디카페인 커피를 만드는 방법 중 하나인 초임계 이산화탄소(Supercritical CO2)를 이용한 카페인 제거 방법에 대해 살펴보도록 하겠습니다. 디카페인 커피를 구입하실 때 참고하시기 바랍니다.
글의 순서
디카페인 커피와 제조 방법
초임계 이산화탄소(Supercritical CO2)를 이용한 카페인 제거
5단계로 정리하는 초임계 이산화탄소를 이용한 카페인 제거 방법
초임계 이산화탄소 방법으로 만든 디카페인 커피의 향기와 맛
디카페인 커피와 제조 방법
디카페인 커피는 어떻게 만들어질까요? 지난 포스팅에서 알아본 바와 같이 디카페인 커피 제조 방법은 아래와 같이 크게 3가지 정도로 분류할 수 있습니다.
▶ 메틸렌 클로라이드, 에틸 아세테이트와 같은 용매를 이용하는 방법
▶ 스위스 워터 프로세스 (Swiss Water Process)
▶ 이산화탄소를 이용하는 방법
이 포스팅에서는 이들 디카페인 커피 제조 방법 중 이산화탄소를 이용한 카페인 제거 방법에 대해 살펴보고자 합니다.
초임계 이산화탄소(Supercritical CO2)를 이용한 카페인 제거
이산화탄소(CO2)를 이용한 카페인 추출법은 1967년 막스플랑크연구소(Max Planck Institute)의 화학자인 Kurt Zosel에 의해 개발되었습니다. 그는 고도로 압축된 이산화탄소로 물질을 분리해내는 실험을 하던 중, 카페인도 분리해 낼 수 있다는 것을 알아채게 되었습니다. 사실 압축된 이산화탄소로 혼합물을 분리하는 일은 화학자들의 일상적인 업무이기도 합니다. Kurt Zosel은 1970년에 이산화탄소를 이용한 디카페인 공정에 대한 특허를 냈습니다.
이산화탄소를 이용한 카페인 추출법을 사용하면 커피의 향기와 맛 성분의 손실이 적다고 알려져 있습니다. 카페인 추출을 위한 비용이 많이 든다는 점은 이산화탄소를 이용한 디카페인 커피 제조 공정의 단점입니다.
5단계로 정리하는 초임계 이산화탄소를 이용한 카페인 제거 방법
zephyrsolutions.com을 참고하여 카페인 제거 공정을 아래와 같이 5단계로 정리하였습니다.
(1) 생두를 물에 담근다.
생두를 물에 담그는 것은 스위스 워터 프로세스와 공통되는 과정입니다. 이 과정에서 생두로 물이 스며들어 생두의 부피는 2배 정도로 불어납니다. 이때 생두에 들어있던 카페인은 생두 내부에 스며든 물에 녹게 됩니다.
(2) 물에 젖은 생두를 추출 통(Extraction Vessel)에 집어넣고 밀봉한다.
이 통에 이산화탄소를 강한 압력으로 흘려줄 예정입니다. 이 통은 거대한 스테인레스 스틸 재질이며, 밀봉되어 있습니다. 여기에 추출 통과 연결된 흡수 통(Absorption Vessel)이 있습니다. 이 통의 압력은 낮습니다.
(3) 초임계 이산화탄소(Supercritical CO2)를 통에 밀어 넣는다.
액체화된 이산화탄소, 즉 액화 이산화탄소를 1,000 psi의 강한 압력으로 생두가 들어있는 추출 통(Extraction Vessel)으로 밀어 넣습니다. 이때 액화 이산화탄소의 온도는 섭씨 93도 정도로 뜨겁게 합니다. 이 같은 액체 상태의 이산화탄소를 초임계 이산화탄소(Supercritical CO2)라고 부릅니다. 압력의 단위인 psi은 아래에 따로 정리하였습니다.
(4) 초임계 이산화탄소(Supercritical CO2)로 카페인을 녹여낸 후 제거한다.
초임계 이산화탄소는 카페인을 녹여내는 용해제의 역할을 합니다. 높은 온도와 강한 압력의 액화 이산화탄소는 물에 젖은 생두 속에 들어있던 카페인을 녹여냅니다. 이때 소량의 물도 딸려 나옵니다.
소량의 물이 포함된 카페인은 초임계 이산화탄소에 녹아 ‘추출 통’에서 ‘흡수 통’으로 이동하게 됩니다. ‘흡수 통’은 압력이 낮습니다. 초임계 이산화탄소와 카페인 혼합물이 낮은 압력의 ‘흡수 통’으로 들어오면 이산화탄소는 다시 기체 상태가 되며, 카페인이 분리됩니다.
이렇게 기체상태가 된 이산화탄소에 다시 압력과 열을 가해 액화시킨 후 ‘추출 통’으로 밀어 넣는 과정이 반복됩니다. 이산화탄소를 추출 통과 흡수 통 사이로 이동시키면서 젖은 생두로부터 카페인을 제거하는 이 과정에는 5~7시간 정도가 걸립니다.
(5) 카페인이 제거된 생두를 건조시킨다.
카페인이 제거된 젖은 생두를 추출 통에서 빼내서 건조시키면 디카페인 커피가 완성되는 것입니다.
※ psi : 압력의 단위입니다, 가로, 세로 1 inch의 정사각형에 1 파운드의 힘이 가해질 때의 상태를 1 psi의 압력이라고 합니다. 우리에게 익숙한 kg과 센티미터로 바꿔보면, 1 psi는 0.0703 kg/cm2 이 됩니다. 가로, 세로 1 cm의 정사각형에 70.3 g 의 힘이 가해질 때의 상태입니다. 따라서 1000 psi 의 압력이라고 하면 가로, 세로 1 cm의 정사각형 안에 70.3 kg의 힘이 가해질 때의 상태입니다. 이것을 다시 우리에게 익숙한 bar 단위로 환산하면 약 69 bar 가 됩니다. 대기압의 약 69배 정도라는 얘기입니다. 에스프레소 추출 압력이 9 bar 인 것과 비교하셔도 압력에 대한 감을 잡는데 도움이 될 것이라 믿습니다.
초임계 이산화탄소 방법으로 만든 디카페인 커피의 향기와 맛
이산화탄소를 이용한 카페인 추출법을 사용하면 커피의 향기와 맛 성분이 적게 손실된다고 알려져 있습니다. 초임계 이산화탄소 방법으로 만든 디카페인 커피도 물에 불리는 과정이 있기 때문에 커피 분자의 조성이 변할 수 있습니다. 커피 분자의 조성 변화는 스위스 워터 프로세스와 비교했을 때는 덜할 것으로 예상합니다.
커피 분자 조성의 변화 외에도 커피 성분의 손실이 있습니다. 생두 내부로 스며든 수분에 커피 성분이 녹아 나올 것이고, 이산화탄소로 카페인을 제거하는 과정에서 이 수분이 함께 제거되기 때문입니다. 물론 제거되는 커피 성분은 무척 적은 양입니다.
쓴맛을 내는 대표적인 성분이 카페인이므로 쓴맛이 덜한 커피가 됩니다. 고급 커피일수록 또는 쓴맛이 덜하게 추출한 커피일수록 카페인 커피와 디카페인 커피간에 맛을 구분하기는 어려워 보입니다.
마치며 …
이 포스팅에서는 디카페인 커피 제조 방법 중 이산화탄소를 이용한 카페인 제거 방법에 대해 살펴보았습니다.
이산화탄소를 이용한 카페인 제거 방법도 스위스 워터 프로세스와 유사하게 생두를 물에 담그는 것부터 시작합니다. 이때 생두는 2배 정도 불어나며, 카페인은 생두 내부에 스며든 물에 녹게 됩니다. 물에 젖은 생두를 추출 통(Extraction Vessel)에 집어넣고 밀봉한 후, 초임계 상태의 이산화탄소를 추출 통에 밀어넣어 줍니다. 이때 초임계 이산화탄소에 카페인과 소량의 물이 녹아나오며, 추출 통과 연결된 흡수 통(Absorption Vessel)으로 보내집니다. 흡수통에서 이산화탄소가 기체 상태로 바뀌면서 카페인이 분리됩니다. 흡수 통에서 생긴 기체 이산화탄소는 다시 액화되어 추출 통으로 들어가며 이 과정이 반복되면서 추출 통 속에 있는 젖은 생두로부터 카페인을 모두 제거하게 됩니다.
이산화탄소로 카페인을 제거한 디카페인 커피는 쓴맛이 덜한 커피가 됩니다. 쓴맛을 내는 대표적인 성분이 카페인이기 때문입니다. 이 포스팅이 디카페인 커피를 고르실 때 도움이 되길 바랍니다.
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참고자료
[1] CO2 decaffeination — A decaf coffee without chemicals
[2] Natural decaffeination: Swiss Water and CO2 processes