นวัตกรรมจากเปลือกกาแฟ

ประเทศไทยมีกำลังการผลิตกาแฟได้ถึง 24,614 ตันต่อปี โดยแบ่งเป็นกาแฟโรบัสตา ร้อยละ 79 และ อะราบิก้า ร้อยละ 21 (ที่มา: สำนักงานเศรษฐกิจการเกษตร ปี 2562) ในผลเชอรี่กาแฟ 1 ผล หากไล่มาจากด้านนอกเข้าไปจนถึงส่วนในสุดดังแสดงในรูปที่ 1 จะประกอบไปด้วย ผิวและเปลือกกาแฟ ซึ่งทำหน้าที่ปกป้องเมล็ดกาแฟ ถัดมาเป็นส่วนมิวซิเลจ หรือส่วนเมือก เป็นชั้นเนื้อเยื่อห่อหุ้มกะลากาแฟไว้ โดยในชั้นนี้จะมีโปรตีนและน้ำตาลอยู่สูง ถัดเข้ามาอีกชั้นจะเป็นส่วนกะลากาแฟและซิลเวอน์สกิน เป็นส่วนสุดท้ายที่คอยปกป้องเมล็ดกาแฟที่อยู่ข้างใน และ ชั้นในสุดคือกาแฟสาร หรือเมล็ดกาแฟนั่นเอง

ระหว่างการผลิตกาแฟสารนั้น ส่วนที่เป็นเปลือกกาแฟ ซึ่งเป็นวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรมีมากถึงร้อยละ 50 โดยน้ำหนัก ซึ่งถือเป็นของเหลือใช้ทางการเกษตรที่มีปริมาณมากที่เกิดขึ้นในกระบวนการผลิตกาแฟสารแบบ Wet process ซึ่งหากคิดจากการผลิตกาแฟในจังหวัดเชียงราย ที่มีกำลังผลิตเชอร์รี่กาแฟอยู่ที่ประมาณ 8,000 ตันต่อปีแล้ว ปริมาณเปลือกกาแฟที่เหลือทิ้งหลังการผลิตกาแฟสาร อาจมีมากถึง 4,000 ตัน ต่อปี โดยเปลือกกาแฟเหล่านี้บางส่วนถูกนำไปผลิตเป็นปุ๋ย อาหารสัตว์ หรือทิ้งให้ย่อยสลายตามธรรมชาติซึ่งใช้เวลานานและเป็นปัญหาเรื่องกลิ่นที่เกิดขึ้นระหว่างการย่อยสลายอีกด้วย

อย่างไรก็ดีในส่วนที่เป็นเปลือกกาแฟนั้นมีมูลค่ามากกว่าการนำไปเป็นปุ๋ย หรือปล่อยให้ถูกย่อยสลายตามธรรมชาติ เนื่องจากในเปลือกกาแฟนั้น มีองค์ประกอบที่เป็นโปรตีน (4-12%) ไขมัน (1-2%) น้ำตาลและแป้ง (45-89%) รวมไปถึงสารต้านอนุมูลอิสระประเภท สารประกอบฟีนอล (phenolic compounds) รวมไปถึงคาเฟอีน (1-3%) อีกด้วย² ปัจจุบันมีการนำเปลือกกาแฟไปผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายมากขึ้น เช่น เชื้อเพลิงชีวภาพจากเปลือกกาแฟ3 สารดูดซับชีวภาพ (biosorbent)⁴ แผ่นไม้ประกอบ (Particle Board)⁵ ทางด้านอุตสาหกรรมอาหาร จะเห็นว่ามีการจะมีผลิตภัณฑ์จากเปลือกกาแฟอบแห้ง ที่รู้จักกันในชื่อ Cascara ออกมาอย่างมากมาย โดยการนำมาผลิตเป็นเครื่องดื่มต่าง ๆ จาก Cascara นอกจากนี้ยังมีการนำเปลือกกาแฟอบแห้งมาแปรรูปในอาหารต่างๆ⁶ ดังแสดงในรูปที่ 2 A-E ตามลำดับ

เนื่องจากส่วนเปลือกกาแฟที่มีปริมาณน้ำตาลสูงนั้น การนำมาผลิตเป็นเครื่องดื่มเพื่อสุขภาพ เช่นน้ำส้มสายชูหมักจากเปลือกกาแฟ ก็เป็นอีกทางเลือกที่สามารถเพิ่มมูลค่าของเปลือกกาแฟได้ โดยน้ำส้มสายชูหมักที่ได้ยังมีคุณสมบัติการต้านอนุมูลอิสระอีกด้วย⁷

จากที่ได้กล่าวไปข้างต้นถึงองค์ประกอบเปลือกกาแฟ จะเห็นว่าเป็นแหล่งของน้ำตาลและคาร์โบไฮเดรต และเหมือนกับเปลือกผลไม้ทั่วไปที่องค์ประกอบในส่วนที่เป็นคาร์โบไฮเดตรนี้จะมีเพคตินเป็นองค์ประกอบ เพคตินประกอบด้วยกรดกาแลคทูโรนิก (galacturonic acid) เป็นหลัก ซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยพันธะแอลฟา 1,4 ไกลโคซิดิก (α-1,4 glycosidic) โดยกรดกาแลคทูโรนิกแบ่งออกเป็น 2 ชนิดคือแบบที่ไม่มีกลุ่มเมทอกซิล (CH3) ดังแสดงในรูปที่ 3 แบบ A และแบบที่มีกลุ่มเมทอกซิล (CH3) เกาะอยู่ดังแสดงในรูปที่ 3 แบบ B ซึ่งการมีปริมาณกลุ่มเมทอกซิลเกาะนั้นทำให้แบ่งชนิดของเพคตินออกเป็น 2 ชนิด ได้แก่ เพคตินประเภทเมทอกซิลสูง หรือ High methoxyl pectin (HMP) มีระดับเมทอกซิล 50% ขึ้นไป และ ชนิดเมทอกซิลต่ำ หรือ Low methoxyl pectin (LMP) มีระดับเมทอกซิล ต่ำกว่า 50% ซึ่งเพคตินประเภทเมทอกซิลสูงนั้นเกิดเจลได้ดี โดยเฉพาะในสภาวะที่มีน้ำตาล 55 – 65 % หรือมีค่า pH เท่ากับ 2.9 – 3.1 โดยนิยมนำมาใช้ในการผลิตแยม และ เยลลี่ ในขณะที่เพคตินชนิดเมทอกซิลสามารถการเกิดเจลได้โดยไม่ต้องมีน้ำตาล แต่ต้องมีแคลเซียมไอออน (Ca2+) ปะปนอยู่ โดย เจลชนิดนี้มีสมบัติอ่อนนนุ่มกว่าเพคตินชนิดเมทอกซิลสูง เนื่องจากคุณสมบัติการเกิดเจลได้โดยไม่ต้องใช้น้ำตาลปัจจุบันจึงนิยมนำมาใช้ในอุตสาหกรรมอาหารชนิดลดปริมาณน้ำตาล8

ในหลายงานวิจัยได้มีการพัฒนาการสกัดเพคตินจากเปลือกกาแฟ โดยสามารถผลิตเพคตินได้ 14% -35% จากน้ำหนักเปลือกกาแฟ โดยใช้กรรมวิธีการสกัดที่หลากหลาย และสารเคมีในการสกัดที่แตกต่างกันจะได้เพคตินในชนิดที่แตกต่างกันไป กล่าวคือหากใช้กรดอนินทรีย์ เช่น กรดไนตริก หรือ กรดไฮโดรคลอริกในการสกัดเพคตินจากเปลือกกาแฟ ส่วนใหญ่แล้วจะได้เพคตินประเภคเมทอกซิลสูง ในขณะที่สกัดด้วยกรดอินทรีย์ที่มีค่าความเป็นกรดไม่สูงมากจะได้เพคตินชนิดเมทอกซิลต่ำ⁹ ซึ่งมีคุณสมบัติเป็นสารพรีไบโอติก สามารถนำไปต่อยอดในผลิตภัณฑ์เสริมสุขภาพ นอกจากนี้เพคตินจากกาแฟยังสามารถนำไปขึ้นรูปเพื่อผลิตเป็นแผ่นฟิล์มเพื่อบรรจุภัณฑ์อาหารได้อีกด้วย¹⁰

การแปรรูปของเหลือใช้ทางการเกษตรที่เกิดจากกระบวนการผลิตกาแฟสาร นั้นนอกจากจะเป็นการช่วยลดปริมาณขยะทางการเกษตรที่เกิดขึ้นแล้วยังเป็นการเพิ่มมูลค่าผลิตภัณฑ์ทางการเกษตร และสร้างนวัตกรรมใหม่ ๆ จากเปลือกกาแฟ อีกด้วย ซึ่งตรงกับโมเดลการพัฒนาเศรษฐกิจแบบองค์รวม (BCG model) ที่จะพัฒนาเศรษฐกิจ พร้อมกันทั้ง 3 ด้าน ได้แก่ เศรษฐกิจชีวภาพ (Bioeconomy) ที่มุ่งเน้นการสร้างมูลค่าเพิ่มจากทรัพยากรชีวภาพ โดยเน้นการพัฒนาเป็นผลิตภัณฑ์มูลค่าสูง เชื่อมโยงกับระบบเศรษฐกิจหมุนเวียน หรือ Circular Economy ที่คำนึงถึงการนำวัสดุต่าง ๆ กลับมาใช้ประโยชน์ให้มากที่สุด และทั้ง 2 เศรษฐกิจนี้ อยู่ภายใต้แนวคิดเศรษฐกิจสีเขียว (Green Economy) ที่เน้นการพัฒนาเศรษฐกิจควบคู่ไปกับการพัฒนาสังคมและการรักษาสิ่งแวดล้อมได้อย่างสมดุลและยั่งยืน การจัดการของเหลือทิ้งระหว่างกระบวนการผลิตกาแฟสารจึงน่าจะเป็นโมเดล BCG ที่ดีในแง่ของการพัฒนาที่ยั่งยืน

เอกสารอ้างอิง

1. Natalie Gotts อ้างอิงรูปภาพ “Coffee cherries, showing beans” (2015) https://gottsusa.wordpress.com/2015/12/02/for-coffee-connoisseurs/coffee-cherries-showing-beans/
2. Klingel, T.; Kremer, J.I.; Gottstein, V.; Rajcic de Rezende, T.; Schwarz, S.; Lachenmeier, D.W. “A Review of Coffee By-Products Including Leaf, Flower, Cherry, Husk, Silver Skin, and Spent Grounds as Novel Foods within the European Union.” Foods 2020, 9(5), 665; https://doi.org/10.3390/foods9050665 
3. Gouvea, B.M.; Torres, C.; Franca, A.S.; Oliveira, L.S.; Oliveira, E.S. “Feasibility of ethanol production from coffee husks.” Biotechnol. Lett. 2009, 31, 1315–1319. 
4. Oliveira, W.E.; Franca, A.S.; Oliveira, L.S.; Rocha, S.D. “Untreated coffee husks as biosorbents for the removal of heavy metals from aqueous solutions.” J. Hazard. Mater. 2008, 152, 1073–1081
5. Bekalo, S.A.; Reinhardt, H.W. “Fibers of coffee husk and hulls for the production of particleboard.” Mater. Struct. Constr. 2010, 43, 1049–1060 
6. Iriondo-DeHond, A.; Iriondo-DeHond, M.; del Castillo, M.D. “Applications of Compounds from Coffee Processing By-Products.” Biomolecules 2020, 10(9), 1219; https://doi.org/10.3390/biom10091219
7. Thaiphanit,S; Wedprasert, W; Srabua, A. “Conventional and microwave-assisted extraction for bioactive compounds from dried coffee cherry peel by-products and antioxidant activity of the aqueous extracts” ScienceAsia 2020, 46S, 12-18 doi: 10.2306/scienceasia1513-1874.2020.S002
8. Mellinas, C.; Ramos, M.; Jiménez, A.; Garrigós, M.C. “Recent Trends in the Use of Pectin from Agro-Waste Residues as a Natural-Based Biopolymer for Food Packaging Applications.” Materials 2020, 13(3), 673; https://doi.org/10.3390/ma13030673 
9. สุนิตา แจ่มยวง, อมร โอวาทวรกิจ, อุไรวรรณ อินต๊ะถา, สิทธิ ดวงเพชร และ จุฑามาศ นาชะ อนุสิทธิบัตรเรื่อง “กรรมวิธีการสกัดเพคตินชนิดเมทอกซีต่ำจากกาฟด้วยกรดอินทรีย์และด่าง” เลขที่คำขอ 200300229 ปีที่ขอ 2563 10. 
10. Reichembach, L.H. and C.L. de Oliveira Petkowicz, Extraction and characterization of a a pectin from coffee (Coffea arabica L.) pulp with gelling properties. Carbohydrate Polymers, 2020. 245: p. 116473.