Upcycling von Kaffeesatz durch Isolierung von Mannan-reichen Holocellulose-Nanofasern

Neben all dem Kaffee, den wir täglich trinken, fallen weltweit jährlich über 6 Millionen Tonnen Kaffeesatz an. Ein Teil dieses Kaffeesatzes wird als Biokraftstoff wiederverwendet, der Rest landet jedoch auf Mülldeponien.

Im letzten Jahrzehnt konzentrierte sich die Forschung auf die Wiederverwendung dieses Kaffeesatzes. Dabei lag der Schwerpunkt vor allem auf den Polysacchariden aus Zellulose und Hemizellulose in den Zellwänden der gemahlenen Kaffeebohnen.

Polysaccharide werden in Verbundwerkstoffen, Biopolymeren, Lebensmittelverpackungen, Baumaterialien und Cellulose-Nanofasern (CNFs) verwendet. Insbesondere CNFs, bei denen es sich um auf Nanopartikelgröße (3 bis 5 nm) verkleinerte Cellulose handelt, werden in der Lebensmittel-, Kosmetik- und Beschichtungsindustrie vielseitig eingesetzt.

Japanische Forscher der Yokohama National University haben 2020 eine Methode entwickelt, bei der Kaffeesatz als neuer Abfallstoff verwendet wird, um CNFs mittels TEMPO-vermittelter Oxidation zu isolieren. Dabei blieben jedoch bis zu 40 % der Hemicellulose des Kaffeesatzes ungenutzt. Daher richteten sie ihre Aufmerksamkeit auf Holocellulose, die Kombination aus Hemicellulose und Cellulose, um Holocellulose-Nanofasern (HCNFs) zu extrahieren.

„Chemisch unveränderte und qualitativ einheitliche HCNFs aus landwirtschaftlichen/Lebensmittelabfällen sind für Lebensmittelzusatzstoffe wie Emulgatoren äußerst wünschenswert. Wir gingen davon aus, dass der hohe Hemicellulosegehalt in der Holocellulose aus verbrauchtem Kaffeesatz und ihre einzigartige Struktur durch mechanische Zerkleinerung eine vollständige Nanofibrillierung bis zu einer Breite von 3–5 nm und einer Länge von 1–3 μm erreichen könnten“, sagte Izuru Kawamura, Professor an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Yokohama National University.

Tatsächlich haben sie nicht nur HCNF hergestellt, sondern auch eine Methode zur konservierungsmittelfreien Langzeitlagerung von HCNF mit zusätzlichen Vorteilen für Transport und Handhabung entdeckt, wodurch dessen Nutzen für die Lebensmittel- und Kosmetikindustrie deutlich erhöht wurde.

Ihre Forschung wurde veröffentlicht in Technologien und Anwendungen von Kohlenhydratpolymeren am 25. Juni.

Um HCNF aus dem verbrauchten Kaffeesatz zu bilden, entfernten die Forscher Lignin und Lipide und reduzierten dann den Rest der Holocellulosefibrillen durch Nanofibrillierung, den Prozess der Zerlegung von Fibrillenbündeln in Nanofibrillen, auf die Nanoskala. Die Forscher verwendeten eine Strahlmühle mit ultrahohem Wasserdruck, um die Holocellulose mechanisch zu nanofibrillieren und das HCNF zu bilden.

Die am wenigsten abgebaute Hemicellulose, die nach dem Rösten im Kaffeesatz zurückbleibt, ist Mannan. Es hat sich gezeigt, dass Mannan im Kaffeesatz ein Netzwerk zwischen Cellulosefibrillen bildet. Diese Verbindung ist so stark, dass sie selbst durch chemische Behandlungen nicht aufgebrochen werden kann. Unter bestimmten Umständen kann Mannan sogar rekristallisieren. Das Vorhandensein von Mannan war entscheidend für die einfache Rekonstitution der HCNFs nach ihrer Gefriertrocknung.

Im Allgemeinen verändern sich während der Dehydratisierung die physikalischen Eigenschaften von Nanocellulose und sie verlieren die Fähigkeit, sich in Wasser wieder zu dispergieren. Wenn jedoch gefriergetrocknete HCNFs in Wasser mit Raumtemperatur gegeben wurden, führte ein einfaches Schütteln dazu, dass sie sich wieder in den Nanobereich dispergierten.

„Die aus Kaffeesatz gewonnenen HCNFs waren vollständig nanofibrilliert, mit einer Breite von 2–3 nm und einer Dicke von 0,7–1 μm lang, feiner in der Breite und kürzer in der Länge als allgemeine CNFs oder HCNFs, die durch mechanische Nanofibrillierung gewonnen werden, und wünschenswerte Morphologien für Lebensmittelzusatzstoffe“, sagte Noriko Kanai, Assistenzprofessorin an der Fakultät für Umwelt- und Informationswissenschaften der Yokohama National University. Sie bildeten nicht nur feinere und kürzere HCNFs, sondern die Entdeckung des besonderen Verhaltens des HCNF in seinem gefriergetrockneten Zustand hat auch viele Vorteile.

„Die Vorteile der einmal gefriergetrockneten HCNFs aus verbrauchtem Kaffeesatz sind 1) Konservierungsmittelfreiheit für die Langzeitlagerung, 2) Volumenreduzierung während des Transports und 3) einfache Handhabung durch bloßes Händeschütteln ohne Lösungsmittelwechsel oder zusätzlichen Veredelungsprozess“, sagte Kanai.

Das nächste Projekt des Forschungsteams wird die Arbeit, die es mit HCNFs geleistet hat, fortführen.

„Getrocknete HCNFs haben einige Vorteile für die kommerzielle Nutzung, wie etwa die langfristige Lagerung ohne Konservierungsstoffe und die Volumenreduzierung für den Transport. Als nächsten Schritt untersuchen wir die Möglichkeit, aus Kaffeesatz gewonnene HCNFs als Kosmetik- und Lebensmittelzusatzstoffe aufzuwerten“, sagte Kawamura.

Zu den weiteren Mitwirkenden zählen Kohei Yamada, Chika Sumida, Miyu Tanzawa, Yuto Ito, Toshiki Saito, Risa Kimura und Toshiyuki Oyama von der Graduate School of Engineering Science der Yokohama National University; Miwako Saito-Yamazaki von GRACE Co., Ltd, Yokohama; Akira Isogai vom Department of Biomaterial Sciences der Graduate School of Agricultural and Life Sciences der Universität Tokio.