咖啡渣的研究進(jìn)展及其在紡織印染領(lǐng)域的應(yīng)用展望

易 帆，王雪梅，洪國英，郭瀟涵

（蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050）

咖啡是利用烘焙、磨粉的咖啡豆制作出來的飲品，作為世界3大飲品之一，與可可、茶一同流行于世界[1]。作為咖啡生產(chǎn)的副產(chǎn)物，咖啡渣占咖啡豆質(zhì)量的2/3[2]。目前，國內(nèi)外大部分咖啡渣都是作為廢物丟棄或者燒掉，不僅造成了資源浪費(fèi)，而且對環(huán)境產(chǎn)生了污染。研究表明，咖啡渣中包含豐富的咖啡酸、綠原酸、多酚、單寧等物質(zhì)[3-6]；同時(shí)，咖啡渣中還包含油脂、糖類、蛋白質(zhì)、膳食纖維等[7]。近年來，國內(nèi)外對咖啡渣作為肥料、飼料、燃料進(jìn)行了大量研究，但是咖啡渣作為天然的染色劑在紡織、食品、化妝品領(lǐng)域的應(yīng)用鮮有報(bào)道[8-9]。因此，從咖啡渣中提取天然色素應(yīng)用于紡織、食品、化妝品領(lǐng)域，具有良好的開發(fā)和應(yīng)用前景。

1 咖啡渣在工業(yè)方面的應(yīng)用

目前，國內(nèi)外對咖啡渣在工業(yè)方面的應(yīng)用主要是作為吸附劑、燃料等。

1.1 作為吸附劑

咖啡渣對去除廢氣和廢水中的金屬離子具有非常好的效果。咖啡渣作為吸附劑，不僅對咖啡廢渣進(jìn)行了利用，而且為廢水、廢氣處理提供了一種新方法，保護(hù)了環(huán)境。

Ren等[10]通過真空熱解和自活化的新方法，利用咖啡渣生產(chǎn)出活性炭吸附劑，咖啡渣通過真空熱解和自活化獲得了34.1%的炭前體；在自活化條件下，咖啡渣轉(zhuǎn)化為比表面積為1 420 m2的高性能活性炭吸附劑，活化量達(dá)到27.4%。Safarik等[11]通過對咖啡渣進(jìn)行磁化處理，得到了一種價(jià)格低廉的磁性吸附劑，用于染料廢水處理。結(jié)果表明，1 g干燥的磁性咖啡渣對吖啶橙染料的最大吸附量達(dá)到了73.4 mg。Plaza等[12]利用物理活化和KOH化學(xué)活化將咖啡渣用作吸附CO2的活性炭。結(jié)果表明，物理活化咖啡渣的CO2/N2選擇吸附性高于KOH化學(xué)活性。

1.2 作為燃料

Kondamudi等[13]介紹了一種從咖啡渣中提取油脂并進(jìn)一步進(jìn)行酯交換生產(chǎn)生物柴油的方法，從咖啡渣中可獲得約15%的咖啡油，且咖啡油轉(zhuǎn)化為生物柴油的效率為100%，在普通環(huán)境中穩(wěn)定性超過1個(gè)月。這種生物柴油在工業(yè)上可作為柴油的替代品，也為生物燃料的制備提供了新思路。Phimsen等[14]從咖啡渣中提取的咖啡油被證明可以作為生物加氫處理燃料生產(chǎn)的潛在原料，以正己烷為溶劑，采用索氏萃取法從咖啡渣中提取油脂，提取率可達(dá)13%。

1.3 其他應(yīng)用

咖啡渣作為吸附劑和燃料進(jìn)行循環(huán)利用，展現(xiàn)了優(yōu)秀的性能，在其他工業(yè)應(yīng)用方面也展現(xiàn)出巨大的潛力，例如作為生物乙醇[15]、燃料顆粒[16]、抗氧化劑[17]、肥皂和清潔劑[18]、抗凍材料[19]等。

2 咖啡渣在養(yǎng)殖、種植業(yè)的應(yīng)用

國外對咖啡渣作為反芻動物飼料進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，咖啡渣作為反芻動物飼料毫無價(jià)值[20]。Cruz等[21]將咖啡渣肥料應(yīng)用于種植業(yè)。結(jié)果表明，其對生菜的物理特性有著積極影響；土壤中各種礦物質(zhì)含量隨著咖啡渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，但咖啡渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)太高也會導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降。因此，當(dāng)土壤中咖啡渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～30%時(shí)，在改善作物葉片顏色強(qiáng)度的同時(shí)，也有利于土壤中咖啡因的降解，構(gòu)成了一種直接的、環(huán)境友好的重復(fù)利用方法，以生產(chǎn)更有營養(yǎng)價(jià)值的作物。

3 咖啡渣在紡織印染領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，國內(nèi)外對咖啡渣提取物作為天然色素染色織物和復(fù)合纖維進(jìn)行了研究。

3.1 織物染色

Koh等[22]利用從咖啡渣中提取的色素對羊毛織物染色。結(jié)果表明，染色后單寧總量保留了92%，酚類總量保留了62%；染色后的羊毛織物呈現(xiàn)深棕色，并具有良好的著色效果；同時(shí)，耐水洗、耐光色牢度優(yōu)于其他色素染色織物。

一般來說，含單寧的染料需要與媒染劑結(jié)合，形成金屬絡(luò)合物來提高染色牢度。其機(jī)理類似于弱酸性染料對羊毛纖維的染色[23-24]。于伯齡等[25]利用從咖啡渣中提取的色素上染羊毛和絲綢織物，并進(jìn)行對比。結(jié)果表明，提取的咖啡色素可以直接上染羊毛和絲綢織物，且耐皂洗色牢度都在3級以上，但染色羊毛織物比染色絲綢顏色深、效果好。黃敏等[26]利用從咖啡渣中提取的色素對真絲織物染色。結(jié)果表明，染色后的真絲織物具有較好的耐洗和耐汗?jié)n色牢度，但不同種類的媒染劑對咖啡渣色素染色真絲織物的顏色特征值有一定影響，硫酸亞鐵作為媒染劑的效果明顯好于明礬。原因是硫酸亞鐵在水溶液中顯弱酸性，明礬在水溶液中顯強(qiáng)酸性，而桑蠶絲的等電點(diǎn)為3.5～5.2 eV，在pH比等電點(diǎn)低的酸性溶液中，絲素帶有正電荷；染料負(fù)離子上染桑蠶絲主要通過庫侖引力和離子鍵作用力，隨著pH的升高，桑蠶絲纖維上的正電荷逐漸減少，庫侖引力降低，在pH高于等電點(diǎn)的酸性溶液中，絲素是帶負(fù)電荷的，轉(zhuǎn)變?yōu)閹靵龀饬?，?dǎo)致染料難以上染桑蠶絲[27-28]。并且桑蠶絲的耐酸堿性不好，酸性過強(qiáng)和堿性過強(qiáng)都會對桑蠶絲纖維本身產(chǎn)生較大的損傷。

3.2 復(fù)合纖維制備

國內(nèi)外對咖啡炭纖維的制備和咖啡炭纖維混紡其他纖維進(jìn)行研究?？Х忍坷w維是咖啡渣經(jīng)過高溫煅燒制成晶體，再將晶體研磨成納米粉末加入到滌綸纖維中，生產(chǎn)出的一種功能性滌綸纖維。主要功能是抑菌除臭、發(fā)射負(fù)離子和抗紫外線、蓄熱保溫、低炭環(huán)保等[29]。目前已經(jīng)開發(fā)出咖啡炭/棉混紡紗[30]、牛角瓜/咖啡炭混紡紗[31]、咖啡炭/木棉混紡紗[32]、聚酰亞胺/咖啡炭混紡紗[33]等。

3.3 展望

咖啡渣中包含豐富的咖啡酸、綠原酸、多酚、單寧等物質(zhì)。其中，綠原酸具有抗氧化、抗癌、抗菌、抗病毒、保護(hù)色澤等作用[34-37]?？Х人峋哂锌咕涂共《镜茸饔肹38]。單寧和酚類物質(zhì)是常用的天然紡織品染料。因此，從咖啡渣中提取的咖啡色素不僅能應(yīng)用于紡織品、化妝品和藥品，還能利用咖啡酸和綠原酸的多種功效對紡織品進(jìn)行著色和后整理加工，在賦予產(chǎn)品獨(dú)特色澤的同時(shí)，還能兼具部分有益健康的生物功能特性。

4 結(jié)語

咖啡渣的開發(fā)應(yīng)用已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，但這些研究主要集中在吸附劑、燃料、著色、混紡紗等方面，著色方面僅對上染羊毛和蠶絲纖維制品進(jìn)行了研究。鑒于咖啡色素優(yōu)良的著色性能，以及咖啡色素中的單寧、含有金屬離子的媒染劑和纖維之間能形成穩(wěn)定絡(luò)合物的特性，未來可將其應(yīng)用于牛奶蛋白纖維、大豆蛋白纖維、醋酯纖維等新型環(huán)保纖維制品的印染和后整理加工，并借助咖啡色素中的綠原酸可保護(hù)色澤的性能來解決牛奶蛋白纖維和大豆蛋白纖維色澤鮮艷度較差的問題；同時(shí)還可將咖啡色素應(yīng)用于食品、化妝品、制藥等領(lǐng)域，充分凸顯天然色素的環(huán)保健康特質(zhì)。隨著咖啡渣及咖啡色素研究的不斷深入，其在紡織品、食品、化妝品、藥品等生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼜V泛的開發(fā)和應(yīng)用。