디카페인 커피 공정 알아보기(유기용매 추출법, 이산화탄소 추출법, 스위스 워터 프로세스)

안녕하세요 에듀몬입니다. 디카페인 공정은 1819년 독일의 화학자 룽게(Friedrich Ferdinand Runge)에 의해 처음으로 카페인 제거 기술이 개발되었으나 본격적인 상업화는 1903년 독일의 카페 하그(Kaffee HAG) 사의 설립자인 로셀리우스(Ludwig Roselius, 1874 ∼1943)에 의해 시작되었고 1906년에 특허를 받았습니다. 이는 생두를 수증기에 쬐어 콩을 부풀리고 표면적을 넓혀서 카페인을 제거하는 용매가 카페인을 잘 용해되도록 하는 공법을 사용하였습니다. 카페인을 제거하는 용매로는 벤젠, 클로 포름, 트리클로로 에틸렌, 그리고 디클로로메탄 같은 용매를 사용하였습니다. 그러나 인체에 유해성과 환경에 대한 영향 같은 문제로 인해 다른 수단으로 대체되었습니다. 카페인을 추출하는 방법에는 여러 가지 방법이 사용되지만, 최근에는 세 가지의 방법이 주로 사용됩니다. 첫째는 유기용매를 이용한 추출법이고, 둘째는 이산화탄소를 이용하는 추출법이며, 마지막으로 물을 이용하는 추출법입니다.

 

 

 

 

1. 유기용매 추출법

 

  유기용매 추출법에 사용법에 사용되는 용매는 에틸아세테이트(ethyl acetate)와 메틸렌클로라이드(methylene chloride) 등이 대표적입니다. 메틸렌클로라이드 는 상대적으로 비등점이 40℃로 낮으므로 저온에서 이용할 수 있는 장점이 있습니다. 카페인 추출용매에 염소계 화합물이 주로 사용되었으며, 트리클로로 에틸렌(trichloroethylene)이 주로 사용되었다가, 1977년 미 FDA(Food and Drug Administration)의 조사에서 발암 효과의 위험성이 발견됨에 따라 메 틸렌클로라이드로 대체되었습니다.

  유기용매를 이용하는 방법은 먼저 커피 생두에 압력을 가한 상태에서 증기를 쐬어 줍니다. 그렇게 되면, 생두가 부풀게 되고 표면적이 넓어지게 되면서 카페인 제거가 용이하게 됩니다. 그 다음, 다시 압력을 가한 상태에서 용매의 끓는점에 가까운 온도에서 용매를 이용하여 카페인을 제거하게 됩니다. 용매는 커피의 품질에 영향을 주지 않고 카페인만을 선택적으로 제거해야 하지만, 미량의 용매 성분이 커피에 잔류하게 되지만, 이러한 잔류 성분은 디카페인 커피를 마시는 사람의 건강에 영향을 주지 않아 안전합니다.

  정제된 카페인은 가치 있는 부산물로서 약학 및 음료 산업용으로 판매할 수 있습니다. 현재 사용되는 두 가지의 유기용매는 각각 장단점이 있는데, 디클로로메탄은 비연소성으로서 폭발 방지 설비가 필요하지 않은 대신 방출 기준 및 건강 보호 기준이 엄격합니다. 두 가지의 방법의 추출 공정은 유사하며 카페인을 추출하는 업계에서는 두 용매를 동시에 사용하기도 합니다. 그러나 국내에서는 유기용매를 사용하여 카페인이 추출된 커피가 반입되지 않는데, 이는 식품의약 안전처의 식품의 기준 및 규격(2018)에 따른 것으로 ‘커피 원두의 추출 용제는 물, 주정 또는 이산화탄소를 사용하여야 한다’라고 규정되어 있습니다.

 

 

2. 이산화탄소(CO2) 추출법

 

  이산화탄소 추출법은 1970년대 독일의 HAG사에 의해 개발된 공법으로 초임계 이산화탄소(supercritical carbon dioxide extraction)는 훌륭한 무극성의 카페인 용매입니다. 그리고 카페인 추출 시 유기용매보다 더 안전하며 추출 공정은 더 단순합니다. 1982년 독일의 HAG 회사는 이산화탄소를 사용한 디카페인 커피를 판매하기 시작하였고 이후에 판매량이 22% 증가하였습니다. 이산화탄소는 보통 기체 형태로 존재하며 압력(200기압)을 받은 상태에서 온도가 초임계(critical point) 온도인 31℃를 넘어가면 이산화탄소는 액체 또는 초임계 유체 형태가 되어 액체 상태처럼 되며 생두에 침투하여 97 ∼99%의 카페인을 용해하게 됩니다. 초임계 유체 상태에서 이산화탄소는 어느 정도의 카페인을 녹일 수 있지만 다른 용매에 비해 용해도는 낮습니다. 그리고 초임계 이산화탄소를 사용한 디카페인 가공은 25 기압 100℃의 환경에서 진행합니다.

  이산화탄소를 사용하는 카페인 추출은 생두를 증기나 물로 불린 뒤, 추출기에 생두와 이산화탄소를 투입하여 카페인을 이산화탄소에 흡착시키고 이산화탄소를 배출하여 카페인을 제거하는 방법으로 이루어집니다.

  오늘날 주로 사용하는 방식은 두 가지인데, 하나는 활성탄에 흡수시키는 것이고 다른 하나는 고압 컬럼에서 물로 씻어내는 것입니다. 고압 칼럼에서 물로 씻어내는 경우, 카페인이 녹아 있는 물을 멤브레인에 통과시켜 재활용하는데 이 과정은 비교적 까다롭습니다.

  이산화탄소는 인체에 무해하며 비연소성이기 때문에 부작용 없이 디카페인 추출이 가능합니다. 다만 설비 비용과 유지 비용이 높고 특수한 고압 처리 기술이 필요한 단점이 있습니다.

 

 

3. 스위스 워터 프로세스(Swiss Water Process)

 

  현재 디카페인 커피 산업에서 널리 사용되고 있는 또 다른 방법은 스위스 워터 프로세스입니다. 이 방법은 활성탄을 흡착제로 사용하여 카페인을 추출하는 방법으로 가장 안전한 방법 중 하나입니다. 커피 산업에서 이 방법이 사용되는 범위는 5-20% 정도입니다. 1938년 스위스의 Coffex 사에서 물을 이용하여 카페인을 제거하는 방법을 개발하였으나 상용화되기까지 오랜 시간이 걸렸습니다. 이 방식을 사용하기 위해서는 생두 추출물(Green Coffee Extract: GCE)이라고 하는 용액이 필요합니다. 먼저 생두를 뜨거운 물에 담가 카페인과 커피 내 많은 수용성 물질이 녹아 나오도록 합니다. 그 후 용액을 활성탄소(carbon filter)에 걸러내면 카페인만 제거되고 다른 수용성 성분들은 통과합니다. 이렇게 만들어진 용액이 바로 생두 추출물입니다. 카페인을 제거하고자 생두를 생두 추출물에 담가 두면 카페인만 우러나게 됩니다. 용액에는 카페인을 제외한 수용성 성분들이 이미 포화상태를 이루고 있어 생두의 수용성 성분들은 추출되지 않기 때문입니다. 이 생두 추출물을 활성탄소를 이용하여 걸러내고 다시 생두를 담그는 작업을 반복하여 카페인을 99% 이상 제거합니다. 그 후 생두를 건조하면 대부분의 향미는 유지하고 카페인만 제거된 커피가 됩니다.

  유기용매 추출법에서 단점으로 꼽히는 유독성의 문제를 해결하고자 물을 이용한 카페인 추출법이 개발되었습니다. 그러나 물은 카페인만 선택적으로 추출하지는 못하고, 다른 커피의 성분들을 용해한다는 단점을 지니고 있습니다. 이러한 커피의 성분들은 커피의 맛과 향의 요소일 수 있어서 이러한 성분들의 손실을 줄이기 위해 카페인 추출에 사용되는 물에는 동일한 양의 커피 성분들을 포함해야 합니다.

  카페인을 추출하기 위해 물을 이용하는 공정은 유기용매 추출법에 비해 자연 친화적인 방법으로 전체 디카페인 커피 생산량 중 22%를 차지하고 있지만 다른 추출법에 비해 비용이 높다는 단점이 있습니다.

 

 

※ 참고문헌: 에티오피아 커피의 디카페인 공정과 로스팅 정도에 따른 관능적 품질 특성(정현우, 2021)