유기용매

최초의 상업적 디카페인 공정은 1903년 독일의 커피 상인 루트비히 로셀리우스(Ludwig Roselius)에 의해 고안되어 1906년 특허를 취득하였다^[4][5]. 로셀리우스는 수증기를 쐬어 부풀린 생두의 표면적을 넓힌 뒤, 유기용매인 벤젠(Benzene, C₆H₆)을 사용하여 카페인을 녹여내는 직접 용매법을 고안하였다^[4][5]. 이 기술은 이후 찻잎 가공에도 도입되어 대규모 디카페인 홍차 및 녹차 생산의 기술적 기반이 되었다.

초기 디카페인 공정에 사용되던 벤젠, 클로로포름(Chloroform, CHCl₃), 트리클로로에틸렌(Trichloroethylene, C₂HCl₃) 등은 심각한 인체 독성과 발암성이 확인되면서 식품 가공용 용매로서 전면 금지되었다^[4]. 특히 트리클로로에틸렌은 1977년 미국 식품의약국(FDA)의 조사에서 발암 위험성이 발견됨에 따라 염화메틸렌으로 대체되었다. 현대의 유기용매 공정은 비교적 독성이 낮고 휘발성이 높은 염화메틸렌과 에틸아세테이트를 주축으로 사용한다^[6].

유기용매를 사용한 디카페인 가공 공정은 용매의 접촉 방식에 따라 직접 용매 추출법과 간접 용매 추출법으로 대별된다^[7].

직접 용매 추출법 (Direct Solvent Extraction)

찻잎을 증제하거나 온수에 적셔 세포벽을 확장시킴으로써 카페인이 외부로 빠져나오기 쉬운 다공성 상태로 유도한다. 이후 찻잎을 에틸아세테이트나 염화메틸렌 등의 유기용매에 직접 침지시킨다^[8]. 유기용매가 찻잎 조직 내로 확산되어 카페인과 결합하면 용매를 분리하여 배출한다^[7]. 찻잎에 흡착된 미량의 유기용매는 고온의 증기로 씻어낸 뒤 최종적으로 건조하여 마무리한다.

간접 용매 추출법 (Indirect Solvent Extraction)

찻잎을 뜨거운 물에 담가 카페인을 포함한 수용성 성분들을 먼저 우려낸다^[7]. 추출액을 별도의 탱크로 이송한 후 유기용매를 가해 물리적으로 강하게 혼합한다^[7]. 이때 카페인은 물에 대한 용해도보다 유기용매에 대한 분배계수가 극도로 높기 때문에 용매 층으로 대부분 이동한다. 카페인을 포집한 유기용매 층을 완전히 경사 분리하여 제거한 후, 유용 향미 성분이 그대로 남아 있는 수용액을 다시 원래의 찻잎에 흡수시키고 최종 건조한다^[9]. 이 공정은 유기용매가 원료 찻잎과 직접 접촉하지 않는 장점이 있다^[7].

차의 화학적 분석이나 상업적 추출에 주로 사용되는 유기용매는 고유의 비점, 밀도, 극성에 따라 선택된다.

• 염화메틸렌 (Methylene Chloride / Dichloromethane): 분자식은 CH₂Cl₂이며, 끓는점이 39.6 ℃로 매우 낮다. 저온 가공이 가능하여 열에 민감한 차의 향미 손실을 줄일 수 있으나, 잠재적 발암 유발 물질로 규정되어 글로벌 시장에서 규제가 지속적으로 강화되고 있다^[6].
• 에틸아세테이트 (Ethyl Acetate): 분자식은 C₄H₈O₂이며, 끓는점은 77.1 ℃이다. 사과, 블랙베리 등 과일과 차나무 잎 내에서 자연적으로 합성되는 유기 화합물이기 때문에 이를 이용한 디카페인 가공품은 흔히 '내추럴 디카페인'으로 유통된다^[4]. 염화메틸렌보다 상대적으로 안전하지만, 완벽한 휘발 제거가 어렵고 미량 잔류 시 자극적인 화학적 이취를 남길 수 있다.
• 에탄올 (Ethanol): 분자식은 C₂H₅OH이다. 식용 주정으로 다용되며 녹차의 카테킨 성분을 산업용 기능성 소재로 고순도 대량 정제할 때 독성 용매를 대체하는 친환경 용매로 쓰인다^[2].

유기용매 종류	화학식	끓는점 (℃)	차 분야 주요 용도	인체 위해성 수준
벤젠	C6H6	80.1	과거 디카페인 공정 (현재 사용 금지)	극히 위험 (1군 발암 물질)[4][10]
염화메틸렌	CH2Cl2	39.6	카페인 분석법, 저가형 디카페인 가공	주의 요구 (잠재적 발암 물질)[10]
에틸아세테이트	C4H8O2	77.1	천연 디카페인 공정, 카테킨 정제	저독성 (이취 유발 가능)[4]
에탄올	C2H5OH	78.4	기능성 카테킨 및 플라보노이드 추출	매우 안전 (식용 주정 활용)[2]

실험실에서 찻잎 속 카페인을 정량 분석하거나 에피갈로카테킨 갈레이트 등의 카테킨을 정제할 때, 물과 섞이지 않는 유기용매 사이의 분배계수(Partition Coefficient, $K$)의 차이를 활용한다^[2].

일정한 온도에서 서로 섞이지 않는 수용액 상과 유기용매 상에 물질이 존재할 때, 평형 상태에서의 농도 비를 다음과 같이 정의한다.

$$K = \frac{C_{\text{organic}}}{C_{\text{aqueous}}}$$

(C_organic은 유기용매 상에서의 용질 농도, C_aqueous는 수용액 상에서의 용질 농도이다.)

차 수용액에 포함된 카페인은 물보다 유기용매인 염화메틸렌이나 에틸아세테이트에 대한 친화력이 월등히 높기 때문에, 분배계수 $K$ 값이 1보다 매우 크다^[2]. 분별 깔때기를 이용하여 두 상을 충분히 접촉시키면 수용액 층의 카페인이 유기용매 층으로 대부분 전이된다^[11]. 이후 하부의 유기용매 층을 분리해 기화시키면 침상 결정 형태의 순수한 카페인을 획득할 수 있다. 그러나 이 추출과정에서 홍차 고유의 붉은 색상과 항산화 효능을 내는 테아플라빈이나 기타 플라보노이드 성분이 유기상으로 함께 용출되어 소실되는 한계가 존재한다^[12][13].

디카페인 가공을 거친 찻잎에 잔류할 수 있는 극미량의 유기용매는 인체 유해성 논란을 야기해왔다^[10].

• 독성학적 위해성: 염화메틸렌은 고농도 노출 시 기침, 호흡곤란, 현기증을 유발하며 장기 노출 시 간암 및 폐암을 유발하는 원인 물질로 보고되었다^[10]. 국제암연구소(IARC)는 이를 2A군(인체 발암 가능 물질)으로 분류하고 있다^[14]. 에틸아세테이트는 상대적으로 독성은 낮으나 잔류 시 감각적 기호성을 떨어뜨린다.
• 체내 유입 가능성: 가공 공정 중 유기용매를 사용하더라도 비점이 극히 낮기 때문에, 건조·가공 및 최종 소비자가 뜨거운 물에 차를 침출하는 단계에서 대부분 공기 중으로 휘발된다^[7][15]. 완제품에 남아 있는 미량의 용매(수 ppm 수준)는 인체에 직접적인 임상적 영향을 미칠 수준이 아니라는 것이 FDA의 공식적인 입장이다^[6][7].
• 각국의 기준 규제: 그럼에도 임산부 및 만성 질환자 등 취약 계층의 건강 안전 보장을 위해 기준치는 대단히 엄격하게 통제된다^[16][17]. 미 FDA는 최종 생성물의 염화메틸렌 잔류량을 10 ppm 이하로 제한하며, 대한민국 식품의약품안전처와 유럽연합(EU) 역시 가공식품에 잔류하는 용매 기준을 정밀 분석법을 통해 규제 관리하고 있다^[6][16][18].

화학 유기용매 잔류에 따른 불안감을 상쇄하고 찻잎 속의 고유 영양 성분인 에피갈로카테킨 갈레이트 등의 손실을 극소화하기 위해 비(非)용매 공법이 개발되어 널리 상용화되었다^[13].

초임계 이산화탄소(CO₂) 추출법

이산화탄소는 특정 온도(31.1 ℃) 및 압력(73.8 atm) 조건 이상에서 액체와 기체의 물리적 특성을 공유하는 초임계 상태를 형성한다^[8]. 초임계 이산화탄소는 침투가 매우 용이하여 찻잎 내부에 깊숙이 도달한 후, 향미 물질의 유출 없이 오직 카페인 분자만을 선택적으로 용해 분리해낸다^[8]. 감압 시 기체로 기화되어 완벽히 분리되므로 잔류 농도가 전혀 존재하지 않는 완벽한 안전성을 보장한다^[8][13]. 다만, 고압 장비 설계가 필수적이어서 생산 단가가 비싸다는 한계가 있다^[12][19].

물 기반 여과 공법 (Water Process)

유기용매를 사용하지 않고 오직 온수와 특수 수지 또는 활성탄 필터만을 연속 순환시켜 삼투 압력 차이로 카페인을 스크리닝하는 방식이다. 인체 유해 우려는 0%에 수렴하나, 녹차 및 홍차의 섬세한 아로마 성분이 대량으로 씻겨나가 전반적인 풍미가 다소 평이해진다는 단점이 있다.