Đặt vấn đề Cà phê (CP) hiện nay đang là mặt hàng thương mại nhiều thứ hai thế giới chỉ sau đầu mỏ và là loại thức uống phổ biến chỉ sau nước. Theo ước tính của Tổ chức Ca phê Quốc tế (ICO), trong giai đoạn 2019 - 2020 toàn thế giới tiêu thụ 169.34 triệu bao cà phê loại 60 kg (tương đương 10,2 triệu tấn). Việt Nam là nước xuất khâu cà phê đứng thứ hai thế giới với nhu cầu tiêu thụ ngày càng tăng, lượng tiêu thụ nội địa tăng lên nhanh chóng, từ 1,68 kg/người năm 2009 lên trên 2 kg/người năm 2020. Theo Hiệp hội Cà phê Ca cao Việt Nam, sản lượng cà phê tại Việt Nam năm 2020 đạt 1,74 triệu tấn và khoảng 10% lượng cà phê được sử dụng trong nước.
Một số ước tính cho thấy, chế biến 1 tấn cà phê nhân có thể thải ra môi trường khoảng 650 kg chất thải (Murthy và Naidu, 2012), sản xuất CP hòa tan và pha chế nước uống từ CP đã thải ra hơn 6 triệu tấn bã cà phê (BCP) mỗi năm trên toàn thế giới (Karmee, 2018). Sự phat triển của ngành ca phê đã tao ra một lượng lớn chat thải cho môi trường, nhưng giải pháp xử lý phổ biến hiện nay tại nước ta là chôn lấp. Ngoài ra, BCP cũng đã được tận dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học, than hoạt tính và chất hấp phụ sinh học, vật liệu composite; các hợp chất có hoạt tính sinh học như acid béo (linoleic acid, palmitic acid), phenolic, caffein nhằm ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm và mỹ phẩm (Campos -Vaga va ctv, 2015; Liu va ctv, 2020; Franca va Oliveira, 2022). BCP có chứa một lượng lớn là carbohydrate, trên 50% (Ballesteros va ctv, 2014; Kovalcik và ctv, 2018).
Day cũng là thành phần được quan tâm nghiên cứu hiện nay, chủ yếu được sử dụng làm các loại vật liệu hoặc lên men tạo cồn sinh học. Một số nghiên cứu cũng đã thử nghiệm thủy phân BCP bằng phương pháp enzyme để tạo dịch đường có hoạt tinh sinh học, nhưng hiệu suất đường hóa thường thấp chỉ đạt 9 - 18% khối lượng BCP khô (Kopp và ctv, 2019; Bhaturiwala và Modi, 2020). Các phương pháp tiền xử lý BCP với acid loãng, kiềm, dung môi hoặc kết hợp các phương pháp trên có khả năng tăng cường hiệu quả thủy phân BCP để thu nhận dịch đường. Trong một nghiên cứu gần đây, BCP được tiền xử lý hai bước, bắt đầu bằng phương pháp kiềm và tiếp theo là xử lý bằng dung môi.
Kết quả cho thấy việc kết hợp hai bước tiền xử lý này làm gia tăng hiệu quả thủy phân đáng kể, hàm lượng đường khử cao gấp 1,7 lần so với mẫu không xử lý (Trinh và ctv, 2022). Vì vậy, đề tài đã được tiến hành 1 nhằm tối ưu quy trình tiền xử lý BCP bằng phương pháp kết hợp kiềm và dung môi với mục tiêu gia tăng hiệu suất thủy phân đề thu nhận dịch giàu đường. Nhiều nghiên cứu gần đây đã thử nghiệm khả năng nuôi cấy vi sinh vật bằng môi trường có dịch thủy phân BCP. Monente và ctv (2015) đã chứng minh sự hiện diện của các hợp chất phenolic, caffein hay melanoidin trong dịch thủy phân gây ức chế sự phát của một số vi khuẩn gram (+), nhưng các chủng Lactobacillus vẫn có khả năng phát triển mạnh do tiết ra acid lacic làm phân hủy hoặc chuyển hóa các hợp chất trên (Hudeckova va ctv, 2018; Wongsiridetchai va ctv, 2021; Piekarska-Radzik và Klewicka, 2021).
Saccharomyces cerevisiae là một loại nam men có nhiều ứng dụng rộng rãi trong công nghệ lên men sản xuất đồ uống, thực phẩm và là lợi khuẩn hỗ trợ cho hệ tiêu hóa của con người và động vật. BCP đã được lên men đề sản xuất cồn sinh học nhờ hoạt động của S. Dịch thủy phân BCP với hàm lượng đường cao có tiềm năng được sử dụng làm môi trường nuôi cấy tăng sinh vi sinh vật, trong đó đối tượng chúng tôi quan tâm nghiên cứu là sinh khối S. Mục tiêu dé tài Đề tài được tiến hành nhằm nâng cao hiệu qua thủy phân thu nhận đường khử từ bã ca phê bằng cách tối ưu hóa điều kiện tiền xử lý.
Đồng thời khảo sát khả năng ứng dụng dich thủy phân BCP trong nuôi cấy tăng sinh thu nhận sinh khối nam men Saccharomyces cerevisiae. Nội dung thực hiện Nội dung 1: Tối ưu hóa quy trình tiền xử lý bã cà phê. Nội dung 2: Thủy phân bã cà phê sau tiền xử lý với enzyme. Nội dung 3: Khao sát khả năng nuôi cây nam men Saccharomyces cerevisiae bằng dịch thủy phân bã cà phê.
Giới thiệu về bã cà phê và thành phan hóa học Tất cả phần xác cà phê sau khi qua chế biến, bao gồm xác từ chế biến CP hòa tan, từ pha chế CP rang xay và bã từ các ngành công nghiệp thực phẩm có sử dụng ca phê khác đều được gọi chung là “bã cà phê”. Thành phần hóa học của BCP phụ thuộc vào loại CP, vị trí địa lý, tuổi cây, khí hậu và điều kiện thổ nhưỡng của vùng trồng CP (Murthy va Naidu, 2012). Ba cà phê. Thành phần hóa học của bã ca phê (Bomfim va ctv, 2022).
Thanh phan chủ yếu của BCP là các polysaccharide gồm hemicellulose (30 - 40%) va cellulose (8 - 15%) (Kovalcik va ctv, 2018; Bomfim va ctv, 2022). Cellulose là hợp chất cao phân tử được cấu tao từ các liên kết B-D-glucose. Hemicellulose được cấu tạo từ các polymer không đồng nhất là các loại đường pentose (xylose, arabinose) va hexose (mannose, glucose, galactose). Cellulose và hemicellulose thường liên kết với nhau tạo ra cấu trúc bền vững hơn cho thành tế bào.
Các polysaccharide này có thể được phân cắt thành các monosaccharide hoặc oligosaccharide dưới tác động của enzyme (Pujol và ctv, 2013; Cerino-Córdova và ctv, 2020). Các loại đường đơn chính được tìm thấy trong BCP bao gồm glucose (12,4%), mannose (19,1%), galactose (16,4%) và arabinose (3,6%) (Ballesteros và ctv, 2014). Các monosaccharide nói chung đều liên quan tới tới hai chức năng chính của tế bào là dự trữ và sản xuất năng lượng (Pigman và Horton, 1972). Loại đường đơn phổ biến va dé sử dụng nhất đối với cơ thể là glucose, trong khi galactose cũng có thé chuyền hóa thành glucose thông qua một số phản ứng sinh hóa.
Mannose va arabinose lại được biết đến với nhiều lợi ích về sức khỏe khác. Chúng được chứng minh có lợi với hệ thống miễn dịch, bệnh đái tháo đường, chống lại sự phát triển của các khối u (Li va ctv, 2019; Wu và ctv, 2019; Pol và ctv, 2022). Lignin chiém khoang 20 - 30% trong BCP (Ballesteros va ctv, 2014). Lignin la một trong những thành phan chính cau tạo nên vách tế bao thực vật.
Về co ban, nó là một polyme tự nhiên có cấu trúc phức tạp chứa nhiều nhóm chức bao gồm sulfonate, methoxyl, carbonyl, phenolic và hydroxyl béo. Lignin có khả năng chống phân hủy sinh học, chống oxy hóa, bền nhiệt và hàm lượng carbon cao. Mặc dù cấu trúc phức tap, lignin lại có tiềm năng như là một nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học và là tiền chat cho quá trình sản xuất các hợp chất có giá trị cao (Naseem và ctv, 2016). BCP có thành phan protein khá cao khoảng 13 - 17 % (Bomfim và ctv, 2022).
Phan dầu trong BCP (7 - 21%) cũng là thành phan có giá trị được nghiên dé tổng hop polyhydroxyalkanoate, sản xuất chất hoạt động bề mặt, tông hop biodiesel, thành phần bổ sung trong các công thức kem chống nắng (Battista va ctv 2020; Kwon va ctv, 2013). Các thành phần khác được tìm thấy trong bã cà phê với lượng nhỏ hơn bao gồm tro (1 - 2%) và các hợp chat có hoạt tính chéng oxy hóa. Thanh phần các hợp chất chống oxy hóa đa dạng, gồm chlorogenic acid, caffeoylquynic acids, feruloylquynic acids, p-coumaroylquynic acids, caffeic acid, ferulic acid, quinic acid và các ester của chúng (Zuorro và Lavecchia, 2012). Các hợp chất này có mặt trong ca dau và dịch thủy phân BCP (Choi va Koh, 2017; Vu va ctv, 2021).
Một số ứng dung của thành phan carbohydrate trong bã ca phê 2. Lên men sản xuất cồn sinh học Giải pháp tái sử dụng các phế phẩm giàu carbon có nguồn gốc từ thực vật giúp tận dụng nguyên liệu đồng thời giảm rác thải cho môi trường. Hướng xử lý đầu tiên thường được đề cập đến hiện nay là sản xuất cồn sinh học (bioethanol). Nghiên cứu của Burniol-Figols va ctv (2016) đã tiến hành thủy phân BCP bằng phương pháp kết hợp giữa acid và enzyme thu nhận các loại đường đơn, phần dịch thủy phân sau đó được lên men bằng S.
Sản phẩm sau lên men có nồng độ ethanol khoảng 38,9 g/L. Một nghiên cứu khác đã tiễn hành chiết xuất dau trước khi thủy phân và lên men bằng quy trình tương tự, họ thu được ethanol có nồng độ 50 g/L (Battista và ctv, 2020). Việc sản xuất cồn sinh học từ BCP được đánh giá là phương pháp mang lại nhiều lợi ích về kinh tế và môi trường (Burniol-Figols và ctv, 2016). Chế tạo than hoạt tính Bên cạnh việc giảm lượng rác thải ra môi trường, xử lý ô nhiễm cũng đáng được quan tâm.
Một trong những sáng kiến có thể giải quyết vấn đề ô nhiễm là sản xuất than hoạt tính từ bã cà phê để làm chất hấp phụ. Để tạo than hoạt tính, vật liệu thường được xử lý qua 2 bước: carbon hoá ở nhiệt cao nhằm làm giảm bớt các thành phan dé bay hơi và dé phân hủy, sau đó vật liệu sẽ được hoạt hóa dé cải thiện diện tích bề mặt bằng phương pháp hóa lý kết hợp. Năm 2017, Afdhol va ctv đã tiến hành hoạt hóa BCP với ZnCh và phủ than hoạt tính lên bề mặt khẩu trang. Thử nghiệm đã cho thấy nhiều ưu điểm vượt trội về khả năng hấp phụ chất ô nhiễm trong không khí.
Than hoạt tính từ BCP cũng đã được sử dụng dé xử lý ô nhiễm trong nước, chang hạn như loại bỏ bisphenol-A, môt hợp chất hữu cơ có thể gây rối loạn nội tiết được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nhựa. Than hoạt tính từ BCP được hoạt hóa bằng phương pháp hóa học với ZnCl› có khả năng hấp phụ bisphenol-A tối đa tới 123,22 mg/g (Alves và ctv, 2019). Vật liệu composite Việc chế tạo vật liệu tổng hợp (composite) từ cấu trúc lignocellulose cũng là xu hướng được quan tâm trong những năm gần đây. Năm 2008, Công ty Singtex (Đài Loan) đã đã chế tạo thành công sợi “S.
Cafe” từ bã cà phê ở nhiệt độ 160°C. Sản phẩm làm từ sợi cà phê có khả năng kiểm soát mùi, nhanh khô và chống tia cực tím. Thành công này đã trở thành tiền đề cho nhiều nghiên cứu tiếp theo. Một số ý tưởng đã thử nghiệm đưa BCP vào làm chất gia cô và chất độn cho các vật liệu polymer khác nhau như polypropylene, polylactide va polyvinyl alcohol (Leow và ctv, 2021; Miiller và ctv, 2020).