Produção de oligossacarídeos a partir da borra de café por pré-tratamento hidrotérmico e ácido: bioatividades, impacto na microbiota e análise do ciclo de vida

Abstract

O café é uma das principais commodities globais. No entanto, seu processamento gera grandes volumes de resíduos, principalmente borra de café (BCF), que é descartada em aterros, causando impactos ambientais. Para mitigar esses impactos, é necessário implementar a valorização da BCF através da economia circular. A BCF possui aproximadamente 50% em massa seca de hemicelulose e celulose, a fração hemicelulósica é rica em galactomananas e arabinogalactanas, possibilitando a produção de manano-oligossacarídeos (MOS), que possuem potencial prebiótico. Entretanto, a BCF possui uma estrutura complexa. Assim, este trabalho teve como objetivo caracterizar BCF, otimizar a etapa de pré-tratamento com ácido sulfúrico diluído para obtenção de OS utilizando um modelo Box-Behnken 34 com 29 ensaios, avaliando os fatores: temperatura (140-190 °C), relação sólido/líquido (S/L) (1:40-1:4 g/mL), tempo de reação (20-120 min) e concentração de ácido sulfúrico (0-2% v/v), realizar análise do ciclo de vida, avaliar o potencial prebiótico por ensaios in vitro, a bioacessibilidade e biodisponilidade através do protocolo INFOGEST, e o impacto na microbiota dos OS através de ensaios in vitro de fermentação colônica e análises de metagenômica. A BCF utilizada neste estudo apresentou como principais frações a hemicelulose, compostos extrativos, lignina e celulose, respectivamente. Tendo a manose (aproximadamente 25% em massa seca) como principal açúcar. Foi possível produzir oligossacarídeos (OS) através do pré-tratamento com ácido diluído, sendo as variáveis mais influentes: a relação sólido/líquido (S/L), a concentração de ácido e a temperatura. Concentrações de ácido abaixo de 1,5% v/v foram mais eficientes, favorecendo a despolimerização da hemicelulose. Sob a condição ótima (169 °C, S/L - 1/40, 20 min e 1,43% H2SO4) foi possível obter 21,40 g de OS por 100 g de BCF seca, com proporção de 1:1:1 (manose:galactose:arabinose), sendo a manobiose o principal OS. O ácido cítrico também se mostrou eficiente, abrindo caminho para estudos de otimização. A Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) indicou que as etapas de precipitação dos OS e recuperação de solventes impactaram significativamente, sendo o ensaio 23 (165 °C, S/L - 1/4, 70 min e 0% H2SO4) a de menores impactos ambientais em relação aos ensaios de pré-tratamento hidrotérmico. O pré-tratamento hidrotérmico revelou-se eficaz na extração de oligossacarídeos e polissacarídeos proveniente de arabinogalactanas, com 76,25 ± 5,86 g de galactose por 100g de OS. Apesar da presença de ácido clorogênico, os oligossacarídeos do ensaio 23 (OS-23) apresentaram baixa capacidade antioxidante pelos métodos ABTS, DPPH e ORAC. O OS-23 (0,50% m/v) demonstrou potencial prebiótico ao promover o crescimento de Bifidobacterium, Lacticaseibacillus e Lactobacillus. No entanto, L. acidophilus LA-5 e B. animalis Bo apresentaram crescimento reduzido em concentrações superiores a 0,50% (m/v), sugerindo um possível estresse microbiano. A formulação de hidrogel com 1,5% m/v de pectina foi a que apresentou resultados mais adequados. Ensaios in vitro demonstraram que o Hydrogel OS-23 resiste à digestão e alcança o intestino onde será fermentado pela microbiota intestinal. A fermentação colônica in vitro demonstrou que o hidrogel contendo os OS-23 (Hydrogel OS-23) aumentou a diversidade microbiana e estimulou o crescimento de Bifidobacterium e Bacteroides, promovendo a produção de ácidos graxos de cadeia curta (AGCC), especialmente acetato. O Hydrogel OS-23 teve efeitos similares ao hidrogel contendo fruto-oligossacarídeos, indicando sinergia entre pectina e OS-23 na modulação da microbiota intestinal. Este estudo contribui para o entendimento da extração de OS da fração hemicelulósica da BCF, bem como suas bioatividades, potencial prebiótico e impacto sinérgico entre a matriz péctica e os OS da BCF na microbiota, representando um avanço significativo na valorização deste resíduo.

Coffee is one of the most tradable commodities. However, its processing generates large quantities of waste, primarily spent coffee grounds (SCG), which are often discarded in landfills, leading to environmental impacts. To mitigate these impacts, the valorization of SCG through circular economic approaches is essential. SCG consists of approximately 50% (dry weight) hemicellulose and cellulose, with the hemicellulosic fraction being rich in galactomannans and arabinogalactans, enabling the production of mannan-oligosaccharides (MOS) with potential prebiotic properties. However, the complex structure of SCG presents challenges for its valorization. The objectives of this study were to characterize SCG and optimize the dilute sulfuric acid pretreatment for oligosaccharide (OS) production using a BoxBehnken 34 model with 29 experiments. The evaluated factors include temperature (140–190 °C), solid/liquid ratio (S/L) (1:40–1:4 g/mL), reaction time (20–120 min), and sulfuric acid concentration (0–2% v/v). Additionally, a life cycle assessment (LCA) was conducted, along with in vitro evaluations of prebiotic potential, bioaccessibility and bioavailability through the INFOGEST protocol, and microbiota impact via in vitro colonic fermentation and metagenomic analyses. The SCG used in this study was primarily comprised hemicellulose, extractives, lignin, and cellulose, with mannose as the predominant sugar (approximately 25% dry weight). OS production was achieved through dilute acid pretreatment, with the most influential variables being the S/L ratio, acid concentration, and temperature. Acid concentrations below 1.5% v/v were more efficient, enhancing hemicellulose depolymerization. Under optimal conditions (169 °C, S/L – 1/40, 20 min, and 1.43% H2SO4), 21.40 g of OS per 100 g of dry SCG was obtained, with a monosaccharide ratio of 1:1:1 (mannose:galactose:arabinose), predominantly mannobiose. Citric acid also demonstrated efficiency, indicating potential for further optimization. LCA results indicated that OS precipitation and solvent recovery stages had the highest environmental impact, with assay 23 (165 °C, S/L – 1/4, 70 min, and 0% H2SO4) showing the lowest environmental burden among hydrothermal pretreatment assays. Hydrothermal pretreatment proved effective in extracting oligosaccharides and polysaccharides derived from arabinogalactans, yielding 76.25 ± 5.86 g of galactose per 100 g of OS. Despite the presence of chlorogenic acid, the oligosaccharides from assay 23 (OS-23) exhibited low antioxidant capacity in ABTS, DPPH, and ORAC assays. The OS-23 at 0.50% m/v demonstrated prebiotic potential by promoting the growth of Bifidobacterium, Lacticaseibacillus, and Lactobacillus. However, L. acidophilus LA-5 and B. animalis Bo exhibited reduced growth at concentrations exceeding 0.50% (m/v), suggesting microbial stress. The hydrogel formulation with 1.5% m/v pectin showed the most suitable properties. The in vitro assays confirmed that the hydrogel containing the OS-23 (Hydrogel OS-23) resists digestion and reaches the colon, where it undergoes fermentation by gut microbiota. In vitro colonic fermentation revealed that Hydrogel OS-23 enhanced microbial diversity and stimulated the growth of Bifidobacterium and Bacteroides, leading to increased production of short-chain fatty acids (SCFAs), particularly acetate. Hydrogel OS-23 exhibited effects similar to the hydrogel containing fructooligosaccharide, indicating synergy between pectin and OS23 in gut microbiota modulation. This study contributes to the understanding of OS extraction from the hemicellulosic fraction of SCG, as well as its bioactivities, prebiotic potential, and the synergistic impact between pectic matrix and SCG-derived OS on gut microbiota, marking a significant advancement in SCG valorization.