Переработка кофейной гущи в пищевые эмульгаторы позволяет получать продукты с высокой добавленной стоимостью

Вместе со всем кофе, который многие пьют каждый день, ежегодно во всем мире производится более 6 миллионов тонн кофейной гущи. Часть этой гущи повторно используется в качестве биотоплива, а остальная часть выбрасывается на свалки. Исследователи нашли способ более выгодной переработки.

Фото: freepik.com

Кофе — популярный напиток во всем мире. Ежегодное потребление и производство кофе в мире растет, достигнув более 10 миллионов тонн в 2023 году. Отработанная кофейная гуща является основным твердым отходом в кофейной промышленности после заваривания и традиционно сжигается в качестве топлива, в противном случае захоранивается.

В среднем из одной тонны зеленых кофейных зерен образуется 650 кг гущи, и, по оценкам, ежегодно в мире в качестве пищевых отходов производится свыше 6 миллионов тонн.

За последнее десятилетие исследования были сосредоточены на том, как повторно использовать эту гущу. Основное внимание уделялось полисахаридам из целлюлозы и гемицеллюлозы в клеточных стенках молотых кофейных зерен.

Полисахариды используются в композитах, биополимерах, пищевой упаковке, строительных материалах и целлюлозных нановолокнах (CNF). В частности, CNF, которые представляют собой целлюлозу, уменьшенную до размера наночастиц, от 3 до 5 нм, имеют множество применений в пищевой, косметической и лакокрасочной промышленности.

Японские исследователи из Национального университета Йокогамы впервые применили метод, который использовал использованную кофейную гущу в качестве нового отходного материала для выделения CNF с использованием окисления, опосредованного TEMPO, в 2020 году. Однако это оставило до ~40% гемицеллюлозы кофейной гущи неиспользованными. Поэтому они обратили свое внимание на холоцеллюлозу, комбинацию гемицеллюлозы и целлюлозы, для извлечения холоцеллюлозных нановолокон (HCNF).

«Химически немодифицированные и однородные по качеству HCNF из сельскохозяйственных/пищевых отходов весьма желательны для пищевых добавок, таких как эмульгаторы. Мы выдвинули гипотезу, что высокое содержание гемицеллюлозы в холоцеллюлозе из кофейной гущи и ее уникальная структура могут обеспечить полную нанофибрилляцию до 3–5 нм в ширину и 1–3 мкм в длину путем механической дезинтеграции», — сказал Изуру Кавамура, профессор факультета инженерии Йокогамского национального университета.

Фактически, исследователи создали холоцеллюлозные нановолокона и открыли метод их долгосрочного хранения без консервантов с дополнительными преимуществами при транспортировке и обращении, тем самым значительно повысив ценность кофейной гущи для пищевой и косметической промышленности. Исследование опубликовано в журнале Carbohydrate Polymer Technologiesand Applications.

Чтобы сформировать HCNF из кофейной гущи, ученые удалили лигнин и липиды, а затем уменьшили остаток фибрилл холоцеллюлозы до наномасштаба с помощью нанофибрилляции, процесса распада пучков фибрилл на нанофибриллы. Исследователи использовали струйную мельницу со сверхвысоким давлением воды для механического нанофибриллирования холоцеллюлозы с целью формирования HCNF.

Наименее деградированная гемицеллюлоза, оставшаяся в отработанной кофейной гуще после обжарки, — это маннан. Было показано, что в гуще маннан образует сеть между фибриллами целлюлозы. Эта связь достаточно сильна, так что даже химическая обработка не может ее разрушить, и в некоторых случаях маннан может рекристаллизоваться. Присутствие маннана было необходимо для простоты восстановления HCNF после их сублимационной сушки.

Обычно при дегидратации физические свойства наноцеллюлозы изменяются, и она теряет способность редиспергироваться в воде. Однако, когда лиофилизированные HCNF помещали в воду комнатной температуры, простое встряхивание заставляло их редиспергироваться обратно в наномасштаб.

«HCNF, полученные из отработанной кофейной гущи, были полностью нанофибриллированы до ширины 2–3 нм и длины 0,7–1 мкм, что было тоньше по ширине и короче по длине, чем обычные CNF или HCNF, полученные путем механической нанофибрилляции, и желаемые морфологии для пищевых добавок. Преимущества однократно высушенных методом сублимационной сушки HCNF из отработанной кофейной гущи заключаются в следующем: 1) отсутствие консервантов при длительном хранении, 2) уменьшение объема при транспортировке и 3) простота в обращении — достаточно простого перемешивания без замены растворителя или дополнительного процесса очистки», — сказала Норико Канаи, доцент факультета наук об окружающей среде и информации Йокогамского национального университета.

Отработанную кофейную гущу очищают для получения холоцеллюлозы, которую затем восстанавливают до HCNF с помощью механической нанофибрилляции. HCNF имеют размер 2–3 нм и длину 0,7–1 мкм. Изображение HCNF, полученное с помощью АСМ (атомно-силовой микроскопии), показывает перекристаллизацию маннана. Автор: Норико Канаи, Высшая школа информационных наук, Национальный университет Йокогамы.

Следующий проект исследовательских групп будет направлен на дальнейшее развитие переработки HCNF, полученных из отработанной кофейной гущи, в косметические и пищевые добавки.

В работе над статьей также приняли участие Кохей Ямада, Чика Сумида, Мию Танзава, Юто Ито, Тошики Сайто, Риса Кимура и Тошиюки Ояма из Высшей школы инженерных наук Национального университета Йокогамы; Мивако Сайто-Ямадзаки из компании GRACE Co., Ltd, Иокогама; Акира Исогаи с кафедры биоматериальных наук Высшей школы сельского хозяйства и наук о жизни Токийского университета.