咖啡渣高值化利用研究进展

施金杰，乔 慧，欧阳水平，郑兆娟，欧阳嘉

(1.南京林业大学 林学院，江苏 南京 210037；2.南京林业大学 化学工程学院，江苏 南京 210037)

咖啡无论是产量、消费量还是产值均居世界“三大饮料”之首，主产区集中分布于南美洲、亚洲、非洲的热带、亚热带的发展中国家和地区；消费遍及世界各地，尤以发达国家为主[1]。咖啡树的果实称之为咖啡樱桃，咖啡豆是咖啡樱桃里面的果核，约占咖啡樱桃干质量的50%[2]，被果皮、果肉和果胶层层层包裹。咖啡樱桃的工业加工过程就是去除这些外部构造，以取得内部的咖啡豆，这个过程会产生咖啡壳、咖啡浆、果皮果肉和银皮等副产物[3]。在咖啡产业的废弃资源中，咖啡渣(SCG)占较大比例，据研究，大约650 kg的废弃咖啡渣是由1 t绿咖啡豆产生的[4]，全球56个咖啡生产出口国(ICO成员国)，2018年共生产1.585 6亿袋(每袋60 kg)，总计950.136万t[5]，导致大约309万t的SCG产生。咖啡渣高值化利用就是将这些通常丢弃的低劣生物质资源用于生产生物油、生物柴油、甘露低聚糖、活性炭和生物聚合物等高附加值产品。作为咖啡渣的主要成分，油脂类、碳水化合物和木质素方面的应用已经起步[6-8]，但基于不同组成形成不同产品的集成技术尚未形成。目前咖啡渣的利用方式主要基于两种策略：一种为无须分离的利用模式，咖啡渣最早的应用是作为动物饲料的营养添加剂，之后主要将咖啡渣用作肥料和燃料[9]，这是目前商业化利用咖啡渣的模式；另一种是将咖啡渣的有效成分提取出来，通过转化获得高附加价值单一产品的模式[6-8]。本文围绕咖啡渣的资源化利用进行综述，重点介绍了咖啡渣的组成、有效成分及相关转化利用技术，以期为相关研究者提供参考。

1 咖啡渣的组成

咖啡渣的化学成分取决于咖啡树的类型、咖啡树的年龄、种植地理位置以及气候、土壤条件等因素[3,10]。Vardon等[8]分析发现，SCG中含有45.20%的中性洗涤纤维(由半纤维素、纤维素和木质素相关化合物组成)、29.80%的酸性洗涤纤维(由纤维素和木质素组成)、16.20%的油脂以及15.40%的蛋白质。Ballesteros等[11]分析发现SCG中含有39.10%的半纤维素、23.90%的木质素、17.44%的蛋白质、12.40%的纤维素和2.29%的油脂。总体来看，SCG中主要含有纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质、油脂及其他生理活性物质[2-3，7,12]。表1总结了不同来源咖啡渣的化学组成。

表1 不同来源咖啡渣的化学组成

1.1 多糖

纤维素和半纤维素是咖啡渣的主要碳水化合物组分[16]。传统生物质资源和SCG所含纤维素及半纤维素含量的比较如图1所示。由图1可见，在一些传统的生物质资源中，纤维素占比最大，其次是半纤维素，而咖啡渣中半纤维素含量远高于纤维素，是占比最大的组成成分[11,17-19]。SCG中纤维素主要由葡萄糖组成[2,7,11,20-21]，半纤维素主要含有阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖[2,7,12,21-22]，少数还含有木糖[7]。Obruca等[20]对SCG纤维素和半纤维素的研究发现，除了上述糖基单元外，还有纤维二糖的存在。半纤维素通常在自然界中与其他聚合物组分，即纤维素和木质素一起被分离。为了在生物转化过程中高效利用半纤维素，必须将半纤维素与其他化合物进行分离[2]，这是科学家们从咖啡渣中提取半纤维素多糖所面临的问题。

图1 传统生物质资源和SCG所含纤维素及半纤维素含量的比较[11,17-19]Fig.1 Comparison of cellulose and hemicellulose contents between traditional biomass resources and SCG[11,17-19]

1.2 油脂

从SCG中提取的油脂量取决于咖啡的种类和提取的方法。一般来说，可采用传统萃取法、索氏萃取法和超临界萃取法从咖啡渣中提取油脂，常用的提取溶剂有异丙醇、乙醇和丙酮等极性溶剂和正己烷、正戊烷、甲苯、氯仿和石油醚等非极性溶剂[22-27]。Banerjee等[24]用正己烷回流萃取咖啡油，油脂得率为6%，而索氏抽提法比传统提取法更有效，得油率为14%。与极性溶剂相比，使用非极性溶剂对SCG进行油脂提取，油脂得率更高。

基于文献[28-30]的数据，将咖啡油与其他植物油的组成进行比较，结果见图2。由图2可以发现，植物油通常是以某一饱和或不饱和脂肪酸为主。如：椰子油中含饱和脂肪酸91%，其中月桂酸含量接近脂肪酸总量的一半(45%)；大豆油中含不饱和脂肪酸80%，其中亚油酸含量占脂肪酸总量的一半(51%)。而咖啡油中既有高含量的饱和脂肪酸(软脂酸)，又有高含量的多不饱和脂肪酸(亚油酸)[27]。

图2 咖啡油与其他植物油脂肪酸组成的比较[28-30]Fig.2 Comparison of fatty acid composition between coffee oil and other vegetable oils[28-30]

1.3 其他物质

SCG中除了含上述物质外，还含有蛋白质[12,31]和微量成分，微量成分包括酚类物质[3,12]、咖啡因[3,32-34]、灰分[8,11]、矿物质[35]和果胶质[3]等，这些微量成分的存在使得SCG具有进一步的开发价值。

2 咖啡渣高值转化技术和产品

2.1 热裂解和化学转化——生物油和生物柴油

利用可再生生物质资源和废弃资源进行能源生产是近年来的研究热点。由于SCG具有1 195 kJ/kg左右高热值的能量，因此它与其他工农业残留物一样可通过热裂解[36]或化学转化生产生物油、生物柴油、生物丁醇、燃料芯块、生物乙醇、沼气以及生物炭等生物燃料[6]。

生物油是一种具有特殊气味的含有各种有机化合物的复杂混合物[2]，可通过热裂解来制备。热裂解是一种有机质热分解的物理化学过程，发生在惰性气体(N2)、有限O2和高温下，温度为500～1 000 ℃。热裂解降解产物为液体(生物油和水相)、生物炭和合成气[37-41]，这些物质的比例取决于热裂解技术和反应参数(慢速热裂解或快速热裂解)[37]。生物油可用作燃料或化学物质，而生物炭在能源、吸附剂、土壤改良剂方面有广泛应用[37]。Primaz等[39]对SCG在固定床反应器中进行热裂解，在500 ℃下，以100 mL/min的N2流量获得较高的生物油收率(质量产率为30.51%)。这种生物油具有生产化学燃料和液体燃料的潜力。Yang等[40]在不锈钢高压釜反应器中，对SCG在N2中进行水热液化生产生物油，研究发现在275 ℃、初始压力2.0 MPa、水料质量比20∶1和10 min的条件下，生物油产量最高(质量分数为47.3%)，生物油的热值为31.0 MJ/kg，远高于SCG的热值(20.2 MJ/kg)。气相色谱-质谱联用技术和红外光谱分析结果表明，生物油中主要挥发性化合物为长链脂肪酸和酯类。从SCG生产的生物油[8,37,39-41]成为能源及石油化工领域一大重要来源。

生物柴油是通过将脂肪酸和脂肪酸甘油酯分别与甲醇或乙醇等短碳链醇进行酯化和转酯化反应来制得[42]，是一种很好的化石燃料替代品。近年来，以植物油和动物脂肪为原料生产生物柴油，因其环境友好、呈液态和易于携带而受到人们的关注[43-44]。当前生物柴油行业面临的首要问题是如何获得低成本、高质量的原料。为了解决这个问题，可以利用工业废弃的植物油、油脂和来自家禽的动物脂肪生产低成本的生物柴油[45]。废弃食用油和动物脂肪一般都含有较高的游离脂肪酸，有恶臭，而咖啡油气味怡人、价格便宜且稳定性高，更适合作为生产生物柴油的原料[6]。近年来，人们对咖啡渣制备生物柴油进行了大量的研究[8,22,24-26,46-65]，去油咖啡渣更是理想的园林肥料、生物发酵原料以及燃料芯块的原料[9]，因此SCG可以作为生产生物柴油和其他燃料的潜在来源(表2)。

表2 索氏提取法从咖啡渣中提取油脂

2.1.1 SCG制备生物柴油的方式

分步酯交换和原位酯交换是利用SCG制备生物柴油的两种常见方式。分步酯交换就是先对SCG中的油脂进行溶剂提取获得咖啡油，再进行酯化反应和转酯化反应。近年来，在不分离油分的情况下，对SCG进行直接酯交换成为发展趋势。如，原位酯交换省去溶剂提取和酯化反应步骤，直接对SCG进行转酯化，其过程差异如图3所示。

图3 不同酯交换方式制备生物柴油示意Fig.3 Schematic diagram of biodiesel production by different transesterification methods

表3总结了一些利用分步法从SCG中制备生物柴油的相关结果。Haile等[46]对咖啡油先进行酸催化，使得游离脂肪酸的质量分数低于1.5%，然后进行碱催化酯交换，1%(质量分数)KOH，甲醇与油的摩尔比为9∶ 1，在54 ℃下反应1.5 h，实现了最大脂肪酸甲酯转换，生物柴油得率为82.00%。Dang等[47]以SCG为原料，先预处理制得咖啡油，再对咖啡油进行酯交换反应，加入30%(体积分数)甲醇和10 g/L NaOH，在63 ℃下反应2 h，最终生物柴油得率为89.20%。Sarno等[48]以甲醇与油的摩尔比为6∶ 1，添加10%的Lipozyme TLL(Thermomyceslanuginoselipase)在50 ℃下反应2 h，生物柴油得率为98.40%。分步酯交换需要进行油脂预提取，导致成本增加，而原位酯交换则不需要此步骤。

不同于分步法，Tuntiwiwattanapun等[49]提出了一种以SCG为原料、经甲醇洗涤预处理原位酯交换法制备生物柴油的方法。甲醇洗涤能将油脂的高酸值降低至0.78 mg/g(以KOH计)，高酸值的降低有利于得到符合标准的生物柴油(原料酸值越高，萃取后醇相与油相分层越困难[50])。在原位酯交换过程中，100 mL体系里加入1 g SCG、2.7 mL 25%(体积分数)异丙醇溶液、KOH 2.5 g/L，在30 ℃下反应2 h，生物柴油得率为88.80%，物料衡算表明每1 g SCG可获得102 mg生物柴油。Najnanovic-Visak等[51]在60 ℃、NaOH为0.2 mol/L条件下反应1 h，原位酯交换反应的最大得率为96.00%。Nguyen等[52]开发了一种改进的原位酯交换法，利用1,8-二氮双环[5.4.0]十一烯溴酸盐(DBU)，DBU兼具溶剂和催化剂的功能特征，在DBU与SCG和甲醇与SCG的液料比分别为20 mL/g和10 mL/g、反应温度为130 ℃的条件下，反应1 h后生物柴油得率为96.13%。DBU具有强碱性、可逆性、可重复性，这一生物柴油生产工艺经济可行。Liu等[53]在索氏提取装置中对SCG进行了原位酯交换，以20%(质量分数)H2SO4为催化剂，在70 ℃下反应12 h，生物柴油得率为98.61%。不管是分步还是原位酯交换，一般在反应时都需催化剂，其中原位酯交换是一种过程简单的单步生物柴油生产工艺，显著节约成本，具有工业前景。但是，在原位酯交换中很少用到酶，这也启发研究者们对在原位酯交换中使用脂肪酶催化制备生物柴油的相关研究。

表3 采用不同酯交换方式制备生物柴油

2.1.2 生物酶法制备生物柴油

制备生物柴油涉及的酯交换反应，是一种可逆的反应，通常分为三步，包括甘油三酯转化为甘油二酯，甘油二酯转化为单甘油酯，单甘油酯转化为酯和甘油，最终生成3 mol脂肪酸单烷基酯(生物柴油)和1 mol作为副产品的甘油。如果原料中游离脂肪酸含量太高，酸度达到5%～30%或更高，则需先对原料进行酸催化，以减少其游离脂肪酸含量，再进行酯交换反应[54]。酯交换反应中通常用到3种转酯化技术——酸碱催化法、超临界法和生物酶法。近年来人们开始利用生物酶法来制备生物柴油(表4)。

表4 生物酶法转酯化技术的生物柴油产率

酶法催化制备生物柴油主要有固定化脂肪酶法、液体脂肪酶法和全细胞法等方法。李迅等[55]采用米根霉菌株的全细胞生物催化法从麻疯树油制备生物柴油，当甲酯化反应的甲醇与油的摩尔比为6∶ 1、转酯化温度为35 ℃、转酯化体系中2%～20%质量分数的含水率、菌体量相当于油质量的4%时，每12 h加入1次甲醇的条件下转酯化效果最好，甲酯得率达到82.29%。Banerjee等[24]利用Novozyme 435催化咖啡油转酯化，添加10%Novozyme 435，以乙醇与油的摩尔比为4∶1条件，在40 ℃时反应24 h，得到88.00%的生物柴油得率。Swanepoel等[56]筛选PorcinePancreas、Candidarugosa、Pseudomonasfluorescens和Candidaantarcticalipase B 4种来源的脂肪酶，以此来研究咖啡油转化为脂肪酸甲酯的过程，结果发现，当使用Lipozyme CALB作为催化剂，以甲醇与油的摩尔比为4∶ 1在40 ℃时反应12 h，生物柴油产率最高为96.33%。Caetano等[26]筛选了Lipozyme RMIM、Lipozyme TL100 L和Lipozyme CALB这3种脂肪酶进行咖啡油与乙醇的酯交换，结果发现：混合使用Lipozyme RMIM和Lipozyme CALB时提高生物柴油的产量，但其质量较差；酯交换反应的最佳条件为乙醇与油的摩尔比为5∶ 1、添加4.5%的Lipozyme RMIM，在45 ℃下反应24 h，生物柴油得率为96.70%。Burton等[57]评估了咖啡油为原料生产ASTM标准生物柴油的可行性，最终发现，在甲醇与油的摩尔比为3∶ 1、添加50%Novozyme 435和50%TL-IM、35 ℃条件下反应72 h，酶催化制备生物柴油得率为98.50%。生物酶法可在含水相的原料中催化酯交换反应且对于原料中游离的脂肪酸没有很大限制，这大大节约了原料的预处理和产品的后处理工序所带来的昂贵费用，是极具前景的一种方法。用生物催化剂取代化学催化剂已被广泛认可，在工业应用上也逐步成熟。

2.1.3 咖啡油的表征和生物柴油的表征

咖啡油与生物柴油的表征依据是标准ASTM D6751和标准EN 14214。利用不同溶剂提取咖啡油后并对它的物理和化学性质进行表征[25,46]来检测油脂质量，对于利用油脂来制备生物柴油的反应条件尤为重要；对生物柴油产品如黏度、密度、酸值、碘值、浊点、闪点、游离甘油等各方面性质进行表征[9,46-48,53,58]也是必需的。

高产率且质量达标的油品是利用SCG制备生物柴油的目标。然而不同的原料，提取的油脂中游离脂肪酸的含量也有所区别，这会使最终产品的甲酯率虽达到标准，但酸值有可能过高，需加入碱降低酸值，导致成本增加。其他因素(如：提取油脂的溶剂，转酯化过程中的甲醇浓度、用量、醇油比、催化剂用量、反应温度、反应时间等)也会直接影响到生物柴油的得率和品质。因此，如何开发低成本、高质量的生产工艺已然成为当今生物柴油生产中所面临的重点问题。

2.2 生物转化——甘露低聚糖及其他增值化合物

SCG中半纤维素部分通常含有大量甘露聚糖，可通过酸、碱或酶法水解制备甘露低聚糖，甘露低聚糖可作为一种独特的功能性食品添加剂，其发展前景十分广阔。郭跃平等[66]利用水提绿原酸所剩的咖啡豆渣，酶法制备高附加值的产品甘露低聚糖，并对其成分进行分析，结果发现，低聚糖成分中甘露糖含量较高，符合功能性低聚糖为甘露低聚糖的要求。在Nguyen等[7]的研究中，SCG被用于生产有价值的生物产品，包括寡糖、甘露低聚糖、甘露糖和生物乙醇。首先对SCG脱除木质素后再去除油脂，得到SCG多糖；然后从100 g干质量的SCG、约77 g脱木素SCG和61 g SCG衍生多糖中，经短期糖化，得到第一类糖基化产物15.9 g(甘露低聚糖为主要成分)；最后经长期糖化，得到第二类糖基化产物25.6 g(含49%甘露糖)。为了获得更高的甘露糖含量，经发酵和渗透蒸发，得到18.2 g糖(含74.1%甘露糖)和3.1 g生物乙醇。这项技术有助于从SCG和其他含有特定多糖的木质纤维素生物质中生产高价值甘露糖和低聚糖。SCG还可直接通过固态发酵技术来产酶或者食用菌等有价值产品[67]，而且在发酵产乳酸、乙醇、丁醇、丙三醇和木糖醇等产品方面也有潜在应用[3]。因为SCG中的碳水化合物含量普遍较高[2,7,11,20-21]，且能被微生物广泛利用后转化为高值化合物，所以生物转化利用SCG，不仅对工业生产有利，对环境保护也具有深远意义。

2.3 提取和分离——酚类化合物和膳食纤维

近年来，研究者们对咖啡工业的副产品中酚类化合物的回收及其抗氧化活性进行了研究。酚类化合物主要会以绿原酸(CGA)的形式存在，这些CGA是奎宁酸和1～2分子的咖啡酸(一种反式肉桂酸)之间形成的水溶性酯[68]。在微波辐射40 s(80 W)条件下，用20%乙醇溶液提取SCG中总酚类化合物，得到最高的总酚类化合物GAE(399 mg/g)，表明该方法非常有效且节省时间[69]。除了传统的固液萃取[16]，或加以微波[69]辅助和超声[70]进行萃取，还可利用亚临界水[71]对SCG中酚类化合物进行萃取和回收，这也为从SCG中提取酚类化合物提供依据。

除了酚类化合物，SCG中膳食纤维的利用也引起广泛关注。咖啡渣中含大量粗蛋白、粗纤维、丰富的抗氧化物质和抗菌性成分，具有提高生猪瘦肉率，改善动物身体机能等多种效应，可作为一种新型饲料添加剂[72]。张馨月等[73]以咖啡渣为原料，碱性环境下双酶法提取膳食纤维并对它的性能进行研究。Vázquez-Sánchez等[74]也对从咖啡渣中提取的抗氧化膳食纤维进行评价后发现，抗氧化膳食纤维是一种潜在的功能性食品成分。这也促使人们对SCG中抗氧化物质及膳食纤维等物质进行研究，用于饲料添加剂，为动物提供膳食来源。

2.4 物理化学活化和发酵——活性炭和生物聚合物

以咖啡渣为原料，采用物理化学活化法可制备活性炭。物理化学活化法是先热裂解炭，然后在氧化性气体(H2O、O2和CO2等)中高温活化得到活性炭。任杰等[75]以咖啡渣为原料，采用真空热裂解自活化后磷酸辅助活化的方法制得活性炭，并重点研究了活化温度、真空度、升温速率、活化时间和浸渍比对咖啡渣活性炭性能的影响。咖啡渣也可直接作为吸附剂，Azouaou等[76]进行了咖啡渣吸附Cd2+的吸附平衡、吸附动力学和热力学研究，结果发现咖啡渣对Cd2+的吸附效果较好。将咖啡渣制备成活性炭，能让咖啡渣变废为宝，用较低的成本制备成性能优良的活性炭。

SCG也是生产聚羟基烷酸酯(PHAs)的优良原料，因为它们具有较高的碳原子数，这表明SCG在生产生物聚合物方面存在巨大潜力[20,77-78]。由于PHAs良好的力学性能被认为是石化塑料的替代品。Obruca等[77]利用化学和酶解相结合水解SCG，得到可发酵的糖，以这些糖作为培养巨大芽孢杆菌和洋葱伯克霍尔德菌的基质，使洋葱伯克霍尔德菌的PHAs产量更高，且不需要添加前体，还可直接积累3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯的共聚物[P(HB-co-HV)]。Obruca等[20]为了提高PHAs产量，在SCG水解前预提取多酚，最终PHAs产量提高了25%。因此，SCG可作为生产PHAs的潜在底物，经济可行。

3 问题分析

在SCG利用过程中仍会存在一些问题：①在SCG水解物中除了可发酵的糖，还含对杆菌和酵母菌有毒的其他化合物。对发酵菌有毒的物质主要有酚类和生物碱、焙烧过程中形成的化合物及碳水化合物热降解过程中形成的化合物[21]；②咖啡因、绿原酸和丹宁酸等化合物从咖啡废渣中浸出进入环境可能会产生生态毒理学影响[78]，这些化合物的存在还可能会降低生产效率，增加成本；③对废物资源利用企业进行统一规划和寻求政府支持以及如何在经济可行的条件下实现对资源的最大化利用成为未来所探讨的一大难题。虽已有部分研究者对这些问题有所关注，但相关解决方法有待探究。

4 结论与展望

近年来咖啡需求量呈稳定增长趋势，产生很多咖啡副产物，SCG产量占很大比重，现今已被广泛用作生物燃料和化合物生产的免费资源。首先，SCG中的纤维素、半纤维素、木质素和油脂等物质可通过不同的提取工艺获得，研究者可根据不同的目的对得到的提取物进行单组分利用；其次，可对SCG进行梯级处理，SCG中的各组分都能得到充分利用；最后，SCG可直接作为底物生产生物基材料，可见，将SCG转化为多种增值化合物具有环境和经济双重效益。这些研究也为开发更多咖啡渣资源化利用途径提供新思路。