日本东北大学研究生院工学研究科的祖山均教授、广森浩祐助教、北川尚美教授宣布，已证实利用水力空化（Hydrodynamic Cavitation）技术，可在从咖啡粉末中提取咖啡酸的同时，还能将咖啡豆纤维素解纤为微米级纤维状。该技术有望应用于各类食品废弃物，并有望为有用物质提取及生物质高附加值化作出贡献。所开发的阀式水力空化发生装置正在申请专利。相关研究成果已发表在国际学术期刊《Ultrasonics Sonochemistry》的4月25日刊上。
图1. 从咖啡粉末中提取咖啡酸（供图：东北大学）
图2. 从咖啡粉末中获得的纤维（供图：东北大学）
每年生产一千万吨以上的咖啡豆，提取后会产生大量残渣。这些残渣中含有可应用于抗癌药物等领域的咖啡酸等有用物质，但目前尚未确立产业化的提取方法，因此大部分都被直接丢弃。
为此，本次研究聚焦于水力空化现象。空化现象是一种在工厂设备等的泵和阀门等部件内部发生的气泡在溃灭时产生强烈的局部冲击力现象，它甚至能使金属变形。过去，其对机器的负面影响曾引发担忧，但近年来，活用这种冲击力的研究不断取得进展，特别是水力空化已知具有较高的能量效率。
研究团队探讨了能否通过水力空化的化学作用从咖啡粉末中高效提取咖啡酸，同时通过其物理作用将咖啡粉末中所含的纤维质解纤成可用于工业材料等领域的微米级纤维素纤维。
祖山教授等人使用所开发出的文丘里管式水力空化装置和阀式水力空化发生装置，对混合有咖啡粉末（未使用）的乙醇水溶液实施了生成并溃灭的微细气泡、施加强大冲击的处理。然后，广森助教与北川教授进行了咖啡酸浓度测定及水溶液冷冻干燥样品的制备，祖山教授则使用该样品通过扫描电子显微镜对纤维素纤维的结构进行了测量。
将抽出量与使用60%体积浓度的异丙醇水溶液、在95℃条件下通过常规索氏提取法提取的情况进行了比较。结果表明，通过对空化溃灭场压力的优化，成功将空化冲击能量提升至20倍。实验不仅证实可提取统计学意义上显著更多的咖啡酸，还确认能将纤维素解纤成微米级纤维。
祖山教授表示：“此前通过空化处理生物质时，需精细粉碎并过筛分等级，且只能在质量分数1%以下的浓度条件下处理。而通过改进泵和空化发生部件，如今已能在无需粉碎咖啡渣的情况下，实现质量分数20%以上的高浓度处理。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST 客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Ultrasonics Sonochemistry
论文：Simultaneous Extraction of Caffeic Acid and Production of Cellulose Microfibrils from Coffee Grounds Using Hydrodynamic Cavitation in a Venturi Tube
DOI：10.1016/j.ultsonch.2025.107370
