Extraction of valuable compounds from spent coffee grounds and its use in the preparation of fermented and distilled beverages

Abstract

Coffee is one of the most consumed beverages in the world, obtained from mixing hot water with coffee powder. During the processing of soluble coffee are generated residues, spent coffee grounds (SCG), which have a chemical composition rich in sugars and phenolic antioxidant compounds that may have potential as a raw material in the food and beverage industries. The main objective of this project was the extraction of phenolic antioxidant compounds from the spent coffee grounds and to evaluate its application in the production of fermented and distilled beverages. Initially, the extraction of the antioxidant phenolic compounds was performed using supercritical CO2 extraction. For the conditions that allowed for the highest extraction of phenolics, the amounts of extracted phenolic compounds, flavonoids and proteins were 0.36 mg GAE/g SCG, 1.55 mg QE/g SCG and 1.15 mg BSA/g SCG, respectively. Regarding the antioxidant activity, the highest values obtained were 0.0050 mM Fe (II)/g SCG (FRAP method) and 2.58 mg α–tocopherol/g SCG (antioxidant capacity method). The obtained values allowed to conclude that supercritical CO2 extraction was not the most efficient technique to extract phenolic antioxidant compounds from the spent coffee grounds. In a second phase, the recovery of phenolic antioxidant compounds through microwave–assisted extraction was evaluated, using water as solvent. For the conditions that allowed for the maximum extraction of phenolic antioxidant compounds, the maximum value of extracted phenolic compounds, flavonoids, proteins and sugars was 32.33 mg GAE/g SCG, 4.86 mg QE/g SCG, 31.82 mg BSA/g SCG and 49.78 mg Glucose/g SCG, respectively. Regarding the antioxidant activity, the highest values obtained were 0.2692 Mm Fe (II)/g SCG (FRAP method) and 48.45 mg α– tocopherol/g SCG (antioxidant capacity method). These results demonstrate the effectiveness of microwave–assisted extraction on the extraction of phenolic compounds from the spent coffee grounds. In a final stage, were carried out four alcoholic fermentations with extracts recovered by microwave– assisted extraction, under optimum conditions, with the addition of sucrose to the culture medium. Out of these four alcoholic fermentations two fermented beverages were produced (with a volumetric percentage of ethanol between 10.4 % and 10 %) and two distilled beverages, after the distillation of the fermented broth (with a volume percentage of ethanol between 38.1 % and 40.2 %).Beverages were submitted to sensorial analysis, being shown that the fermented and distilled beverage obtained by the incorporation of the spent coffee grounds in the fermentation medium have pleasant characteristics, different from the drinks up till now available in the market.

O café é uma das bebidas mais consumidas em todo o mundo, obtida a partir da mistura de água quente com café em pó. Durante o processamento do café solúvel são gerados resíduos, as borras de café (SCG), que possuem uma composição química rica em açúcares e compostos fenólicos antioxidantes que podem ter potencial como matéria–prima nas indústrias de alimentos e bebidas. O principal objetivo do presente projeto foi a extração de compostos fenólicos antioxidantes a partir da borra de café e avaliar a sua aplicação na produção de bebidas fermentadas e destiladas. Inicialmente, a extração dos compostos fenólicos antioxidantes foi realizada utilizando a extração com CO2 supercrítico. Para as condições que permitiram a maior extração de fenólicos, as quantidades de compostos fenólicos extraídos, flavonoides e proteínas foram de 0.36 mg GAE/g SCG, 1.55 mg QE/g SCG e 1.15 mg BSA/g SCG, respetivamente. Relativamente à atividade antioxidante, os valores mais altos obtidos foram de 0.0050 mM Fe(II)/g SCG (método de FRAP) e de 2.58 mg α– tocoferol/g SCG (método da capacidade antioxidante total). Os valores obtidos permitiram concluir que a extração supercrítica de CO2 não foi a técnica mais eficiente para extrair compostos antioxidantes fenólicos das borras de café. Numa segunda etapa, foi avaliada a recuperação dos compostos fenólicos antioxidantes através da extração assistida por microondas, utilizando a água como solvente. Para as condições que permitiram a máxima extração de compostos fenólicos antioxidantes, o valor máximo dos compostos fenólicos extraídos, flavonoides, proteínas e açúcares foi de 32.33 mg GAE/g SCG, 4.86 mg QE/g SCG, 31.82 mg BSA/g SCG e 49.78 mg Glucose/g SCG, respetivamente. Relativamente à atividade antioxidante os valores mais altos obtidos foram de 0.2692 mM Fe(II)/g SCG (método de FRAP) e de 48.45 mg α–tocoferol/g SCG (método da capacidade antioxidante total). Estes resultados demonstram a eficácia da extração assistida por microondas na extração de compostos fenólicos das borras de café. Numa fase final, foram realizadas quatro fermentações alcoólicas com os extratos recuperados através da extração assistida por microondas, sob condições ótimas, com a adição de sacarose ao meio de cultura. Das quatro fermentações foram produzidas duas bebidas fermentadas (com uma percentagem volumétrica de etanol entre 10.4 % e 10 %) e duas bebidas destiladas, após a destilação do caldo fermentado (com uma percentagem volumétrica de etanol entre 38.1 % e 40.2 %). As bebidas foram submetidas a uma análise sensorial, mostrando que a bebida fermentada e destilada obtida pela incorporação das borras de café no meio de fermentação possui características agradáveis, diferentes das bebidas até o momento disponíveis no mercado.