본문내용
1. 카페인의 추출과 분리
1.1. 추출의 원리
1.1.1. 용매에 따른 카페인의 용해도
카페인은 용매의 종류에 따라 용해도가 크게 달라진다. 물에 대한 카페인의 용해도는 온도에 따라 큰 차이를 보이는데, 25℃에서는 2.179g/100ml, 80℃에서는 18g/100ml, 100℃에서는 67g/100ml로 온도가 높아짐에 따라 용해도가 크게 증가한다.
반면 유기용매인 염화 메틸렌에서 카페인의 용해도는 물에 비해 매우 높다. 온도에 따른 차이는 물에 비해 크지 않지만, 25℃에서도 카페인이 매우 잘 용해된다. 이에 비해 클로로포름은 염화 메틸렌보다 카페인을 더 잘 용해시키지만, 발암성이 있어 추출에 사용하지 않는다.
따라서 물보다는 유기용매인 염화 메틸렌이 카페인 추출에 더 유리하다고 볼 수 있다. 온도가 높아질수록 물에 대한 카페인의 용해도가 크게 증가하지만, 염화 메틸렌에서의 용해도 증가 폭은 상대적으로 크지 않다. 이러한 용매에 따른 카페인의 용해도 차이를 이용하여 음료에서 카페인을 효과적으로 추출할 수 있다.
1.1.2. 분배계수와 염석효과
분배계수는 서로 섞이지 않는 두 액체 A와 B가 두 액체 층을 이루고 있을 때, 두 액체에 다 녹을 수 있는 용질이 두 액체 층에 분배되어 평형을 이루게 되는 현상을 나타내는 척도이다. 용해되어있는 A, B 용질분자의 농도(=용해도)를 각각 Ca, Cb라 할 때 분배계수 K는 K=Ca/Cb와 같은 관계가 성립한다. 이러한 분배계수의 성질로 인해 온도에서는 용질의 양에 관계없이 일정한 값을 갖게 된다. 즉, 두 액체 층에 용해되어 있는 용질의 농도 비가 일정하다는 것을 의미한다. 일반적으로 물과 유기용매 사이의 분배계수의 크기는 용매의 종류, 용질의 종류, 온도에 따라 변화한다.
분배계수가 1보다 큰 경우, 같은 부피의 용매 A와 용매 B를 사용할 때 처음에 A(물)에 있던 용질의 절반 이상이 용매 B(유기용매)로 옮겨가게 된다. 이후 아래층의 유기용매를 다른 비커로 분별하고, 남은 용액에 다시 유기용매를 넣어도 온도가 같으므로 같은 분배계수를 갖게 되어 또 분배계수만큼의 카페인이 유기용매로 옮겨진다. 따라서 1번 많은 양의 유기용매를 사용하는 것보다 여러 번 적은 양의 유기용매를 써서 걸러내면 더 많은 양의 카페인이 녹아있는 용액을 얻을 수 있다.
염석효과는 수용액 층에 염을 넣어 주면 수용액에 녹아있는 유기물이 유기용매 층으로 더 많이 옮아가는 현상을 말한다. 수용액 층에 염을 녹여 수용액 층을 포화시켜 줌으로써, 수용액 층과 유기용매 층에 분배되어 있는 물질이 유기용매 층으로 더욱 많이 이동하도록 하는 것이다. 추출액에 용해된 카페인은 두 종류로 분류할 수있는데, 유기용매에 녹아있는 카페인과 물에 녹아있는 카페인이다. 물에 녹아있는 카페인은 물분자로 둘러싸여 수화되어있다. 수화된 카페인의 겉표면에 결합하고 있던 물분자들이 염의 이온(Na+)와 수소결합을 하게 되면, 수화되어있던 카페인들이 순수한 카페인 상태로 돌아가면서 물에 대한 용해도가 감소하게 된다. 그 결과 카페인은 유기용매에 더 잘 용해되어 유기용매의 용해도가 증가하게 된다.
1.2. 카페인 추출 실험 과정
1.2.1. 원료 및 시약
원료 및 시약은 다음과 같다"
카페인 음료를 10배로 농축한 것 25mL, 염화 메틸렌 75mL, 황산 나트륨, 카페인 표준 용액(0.2g/5mL CH2Cl2), 에틸 아세테이트가 사용되었다. 구체적으로는 ① 카페인 (C8H10N4O2), ② 염화 메틸렌 (CH...
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