Izolovanje bioaktivnih jedinjenja iz otpadne kafe i njeno potpuno iskorišćenje kao adsorbenta

Abstract

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.