咖啡渣高值化利用研究進展

施金杰，喬 慧，歐陽水平，鄭兆娟，歐陽嘉

(1.南京林業(yè)大學 林學院，江蘇 南京 210037；2.南京林業(yè)大學 化學工程學院，江蘇 南京 210037)

咖啡無論是產(chǎn)量、消費量還是產(chǎn)值均居世界“三大飲料”之首，主產(chǎn)區(qū)集中分布于南美洲、亞洲、非洲的熱帶、亞熱帶的發(fā)展中國家和地區(qū)；消費遍及世界各地，尤以發(fā)達國家為主[1]?？Х葮涞墓麑嵎Q之為咖啡櫻桃，咖啡豆是咖啡櫻桃里面的果核，約占咖啡櫻桃干質量的50%[2]，被果皮、果肉和果膠層層層包裹?？Х葯烟业墓I(yè)加工過程就是去除這些外部構造，以取得內部的咖啡豆，這個過程會產(chǎn)生咖啡殼、咖啡漿、果皮果肉和銀皮等副產(chǎn)物[3]。在咖啡產(chǎn)業(yè)的廢棄資源中，咖啡渣(SCG)占較大比例，據(jù)研究，大約650 kg的廢棄咖啡渣是由1 t綠咖啡豆產(chǎn)生的[4]，全球56個咖啡生產(chǎn)出口國(ICO成員國)，2018年共生產(chǎn)1.585 6億袋(每袋60 kg)，總計950.136萬t[5]，導致大約309萬t的SCG產(chǎn)生。咖啡渣高值化利用就是將這些通常丟棄的低劣生物質資源用于生產(chǎn)生物油、生物柴油、甘露低聚糖、活性炭和生物聚合物等高附加值產(chǎn)品。作為咖啡渣的主要成分，油脂類、碳水化合物和木質素方面的應用已經(jīng)起步[6-8]，但基于不同組成形成不同產(chǎn)品的集成技術尚未形成。目前咖啡渣的利用方式主要基于兩種策略：一種為無須分離的利用模式，咖啡渣最早的應用是作為動物飼料的營養(yǎng)添加劑，之后主要將咖啡渣用作肥料和燃料[9]，這是目前商業(yè)化利用咖啡渣的模式；另一種是將咖啡渣的有效成分提取出來，通過轉化獲得高附加價值單一產(chǎn)品的模式[6-8]。本文圍繞咖啡渣的資源化利用進行綜述，重點介紹了咖啡渣的組成、有效成分及相關轉化利用技術，以期為相關研究者提供參考。

1 咖啡渣的組成

咖啡渣的化學成分取決于咖啡樹的類型、咖啡樹的年齡、種植地理位置以及氣候、土壤條件等因素[3,10]。Vardon等[8]分析發(fā)現(xiàn)，SCG中含有45.20%的中性洗滌纖維(由半纖維素、纖維素和木質素相關化合物組成)、29.80%的酸性洗滌纖維(由纖維素和木質素組成)、16.20%的油脂以及15.40%的蛋白質。Ballesteros等[11]分析發(fā)現(xiàn)SCG中含有39.10%的半纖維素、23.90%的木質素、17.44%的蛋白質、12.40%的纖維素和2.29%的油脂?？傮w來看，SCG中主要含有纖維素、半纖維素、木質素、蛋白質、油脂及其他生理活性物質[2-3，7,12]。表1總結了不同來源咖啡渣的化學組成。

表1 不同來源咖啡渣的化學組成

1.1 多糖

纖維素和半纖維素是咖啡渣的主要碳水化合物組分[16]。傳統(tǒng)生物質資源和SCG所含纖維素及半纖維素含量的比較如圖1所示。由圖1可見，在一些傳統(tǒng)的生物質資源中，纖維素占比最大，其次是半纖維素，而咖啡渣中半纖維素含量遠高于纖維素，是占比最大的組成成分[11,17-19]。SCG中纖維素主要由葡萄糖組成[2,7,11,20-21]，半纖維素主要含有阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖[2,7,12,21-22]，少數(shù)還含有木糖[7]。Obruca等[20]對SCG纖維素和半纖維素的研究發(fā)現(xiàn)，除了上述糖基單元外，還有纖維二糖的存在。半纖維素通常在自然界中與其他聚合物組分，即纖維素和木質素一起被分離。為了在生物轉化過程中高效利用半纖維素，必須將半纖維素與其他化合物進行分離[2]，這是科學家們從咖啡渣中提取半纖維素多糖所面臨的問題。

圖1 傳統(tǒng)生物質資源和SCG所含纖維素及半纖維素含量的比較[11,17-19]Fig.1 Comparison of cellulose and hemicellulose contents between traditional biomass resources and SCG[11,17-19]

1.2 油脂

從SCG中提取的油脂量取決于咖啡的種類和提取的方法。一般來說，可采用傳統(tǒng)萃取法、索氏萃取法和超臨界萃取法從咖啡渣中提取油脂，常用的提取溶劑有異丙醇、乙醇和丙酮等極性溶劑和正己烷、正戊烷、甲苯、氯仿和石油醚等非極性溶劑[22-27]。Banerjee等[24]用正己烷回流萃取咖啡油，油脂得率為6%，而索氏抽提法比傳統(tǒng)提取法更有效，得油率為14%。與極性溶劑相比，使用非極性溶劑對SCG進行油脂提取，油脂得率更高。

基于文獻[28-30]的數(shù)據(jù)，將咖啡油與其他植物油的組成進行比較，結果見圖2。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，植物油通常是以某一飽和或不飽和脂肪酸為主。如：椰子油中含飽和脂肪酸91%，其中月桂酸含量接近脂肪酸總量的一半(45%)；大豆油中含不飽和脂肪酸80%，其中亞油酸含量占脂肪酸總量的一半(51%)。而咖啡油中既有高含量的飽和脂肪酸(軟脂酸)，又有高含量的多不飽和脂肪酸(亞油酸)[27]。

圖2 咖啡油與其他植物油脂肪酸組成的比較[28-30]Fig.2 Comparison of fatty acid composition between coffee oil and other vegetable oils[28-30]

1.3 其他物質

SCG中除了含上述物質外，還含有蛋白質[12,31]和微量成分，微量成分包括酚類物質[3,12]、咖啡因[3,32-34]、灰分[8,11]、礦物質[35]和果膠質[3]等，這些微量成分的存在使得SCG具有進一步的開發(fā)價值。

2 咖啡渣高值轉化技術和產(chǎn)品

2.1 熱裂解和化學轉化——生物油和生物柴油

利用可再生生物質資源和廢棄資源進行能源生產(chǎn)是近年來的研究熱點。由于SCG具有1 195 kJ/kg左右高熱值的能量，因此它與其他工農業(yè)殘留物一樣可通過熱裂解[36]或化學轉化生產(chǎn)生物油、生物柴油、生物丁醇、燃料芯塊、生物乙醇、沼氣以及生物炭等生物燃料[6]。

生物油是一種具有特殊氣味的含有各種有機化合物的復雜混合物[2]，可通過熱裂解來制備。熱裂解是一種有機質熱分解的物理化學過程，發(fā)生在惰性氣體(N2)、有限O2和高溫下，溫度為500～1 000 ℃。熱裂解降解產(chǎn)物為液體(生物油和水相)、生物炭和合成氣[37-41]，這些物質的比例取決于熱裂解技術和反應參數(shù)(慢速熱裂解或快速熱裂解)[37]。生物油可用作燃料或化學物質，而生物炭在能源、吸附劑、土壤改良劑方面有廣泛應用[37]。Primaz等[39]對SCG在固定床反應器中進行熱裂解，在500 ℃下，以100 mL/min的N2流量獲得較高的生物油收率(質量產(chǎn)率為30.51%)。這種生物油具有生產(chǎn)化學燃料和液體燃料的潛力。Yang等[40]在不銹鋼高壓釜反應器中，對SCG在N2中進行水熱液化生產(chǎn)生物油，研究發(fā)現(xiàn)在275 ℃、初始壓力2.0 MPa、水料質量比20∶1和10 min的條件下，生物油產(chǎn)量最高(質量分數(shù)為47.3%)，生物油的熱值為31.0 MJ/kg，遠高于SCG的熱值(20.2 MJ/kg)。氣相色譜-質譜聯(lián)用技術和紅外光譜分析結果表明，生物油中主要揮發(fā)性化合物為長鏈脂肪酸和酯類。從SCG生產(chǎn)的生物油[8,37,39-41]成為能源及石油化工領域一大重要來源。

生物柴油是通過將脂肪酸和脂肪酸甘油酯分別與甲醇或乙醇等短碳鏈醇進行酯化和轉酯化反應來制得[42]，是一種很好的化石燃料替代品。近年來，以植物油和動物脂肪為原料生產(chǎn)生物柴油，因其環(huán)境友好、呈液態(tài)和易于攜帶而受到人們的關注[43-44]。當前生物柴油行業(yè)面臨的首要問題是如何獲得低成本、高質量的原料。為了解決這個問題，可以利用工業(yè)廢棄的植物油、油脂和來自家禽的動物脂肪生產(chǎn)低成本的生物柴油[45]。廢棄食用油和動物脂肪一般都含有較高的游離脂肪酸，有惡臭，而咖啡油氣味怡人、價格便宜且穩(wěn)定性高，更適合作為生產(chǎn)生物柴油的原料[6]。近年來，人們對咖啡渣制備生物柴油進行了大量的研究[8,22,24-26,46-65]，去油咖啡渣更是理想的園林肥料、生物發(fā)酵原料以及燃料芯塊的原料[9]，因此SCG可以作為生產(chǎn)生物柴油和其他燃料的潛在來源(表2)。

表2 索氏提取法從咖啡渣中提取油脂

2.1.1 SCG制備生物柴油的方式

分步酯交換和原位酯交換是利用SCG制備生物柴油的兩種常見方式。分步酯交換就是先對SCG中的油脂進行溶劑提取獲得咖啡油，再進行酯化反應和轉酯化反應。近年來，在不分離油分的情況下，對SCG進行直接酯交換成為發(fā)展趨勢。如，原位酯交換省去溶劑提取和酯化反應步驟，直接對SCG進行轉酯化，其過程差異如圖3所示。

圖3 不同酯交換方式制備生物柴油示意Fig.3 Schematic diagram of biodiesel production by different transesterification methods

表3總結了一些利用分步法從SCG中制備生物柴油的相關結果。Haile等[46]對咖啡油先進行酸催化，使得游離脂肪酸的質量分數(shù)低于1.5%，然后進行堿催化酯交換，1%(質量分數(shù))KOH，甲醇與油的摩爾比為9∶ 1，在54 ℃下反應1.5 h，實現(xiàn)了最大脂肪酸甲酯轉換，生物柴油得率為82.00%。Dang等[47]以SCG為原料，先預處理制得咖啡油，再對咖啡油進行酯交換反應，加入30%(體積分數(shù))甲醇和10 g/L NaOH，在63 ℃下反應2 h，最終生物柴油得率為89.20%。Sarno等[48]以甲醇與油的摩爾比為6∶ 1，添加10%的Lipozyme TLL(Thermomyceslanuginoselipase)在50 ℃下反應2 h，生物柴油得率為98.40%。分步酯交換需要進行油脂預提取，導致成本增加，而原位酯交換則不需要此步驟。

不同于分步法，Tuntiwiwattanapun等[49]提出了一種以SCG為原料、經(jīng)甲醇洗滌預處理原位酯交換法制備生物柴油的方法。甲醇洗滌能將油脂的高酸值降低至0.78 mg/g(以KOH計)，高酸值的降低有利于得到符合標準的生物柴油(原料酸值越高，萃取后醇相與油相分層越困難[50])。在原位酯交換過程中，100 mL體系里加入1 g SCG、2.7 mL 25%(體積分數(shù))異丙醇溶液、KOH 2.5 g/L，在30 ℃下反應2 h，生物柴油得率為88.80%，物料衡算表明每1 g SCG可獲得102 mg生物柴油。Najnanovic-Visak等[51]在60 ℃、NaOH為0.2 mol/L條件下反應1 h，原位酯交換反應的最大得率為96.00%。Nguyen等[52]開發(fā)了一種改進的原位酯交換法，利用1,8-二氮雙環(huán)[5.4.0]十一烯溴酸鹽(DBU)，DBU兼具溶劑和催化劑的功能特征，在DBU與SCG和甲醇與SCG的液料比分別為20 mL/g和10 mL/g、反應溫度為130 ℃的條件下，反應1 h后生物柴油得率為96.13%。DBU具有強堿性、可逆性、可重復性，這一生物柴油生產(chǎn)工藝經(jīng)濟可行。Liu等[53]在索氏提取裝置中對SCG進行了原位酯交換，以20%(質量分數(shù))H2SO4為催化劑，在70 ℃下反應12 h，生物柴油得率為98.61%。不管是分步還是原位酯交換，一般在反應時都需催化劑，其中原位酯交換是一種過程簡單的單步生物柴油生產(chǎn)工藝，顯著節(jié)約成本，具有工業(yè)前景。但是，在原位酯交換中很少用到酶，這也啟發(fā)研究者們對在原位酯交換中使用脂肪酶催化制備生物柴油的相關研究。

表3 采用不同酯交換方式制備生物柴油

2.1.2 生物酶法制備生物柴油

制備生物柴油涉及的酯交換反應，是一種可逆的反應，通常分為三步，包括甘油三酯轉化為甘油二酯，甘油二酯轉化為單甘油酯，單甘油酯轉化為酯和甘油，最終生成3 mol脂肪酸單烷基酯(生物柴油)和1 mol作為副產(chǎn)品的甘油。如果原料中游離脂肪酸含量太高，酸度達到5%～30%或更高，則需先對原料進行酸催化，以減少其游離脂肪酸含量，再進行酯交換反應[54]。酯交換反應中通常用到3種轉酯化技術——酸堿催化法、超臨界法和生物酶法。近年來人們開始利用生物酶法來制備生物柴油(表4)。

表4 生物酶法轉酯化技術的生物柴油產(chǎn)率

酶法催化制備生物柴油主要有固定化脂肪酶法、液體脂肪酶法和全細胞法等方法。李迅等[55]采用米根霉菌株的全細胞生物催化法從麻瘋樹油制備生物柴油，當甲酯化反應的甲醇與油的摩爾比為6∶ 1、轉酯化溫度為35 ℃、轉酯化體系中2%～20%質量分數(shù)的含水率、菌體量相當于油質量的4%時，每12 h加入1次甲醇的條件下轉酯化效果最好，甲酯得率達到82.29%。Banerjee等[24]利用Novozyme 435催化咖啡油轉酯化，添加10%Novozyme 435，以乙醇與油的摩爾比為4∶1條件，在40 ℃時反應24 h，得到88.00%的生物柴油得率。Swanepoel等[56]篩選PorcinePancreas、Candidarugosa、Pseudomonasfluorescens和Candidaantarcticalipase B 4種來源的脂肪酶，以此來研究咖啡油轉化為脂肪酸甲酯的過程，結果發(fā)現(xiàn)，當使用Lipozyme CALB作為催化劑，以甲醇與油的摩爾比為4∶ 1在40 ℃時反應12 h，生物柴油產(chǎn)率最高為96.33%。Caetano等[26]篩選了Lipozyme RMIM、Lipozyme TL100 L和Lipozyme CALB這3種脂肪酶進行咖啡油與乙醇的酯交換，結果發(fā)現(xiàn)：混合使用Lipozyme RMIM和Lipozyme CALB時提高生物柴油的產(chǎn)量，但其質量較差；酯交換反應的最佳條件為乙醇與油的摩爾比為5∶ 1、添加4.5%的Lipozyme RMIM，在45 ℃下反應24 h，生物柴油得率為96.70%。Burton等[57]評估了咖啡油為原料生產(chǎn)ASTM標準生物柴油的可行性，最終發(fā)現(xiàn)，在甲醇與油的摩爾比為3∶ 1、添加50%Novozyme 435和50%TL-IM、35 ℃條件下反應72 h，酶催化制備生物柴油得率為98.50%。生物酶法可在含水相的原料中催化酯交換反應且對于原料中游離的脂肪酸沒有很大限制，這大大節(jié)約了原料的預處理和產(chǎn)品的后處理工序所帶來的昂貴費用，是極具前景的一種方法。用生物催化劑取代化學催化劑已被廣泛認可，在工業(yè)應用上也逐步成熟。

2.1.3 咖啡油的表征和生物柴油的表征

咖啡油與生物柴油的表征依據(jù)是標準ASTM D6751和標準EN 14214。利用不同溶劑提取咖啡油后并對它的物理和化學性質進行表征[25,46]來檢測油脂質量，對于利用油脂來制備生物柴油的反應條件尤為重要；對生物柴油產(chǎn)品如黏度、密度、酸值、碘值、濁點、閃點、游離甘油等各方面性質進行表征[9,46-48,53,58]也是必需的。

高產(chǎn)率且質量達標的油品是利用SCG制備生物柴油的目標。然而不同的原料，提取的油脂中游離脂肪酸的含量也有所區(qū)別，這會使最終產(chǎn)品的甲酯率雖達到標準，但酸值有可能過高，需加入堿降低酸值，導致成本增加。其他因素(如：提取油脂的溶劑，轉酯化過程中的甲醇濃度、用量、醇油比、催化劑用量、反應溫度、反應時間等)也會直接影響到生物柴油的得率和品質。因此，如何開發(fā)低成本、高質量的生產(chǎn)工藝已然成為當今生物柴油生產(chǎn)中所面臨的重點問題。

2.2 生物轉化——甘露低聚糖及其他增值化合物

SCG中半纖維素部分通常含有大量甘露聚糖，可通過酸、堿或酶法水解制備甘露低聚糖，甘露低聚糖可作為一種獨特的功能性食品添加劑，其發(fā)展前景十分廣闊。郭躍平等[66]利用水提綠原酸所剩的咖啡豆渣，酶法制備高附加值的產(chǎn)品甘露低聚糖，并對其成分進行分析，結果發(fā)現(xiàn)，低聚糖成分中甘露糖含量較高，符合功能性低聚糖為甘露低聚糖的要求。在Nguyen等[7]的研究中，SCG被用于生產(chǎn)有價值的生物產(chǎn)品，包括寡糖、甘露低聚糖、甘露糖和生物乙醇。首先對SCG脫除木質素后再去除油脂，得到SCG多糖；然后從100 g干質量的SCG、約77 g脫木素SCG和61 g SCG衍生多糖中，經(jīng)短期糖化，得到第一類糖基化產(chǎn)物15.9 g(甘露低聚糖為主要成分)；最后經(jīng)長期糖化，得到第二類糖基化產(chǎn)物25.6 g(含49%甘露糖)。為了獲得更高的甘露糖含量，經(jīng)發(fā)酵和滲透蒸發(fā)，得到18.2 g糖(含74.1%甘露糖)和3.1 g生物乙醇。這項技術有助于從SCG和其他含有特定多糖的木質纖維素生物質中生產(chǎn)高價值甘露糖和低聚糖。SCG還可直接通過固態(tài)發(fā)酵技術來產(chǎn)酶或者食用菌等有價值產(chǎn)品[67]，而且在發(fā)酵產(chǎn)乳酸、乙醇、丁醇、丙三醇和木糖醇等產(chǎn)品方面也有潛在應用[3]。因為SCG中的碳水化合物含量普遍較高[2,7,11,20-21]，且能被微生物廣泛利用后轉化為高值化合物，所以生物轉化利用SCG，不僅對工業(yè)生產(chǎn)有利，對環(huán)境保護也具有深遠意義。

2.3 提取和分離——酚類化合物和膳食纖維

近年來，研究者們對咖啡工業(yè)的副產(chǎn)品中酚類化合物的回收及其抗氧化活性進行了研究。酚類化合物主要會以綠原酸(CGA)的形式存在，這些CGA是奎寧酸和1～2分子的咖啡酸(一種反式肉桂酸)之間形成的水溶性酯[68]。在微波輻射40 s(80 W)條件下，用20%乙醇溶液提取SCG中總酚類化合物，得到最高的總酚類化合物GAE(399 mg/g)，表明該方法非常有效且節(jié)省時間[69]。除了傳統(tǒng)的固液萃取[16]，或加以微波[69]輔助和超聲[70]進行萃取，還可利用亞臨界水[71]對SCG中酚類化合物進行萃取和回收，這也為從SCG中提取酚類化合物提供依據(jù)。

除了酚類化合物，SCG中膳食纖維的利用也引起廣泛關注?？Х仍泻罅看值鞍?、粗纖維、豐富的抗氧化物質和抗菌性成分，具有提高生豬瘦肉率，改善動物身體機能等多種效應，可作為一種新型飼料添加劑[72]。張馨月等[73]以咖啡渣為原料，堿性環(huán)境下雙酶法提取膳食纖維并對它的性能進行研究。Vázquez-Sánchez等[74]也對從咖啡渣中提取的抗氧化膳食纖維進行評價后發(fā)現(xiàn)，抗氧化膳食纖維是一種潛在的功能性食品成分。這也促使人們對SCG中抗氧化物質及膳食纖維等物質進行研究，用于飼料添加劑，為動物提供膳食來源。

2.4 物理化學活化和發(fā)酵——活性炭和生物聚合物

以咖啡渣為原料，采用物理化學活化法可制備活性炭。物理化學活化法是先熱裂解炭，然后在氧化性氣體(H2O、O2和CO2等)中高溫活化得到活性炭。任杰等[75]以咖啡渣為原料，采用真空熱裂解自活化后磷酸輔助活化的方法制得活性炭，并重點研究了活化溫度、真空度、升溫速率、活化時間和浸漬比對咖啡渣活性炭性能的影響?？Х仍部芍苯幼鳛槲絼?，Azouaou等[76]進行了咖啡渣吸附Cd2+的吸附平衡、吸附動力學和熱力學研究，結果發(fā)現(xiàn)咖啡渣對Cd2+的吸附效果較好。將咖啡渣制備成活性炭，能讓咖啡渣變廢為寶，用較低的成本制備成性能優(yōu)良的活性炭。

SCG也是生產(chǎn)聚羥基烷酸酯(PHAs)的優(yōu)良原料，因為它們具有較高的碳原子數(shù)，這表明SCG在生產(chǎn)生物聚合物方面存在巨大潛力[20,77-78]。由于PHAs良好的力學性能被認為是石化塑料的替代品。Obruca等[77]利用化學和酶解相結合水解SCG，得到可發(fā)酵的糖，以這些糖作為培養(yǎng)巨大芽孢桿菌和洋蔥伯克霍爾德菌的基質，使洋蔥伯克霍爾德菌的PHAs產(chǎn)量更高，且不需要添加前體，還可直接積累3-羥基丁酸酯和3-羥基戊酸酯的共聚物[P(HB-co-HV)]。Obruca等[20]為了提高PHAs產(chǎn)量，在SCG水解前預提取多酚，最終PHAs產(chǎn)量提高了25%。因此，SCG可作為生產(chǎn)PHAs的潛在底物，經(jīng)濟可行。

3 問題分析

在SCG利用過程中仍會存在一些問題：①在SCG水解物中除了可發(fā)酵的糖，還含對桿菌和酵母菌有毒的其他化合物。對發(fā)酵菌有毒的物質主要有酚類和生物堿、焙燒過程中形成的化合物及碳水化合物熱降解過程中形成的化合物[21]；②咖啡因、綠原酸和丹寧酸等化合物從咖啡廢渣中浸出進入環(huán)境可能會產(chǎn)生生態(tài)毒理學影響[78]，這些化合物的存在還可能會降低生產(chǎn)效率，增加成本；③對廢物資源利用企業(yè)進行統(tǒng)一規(guī)劃和尋求政府支持以及如何在經(jīng)濟可行的條件下實現(xiàn)對資源的最大化利用成為未來所探討的一大難題。雖已有部分研究者對這些問題有所關注，但相關解決方法有待探究。

4 結論與展望

近年來咖啡需求量呈穩(wěn)定增長趨勢，產(chǎn)生很多咖啡副產(chǎn)物，SCG產(chǎn)量占很大比重，現(xiàn)今已被廣泛用作生物燃料和化合物生產(chǎn)的免費資源。首先，SCG中的纖維素、半纖維素、木質素和油脂等物質可通過不同的提取工藝獲得，研究者可根據(jù)不同的目的對得到的提取物進行單組分利用；其次，可對SCG進行梯級處理，SCG中的各組分都能得到充分利用；最后，SCG可直接作為底物生產(chǎn)生物基材料，可見，將SCG轉化為多種增值化合物具有環(huán)境和經(jīng)濟雙重效益。這些研究也為開發(fā)更多咖啡渣資源化利用途徑提供新思路。