Espresso coffee residues: a valuable source of unextracted compounds

Espresso spent coffee grounds were chemically characterized to predict their potential, as a source of bioactive compounds, by comparison with the ones from the soluble coffee industry. Sampling included a total of 50 samples from 14 trademarks, collected in several coffee shops and prepared with distinct coffee machines. A high compositional variability was verified, particularly with regard to such water-soluble components as caffeine, total chlorogenic acids (CGA), and minerals, supported by strong positive correlations with total soluble solids retained. This is a direct consequence of the reduced extraction efficiency during espresso coffee preparation, leaving a significant pool of bioactivity retained in the extracted grounds. Besides the lipid (12.5%) and nitrogen (2.3%) contents, similar to those of industrial coffee residues, the CGA content (478.9 mg/100 g), for its antioxidant capacity, and its caffeine content (452.6 mg/100 g), due to its extensive use in the food and pharmaceutical industries, justify the selective assembly of this residue for subsequent use.

Improvement of vegetables elemental quality by espresso coffee residues

Spent coffee grounds (SCG) are usually disposed as common garbage, without specific reuse strategies implemented so far. Due to its recognised richness in bioactive compounds, the effect of SCG on lettuce’s macro- and micro-elements was assessed to define its effectiveness for agro industrial reuse. A greenhouse pot experiment was conducted with different amounts of fresh and composted spent coffee, and potassium, magnesium, phosphorous, calcium, sodium, iron, manganese, zinc and copper were analysed. A progressive decrease on all lettuce mineral elements was verified with the increase of fresh spent coffee, except for potassium. In opposition, an increment of lettuce’s essential macro-elements was verified when low amounts of composted spent coffee were applied (5%, v/v), increasing potassium content by 40%, manganese by 30%, magnesium by 20%, and sodium by 10%, of nutritional relevance This practical approach offers an alternative reuse for this by-product, extendable to other crops, providing value-added vegetable products.

Espresso beverages of pure origin coffee: Mineral characterization, contribution for mineral intake and geographical discrimination

Espresso coffee beverages prepared from pure origin roasted ground coffees from the major world growing regions (Brazil, Ethiopia, Colombia, India, Mexico, Honduras, Guatemala, Papua New Guinea, Kenya, Cuba, Timor, Mussulo and China) were characterized and compared in terms of their mineral content. Regular consumption of one cup of espresso contributes to a daily mineral intake varying from 0.002% (sodium; Central America) to 8.73% (potassium; Asia). The mineral profiles of the espresso beverages revealed significant inter- and intra-continental differences. South American pure origin coffees are on average richer in the analyzed elements except for calcium, while samples from Central America have generally lower mineral amounts (except for manganese). Manganese displayed significant differences (p < 0.05) among the countries of each characterized continent. Intercontinental and inter-country discrimination between the major world coffee producers were achieved by applying canonical discriminant analysis. Manganese and calcium were found to be the best chemical descriptors for origin.

Revalorization of spent coffee residues by a direct agronomic approach

Spent coffee grounds (SCG) represent a high-volume food waste worldwide, and several reuse approaches have been attempted. Herein, a greenhouse field experiment was carried out by cultivating Batavia lettuce with 5%, 10%, 15%, 20% and 30% (v/v) espresso SCG directly composted in the soil. Healthy vegetables were obtained for all treatments, without yield loss for up to 10% SCG. A progressive increment of green color intensity with increasing SCG content was observed, corroborated by the increase of their photosynthetic pigments (chlorophylls and carotenoids). Furthermore, total ascorbic acid and tocopherols showed statistical significant increases (p < 0.001) between control and all tested groups. Marked variations of nutritionally relevant minerals, particularly potassium, phosphorous and sodium were also revealed at higher percentage treatments (20% and 30%). This approach constitutes a clean, direct, simple and cost-effective measure to produce value-added vegetables, while reducing food waste disposal.

Intra- and interspecific mineral composition variability of commercial instant coffees and coffee substitutes: contribution to mineral intake

The present paper reports the amount and estimated daily mineral intake of nine elements (Ca, Mg, K, Na, P, Fe, Mn, Cr and Ni) in commercial instant coffees and coffee substitutes (n = 49). Elements were quantified by high-resolution continuum source flame (HR-CS-FAAS) and graphite furnace (HR-CS-GFAAS) atomic absorption spectrometry, while phosphorous was evaluated by a standard vanadomolybdophosphoric acid colorimetric method. Instant coffees and coffee substitutes are rich in K, Mg and P (>100 mg/100 g dw), contain Na, Ca and Fe in moderate amounts (>1 mg/100 g), and trace levels of Cr and Ni. Among the samples analysed, plain instant coffees are richer in minerals (p < 0.001), except for Na and Cr. Blends of coffee substitutes (barley, malt, chicory and rye) with coffee (20–66%) present intermediate amounts, while lower quantities are found in substitutes without coffee, particularly in barley. From a nutritional point of view the results indicate that the mean ingestion of two instant beverages per day (total of 4 g instant powder), either with or without coffee, cannot be regarded as important sources of minerals to the human diet, although providing a supplementation of some minerals, particularly Mg and Mn in instant coffees. Additionally, and for authentication purposes, the correlations observed between some elements and the coffee percentage in the blends, with particular significance for Mg amounts, provides a potential tool for the estimation of coffee in substitute blends.

Optimization of antioxidants extraction from coffee silverskin, aroasting by-product, having in view a sustainable process

Coffee silverskin is a major roasting by-product that could be valued as a source of antioxidant compounds. The effect of the major variables (solvent polarity, temperature and extraction time) affecting the extraction yields of bioactive compounds and antioxidant activity of silverskin extracts was evaluated. The extracts composition varied significantly with the extraction conditions used. A factorial experimental design showed that the use of a hydroalcoholic solvent (50%:50%) at 40 °C for 60 min is a sustainable option to maximize the extraction yield of bioactive compounds and the antioxidant capacity of extracts. Using this set of conditions it was possible to obtain extracts containing total phenolics (302.5 ± 7.1 mg GAE/L), tannins (0.43 ± 0.06 mg TAE/L), and flavonoids (83.0 ± 1.4 mg ECE/L), exhibiting DPPHradical dot scavenging activity (326.0 ± 5.7 mg TE/L) and ferric reducing antioxidant power (1791.9 ± 126.3 mg SFE/L). These conditions allowed, in comparison with other “more effective” for some individual parameters, a cost reduction, saving time and energy.

Spent coffee grounds for biodiesel production and other applications

This work evaluates the possibility of using spent coffee grounds (SCG) for biodiesel production and other applications. An experimental study was conducted with different solvents showing that lipid content up to 6 wt% can be obtained from SCG. Results also show that besides biodiesel production, SCG can be used as fertilizer as it is rich in nitrogen, and as solid fuel with higher heating value (HHV) equivalent to some agriculture and wood residues. The extracted lipids were characterized for their properties of acid value, density at 15 °C, viscosity at 40 °C, iodine number, and HHV, which are negatively influenced by water content and solvents used in lipid extraction. Results suggest that for lipids with high free fatty acids (FFA), the best procedure for conversion to biodiesel would be a two-step process of acid esterification followed by alkaline transesterification, instead of a sole step of direct transesterification with acid catalyst. Biodiesel was characterized for its properties of iodine number, acid value, and ester content. Although these quality parameters were not within the limits of NP EN 14214:2009 standard, SCG lipids can be used for biodiesel, blended with higher-quality vegetable oils before transesterification, or the biodiesel produced from SCG can be blended with higher-quality biodiesel or even with fossil diesel, in order to meet the standard requirements.

Are coffee silverskin extracts safe for topical use? An in vitro and in vivo approach

Recent changes in regulatory requirements and social views on animal testing have incremented the development of reliable alternative tests for predicting skin and ocular irritation potential of products based on new raw materials. In this regard, botanical ingredients used in cosmetic products are among those materials, and should be carefully reviewed concerning the potential presence of irritant constituents. In particular, cosmetic products used on the face, in vicinity of the eyes or that may come in contact with mucous membranes, should avoid botanical ingredients that contain, or are suspected to contain, such ingredients. In this study, we aimed to evaluate the effect of a new cosmetic ingredient, namely, coffee silverskin (CS), with an in vitro skin and ocular irritation assay using reconstructed human epidermis, EpiSkin™, and human corneal epithelial model, SkinEthics™ HCE, and an in vivo assay. Three different extracts of CS were evaluated. The histology of the models after extracts applications was analysed. The in vitro results demonstrated that extracts were not classified as irritant and the histological analyses proved that extracts did not affect both models structure. The content of caffeine, 5-hydroxymethyl furfural and chlorogenic acid was quantified after the epidermal assay. The in vivo test carried out with the most promising extract (hydroalcoholic) showed that, with respect to irritant effects, these extracts can be regarded as safe for topical application.

Mudanças comportamentais ao longo da gestação: gravidez activa e saudável

Objectivos: verificar a frequência dos comportamentos de risco para a saúde ao longo da gestação e verificar as alterações ocorridas na actividade física ao longo da mesma. Métodos: Realizou-se um estudo longitudinal prospectivo numa coorte constituída por 76 gestantes. Foram aplicados dois questionários (questionário de actividade física para gestantes e questionário de comportamentos relacionados com a saúde) em três momentos diferentes. O primeiro momento com menos de 14 semanas de gestação; o segundo entre a 14ª e 28ª semana e o terceiro entre a 29ª e 40ª semana de gestação. Resultados: Verificou-se uma tendência para a diminuição de comportamentos de risco ao longo da gestação, nomeadamente no consumo de álcool, tabaco, café assim como uma tendência para hábitos alimentares mais equilibrados. No que diz respeito aos níveis de actividade física, estes diminuem significativamente ao longo da gestação (p<0,05). Constatou-se que os gastos energéticos médios semanais (MET-h.semana-1) com as actividades ocupacionais e desportivas diminuíram entre o 1º e 2º trimestre e entre o 1º e 3º trimestre (p<0,001). Nas actividades domésticas os METh. semana-1 são maiores no 1º que no 3º trimestre (p=0,01). Conclusão: Com os resultados obtidos parece poder-se concluir-se que a gravidez está associada a mudanças de comportamento para estilos de vida mais saudáveis, porém essas mudanças não se constataram na prática de actividade física.

Outdoor and indoor benzene evaluation by GC-FID and GC-MS/MS

The evaluation of benzene in different environments such as indoor (with and without tobacco smoke), a city area, countryside, gas stations and near exhaust pipes from cars running on different types of fuels was performed. The samples were analyzed using gas chromatography (GC) with flame ionization detection (FID) and tandem mass spectrometric detection (MS/MS) (to confirm the identification of benzene in the air samples). Operating conditions for the GC-MS analysis were optimized as well as the sampling and sample preparation. The results obtained in this work indicate that i) the type of fuel directly influences the benzene concentration in the air. Gasoline with additives provided the highest amount of benzene followed by unleaded gasoline and diesel; ii) the benzene concentration in the gas station was always higher than the advisable limit established by law (5 μg m−3) and during the unloading of gasoline the achieved concentration was 8371 μg m−3; iii) the data from the countryside (Taliscas) and the urban city (Matosinhos) were below 5 μg m−3 except 5 days after a fire on a petroleum refinery plant located near the city; iv) it was proven that in coffee shops where smoking is allowed the benzene concentration is higher (6 μg m−3) than in coffee shops where this is forbidden (4 μg m−3). This method may also be helpful for environmental analytical chemists who use GC-MS/MS for the confirmation or/and quantification of benzene.

Estudo eletroquímico do dano oxidativo promovido por RNOS e PAH e o efeito protetor de antioxidantes no ADN

No dia-a-dia, os organismos vivos estão sujeitos a vários tipos de agressões de origem endógena e exógena. A produção endógena exagerada de agentes oxidantes que ocorre nos processos metabólicos dos seres vivos está intimamente associada ao aparecimento e desenvolvimento de várias patologias. Por outro lado, e devido às atividades antropogénicas, muitos agentes oxidantes de origem ambiental e alimentar entram por via exógena no organismo dos seres vivos provocando igualmente danos a nível celular. De modo a protegerem-se dos efeitos pejorativos provocados por estes compostos, os organismos vivos desenvolveram mecanismos complexos de defesa antioxidante. Este trabalho consistiu no estudo eletroquímico do dano oxidativo induzido por agentes oxidantes (PAH (hidrocarbonetos aromáticos policíclicos), H2O2, NO• e HClO) e do efeito protetor, ao dano oxidativo, promovido por antioxidantes no material baseado no ADN recorrendo à utilização de um biossensor de bases púricas, adenina-EPC (elétrodo pasta de carbono) e dA20-EPC, utilizando a voltametria de onda quadrada (VOQ) como técnica de deteção. A aplicação da eletroquímica apresenta várias vantagens para a quantificação da capacidade antioxidante total (CAT) pois, permite a redução da quantidade de reagentes e amostra em análise, elimina a etapa de remoção de cor (a cor é um interferente nos métodos óticos) e não requer equipamentos dispendiosos. Foram seguidas diferentes abordagens para a construção dos biossensores. A primeira consistiu na construção de um adenina-EPC em três etapas: i) condicionamento do EPC, ii) eletrodeposição da adenina no EPC e iii) leitura do sinal eletroquímico. Assim, foram otimizados diversos parâmetros: concentração de adenina (150,0 mg/L), potencial de condicionamento (Ec) (+ 1,80 V), potencial de deposição (Ed) (+ 0,40 V), tempo de condicionamento (tc) (180 s) e tempo de deposição (td) (240 s). Foi aplicado o adenina-EPC no estudo do dano oxidativo provocado por PAH (benzo (g,h,i) perileno) e constatou-se que era necessário transformar o benzo (g,h,i) perileno num radical para se possível observar danos oxidativos induzidos no biossensor. A nova estratégia consistiu na construção de um dA20-EPC, através da adsorção física de uma gota de dA20 na superfície do EPC, com posterior secagem e leitura do sinal eletroquímico. Neste procedimento foi otimizada a concentração de dA20 (100,0 mg/L). O dano oxidativo provocado pelo H2O2, NO• e HClO foi estudado sobre o dA20-EPC e verificou-se que os três agentes oxidantes induziam dano oxidativo no dA20-EPC. Confirmou-se a capacidade do ácido ascórbico (AA) em proteger o dA20-EPC do dano oxidativo induzido por H2O2 e NO•. O biossensor desenvolvido (dA20-EPC) foi aplicado na avaliação da CAT de diferentes amostras reais (café, sumo de laranja e água aromatizada de laranja) usando-se como agentes oxidantes o H2O2 e NO•. Todas as amostras analisadas apresentaram ter capacidade antioxidante. Quando se utilizou o dA20-EPC na presença de H2O2, verificou-se que as amostras de café apresentam valores mais elevados de CAT (1130-1488 mg AAE/L) do que as amostras de bebidas (110 mg AAE/L em água aromatizada e 775 mg AAE/L em sumo). Os valores de CAT obtidos para amostras de sumo e água aromatizada na presença de NO• indicam que a amostra de sumo possui maior teor de CAT (871 mg AAE/L) conforme era esperado, do que a amostra de água aromatizada (172 mg AAE/L). Na presença de HClO, o valor de CAT mais elevado pertence a uma amostra de sumo (513 mg AAE/L) mas, o valor de CAT da amostra de sumo natural é muito mais baixa do que o esperado (17 mg AAE/L). Foram estudados outros antioxidantes para além do AA (ácido cumárico, ácido gálico e ácido cafeico), e constatou-se que cada um deles promove proteção ao dA20-EPC na presença de cada um dos diferentes contaminantes (H2O2, NO• e HClO).

Estudo eletroquímico do dano oxidativo promovido por RNS e PAH e o efeito protetor de antioxidantes no ADN

No dia-a-dia, os organismos vivos estão sujeitos a vários tipos de agressões de origem endógena e exógena. A produção endógena exagerada de contaminantes que ocorre nos processos metabólicos dos seres vivos está intimamente associada ao aparecimento e desenvolvimento de várias patologias. Por outro lado, e devido às atividades antropogénicas, muitos contaminantes de origem ambiental e alimentar entram por via exógena no organismo dos seres vivos provocando igualmente danos a nível celular. De modo a protegerem-se dos efeitos pejorativos provocados por estes compostos, os organismos vivos desenvolveram mecanismos complexos de defesa antioxidante. Este trabalho consistiu no estudo eletroquímico do dano oxidativo induzido por contaminantes (PAH (hidrocarbonetos aromáticos policíclicos), H2O2, NO• e HClO) e do efeito protetor, ao dano oxidativo, promovido por antioxidantes no material baseado no ADN recorrendo à utilização de um biossensor de bases púricas, adenina-EPC (elétrodo pasta de carbono) e dA20-EPC, utilizando a voltametria de onda quadrada (VOQ) como técnica de deteção. A aplicação da eletroquímica apresenta várias vantagens para a quantificação da capacidade antioxidante total (CAT) pois, permite a redução da quantidade de reagentes e amostra em análise, elimina a etapa de remoção de cor (a cor é um interferente nos métodos óticos) e não requer equipamentos dispendiosos. Foram seguidas diferentes abordagens para a construção dos biossensores. A primeira consistiu na construção de um adenina-EPC em três etapas: i) condicionamento do EPC, ii) eletrodeposição da adenina no EPC e iii) leitura do sinal eletroquímico. Assim, foram otimizados diversos parâmetros: concentração de adenina (150,0 mg/L), potencial de condicionamento (Ec) (+ 1,80 V), potencial de deposição (Ed) (+ 0,40 V), tempo de condicionamento (tc) (180 s) e tempo de deposição (td) (240 s). Foi aplicado o adenina-EPC no estudo do dano oxidativo provocado por PAH (benzo (g,h,i) perileno) e constatou-se que era necessário transformar o benzo (g,h,i) perileno num radical para se possível observar danos oxidativos induzidos no biossensor. A nova estratégia consistiu na construção de um dA20-EPC, através da adsorção física de uma gota de dA20 na superfície do EPC, com posterior secagem e leitura do sinal eletroquímico. Neste procedimento foi otimizada a concentração de dA20 (100,0 mg/L). O dano oxidativo provocado pelo H2O2, NO• e HClO foi estudado sobre o dA20-EPC e verificou-se que os três contaminantes induziam dano oxidativo no dA20-EPC. Confirmou-se a capacidade do ácido ascórbico (AA) em proteger o dA20-EPC do dano oxidativo induzido por H2O2 e NO•. O biossensor desenvolvido (dA20-EPC) foi aplicado na avaliação da CAT de diferentes amostras reais (café, sumo de laranja e água aromatizada de laranja) usando-se como contaminantes o H2O2 e NO•. Todas as amostras analisadas apresentaram ter capacidade antioxidante. Quando se usou o dA20-EPC na presença de H2O2, verificou-se que as amostras de café apresentam valores mais elevados de CAT (1130-1488 mg AAE/L) do que as amostras de bebidas (110 mg AAE/L em água aromatizada e 775 mg AAE/L em sumo). Os valores de CAT obtidos para amostras de sumo e água aromatizada na presença de NO• indicam que a amostra de sumo possui maior teor de CAT (526 mg AAE/L) conforme era esperado, do que a amostra de água aromatizada (172 mg AAE/L).

Valorização da Borra de Café: Otimização da Produção de Biodiesel por Catálise Enzimática

O decréscimo das reservas de petróleo e as consequências ambientais resultantes do recurso a combustíveis fósseis nos motores a diesel têm levado à procura de combustíveis alternativos. Esta pesquisa alicerçada nas fontes de energia renovável tornou-se essencial, face à crescente procura de energia e ao limitado fornecimento de combustíveis fósseis . Resíduos de óleo de cozinha, gordura animal, entre outros resíduos de origem biológica, tais como a borra de café, são exemplos de matérias-primas para a produção de biodiesel. A sua valorização tem interesse quer pela perspetiva ambiental, quer pela económica, pois aumenta não só a flexibilidade e diversificação das matérias-primas, mas também contribui para uma estabilidade de custos e alteração nas políticas agrícolas e de uso do solo. É neste contexto que se enquadra o biodiesel e a borra de café, pretendendo-se aqui efetuar o estudo da produção, à escala laboratorial, de biodiesel a partir da borra de café, por transesterificação enzimática, visando a procura das melhores condições reacionais. Iniciando-se com a caracterização da borra de café, foram avaliados antes e após a extração do óleo da borra de café, diversos parâmetros, de entre os quais se destacam: o teor de humidade (16,97% e 6,79%), teor de cinzas (1,91 e 1,57%), teor de azoto (1,71 e 2,30%), teor de proteínas (10,7 e 14,4%), teor de carbono (70,2 e 71,7%), teor de celulose bruta (14,77 e 18,48%), teor de lenhina (31,03% e 30,97%) e poder calorifico superior (19,5 MJ/kg e 19,9 MJ/kg). Sumariamente, constatou-se que os valores da maioria dos parâmetros não difere substancialmente dos valores encontrados na literatura, tendo sido evidenciado o potencial da utilização desta biomassa, como fonte calorifica para queima e geração de energia. Sendo a caracterização do óleo extraído da borra de café um dos objetivos antecedentes à produção do biodiesel, pretendeu-se avaliar os diferentes parâmetros mais significativos. No que diz respeito à caracterização do óleo extraído, distingue-se a sua viscosidade cinemática (38,04 mm2/s), densidade 0,9032 g/cm3, poder calorífico de 37,9 kcal/kg, índice de iodo igual a 63,0 gI2/ 100 g óleo, o teor de água do óleo foi de 0,15 %, o índice de acidez igual a 44,8 mg KOH/g óleo, ponto de inflamação superior a 120 ºC e teor em ácidos gordos de 82,8%. Inicialmente foram efetuados ensaios preliminares, a fim de selecionar a lipase (Lipase RMIM, TL 100L e CALB L) e álcool (metanol ou etanol puros) mais adequados à produção de biodiesel, pelo que o rendimento de 83,5% foi obtido através da transesterificação mediada pela lipase RMIM, utilizando como álcool o etanol. Sendo outro dos objetivos a otimização do processo de transesterificação enzimática, através de um desenho composto central a três variáveis (razão molar etanol: óleo, concentração de enzima e temperatura), recorrendo ao software JMP 8.0, determinou-se como melhores condições, uma razão molar etanol: óleo 5:1, adição de 4,5% (m/m) de enzima e uma temperatura de 45 ºC, que conduziram a um rendimento experimental equivalente a 96,7 % e teor de ésteres 87,6%. Nestas condições, o rendimento teórico foi de 99,98%. Procurou-se ainda estudar o efeito da adição de água ao etanol, isto é, o efeito da variação da concentração do etanol pela adição de água, para teores de etanol de 92%, 85% e 75%. Verificou-se que até 92% decorreu um aumento da transesterificação (97,2%) para um teor de ésteres de (92,2%), pelo que para teores superiores de água adicionada (75% e 85%) ocorreu um decréscimo no teor final em ésteres (77,2% e 89,9%) e no rendimento da reação (84,3% e 91,9%). Isto indica a ocorrência da reação de hidrólise em maior extensão, que leva ao desvio do equilíbrio no sentido contrário à reação de formação dos produtos, isto é, dos ésteres. Finalmente, relativamente aos custos associados ao processo de produção de biodiesel, foram estimados para o conjunto de 27 ensaios realizados neste trabalho, e que corresponderam a 767,4 g de biodiesel produzido, sendo o custo dos reagentes superior ao custo energético, de 156,16 € e 126,02 €, respetivamente. Naturalmente que não esperamos que, a nível industrial os custos sejam desta ordem de grandeza, tanto mais que há economia de escala e que as enzimas utilizadas no processo deveriam ser reutilizadas diversas vezes.