咖啡渣——或可成为生物吸附剂的“潜力股” | MDPI Water

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文章导读

人类活动使重金属等各类污染物进入环境中，这些污染物不易被降解，并且在生物体内不断积累，对生物的健康及所在环境造成了重大威胁。因此，寻找有效的技术减少污染物尤其重要。目前，去除重金属主要有膜过滤法、化学沉淀法、电解法、混凝法、离子交换法和吸附法等方法。其中，最普遍的方法是吸附法，但吸附剂的成本较高，这也促使了学者们不断探索高效且成本低的吸附剂。来自波兰琴希托霍瓦技术大学的 Angelika Skorupa 及其团队指出，咖啡豆加工过程中产生的副产品可以用来生产吸附剂，综述了咖啡加工的副产品制作吸附剂的相关研究。文章指出，已有实验室研究表明，咖啡加工废料生产的吸附剂的重金属去除效率很高。但目前仍缺乏来自实地使用的相关研究数据，以及关于替代吸附剂对经济、环境和社会方面影响的分析研究。

研究内容与结果

世界上主要的咖啡品种包括阿拉比卡咖啡和罗布斯塔咖啡。咖啡豆主要化学成分是咖啡因、硫胺素、单宁、黄嘌呤等。咖啡豆具有极其复杂的化学成分，具体取决于咖啡豆的来源、栽培方法、栽培地点、土壤质量、清洁方法和烘焙程度等因素。咖啡果实收获后，通过干、湿和半干等方法进行预处理。咖啡豆采摘后处理的示意图，如图1所示。在洗涤阶段会产生大量污水，从而产生高碳负荷，对环境造成巨大影响，其他次要废弃物包括采摘过程中的绿色咖啡豆和树叶。

图1. 咖啡产品的生命周期和残留物的产生步骤。

干咖啡加工方法，即在强烈阳光下将咖啡豆放在特定桌子上干燥处理一个月，在干磨机中去除表皮和纸浆，这个过程不需要先进复杂的设备和大量供能，但花费时间较长，所需空间较大。湿咖啡加工方法主要是指通过水磨机器清洗初筛后发酵处理，最后进行干燥分级分类。半干法加工是湿法加工的变体，半干法的发酵过程是平台上进行的。

咖啡豆加工副产品

咖啡豆加工产生的副产品及主要成分，如图2所示。咖啡壳和果肉等固体残留物是在干法或湿法加工过程中对咖啡果实脱壳后产生的。有缺陷的咖啡豆主要为黑色、味酸和未成熟的咖啡豆，咖啡皮和废渣是在烘焙过程中产生的废弃物。目前已有相关研究将咖啡废渣作为原材料生产二氧化碳吸附剂、燃料或其他增值产品 (如乙醇)。

图2. 咖啡副产品及其主要成分示意图。

咖啡豆加工副产品的管理和使用

在气候变化背景下，欧盟采用循环经济来提高其在全球市场上的竞争力。咖啡豆加工产生的固体废物，如咖啡渣、咖啡果肉和咖啡壳是富含有机酸、多酚和类胡萝卜素的废弃物。已有研究表明，烘焙咖啡渣可以用作生物塑料增强剂，生产低毒性的食品包装，咖啡豆产生的固体废物也可以用作生物燃料生产。此外，使用过的咖啡渣也可用作驱虫剂，如图3所示。咖啡行业产生的大量废物，显示了循环经济和环境可持续性的潜力。

图3. 废咖啡渣的潜在用途。

咖啡加工废料作为生物吸附剂

文章指出，废弃咖啡渣的特点主要是体积小、孔隙率及比表面积大，重金属可以通过络合作用被有效吸附。与典型的沸石吸附材料相比，废咖啡渣中有机官能团的含量较高，即废咖啡渣吸附重金属Cd更加有效 (19.32 mg g^-1，而沸石吸附重金属Cd能力为13.91 mg g^-1)。使用咖啡行业废物作为低成本的吸附材料也体现了循环经济的概念。除了在水体中去除重金属外，废咖啡渣还可以用作吸附剂、去除有机化合物、药物和杀虫剂。

研究总结

文章指出，从循环经济的角度来看，咖啡豆加工的副产品已成为生活领域中的宝贵原料。管理咖啡豆加工行业废弃物的一个重要方法是使用其生产吸附剂。实验室研究数据表明，利用农业食品工业的副产品，包括咖啡废料等废物，可生产有效且低成本的吸附剂来去除水体中的重金属。使用咖啡加工副产品作为生产新型、低成本和有效的吸附剂原料，可以去除重金属等环境有害污染物。但目前仍缺乏其去除水体实际应用的数据，以及关于相关替代吸附剂对经济、环境和社会方面影响的研究数据。文章强调，已有研究中使用咖啡加工副产品来生产替代吸附剂的主要为实验室内研究，咖啡加工废料在商业规模上没有太多用途，但将其作为吸附剂则极具潜力。

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原文出自 Water 期刊

Skorupa, A.; Worwąg, M.; Kowalczyk, M. Coffee Industry and Ways of Using By-Products as Bioadsorbents for Removal of Pollutants. Water 2023, 15, 112.

   Water 期刊介绍

主编：Jean-Luc PROBST, University of Toulouse, France

期刊涵盖所有水资源领域相关的科学技术，主要包括全球和区域水循环的可持续管理，水资源及其与粮食、能源、生物多样性、生态系统功能和人类健康的互联。期刊鼓励领域内研究人员发表实验、理论、建模和大数据等相关研究成果。

2021 Impact Factor	3.530
2021 CiteScore	4.8
Time to First Decision	17.8 Days
Time to Publication	42 Days

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 特约撰稿人：李佳瑞 博士研究生

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