Кофейная гуща очищается для получения холоцеллюлозы, которая затем восстанавливается до HCNF с помощью механической нанофибрилляции. HCNF имеют размер 2–3 нм и 0,7–1 мм в длину. Изображение HCNF, полученное с помощью АСМ (атомно-силовой микроскопии), показывает перекристаллизацию маннана. Автор: Норико Канаи, Высшая школа информационных наук, Национальный университет Йокогамы.
Наряду со всем кофе, который мы пьем каждый день, ежегодно во всем мире производится более 6 миллионов тонн отработанной кофейной гущи. Часть этой гущи повторно используется в качестве биотоплива, а остальная часть выбрасывается на свалки.
За последнее десятилетие исследования были сосредоточены на том, как повторно использовать эту гущу. Основное внимание уделялось полисахаридам из целлюлозы и гемицеллюлозы в клеточных стенках измельченных кофейных зерен.
Полисахариды используются в композитах, биополимерах, пищевой упаковке, строительных материалах и целлюлозных нановолокнах (ЦНВ). В частности, УНВ, представляющие собой целлюлозу, уменьшенную до размера наночастиц от 3 до 5 нм, находят множество применений в пищевой, косметической и лакокрасочной промышленности.
Японские исследователи из Йокогамского национального университета 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 однородного качества HCNF из сельскохозяйственных/пищевых отходов крайне 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 они не только сформировали HCNF, но и открыли метод долгосрочного хранения HCNF без консервантов с дополнительными преимуществами для транспортировки и обработки, тем самым значительно увеличив его полезность для пищевой и косметической промышленности.
Их исследование было опубликовано в журнале Carbohydrate Polymer Technologies and Applications 25 июня.
Чтобы сформировать HCNF из отработанной кофейной гущи, исследователи 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.
Как правило, во время дегидратации физические свойства наноцеллюлозы изменяются, и они теряют способность повторно диспергироваться в воде. Однако, когда сублимированные HCNF помещались в воду комнатной температуры, простое встряхивание заставляло их повторно диспергироваться обратно в наномасштаб.
«HCNF, полученные из отработанной кофейной гущи, были полностью нанофибриллированы до ширины 2–3 нм и 0,7–1 μм в длину, что было тоньше по ширине и короче по длине, чем обычные CNF или HCNF, полученные путем механической нанофибрилляции, и желаемые морфологии для пищевых добавок», — сказала Норико Канаи, доцент факультета наук об окружающей среде и информации Йокогамского национального университета. Они не только образовали более тонкие и короткие HCNF, но и открытие отличительного поведения HCNF в его сублимированном состоянии имеет много преимуществ.
«Преимущества однократно сублимированных HCNF из использованной кофейной гущи заключаются в следующем: 1) отсутствие консервантов для длительного хранения, 2) уменьшение объема при транспортировке и 3) простота в обращении с помощью только рукопожатия без смены растворителя или дополнительного процесса очистки», — сказала Канаи.
Следующий проект исследовательских групп будет продолжать работу, которую они проделали с HCNF.
«Высушенные HCNF имеют некоторые преимущества для коммерческого использования, такие как длительное хранение без консервантов и уменьшение объема для транспортировки. В качестве следующего шага мы изучаем возможность переработки отработанных HCNF, полученных из кофейной гущи, в косметические и пищевые добавки», — сказал Кавамура.
В число других участников вошли 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 GRACE Co., Ltd, Йокогама; Акира Исогай с кафедры биоматериальных наук, Высшая школа сельского хозяйства и естественных наук, Токийский университет.
Дополнительная информация: Норико Канаи и др., Нановолокна холоцеллюлозы с высоким содержанием маннана, механически выделенные из кофейной гущи: структура и свойства, Технологии и применение углеводных полимеров (2024). DOI: 10.1016/j.carpta.2024.100539
Предоставлено Национальным университетом Йокогамы
