咖啡壳在木质复合材料中的应用

摘 要：我国咖啡产量增长迅速，与此同时产生大量的咖啡加工剩余物，咖啡壳是加工剩余物中的一种。本文介绍了咖啡的生产过程、咖啡加工剩余物的相关性质以及目前咖啡加工剩余物的利用情况，并指出咖啡壳在咖啡壳人造板、咖啡壳-塑料复合材料和3D咖啡壳打印材料方面的应用前景。

关键词：咖啡壳；人造板；木塑复合；3D打印

1 咖啡生产简介

咖啡（Coffea spp.）作为世界三大饮料之一，在世界范围内广泛种植。2015年云南咖啡种植面积达到180万亩，产量13万吨左右，种植面积和产量均占到中国咖啡的99%[1]。生产咖啡过程中会产生大量的加工剩余物，据估算[2]，2015年产生咖啡鲜果皮34.43万吨、果肉19.42万吨和咖啡壳2.26万吨。咖啡主要有干法和湿法两种加工方式[3]，根据咖啡的加工工艺，咖啡的副产物也有所差异。张京文等[2]对咖啡加工剩余物进行了详细的研究，研究表明咖啡加工剩余物中含有大量的有机营养物质和矿物质，详见表1和表2。

表1 咖啡加工剩余物有机营养物质含量

表2 咖啡加工剩余物矿物质含量

2 咖啡加工剩余物的应用

咖啡果肉可以作饲料，但是要控制好添加量，否则会对牲畜产生不良影响；咖啡果肉还可以作肥料，鲜果肉可直接施于咖啡树，也可发酵后再施用，不仅促进咖啡树的生长，而且还会起到一定的抗虫作用[4]。咖啡壳可以作为饮料的添加剂，可以作燃料、肥料、饲料和硬质纤维板的原料，还可以从果肉和咖啡壳中提取咖啡因[4]。

3 咖啡壳在木质复合材料中的应用

目前，咖啡壳在木质复合材料方面的研究比较少。咖啡壳由于自身的特性，在咖啡壳人造板、咖啡壳-木塑复合材料及咖啡壳3D打印材料等方面具有应用前景。

3.1咖啡壳人造板

我国是农业大国，每年产生大量的农作物秸秆以及农产品加工剩余物，其中稻麦秸秆、稻壳、花生壳、椰子壳等已经应用于人造板的生产[5]。

咖啡壳作为一种农产品加工剩余物，也受到一些研究人员的关注。Samson Ayele Bekalo等[6]对利用咖啡壳生产的刨花板的工艺和性能进行了相关的研究，结果表明咖啡壳中纤维素和半纤维素含量比较高，纤维形态也比较好，符合生产刨花的原料要求；另外，该研究使用异氰酸酯和脲醛树脂胶黏剂，咖啡壳与木材刨花按1∶1的质量比混合压制的单层结构刨花板的性能比较好，达到相关标准的要求。

根据现有的研究，咖啡壳不仅具有含量可观的纤维素和半纤维素，而且还具有咖啡因等特殊物质。贾翀等[7]将檀香香精和茉莉香精添加到胶黏剂中，制备了芳香型纤维板，结果表明芳香型纤维板由于具有特殊芳香性能受到广泛好评。咖啡壳具有天然的咖啡香气，可以考虑制备天然芳香型人造板等具有特殊感官功能的复合材料，不仅可以做到物尽其用，而且还可以提升产品层次，提高产品附加值。咖啡壳中含有部分矿物质和有机营养物质等成分，因此在探索生产工艺时需要注意这些物质的影响。

3.2 咖啡壳-塑料复合材料

木塑复合材料是利用木材、农作物秸秆等木质材料经粉碎后，与热塑性塑料及各种助剂一起通过热压或者熔融挤出等加工方式制备的一种复合材料。由于兼具木材和塑料两者的优点，所以备受市场欢迎。木塑复合材料生产中的一个关键点就是木质材料和塑料之间的相容性，由于两者具有不同的极性，因此通常需要添加相容剂。咖啡壳与一般的木质材料存在一定的成分差异。其次，咖啡壳中含有的蛋白质和糖类等物质，在生产过程中会遇到高温环境，此类物质会发生分解等变化。处理好这两点对制备质量合格的咖啡壳—塑料复合材料起到决定性的作用。

3.3 咖啡壳3D打印材料

3D打印技术，也称作增材制造，是一种通过逐层增加材料从而生成三维实体的技术。该技术于19世纪末起源于美国，上世纪80年代开始迅速发展。3D打印主要有光固化、材料喷射、粘结剂喷射、熔融沉积、选择性激光烧结、片层压和定向能量沉积7种工艺[8]。3D打印材料是3D打印技术发展的基石，目前，3D打印材料主要有工程塑料、光敏树脂、橡胶、金属、陶瓷、石膏、细胞生物原料及砂糖等食品材料[8]。以木质材料和农作物秸秆等粉末与热塑性塑料共混制备木塑复合材料的技术已经比较成熟。咖啡壳具有制备咖啡壳-塑料3D打印材料的潜质，并且拥有特殊的咖啡香气，产品会有较强的竞争力。

4 结语

咖啡壳作为一种加工剩余物，如不加利用，不仅造成资源浪费，而且还有可能污染环境。经过合理、充分的利用，一方面可以可以变废为宝、挖掘咖啡壳的潜在价值；另一方面可以增加企业的收入、利国利民。

参考文献：

[1]云南今年咖啡产量将达13万吨[EB/OL]. http：//yn.people.com.cn/news/yunnan/n/2015/1120/c228496-27142375.html.

[2]张京文， 黄家雄， 吕玉兰， 等. 咖啡废弃物利用研究初探： 第十六届中国科协年会——分17精品咖啡豆认证与公平交易及庄园标准化国际论坛， 中国云南昆明， 2014[C].

[3]马驰. 小粒咖啡标准化生产技术[M]. 北京：金盾出版社， 2009.

[4]R. P. Ananda， 李爱英. 咖啡浆果的副产品及其合理利用[J]. 热带作物译丛， 1987（06）：29-31.

[5]王欣， 周定国. 我国人造板原材料的创新与可持续发展[J]. 林业科技开发， 2009（01）：5-9.

[6]Samson A B， Hans-WolfReinhardt. Fibers of coffee husk and hulls for the production of particleboard[J]. Materials and Structures， 2010，43（8）：1049-1060.

[7]贾翀， 徐信武， 秦毅， 等. 芳香型纤维板制造工艺[J]. 林业科技开发， 2011（04）：93-95.

[8]杜宇雷， 孙菲菲， 原光， 等. 3D打印材料的发展现状[J]. 徐州工程学院学报（自然科学版）， 2014，29（1）：20-24.