(화학 생기부 추천) 커피에서 카페인을 어떻게 제거하는가

카페인(C8H10N₄O₂)은 식물의 씨앗과 잎에서 자연적으로 생기는 살충제이다.

카페인은 그 식물을 갉아먹는 특정 곤충들을 죽이거나 마비시킨다.

사람에게는 카페인이 자극제로 작용하는데, 그 이유 때문에 커피 원두나 녹차 잎에서 제거되기도 한다.

추출(extraction)은 커피 원두로부터 카페인 분자를 제거하는 것과 같이 혼합물로부터 어떤 물질을 분리하는 과정이다.

1905년에 로셀리우스(Ludwig Roselius)는 벤젠(C6H6)을 용매로 사용하여 커피에서 카페인을 추출하는 방법을 개발했다.

카페인은 무극성 용매인 벤젠에 잘 녹는데, 카페인 분자의 상당 부분이 무극성이기 때문이다.

만일 용질과 용매의 극성이 같으면 용해도는 높게 된다.

다시 말하면 무극성 요매에는 무극성 용질이 잘 녹고, 극성 용매에는 극성 용질이 잘 녹는다.

 하지만 식품산업에서 벤젠을 용매로 사용하는 것은 잘못된 선택인데, 벤젠은 매우 독성이 크고 암을 유발하는 발암물질이기 때문이다.

커피의 잔류 벤젠은 소비자의 건강에 심각한 위협이 될 수 있다.

 

이보다 안전한 방법은 초임계 CO₂를 사용해 커피 원두로부터 카페인을 추출하는 것이다.

CO₂는 독성이 없고, 불연성이며, 식품 시료로부터 쉽게 분리할 수 있고, 재활용할 수 있다.

CO₂는 무극성 분자이고, 카페인과 같은 무극성 용질을 잘 녹인다.

 하지만 실온과 대기압(25℃, 1atm)에서 CO₂는 기체이기 때문에 용매로 사용될 수 없다.  온도와 압력을 올리면 CO₂의 초임계상이 만들어지는데, 기체와 액체 중간 정도의 독특한 성질을 가지게 된다.

 초임계 CO₂는 액체상과 같은 용매 특성을 보이는데, 마치 기체처럼 빠르게 확산하고 흐르기 때문에 통상적인 유기 용매를 사용할 때보다 훨씬 빠르게 추출 작업을 할 수 있다.

 초임계 CO₂는 표면 장력도 작아서 커피 원두에 있는 미세한 구멍으로 투과되어 내부에 있는 카페인을 녹여낼 수 있다.

 

 

극성, 무극성 분자와 관련 지어 사용하면 좋을 듯 합니다.