UNIVERZITET U BEOGRADU TEHNOLOŠKO-METALURŠKI FAKULTET Marija D. Pavlović IZOLOVANJE BIOAKTIVNIH JEDINJENJA IZ OTPADNE KAFE I NJENO POTPUNO ISKORIŠĆENJE KAO ADSORBENTA doktorska disertacija Beograd, 2015 UNIVERSITY OF BELGRADE FACULTY OF TECHNOLOGY AND METALLURGY Marija D. Pavlović THE ISOLATION OF BIOACTIVE COMPOUNDS FROM SPENT COFFEE GROUNDS AND ITS COMPLETE UTILIZATION AS AN ADSORBENT Doctoral Dissertation Belgrade, 2015 MENTOR: Dr Slavica Šiler-Marinković, redovni profesor, Tehnološko-metalurški fakultet, Univerzitet u Beogradu ČLANOVI KOMISIJE: Dr Suzana Dimitrijević –Branković, vanredovni profesor, Tehnološko-metalurški fakultet, Univerzitet u Beogradu Dr Dušan Antonović, redovni profesor, Tehnološko-metalurški fakultet, Univerzitet u Beogradu Dr Jovan Nedeljković, dipl. fiz.hem. naučni savetnik, Institut za nuklearne nauke „ Vinča“ DATUM ODBRANE: _____________________________________ Izolovanje bioaktivnih jedinjenja iz otpadne kafe i njeno potpuno iskorišćenje kao adsorbenta Rezime Predmet ove disertacije je valorizacija otpadne kafe zaostale nakon pripreme napitaka i razmatranje mogućnosti njene praktične primene. Kafa i njeni produkti, već godinama unazad, se smatraju nutritivno bogatim, usled prisustva bioaktivnih jedinjenja sa izrazitim antioksidativnim potencijalom. Antioksidativni kapacitet kafe pripisuje se, u najvećoj meri, visokom sadržaju jedinjenja koja pripadaju grupi polifenola. Njihova koncentracija u sirovim zrnima varira u zavisnosti od vrste, porekla i uslova gajenja, a u pečenoj kafi od načina obrade i termičkog tretmana. Glavna polifenolna komponenta u kafi je hlorogenska kiselina, koja putem ove sirovine predstavlja i najznačajniji hranljivi izvor za čoveka. Izolovanjem ovih jedinjenja, otvara se mogućnost zamene sintetičkih aditiva u hrani sastojcima prirodnog porekla. Dobijeni ekstrakti se mogu inkorporirati u hranu i/ili farmaceutske proizvode sa ciljem povećanja njihove nutritivne vrednosti i stabilnosti. Mogu, takođe, biti i sastojci nove funkcionalne hrane. Kafa zaostala nakon ekstrakcije bioaktivnih sastojaka se može, dalje, koristiti kao adsorbent. U literaturi je zabeležen širok spektar mogućnosti adsorbovanja raznih vrsta adsorbata na materijal poreklom od otpadnih sirovina iz procesa prerade kafe. Mogu se koristiti u nativnom stanju, što je ekonomski isplativije, ali je ostvareni kapacitet adsorbenta relativno mali. Da bi se povećala adsorptivnost, kafa se aktivira termički ili korišćenjem oksidacionih sredstava. Kafa kao adsorbent može naći svoju primenu u brojnim procesima, pre svega u prečišćavanju otpadnih voda. U skladu sa prethodno zabeleženim, cilj ove disertacije je da se iz otpadne kafe izoluju bioaktivne komponente i iskoriste kao aditivi hrani, a ostatak upotrebi kao adsorbent za toksične komponente iz otpadnih voda. S tim u vezi, istraživanja u ovom radu su podeljena na dva dela. U prvom delu rada ispitan je sastav otpadne kafe i proces proizvodnje ekstrakta otpadne kafe sa definisanim sadržajem i antioksidativim svojstvima. U te svrhe korišćena je metoda klasične ekstrakcije polarnim rastvaračem i ekstrakcija potpomognuta delovanjem mikrotalasa. Sastav dobijenih ekstrakata praćen je određivanjem sadržaja ukupnih polifenola i hlorogenske kiseline i merenjem antioksidativne aktivnosti DPPH i FRAP metodom. U drugom delu je talog od kafe, zaostao nakon ekstrakcije polifenola, aktiviran mikrotalasima i korišćen kao adsorbent. Određene su površinske karakteristike aktivirane kafe i razmatran je predlog njene primene za potrebe adsorpcije boje, i/ili pesticida i/ili polifenola iz kontaminiranih otpadnih voda. S tim u vezi, definisan je kapacitet vezivanja ovih vrsta adsorbata, tok reakcija i postizanje ravnoteže, a zatim i adsorpciona kinetika i izoterme. Za određivanje odgovarajućih kinetičkih i ravnotežnih parametara ispitivano je slaganje eksperimentalnih rezultata sa najpoznatijim teorijskim modelima. Za optimizaciju uslova za potpuno iskorišćenje otpadne kafe korišćena je statistička metoda odzivne površine, primenom Design Expert softvera. Na osnovu dobijenih eksperimentalnih podataka i detaljnog literaturnog pregleda, pronađeno je da se razvijena metoda mikrotalasne ekstrakcije može smatrati pogodnim izborom za potrebe izolovanja ekonomski isplativih količina bioaktivnih komponenata iz otpadne kafe. Mikrotalasnom ekstrakcijom antioksidanasa iz otpadne kafe postignut je viši prinos ekstrakata, za kraće vreme i upotrebu manje količine rastvarača, u odnosu na metodu klasične ekstrakcije. Optimalni uslovi mikrotalasne ekstrakcije antioksidanasa iz otpadne kafe bili su: snaga mikrotalasne peći 80 W, koncentracija rastvarača 20 % etanol, odnos čvrsta faza/rastvarač 1:9, vreme trajanja ekstrakcije 40 s. Dobijeni ekstrakt poseduje antioksidativna svojstva dovoljna da se može korisiti kao aditiv hrani i/ili farmaceutskim proizvodima. Sledeći predlog je da se talog kafe, zaostao nakon ekstrakcije polifenola, aktiviran po predloženom postupku, može najefikasnije primeniti za adsorpciju katjonskih boja iz otpadnih voda. Uspostavljanje ravnotežnog stanja prilikom adsorpcije boje kristal violet na aktiviranu kafu odigralo se u toku prvih 5 minuta trajanja reakcije, dok se adsorpcija pesticida parakvata ili polifenola epigalokatehin galata odigravala nešto sporije. Pored toga, vrednosti adsorpcionog kapaciteta i procenta uklonjene boje iz rastvora, bile su veće u odnosu na ostale dve vrste model supstanci. Pod optimizovanim uslovima, maksimalni adsorpcioni kapacitet boje kristal violet na aktiviranu kafu iznosio je 36.11 mg/g, a maksimalna količina uklonjene boje iz rastvora 96.90 %. Naučni doprinos ove disertacije ogleda se u mogućnosti praktične primene otpadne kafe, kao polaznog prekursora u okviru dve aktuelne oblasti: za proizvodnju ekstrakata sa antioksidativnim potencijalom, sa jedne strane, i adsorbenata za potrebe adsorpcije zagađivača iz otpadnih voda, sa druge strane. Ključne reči: otpadna kafa, antioksidansi, ekstrakcija, adsorpcija, kristal violet, parakvat, epigalokatehin galat, kinetika, izoterme. Naučna oblast: Tehnološko inženjerstvo Uža naučna oblast: Biohemijsko inženjerstvo i biotehnologija UDK: The isolation of bioactive compounds from spent coffee grounds and its complete utilization as an adsorbent Abstract This thesis explores the valorization of spent coffee grounds, the solid waste remained after espresso coffee beverage preparation, thus considering the possibility of its practical application. Coffee and its products are considered to be nutritionally rich, due to the presence of bioactive compounds with distinctive antioxidant potential. The antioxidant capacity of coffee is mainly attributed to the high content of compounds belonging to the group of polyphenols. Their concentration in the raw grains varies depending on the type, origin and growing conditions, whereas in roasted coffee by means of processing and heat treatment. The main polyphenol component in coffee is chlorogenic acid; wherein, coffee represents a major source of chlorogenic acid in the human diet. By isolating of these compounds, there is the great possibility of replacing synthetic additives in food ingredients with ones of natural origin. The obtained extracts may be incorporated into food and/or pharmaceutical products in order to increase their nutritional value and stability, or may also be the ingredients of new functional foods. After polyphenols extraction the coffee residues still may have practical value and can be used as an adsorbent. The literature reports have shown a wide range of possibilities for the adsorption of various types of adsorbates onto material derived from coffee processing solid waste. The material may be used in a native state, providing an economically profitable application, but, on the other hand, the actual capacity of the adsorbent may be relatively small. With this regard, the coffee material may be activated thermally or by treatment with oxidizing agents. Coffee as an adsorbent may be employed in a variety of processes, primarily based on wastewater treatments. In accordance with previously noted, the aim of this thesis was the isolation of bioactive components from spent coffee grounds, these may be used as food additives, and the remained solid residues may be further used as an adsorbent for toxic compounds from waste water. Thus, the research in this work had been divided into two distinctive parts. In the first part the composition of the spent coffee grounds as well as extraction process for obtaining of extracts with defined content and antioxidant properties have been examined. For this purpose, the method of conventional polar solvent extraction and microwave-assisted extraction have been employed. The composition of obtained extracts has been analyzed by determination of total polyphenols and chlorogenic acid content and by measuring the antioxidant activity using DPPH and FRAP assay. Further, in the second part, the coffee residues, left after polyphenols extraction, have been activated with the assistance of microwaves and have been examined as an adsorbent. The surface properties of activated coffee have been determined and the suggestion of its application for the purpose of adsorption of dye, and/or pesticides and/or polyphenols from contaminated wastewater has been considered. Therefore, the adsorption capacity of these types of adsorbates has been evaluated, as well as reaction rate and equilibrium attainment, followed by kinetic and isotherm analysis. Determination of the appropriate kinetic and equilibrium parameters has been