Development of biotechnological products from coffee by-products using the biorefinery concept

Abstract

Coffee is an important commodity worldwide, representing a significant portion of economy of several countries. The processing of coffee fruits generates a great variety and volume of by-products, such as husk, pulp, and coffee grounds. In recent years, environmental and social concerns have grown in relation to the direction and use of these by-products. They are nutrient-rich substrates that can be converted into products with higher added value via microbial action. Therefore, this study aimed to evaluate coffee by-products as alternative substrates in alcoholic fermentation and the development of new biotechnological products. The first article evaluated the use of dry and wet coffee pulp, wastewater from wet coffee processing, molasses, and commercial sucrose as substrates in alcoholic fermentation. The wet coffee pulp and sucrose treatment resulted in the best fermentation performance, and the conditions were applied to produce a distilled beverage. The beverage had an alcohol content of 38 % (v/v) and 48 volatile compounds were identified, the majority being esters normally associated with floral and fruity aromas. The second article consisted of a pilot-scale production of two distilled beverages using the by-product generated during the production of coffee oil. Fermentations of 40 liters were carried out with 10% e 20% (m/v) of green coffee seed residue, followed by distillation in copper alembic. A total of 62 volatile compounds were identified, the majority being affected by variation in the concentration of green coffee seed residue. In the sensory analysis, the beverage with a concentration of 10% (m/v) was characterized by floral, dairy, and almond aromas, while the beverage with 20% was related to coffee, vegetables, cooked cabbage, hazelnuts, and nuts aromas. Both beverages showed satisfactory results, especially with 10% (m/v) of the residue, demonstrating the potential for using this residue in the production of distilled beverages. In addition, the vinasse obtained from the second study was used in preliminary studies in order to recover chlorogenic acid. The vinasse had an initial concentration of 3.16 g/L of chlorogenic acid, and the final extract had 11.96 g/L of it, concentrating the compound of interest 3.9 times. Lastly, there is the application for filing a patent where a distillate obtained from coffee beans was applied as an attractive solution to control the coffee berry borer. Lastly, there is the use of distillate obtained from coffee beans as an attractive solution to control the coffee berry borer. The invention made it possible to monitor and control the pest without the need to use insecticides and toxic compounds in the field.O café é uma commodity mundialmente importante, representando uma porção significativa da economia de diversos países. O processamento dos frutos de café gera uma grande variedade e volume de subprodutos, como a casca, polpa e a borra de café. Nos últimos anos tem crescido a preocupação ambiental e social em relação ao direcionamento e aproveitamento destes subprodutos. São substratos ricos em nutrientes que podem ser convertidos em produtos de maior valor agregado via ação microbiana. Logo, este trabalho teve como objetivo avaliar subprodutos do processamento do café como substratos alternativos na fermentação alcoólica e no desenvolvimento de novos produtos biotecnológicos. O primeiro artigo avaliou o uso da polpa de café úmida e seca, água residuária do processamento do café via úmida, melaço e sacarose comercial como substratos em fermentações alcoólicas. O tratamento com polpa de café úmida e sacarose resultou no melhor desempenho fermentativo e as condições foram aplicadas para a produção de uma bebida destilada. A bebida apresentou teor alcoólico de 38% (v/v) e 48 compostos voláteis foram identificados, sendo a maioria ésteres normalmente associados com aromas florais e frutados. O segundo artigo consistiu na produção em escala piloto de duas bebidas destiladas utilizando o subproduto gerado na produção de óleo de café. Foram conduzidas fermentações de 40 litros com 10% e 20% (m/v) do resíduo de grãos de café seguidas por destilação em alambique de cobre. Um total de 62 compostos voláteis foram identificados, sendo a maioria afetada pela variação na concentração do resíduo de grãos de café. Na análise sensorial por painel treinado, a bebida com a concentração de 10% (m/v) foi caracterizada por aromas florais, lácteos e de amêndoas, enquanto a bebida com 20% foi relacionada a aromas de café, vegetais, repolho cozido, avelãs e nozes. Ambas bebidas apresentaram resultados satisfatórios, principalmente a com 10% (m/v) do resíduo, demonstrando o potencial de utilização desse resíduo na produção de aguardente. Além disso, a vinhaça obtida no segundo trabalho foi utilizada em estudos preliminares com o intuito de recuperar ácido clorogênico. A vinhaça tinha concentração inicial de 3,16 g/L de ácido clorogênico e o extrato final tinha 11,96 g/L do mesmo, chegando a concentrar o composto de interesse 3,9 vezes. Por fim, temse a demonstração do uso de um destilado obtido a partir de grãos de café como solução atrativa no controle da broca-de-café. A invenção possibilitou o monitoramento e controle da praga sem necessidade da utilização de inseticidas e compostos tóxicos em campo.