咖啡渣的研究进展及其在纺织印染领域的应用展望

易 帆，王雪梅，洪国英，郭潇涵

（兰州理工大学机电工程学院，甘肃兰州 730050）

咖啡是利用烘焙、磨粉的咖啡豆制作出来的饮品，作为世界3大饮品之一，与可可、茶一同流行于世界[1]。作为咖啡生产的副产物，咖啡渣占咖啡豆质量的2/3[2]。目前，国内外大部分咖啡渣都是作为废物丢弃或者烧掉，不仅造成了资源浪费，而且对环境产生了污染。研究表明，咖啡渣中包含丰富的咖啡酸、绿原酸、多酚、单宁等物质[3-6]；同时，咖啡渣中还包含油脂、糖类、蛋白质、膳食纤维等[7]。近年来，国内外对咖啡渣作为肥料、饲料、燃料进行了大量研究，但是咖啡渣作为天然的染色剂在纺织、食品、化妆品领域的应用鲜有报道[8-9]。因此，从咖啡渣中提取天然色素应用于纺织、食品、化妆品领域，具有良好的开发和应用前景。

1 咖啡渣在工业方面的应用

目前，国内外对咖啡渣在工业方面的应用主要是作为吸附剂、燃料等。

1.1 作为吸附剂

咖啡渣对去除废气和废水中的金属离子具有非常好的效果。咖啡渣作为吸附剂，不仅对咖啡废渣进行了利用，而且为废水、废气处理提供了一种新方法，保护了环境。

Ren等[10]通过真空热解和自活化的新方法，利用咖啡渣生产出活性炭吸附剂，咖啡渣通过真空热解和自活化获得了34.1%的炭前体；在自活化条件下，咖啡渣转化为比表面积为1 420 m2的高性能活性炭吸附剂，活化量达到27.4%。Safarik等[11]通过对咖啡渣进行磁化处理，得到了一种价格低廉的磁性吸附剂，用于染料废水处理。结果表明，1 g干燥的磁性咖啡渣对吖啶橙染料的最大吸附量达到了73.4 mg。Plaza等[12]利用物理活化和KOH化学活化将咖啡渣用作吸附CO2的活性炭。结果表明，物理活化咖啡渣的CO2/N2选择吸附性高于KOH化学活性。

1.2 作为燃料

Kondamudi等[13]介绍了一种从咖啡渣中提取油脂并进一步进行酯交换生产生物柴油的方法，从咖啡渣中可获得约15%的咖啡油，且咖啡油转化为生物柴油的效率为100%，在普通环境中稳定性超过1个月。这种生物柴油在工业上可作为柴油的替代品，也为生物燃料的制备提供了新思路。Phimsen等[14]从咖啡渣中提取的咖啡油被证明可以作为生物加氢处理燃料生产的潜在原料，以正己烷为溶剂，采用索氏萃取法从咖啡渣中提取油脂，提取率可达13%。

1.3 其他应用

咖啡渣作为吸附剂和燃料进行循环利用，展现了优秀的性能，在其他工业应用方面也展现出巨大的潜力，例如作为生物乙醇[15]、燃料颗粒[16]、抗氧化剂[17]、肥皂和清洁剂[18]、抗冻材料[19]等。

2 咖啡渣在养殖、种植业的应用

国外对咖啡渣作为反刍动物饲料进行了研究。结果表明，咖啡渣作为反刍动物饲料毫无价值[20]。Cruz等[21]将咖啡渣肥料应用于种植业。结果表明，其对生菜的物理特性有着积极影响；土壤中各种矿物质含量随着咖啡渣质量分数的增加而增加，但咖啡渣质量分数太高也会导致作物产量下降。因此，当土壤中咖啡渣质量分数为20%～30%时，在改善作物叶片颜色强度的同时，也有利于土壤中咖啡因的降解，构成了一种直接的、环境友好的重复利用方法，以生产更有营养价值的作物。

3 咖啡渣在纺织印染领域的应用

目前，国内外对咖啡渣提取物作为天然色素染色织物和复合纤维进行了研究。

3.1 织物染色

Koh等[22]利用从咖啡渣中提取的色素对羊毛织物染色。结果表明，染色后单宁总量保留了92%，酚类总量保留了62%；染色后的羊毛织物呈现深棕色，并具有良好的着色效果；同时，耐水洗、耐光色牢度优于其他色素染色织物。

一般来说，含单宁的染料需要与媒染剂结合，形成金属络合物来提高染色牢度。其机理类似于弱酸性染料对羊毛纤维的染色[23-24]。于伯龄等[25]利用从咖啡渣中提取的色素上染羊毛和丝绸织物，并进行对比。结果表明，提取的咖啡色素可以直接上染羊毛和丝绸织物，且耐皂洗色牢度都在3级以上，但染色羊毛织物比染色丝绸颜色深、效果好。黄敏等[26]利用从咖啡渣中提取的色素对真丝织物染色。结果表明，染色后的真丝织物具有较好的耐洗和耐汗渍色牢度，但不同种类的媒染剂对咖啡渣色素染色真丝织物的颜色特征值有一定影响，硫酸亚铁作为媒染剂的效果明显好于明矾。原因是硫酸亚铁在水溶液中显弱酸性，明矾在水溶液中显强酸性，而桑蚕丝的等电点为3.5～5.2 eV，在pH比等电点低的酸性溶液中，丝素带有正电荷；染料负离子上染桑蚕丝主要通过库仑引力和离子键作用力，随着pH的升高，桑蚕丝纤维上的正电荷逐渐减少，库仑引力降低，在pH高于等电点的酸性溶液中，丝素是带负电荷的，转变为库仑斥力，导致染料难以上染桑蚕丝[27-28]。并且桑蚕丝的耐酸碱性不好，酸性过强和碱性过强都会对桑蚕丝纤维本身产生较大的损伤。

3.2 复合纤维制备

国内外对咖啡炭纤维的制备和咖啡炭纤维混纺其他纤维进行研究。咖啡炭纤维是咖啡渣经过高温煅烧制成晶体，再将晶体研磨成纳米粉末加入到涤纶纤维中，生产出的一种功能性涤纶纤维。主要功能是抑菌除臭、发射负离子和抗紫外线、蓄热保温、低炭环保等[29]。目前已经开发出咖啡炭/棉混纺纱[30]、牛角瓜/咖啡炭混纺纱[31]、咖啡炭/木棉混纺纱[32]、聚酰亚胺/咖啡炭混纺纱[33]等。

3.3 展望

咖啡渣中包含丰富的咖啡酸、绿原酸、多酚、单宁等物质。其中，绿原酸具有抗氧化、抗癌、抗菌、抗病毒、保护色泽等作用[34-37]。咖啡酸具有抗菌和抗病毒等作用[38]。单宁和酚类物质是常用的天然纺织品染料。因此，从咖啡渣中提取的咖啡色素不仅能应用于纺织品、化妆品和药品，还能利用咖啡酸和绿原酸的多种功效对纺织品进行着色和后整理加工，在赋予产品独特色泽的同时，还能兼具部分有益健康的生物功能特性。

4 结语

咖啡渣的开发应用已成为国内外研究的热点，但这些研究主要集中在吸附剂、燃料、着色、混纺纱等方面，着色方面仅对上染羊毛和蚕丝纤维制品进行了研究。鉴于咖啡色素优良的着色性能，以及咖啡色素中的单宁、含有金属离子的媒染剂和纤维之间能形成稳定络合物的特性，未来可将其应用于牛奶蛋白纤维、大豆蛋白纤维、醋酯纤维等新型环保纤维制品的印染和后整理加工，并借助咖啡色素中的绿原酸可保护色泽的性能来解决牛奶蛋白纤维和大豆蛋白纤维色泽鲜艳度较差的问题；同时还可将咖啡色素应用于食品、化妆品、制药等领域，充分凸显天然色素的环保健康特质。随着咖啡渣及咖啡色素研究的不断深入，其在纺织品、食品、化妆品、药品等生产领域将得到更广泛的开发和应用。