Che cos’è la coffee silverskin?

Durante la tostatura il chicco di caffè perde acqua, aumenta di volume e libera progressivamente il sottile tegumento che riveste esternamente il seme; si tratta di una pellicola argentea, in inglese coffee silverskin (CS), comunemente chiamata anche chaff.

Questa sottile pellicola viene trascinata dal flusso d’aria della tostatrice e separata attraverso il sistema di aspirazione e un ciclone di sedimentazione di cui è dotato l’impianto di tostatura. La CS è un sottoprodotto generato nelle torrefazioni e presenta un contenuto di umidità relativamente basso, intorno al 5–7%, che ne favorisce stabilità, raccolta e conservazione.

La CS è una biomassa lignocellulosica ricca di fibra, nella quale cellulosa, emicellulosa e lignina costituiscono una parte importante della sua struttura. Sono presenti inoltre proteine, una frazione lipidica, minerali e numerosi composti provenienti dal chicco o formatisi durante la tostatura.

Gli studi ne evidenziano buone capacità di trattenere acqua e olio, buone attività e stabilità emulsionante e un buon potenziale antiossidante. Inoltre, la letteratura scientifica riporta che nella CS sono presenti molecole chimiche come acidi clorogenici nell’ordine dell’1–6%, caffeina dello 0,8–1,25% e melanoidine del 17–23%.

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Da semplice rifiuto industriale a materia prima secondaria

La ricerca scientifica ha progressivamente spostato l’attenzione sulla coffee silverskin dal semplice smaltimento come rifiuto industriale alla possibilità di utilizzarla come materia prima secondaria.

In letteratura scientifica vengono indicate diverse possibilità di riutilizzo: una prima possibilità è recuperare la caffeina e i composti fenolici mediante estrazione con solvente, in quanto si tratta di molecole ad alto valore per i settori alimentare, cosmetico e farmaceutico. Diversi studi hanno lavorato sull’ottimizzazione del solvente di estrazione e delle condizioni di processo per massimizzare il recupero della frazione antiossidante.

Nel settore cosmetico gli estratti di CS sono stati studiati per il loro potenziale antiossidante e per possibili attività anti-invecchiamento, antinfiammatorie, antimicrobiche e di inibizione della ialuronidasi. La ricerca non si è limitata alla caratterizzazione chimica ma sono state sviluppate formulazioni cosmetiche e condotti anche studi in vitro e in vivo sulla sicurezza dell’impiego topico degli estratti.

Un altro campo è quello alimentare per l’elevato contenuto di fibra che ha portato alla sperimentazione della CS come ingrediente per la produzione di pane, biscotti, yogurt e prodotti da forno, come sostituto parziale della farina o dei grassi e nella preparazione di bevande funzionali. Anche la frazione proteica costituisce una componente potenzialmente valorizzabile, poiché la caratterizzazione delle proteine e del profilo amminoacidico della CS evidenzia prospettive di utilizzo per il suo recupero e la successiva trasformazione.

Un ambito completamente diverso riguarda la produzione di materiali compositi dove è possibile sfruttare la struttura lignocellulosica della CS per esse utilizzata come filler in matrici polimeriche biodegradabili, tra cui PLA, PBS e sistemi PHBV/PBAT. Dalla sua cellulosa sono stati inoltre ottenuti cellulose “nanocrystals” impiegate come rinforzo di film nanocompositi in PLA.

La pellicola argentea permette il recupero di singole molecole fino alla possibilità di trasformare fisicamente la biomassa in una vera e propria componente funzionale per nuovi materiali, sfruttando la sua frazione lignocellulosica per la produzione di biocompositi e, potenzialmente, di soluzioni innovative destinate alla produzione degli imballaggi.

Quali sono le tecnologie di recupero e trasformazione più adatte per la silverskin?

Trasformare la silverskin da scarto della tostatura a materia prima significa trovare e sviluppare le tecnologie di recupero e trasformazione più adatte alla sua destinazione finale. Una delle tecnologie più semplici è l’estrazione solido-liquido, nella quale, modificando i parametri di estrazione quali il tipo di solvente, il rapporto solido/liquido, la temperatura, la pressione e il tempo, è possibile intervenire sulla quantità e sulla tipologia delle sostanze estratte.

L’acqua rappresenta un solvente particolarmente interessante per i processi destinati alle applicazioni alimentari, mentre differenti condizioni estrattive sono state studiate per massimizzare il recupero dei composti fenolici antiossidanti.

Quando l’obiettivo non è estrarre singole molecole, ma utilizzare la parte fibrosa della CS per produrre nuovi materiali, si va a intervenire sulla sua struttura lignocellulosica, costituita principalmente da cellulosa, emicellulosa e lignina.

Questa fibra vegetale può essere incorporata, ad esempio, all’interno di un polimero per ottenere un materiale composito, ma con una criticità tecnica: la fibra tende infatti ad avere affinità con l’acqua, mentre molti polimeri hanno caratteristiche più idrofobiche, e questa differenza può determinare una scarsa adesione tra i due materiali e compromettere le prestazioni del prodotto finale.

La sfida della ricerca scientifica

Per questo la ricerca scientifica ha elaborato specifici trattamenti della CS e l’impiego di compatibilizzanti capaci di migliorare l’interfaccia tra la fibra e il polimero.

Un approccio ancora più avanzato consiste nell’isolare la cellulosa presente nella CS e trasformarla in nanocristalli di cellulosa, particelle di dimensioni nanometriche che possono essere incorporate nei polimeri come elemento di rinforzo per la produzione di nuovi materiali compositi.

Un metodo efficiente nel riutilizzo della pellicola argentea è quello che ingloba il concetto della bioraffineria, un approccio orientato al recupero integrale della biomassa anziché alla scelta di una singola destinazione di riutilizzo. Poiché la pellicola argentea contiene contemporaneamente caffeina, composti fenolici, proteine, fibra, cellulosa, emicellulosa e lignina, potrebbe essere sottoposta a una sequenza di operazioni che consentono di separare e recuperare progressivamente composti chimici differenti, destinandoli a specifiche applicazioni in funzione delle loro proprietà chimiche e tecnologiche.

Il principio è quello della bioraffineria, dove una prima estrazione potrebbe recuperare la caffeina, i polifenoli e le altre sostanze chimiche solubili, successivamente il residuo potrebbe essere frazionato oppure impiegato nella produzione di biocompositi.

La cellulosa potrebbe essere ulteriormente trasformata per l’ottenimento di nanocellulosa mentre le frazioni residuali, che sono non convenientemente recuperabili attraverso questi passaggi, verrebbero destinate agli utilizzi di minore valore o alla conversione energetica.

La logica diventa quindi quella di una valorizzazione a cascata dove si estraggono prima le molecole a maggior valore, utilizzando poi progressivamente ciò che rimane per ottenere altri prodotti. La ricerca sulla CS mostra infatti come la stessa biomassa possa essere contemporaneamente fonte di composti bioattivi e materia lignocellulosica per la produzione di nuovi materiali.

La sfida della ricerca scientifica e della successiva applicazione industriale è trasformare queste potenzialità, già dimostrate nei laboratori scientifici a differenti livelli sperimentali, in filiere tecnicamente ed economicamente sostenibili capaci di convertire un sottoprodotto della tostatura in una vera materia prima secondaria.