Lösungsmittelfreie Entkoffeinierung mit Leistungsultraschall

• Das herkömmliche Verfahren zur Entkoffeinierung von Kaffee und Tee erfordert den Einsatz giftiger Lösungsmittel.
• Die Ultraschallentkoffeinierung ist eine effiziente Methode zur Prozessintensivierung, mit der sich Koffein in einem wasserbasierten Extraktionsverfahren ohne den Einsatz aggressiver Lösungsmittel entfernen lässt.
• Die Ultraschallentkoffeinierung ist eine wirtschaftliche, wirksame und umweltfreundliche Methode zur Herstellung hochwertiger entkoffeinierter Kaffee-, Tee- und Kakaoprodukte.

Entkoffeinierung mit Ultraschall

Koffein ist eine wasserlösliche Substanz, sodass Wasser zur Entfernung von Koffein aus Kaffee, Tee und Kakao verwendet werden kann. Herkömmliche Entkoffeinierungsverfahren verwenden eine Chemikalie als Entkoffeinierungsmittel (wie Methylenchlorid, CO2 oder Ethylacetat), um den Prozess zu beschleunigen. Durch den Einsatz einer ultraschallgestützten, wasserbasierten Extraktion in Kombination mit Aktivkohle als Entkoffeinierungsmittel wird ein entkoffeiniertes Kaffee-, Tee- oder Kakaoprodukt in einem für Bioprodukte geeigneten und umweltschonenden Verfahren hergestellt.

Durch Ultraschall intensiviert: Swiss Water Decaffeination

Die ultraschallgestützte Entkoffeinierung intensiviert das sogenannte Verfahren Swiss water decaffeination .
Das Swiss-Water-Entkoffeinierungsverfahren nutzt Lösungsvorgänge und Osmose, um Koffein aus Kaffeebohnen, Teeblättern und Kakaobohnen zu entfernen.
Bei der Integration von Ultraschallgeräten mit Sonotrode in das Swiss-Water-Entkoffeinierungsverfahren wird in bestimmten Prozessphasen eine Ultraschallbehandlung eingesetzt, um die Koffeinextraktion zu verbessern. Das Swiss-Water-Entkoffeinierungsverfahren umfasst vier wesentliche Prozessschritte. Der Einsatz von Ultraschall für eine effizientere Entkoffeinierung kann je nach konkretem Aufbau und verwendeter Ausrüstung variieren. Im Folgenden wird allgemein erläutert, wie Ultraschallgeräte mit Sonotrode hauptsächlich zur Prozessverbesserung integriert werden:

1. Einweichphase: Im ersten Schritt des Swiss-Water-Entkoffeinierungsverfahrens werden die grünen Kaffeebohnen in heißem Wasser eingeweicht, um eine mit Aromastoffen angereicherte Wasserlösung zu erzeugen. Während dieser Einweichphase kann ein Ultraschallgerät mit Sonotrode zur Beschallung eingesetzt werden, um die Extraktion von Koffein aus den Bohnen zu erleichtern. Ultraschall ist bekannt für seine Fähigkeit, die Extraktion bioaktiver Verbindungen wie Koffein aus Pflanzenmaterialien zu intensivieren. Die mechanischen Kräfte der Ultraschall- bzw. akustischen Kavitation perforieren und zerstören die Zellen und fördern den Stofftransport. Dadurch wird das Koffein aus den Bohnen gelöst und effizient an das Wasser abgegeben. Aufgrund dieser Effekte beschleunigt die Beschallung den Entkoffeinierungsprozess erheblich. Das mit Ultraschall extrahierte Koffein ist ein wertvoller Zusatzstoff für Lebensmittel und Getränke, z. B. für Energydrinks.
2. Phase der Koffeinentfernung: Nach dem ersten Einweichen wird das koffeinhaltige, mit Aromastoffen angereicherte Wasser von den Kaffeebohnen getrennt. Dieses Wasser wird normalerweise durch Aktivkohlefilter geleitet, um das Koffein zu entfernen. Die Porosität dieses Filters ist so bemessen, dass nur größere Koffeinmoleküle aufgefangen werden, während kleinere Öl- und Aromamoleküle hindurchgelassen werden. Das bedeutet, dass der Aktivkohlefilter das Koffein zurückhält, während das gefilterte Wasser alle kleineren bioaktiven Substanzen enthält, die bekanntlich Kaffee, Tee und Kakao ihr unverwechselbares Aroma und ihren Nährwert verleihen.
3. Reabsorptionsphase: Die entkoffeinierten Bohnen, denen Koffein und Aromamoleküle entzogen wurden, werden weggeworfen. Das koffeinfreie, mit Aromen und Polyphenolen angereicherte Wasser (auch als “Grüner Kaffee-Extrakt” bezeichnet) ist sehr wertvoll und wird verwendet, um einer frischen Charge noch koffeinhaltiger Kaffeebohnen das Koffein zu entziehen.
   Da dieses Wasser mit Aromamolekülen und anderen bioaktiven Stoffen gesättigt ist, können sich diese Verbindungen in der frischen Charge Kaffeebohnen nicht auflösen. Dadurch werden nur Koffeinmoleküle aus den Kaffeebohnen an das Wasser abgegeben und eine Entkoffeinierung vorgenommen, ohne dass Aroma und andere wertvolle Phyto-Chemikalien verloren gehen. Sobald das mit Aromastoffen angereicherte Wasser frei von Koffein ist, wird es zur Extraktion von Koffein aus einer neuen Charge grüner Kaffeebohnen wiederverwendet. Auch in dieser Reabsorptionsphase kann der Einsatz von Ultraschallgeräten mit Sonotrode von Vorteil sein. Die grünen Bohnen werden in dem mit Aromastoffen angereicherten Wasser eingeweicht und mit Ultraschall beschallt, um die Koffeinextraktion zu erleichtern. Die Beschallung trägt dazu bei, dass das Wasser besser in die Bohnen eindringt, wodurch die Extraktionsleistung verbessert und die Extraktionszeit verkürzt wird.
4. Wiederholte Reabsorption und Trocknung: Die Schritte der Reabsorption und Beschallung können mehrfach wiederholt werden, bis der gewünschte Entkoffeinierungsgrad erreicht ist. Nach der endgültigen Reabsorption werden die entkoffeinierten Kaffeebohnen in der Regel getrocknet, und das mit Aroma angereicherte Wasser kann für die nächste Charge wiederverwendet werden.

Fallstudie zur Entkoffeinierung von Kaffeebohnen mit Ultraschall

Die Studie von Huamaní-Meléndez und Darros-Barbosa (2018) hatte zum Ziel, die Wirkung von Ultraschallintensität, -puls und -temperatur auf die Extraktion von Koffein aus Arabica-Kaffeebohnen in einem wässrigen Medium zu untersuchen. Die Forscher verwendeten die Hielscher Hochintensitäts-Ultraschallsonde UP400S (400 Watt; siehe Bild links) und führten Experimente mit unterschiedlichen Intensitäten, Pulsdauern und Temperaturen durch. Sie fanden heraus, dass eine Erhöhung der Ultraschallintensität und der Pulsdauer zu einer höheren Koffeinextraktionsrate führte, allerdings nur bis zu einem bestimmten Punkt, nach dem weitere Erhöhungen die Extraktion nicht wesentlich verbesserten. Als optimale Bedingungen für die Koffeinextraktion erwiesen sich eine Ultraschallintensität von 75 W/cm2, eine Pulsdauer von 5 Sekunden und eine Temperatur von 25 °C. Die Studie liefert ein spezifisches Protokoll für die Verwendung von Ultraschall zur Extraktion von Koffein aus Kaffeebohnen und legt nahe, dass diese Methode eine wirksame und umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Entkoffeinierungsverfahren sein könnte.

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für lösungsmittelfreie Entkoffeinierung

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