Optimization of Oil Extraction from Spent Coffee Grounds (Coffea Canephora Var. Robusta /Coffea Arabica) by Hexane Using Response Surface Methodology

Abstract

การศึกษาครั้งนี้มีจุดประสงค์เพื่อหาสภาวะที่เหมาะสมในการสกัดน้ำมันจากกากกาแฟ (Spent Coffee Grounds; SCG) ของพันธุ์โรบัสต้า (Coffea Canephora Var. Robusta) และอะราบิก้า (Coffea Arabica) ด้วยตัวทำละลายเฮกเซน โดยวิธีวิทยาพื้นผิวตอบสนอง (Response Surface Methodology) และการออกแบบการทดลองแบบประสมกลาง (Central Composite Design; CCD) ผ่านการประมวลผลด้วยซอฟต์แวร์ Minitab R.17 ปัจจัยที่ใช้ในการศึกษานี้ประกอบด้วยอัตราส่วนระหว่างตัวทำละลายต่อกากกาแฟ (4 : 1–8 : 1 mL/g) อุณหภูมิในการสกัด (35–45ºC) และเวลาในการสกัด (15–45 min) โดยในแต่ละปัจจัยมี 5 ระดับรอบ CCD จำนวนเงื่อนไขในการทดลองเท่ากับ 20 การทดลอง ข้อมูลเหล่านี้วิเคราะห์ด้วยแบบจำลองสหสัมพันธ์กำลังสองไม่เป็นเส้นตรง ผลการศึกษาพบว่าทุกปัจจัยมีสหสัมพันธ์กันอย่างมีนัยสำคัญทางสถิติสภาวะที่เหมาะสมของแต่ละปัจจัย ได้แก่ อัตราส่วนระหว่างตัวทำละลายต่อกากกาแฟ 8.14 mL/g อุณหภูมิในการสกัด 46.97ºC เวลาในการสกัด 27.22 นาที และค่าปริมาณน้ำมันที่สกัดได้สูงสุดร้อยละ 13.04 โดยน้ำหนักและเมื่อนำสภาวะเหล่านี้ไปทำการทดลองจึงพบว่า ค่าปริมาณน้ำมันที่สกัดได้สูงสุดเท่ากับร้อยละ 13.08±0.20 ซึ่งมีค่าใกล้เคียงและมีความแม่นยำสูงกับค่าทำนายจากแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ และวิเคราะห์คุณสมบัติของน้ำมันกาแฟที่สกัดได้ (กรดไขมันอิสระ ความหนืด และความหนาแน่น) ค่ากรดไขมันของน้ำมันกาแฟประมาณ 3.70 mgNaOH/gOil แสดงว่าเหมาะสำหรับปฏิกิริยาเอสเทอร์ริฟิเคชัน และน้ำมันกาแฟมีค่าความหนืด 49.65 cP ที่ 40ºC และค่าความหนาแน่น 948 kg/m3 ที่ 15ºC

The objective of this study was to examine the optimum conditions for coffee oil extraction from used coffee grounds (UCG) of Coffea canephora var. robusta and Coffea arabica with hexane solvent through response surface methodology. The operating variables of the extraction process were optimized by Central Composite Design (CCD), a subset of Response Surface Methodology (RSM), and it was analyzed by Minitab R.17 software. The factors in this study including solvent to solid ratio (4 : 1–8 : 1 mL/g), extraction temperature (35–45ºC) and extraction time (15–45 min), a five-level rotatable CCD were used for experimental design. A total of experimental conditions was 20 experiments. These data were analyzed by non-linear quadratic correlation model. The experimental results showed that each factor was correlated significantly with the other factors. The optimum variables of extraction were as follows: solvent to solid ratio of 8.14 mL/g, extraction temperature of 46.97ºC and extraction time of 27.22 minutes, and the maximum oil yielded under these conditions was 13.04%. The experiments performed under these conditions showed that the extracted oil yield was up to 13.08±0.20%, which related accurately with the prediction value. The extracted coffee oil was characterized for their properties of free fatty acids, density, and viscosity. The acid value of the extracted oil was about 3.70 mgNaOH/gOil suitable for esterification process. The oil properties revealed the viscosity (49.65 cP at 40ºC) and the density of about 948 kg/m3.at 15ºC.