高出力超音波による溶媒を使わない脱カフェイン

• コーヒーや茶の従来の脱カフェイン処理には、有毒な溶媒の使用が必要です。
• 超音波脱カフェインは、刺激の強い溶媒を使わずに、水を用いた抽出工程でカフェインを除去できる効率的なプロセス強化方法です。
• 超音波脱カフェインは、高品質な脱カフェインコーヒー、茶、ココア製品を製造するための、経済的で効果的かつ環境に優しい方法です。

超音波処理による脱カフェイン

カフェインは水溶性物質であるため、水を使ってコーヒー、茶、ココアからカフェインを除去できます。従来の脱カフェインプロセスでは、処理を速めるために、脱カフェイン剤として化学物質（塩化メチレン、CO2、酢酸エチルなど）を使用します。水を用いた超音波抽出と、脱カフェイン剤としての活性炭を組み合わせることで、有機的で環境に優しいプロセスによって、脱カフェインコーヒー、茶、ココア製品を製造できます。

超音波で強化する Swiss Water Decaffeination

超音波支援による脱カフェインは、いわゆる Swiss water decaffeination を強化するプロセスです。
Swiss Water脱カフェインプロセスは、溶解と浸透の原理に基づき、コーヒー豆、茶葉、カカオ豆からカフェインを除去します。
Swiss Water脱カフェインプロセスにプローブ型超音波装置を組み込む際には、カフェイン抽出を促進するために、プロセスの特定の段階で超音波処理を取り入れます。Swiss Water脱カフェインプロセスには、四つの主要な工程があります。より効率的な脱カフェインのための超音波の導入方法は、具体的な構成や装置によって異なりますが、以下に、プロセス改善のためにプローブ型超音波装置を主にどのように組み込むか、その一般的な概要を示します。

1. 浸漬段階： Swiss Water脱カフェインプロセスの最初の工程では、生のコーヒー豆を熱水に浸し、風味成分を含む水溶液を作ります。この浸漬段階では、プローブ型超音波装置による超音波処理を用いて、豆からのカフェイン抽出を促進できます。超音波処理は、植物材料からカフェインなどの生理活性化合物を抽出するプロセスを強化する能力でよく知られています。超音波／音響キャビテーションの機械的な力が細胞に孔を開けて破砕し、物質移動を促進します。これにより、カフェインが豆から除去され、効率的に水中へ放出されます。こうした作用により、超音波処理は脱カフェインプロセスを大幅に速めます。超音波で抽出されたカフェインは、エナジードリンクなどの食品や飲料にとって価値のある添加物です。
2. カフェイン除去段階： 最初の浸漬の後、カフェインと風味成分を含む水をコーヒー豆から分離します。通常、この水を活性炭フィルターに通してカフェインを除去します。このフィルターの孔径は、より大きなカフェイン分子のみを捕捉し、より小さな油分子や風味成分の分子を通過させるように設定されています。つまり、活性炭フィルターはカフェインを保持する一方で、ろ過された水には、コーヒー、茶、ココアに特有の香りと栄養価を与えることが知られている、より小さな生理活性物質がすべて含まれています。
3. 再吸収段階： カフェインと風味成分の分子が取り除かれた脱カフェイン豆は廃棄されます。カフェインを含まず、風味成分とポリフェノールが豊富な水（「グリーンコーヒー抽出液」とも呼ばれます）は非常に価値が高く、まだカフェインを含む新しいバッチのコーヒー豆からカフェインを除去するために使用されます。
   この水は風味成分の分子やその他の生理活性物質で飽和しているため、これらの化合物は新しいバッチのコーヒー豆の中に溶け込むことができません。そのため、コーヒー豆から水中へ放出されるのはカフェイン分子だけであり、香りやその他の価値ある植物由来の化学成分を除去しない脱カフェインです。風味成分を含む水からカフェインがなくなると、その水は新しいバッチの生のコーヒー豆からカフェインを抽出するために再利用されます。この再吸収段階でも、プローブ型超音波処理の使用が有効です。生豆を風味成分を含む水に浸し、超音波処理を施してカフェイン抽出を促進します。超音波処理は豆への水の浸透を促進し、抽出効率を向上させ、抽出時間を短縮するのに役立ちます。
4. 再吸収の繰り返しと乾燥： 所望の脱カフェイン水準に達するまで、再吸収と超音波処理の工程を複数回繰り返すことができます。最後の再吸収の後、通常、脱カフェインされたコーヒー豆を乾燥させ、風味成分を含む水は次のバッチで再利用できる状態になります。

コーヒー豆の超音波脱カフェインの事例研究

Huamaní-MeléndezとDarros-Barbosa（2018）の研究は、水性媒体を用いたアラビカ種コーヒー豆からのカフェイン抽出に対する、超音波強度、パルス、温度の影響を調べることを目的としていました。研究者らはHielscherの高強度超音波プローブUP400S（400ワット；左の写真参照）を使用し、強度、パルス持続時間、温度を変えて実験を行いました。その結果、超音波強度とパルス持続時間を増加させるとカフェイン抽出率が高まるものの、それは一定の限度までにとどまり、それ以上増加させても抽出は有意には改善しないことがわかりました。カフェイン抽出の最適条件は、超音波強度75 W/cm2、パルス持続時間5 sec、温度25°Cであることがわかりました。この研究は、超音波を使ってコーヒー豆からカフェインを抽出する具体的な手順を示しており、この方法が従来の脱カフェインプロセスに代わる、効果的で環境に優しい方法となり得ることを示唆しています。

溶媒を使わない脱カフェインのための高性能超音波装置

Hielscher Ultrasonicsは、穏やかでありながら非常に効果的な抽出および脱カフェインプロセスのために、高性能超音波装置を提供します。各装置の超音波出力が50–16,000ワットの範囲にわたるHielscherの超音波装置製品群には、お客様のコーヒー抽出と脱カフェインプロセスに最適な超音波装置があります！
高出力超音波装置とその用途に関する長年の経験を持つメーカーおよびコンサルタントとして、Hielscherは超音波支援抽出プロセスにおけるお客様のパートナーです。Hielscherの超音波プロセッサーは、食品・飲料、製薬、化学産業の用途向けに世界中で導入されています。
当社は高出力超音波抽出装置を供給するだけでなく、豊富な知識でお客様を支援します。当社のカスタマーサービスは、コンサルティングと実現可能性調査から、プロセスの最適化、パイロット装置、産業規模の超音波システムの設置まで幅広く対応しています。
幅広い超音波プロセッサーと付属品（ソノトロード、フローセル、反応器など）を提供しているため、お客様のプロセス処理能力と条件の要件を満たす、最も適したシステムを推奨できます。当社の超音波抽出装置は大幅な改造を行わずに組み込めるため、既存のプロセスラインへの設置や後付け導入も容易です。
十分な訓練を受けたプロセスコンサルタント、化学者、エンジニアが、お客様の設置と運転を成功へと導きます。Hielscherの装置は卓越した堅牢性を備え、必要なメンテナンスはごくわずかです。操作トレーニング、初回試運転、メンテナンスサービスについても、十分な訓練を受けたチームがお客様を支援します。