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Evaluation of industrial coffee waste reutilization for the synthesis of polymer composites
Cortéz Rosario, Yetzzel I.
Cortéz Rosario, Yetzzel I.
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Abstract
Coffee is a widely consumed beverage, and its economic worth has grown over time. Several derivatives result from coffee production, leading to significant waste generation. Among these by-products, coffee silverskin (CS) has no economic value and is incinerated or discarded as solid waste, affecting the environment and human health. Therefore, researchers are developing new eco-friendly materials derived from these coffee production by products. As a consequence, the necessity of reusing CS for environmental sustainability has driven research to explore its application as an alternative filler for polymer composites. However, CS particle size and polymer processing methods can lead to mechanical failures in synthesized composites. Even so, CS extracts (CSE) contain several bioactive compounds and antioxidants that could enhance polymer mechanical properties while protecting the molecular structures from harmful radicals that cause oxidative stress. For this reason, CSE may represent a natural reinforcement for chitosan (CH) to generate a chitosan-coffee silverskin composite material (CH-CSE). Chitosan is a natural, biocompatible, and biodegradable polysaccharide with low toxicity. Thus, our interest is to evaluate the effect of CSE on the mechanical properties of CH produced by solvent casting. The CSE was added at concentrations of 0.25, 0.50, 1.0, and 2.0 (v/v). Tensile testing showed increased ultimate tensile strength and elastic modulus in composites containing 1.0% CSE. Also, X-ray powder diffraction (XRD) patterns revealed CH characteristic peaks, and the degree of crystallinity was higher with the addition of 1.0% CSE. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) showed characteristic functional groups of CH but did not show significant changes in the molecular structure of composite samples. Ultraviolet-visible (UV-vis) identified the absorption peaks of caffeine and chlorogenic acids present in CSE, and the radical scavenging activity (%RSA) was measured to assess the antioxidant potential of films. The composites effectively reduced free radicals and showed good antioxidant properties. Our research shows that developing polymers with CSE offers an alternative approach to reducing oxidative stress in polymers and enhancing mechanical properties, which makes the CH-CSE composites suitable candidates for food packaging applications.
El café es una bebida ampliamente consumida y su valor económico ha crecido con el tiempo. La producción de café genera varios derivados, lo que conduce a una generación significante de residuos. El pergamino de café (CS) es un derivado que no tiene valor económico y es incinerado o desechado como un residuo sólido, así afectando el medioambiente y la salud de las personas. Por tal motivo, se están desarrollando nuevos materiales que provienen de la producción del café. Adicionalmente, la necesidad de reutilizar CS para la sostenibilidad ambiental ha impulsado investigaciones para explorar su potencial como un aditivo alterno en compuestos poliméricos. Sin embargo, el tamaño de partículas de CS y el tipo de métodos de procesamiento puede provocar fallos mecánicos en los compuestos polímericos. Aún así, extractos de CS (CSE) contienen varios compuestos bioactivos y antioxidantes que podrían mejorar las propiedades mecánicas del polimero y proteger sus estructuras moleculares de los radicales dañinos. Por esta razón, el CSE podría representar un refuerzo natural para el quitosano (CH) para generar un material compuesto de quitosano y extractos de pergamino de café. Por lo tanto, nuestro interés es evaluar el efecto de CSE en las propiedades mecánicas del CH producido por fundición de disolución de polímeros. El CSE se añadió en concentraciones de 0.25, 0.50, 1.0, y 2.0% (v/v). Las pruebas de tensión mostraron un aumento en resistencia máxima de tensión y modulo de elasticidad en los compuestos que contenían 1.0% CSE. Además, los patrones de difracción de rayos X (XRD) mostraron los picos característicos del CH, y el grado de cristalinidad fue mayor con la adición de 1.0% de CSE. La espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) no evidenció cambios significativos en la estructura molecular de los compuestos. La espectroscopía ultravioleta-visible (UV-vis) identificó los picos de absorción de la cafeína y los ácidos clorogénicos presentes en el CSE, y se midió la actividad de eliminación de radicales (%RSA). Los compuestos redujeron eficazmente los radicales libres y mostraron buenas propiedades antioxidantes. Esta investigación demuestra que el desarollo CSE ofrece un enfoque alternativo para reducir el estrés oxidativo en los polímeros y mejorar las propiedades mecánicas, lo que hace que los compuestos buen candidatos adecuados para aplicaciones en empaque de alimentos.
El café es una bebida ampliamente consumida y su valor económico ha crecido con el tiempo. La producción de café genera varios derivados, lo que conduce a una generación significante de residuos. El pergamino de café (CS) es un derivado que no tiene valor económico y es incinerado o desechado como un residuo sólido, así afectando el medioambiente y la salud de las personas. Por tal motivo, se están desarrollando nuevos materiales que provienen de la producción del café. Adicionalmente, la necesidad de reutilizar CS para la sostenibilidad ambiental ha impulsado investigaciones para explorar su potencial como un aditivo alterno en compuestos poliméricos. Sin embargo, el tamaño de partículas de CS y el tipo de métodos de procesamiento puede provocar fallos mecánicos en los compuestos polímericos. Aún así, extractos de CS (CSE) contienen varios compuestos bioactivos y antioxidantes que podrían mejorar las propiedades mecánicas del polimero y proteger sus estructuras moleculares de los radicales dañinos. Por esta razón, el CSE podría representar un refuerzo natural para el quitosano (CH) para generar un material compuesto de quitosano y extractos de pergamino de café. Por lo tanto, nuestro interés es evaluar el efecto de CSE en las propiedades mecánicas del CH producido por fundición de disolución de polímeros. El CSE se añadió en concentraciones de 0.25, 0.50, 1.0, y 2.0% (v/v). Las pruebas de tensión mostraron un aumento en resistencia máxima de tensión y modulo de elasticidad en los compuestos que contenían 1.0% CSE. Además, los patrones de difracción de rayos X (XRD) mostraron los picos característicos del CH, y el grado de cristalinidad fue mayor con la adición de 1.0% de CSE. La espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) no evidenció cambios significativos en la estructura molecular de los compuestos. La espectroscopía ultravioleta-visible (UV-vis) identificó los picos de absorción de la cafeína y los ácidos clorogénicos presentes en el CSE, y se midió la actividad de eliminación de radicales (%RSA). Los compuestos redujeron eficazmente los radicales libres y mostraron buenas propiedades antioxidantes. Esta investigación demuestra que el desarollo CSE ofrece un enfoque alternativo para reducir el estrés oxidativo en los polímeros y mejorar las propiedades mecánicas, lo que hace que los compuestos buen candidatos adecuados para aplicaciones en empaque de alimentos.
Description
Date
2024-12-11