[논문]커피 찌꺼기의 카페인 용출 및 산화분해 특성

신민정; 김영훈

doi:10.5322/jesi.2018.27.12.1205

커피 찌꺼기의 카페인 용출 및 산화분해 특성
Extraction of Caffeine from Spent Coffee Grounds and Oxidative Degradation of Caffeine 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.27 no.12, 2018년, pp.1205 - 1214

Abstract ▼ AI-Helper

During the past few decades, significant increase in the consumption of coffee has led to rapid increase in the production of coffee waste in South Korea. Spent coffee waste is often treated as a general waste and is directly disposed without the necessary treatment. Spent Coffee Grounds (SCGs) can release several organic contaminants, including caffeine. In this study, leaching tests were conducted for SCGs and oxidative degradation of caffeine were also conducted. The tested SCGs contained approximately 4.4 mg caffeine per gram of coffee waste. Results from the leaching tests show that approximately 90% of the caffeine can be extracted at each step during sequential extraction. Advanced oxidation methods for the degradation of caffeine, such as $UV/H_2O_2$, photo-Fenton reaction, and $UV/O_3$, were tested. UV radiation has a limited effect on the degradation of caffeine. In particular, UV-A and UV-B radiations present in sunlight cause marginal degradation, thereby indicating that natural degradation of caffeine is minimal. However, $O_3$ can cause rapid degradation of caffeine, and the values of pseudo-first order rate constants were found to be ranging from $0.817min^{-1}$ to $1.506min^{-1}$ when the ozone generation rate was $37.1g/m^3$. Additionally, the degradation rate of caffeine is dependent on the wavelength of irradiation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

AOP는 PPCPs (Abdelmelek, 2011), 농약(Klancar, 2016)등 기존의 염소소독이나 미생물로 제거하기 어려운 유기물 질을 효과적으로 처리 할 수 있고 2차오염의 가능성이 적기 때문에 최근 주로 연구되고 있는 방법 중 하나이다. 본 연구에서는 커피 찌꺼기로부터 용출되는 카페인의 용출 특성 및 고도산화공정을 이용한 카페인의 분해 특성을 연구하고자 하였다.

제안 방법

고도산화공정에 의한 카페인의 분해는 UV 및 자연광의 조사로 인한 물분자의 분해, UV의 조사로 인한 과산화수소의 분해, 2가 철의 촉매작용으로 인한 과산화수소의 분해, 오존의 분해 등으로 인한 수산화라디칼에 의해 분해되거나, 오존에 의해 직접 분해되는 것이라 가정하였으며 유사 1차 반응으로 가정하여 반응속도상수를 도출하였다.
커피 찌꺼기는 카페인, 탄닌, 폴리페놀과 같은 유기오염물질을 함유하고 있으며, 수 환경에서 용출 될 가능성이 있다. 따라서 커피 찌꺼기를 연속추출하여 카페인의 함량을 평가하였다. 커피 찌꺼기 5g을 끓는 초순수 200 mL에 투입하여 3회 연속추출하였다.
자외선 및 자연광을 조사하여 카페인을 분해하는 실험을 통해 자연계에 노출된 카페인의 화학적인 분해특성을 확인하고자 하였다. 시간에 따른 카페인의 분해를 Fig.

대상 데이터

카페인의 추출에 사용된 커피 찌꺼기는 국내 H사의 커피 찌꺼기를 이용하였다. H사는 국내 커피판매의 메이저회사의 하나이며 커피 찌꺼기는 원두의 로스팅 방법이나 커피 제조방식을 고려하지 않고 1일간 발생한 찌꺼기를 모두 수거하여 혼합하였으며 1개 메이저사의 평균적 발생형태의 시료를 만들고자 노력하였다.
표준시약으로는 caffeine (99%, Sigma-aldrichm)을 이용하였다. UV의 파장에 따른 카페인 분해율을 조사하 기 위해 소비전력 8W인 자외선램프를 사용하여 UV-A (F8T5BL, Sankyo), UV-B (G8T5E, Sankyo), UV-C (G8T5, Sankyo)를 발생시켰다.

성능/효과

3. 고도산화공정 중 UV/H₂O₂, photo-Fenton공정에서 파장이 짧은 자외선을 조사 하였을 때 카페인의 분해 효율이 더 높은 것을 확인하였다.
4. photo-Fenton공정의 경우 용액의 pH를 3으로 조절한 경우 조절하지 않았을 때보다 분해율이 더 높았다.
5. UV/O₃공정에서 오존의 발생량이 증가할수록 카페인의 분해율이 증가하였으나 자외선파장의 차이에 의한 영향은 적은 것으로 나타났다.

후속연구

매우 많은 양의 커피 찌꺼기가 자연수에 노출될 경우 카페인은 자연수에 용출될 수 있으며 저농도로 존재하는 경우에도 생태계에 영향을 미칠 우려가 있다. 저농도의 카페인에 노출되었을 때의 위해도에 대한 연구결과는 미흡한 실정이며 일반적으로 카페인은 미생물에 독성을 나타내기 때문에 생물학적 분해법을 고려함과 동시에 물리-화학적 분해법을 연구하여야 한다(Dash and Gumadi, 2006; Kim and Sano, 2008).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고도산화공정은 어떤 방법인가?	고도산화공정(Advanced Oxidation Process, AOP) 은 수산화 라디칼과 같은 반응성이 강한 산화제를 이용하여 유기물질을 산화시키는 방법(EPA, 1998)으로, 일반적으로 과산화수소, 자외선, 오존 등의 처리와 함께 수 산화라디칼을 생성하여 유기물을 분해한다. AOP는 PPCPs (Abdelmelek, 2011), 농약(Klancar, 2016)등 기존의 염소소독이나 미생물로 제거하기 어려운 유기물 질을 효과적으로 처리 할 수 있고 2차오염의 가능성이 적기 때문에 최근 주로 연구되고 있는 방법 중 하나이다.
	카페인을 과다복용 하면 어떤 증상이 일어나는가?	식품의 약품안전처에서 권장하는 성인의 일일 섭취량은 400 mg 이하이며(Macdonald, 2010), 치사량은 10 g이다 (Goodman and Gilman, 1965). 과다복용 하였을시에 는 두통, 심혈관계 질환, 불안감, 불면증 등의 증상이 나타난다(Pohler, 2010). 카페인은 다른 의약품들과는 달리 처방 없이도 주위에서 흔히 접할 수 있으며, 커피뿐만 아니라 차나 음료에도 흔히 함유되어있는 물질이다.
	카페인이란 무엇인가?	, 2014) 생태계에 악영향을 미칠 가능성이 높다. 카페인은 중추신경계 및 정신활성물질로(Pohler, 2010), 의학계에서는 중추 신경, 호흡기계 및 심장 자극제, 이뇨제 등으로 사용하고 있다(O’Neil, 2006). 식품의 약품안전처에서 권장하는 성인의 일일 섭취량은 400 mg 이하이며(Macdonald, 2010), 치사량은 10 g이다 (Goodman and Gilman, 1965).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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