杜 嬌，董文江，程金煥，何紅艷，陳 罡，陳艦飛，陳小愛，龍宇宙，黃家雄

超聲波輔助冷萃制備咖啡液工藝優(yōu)化及其理化特性分析

杜 嬌1,2，董文江2,5*，程金煥3*，何紅艷3，陳 罡4，陳艦飛4，陳小愛2,5，龍宇宙2，黃家雄3

1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖北武漢 430070；2. 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所，海南萬(wàn)寧 571533；3. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶亞熱帶經(jīng)濟(jì)作物研究所，云南保山 678000；4. 普洱富民農(nóng)業(yè)裝備有限公司，云南普洱 665000；5. 海南省特色熱帶作物適宜性加工與品質(zhì)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南萬(wàn)寧 571533

咖啡作為世界三大飲料之一，中國(guó)咖啡主要分布在海南和云南地區(qū)。本研究以海南興隆咖啡豆為原料，探究超聲波輔助冷萃技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱超聲冷萃）制備咖啡液的最優(yōu)條件，并測(cè)定咖啡因、葫蘆巴堿、綠原酸含量以及咖啡渣的微觀結(jié)構(gòu)。以超聲時(shí)間、超聲溫度和超聲功率為單因素，咖啡液總可溶性固形物提取率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用Box-Behnken原理設(shè)計(jì)3因素3水平響應(yīng)面試驗(yàn)，對(duì)超聲冷萃提取條件進(jìn)行優(yōu)化得到最佳提取工藝，并以傳統(tǒng)冷浸法為對(duì)照，采用超高效液相色譜法測(cè)定咖啡液葫蘆巴堿、咖啡因、綠原酸的含量，掃描電子顯微鏡測(cè)定咖啡渣微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，適當(dāng)增加超聲功率、超聲時(shí)間和超聲溫度，咖啡液總可溶性固形物隨之增加，影響咖啡液總可溶性固形物的提取率的主次因素為超聲功率>超聲時(shí)間>超聲溫度，超聲冷萃制備咖啡液的最佳工藝參數(shù)為：超聲功率500 W、超聲時(shí)間35 min、超聲溫度20℃，在優(yōu)化條件下，總可溶性固形物提取率為22.92%±0.16%，與響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)回歸模型預(yù)測(cè)值（22.85%±0.12%）基本吻合。與傳統(tǒng)冷浸法相比，超聲冷萃制備所得咖啡液葫蘆巴堿、咖啡因和綠原酸（3-CQA、4-CQA、5-CQA）含量分別為175.19 mg/L、317.71 mg/L和257.77 mg/L，均有所提高，咖啡渣表面微觀結(jié)構(gòu)更為破碎，說明超聲冷萃破壞了植物細(xì)胞壁，從而釋放出更多的可溶性物質(zhì)，且超聲冷萃顯著縮短萃取時(shí)間。本研究?jī)?yōu)化制備咖啡液的超聲冷萃提取工藝，結(jié)果表明超聲波冷萃是一種有效的咖啡液提取技術(shù)，為咖啡精深加工及高值化產(chǎn)品研發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

咖啡豆；超聲波輔助冷萃提?。豁憫?yīng)面優(yōu)化；理化特性

咖啡（spp.）是茜草科（Rubiaceae）、咖啡屬（）植物，原產(chǎn)于非洲埃塞俄比亞和剛果地區(qū)[1]，我國(guó)主要種植在海南和云南等地區(qū)，是我國(guó)重要的特色熱帶飲料作物[2]?？Х榷怪泻锌Х纫?、脂肪、碳水化合物、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和酸類物質(zhì)，在烘焙過程中高溫處理?xiàng)l件會(huì)引發(fā)非酶褐變反應(yīng)等，從而導(dǎo)致這些物質(zhì)產(chǎn)生或降解，還會(huì)引起多酚分解和其他化學(xué)變化，形成咖啡特有的香氣和滋味[3]，此外，咖啡中富含咖啡因、綠原酸、葫蘆巴堿等多種生物活性物質(zhì)，被認(rèn)為是一種功能性食品，具有減肥、抗衰老、抗癡呆、降血脂、降低心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)等保健功效[4]。由于其獨(dú)特的香氣滋味及保健功效，咖啡消費(fèi)量和受歡迎度逐年增加，成為世界上消費(fèi)最多的飲品之一，被列為僅次于石油的第二大貿(mào)易商品[5]。

咖啡的傳統(tǒng)制作步驟為咖啡生豆烘焙、研磨、熱水萃取以及過濾[6]，冷萃咖啡是咖啡粉長(zhǎng)時(shí)間在低溫條件與水接觸萃取制成，具有濃郁的甜味、巧克力味、果味和花香味[7]；然而傳統(tǒng)的冷萃方法耗時(shí)長(zhǎng)，并且總可溶性固形物提取率較低[8]。咖啡總可溶性固形物包括綠原酸、咖啡因、碳水化合物等物質(zhì)，其提取率決定了咖啡的感官特性，低提取率的咖啡味道平淡[9]；另外，總可溶性固形物提取率是速溶咖啡的常規(guī)生產(chǎn)中保證產(chǎn)率和品質(zhì)的關(guān)鍵所在，因此，應(yīng)探究出簡(jiǎn)便、安全、高效的提取方法，從而提高咖啡中的總可溶性固形物提取率。

超聲波提取是一種高效的提取方法，具有快速、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、提取率高、樣品適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，超聲波提取法的原理是利用超聲波輻射壓強(qiáng)產(chǎn)生的空化效應(yīng)，空化氣泡在局部壓力和溫度下快速膨脹和塌陷，當(dāng)產(chǎn)生的空化氣泡在植物組織壁附近坍塌時(shí)，強(qiáng)烈誘導(dǎo)的微流會(huì)刺穿細(xì)胞壁，釋放出細(xì)胞內(nèi)化合物；此外，超聲波可以提高傳質(zhì)速率，將溶解的化合物快速輸送到溶劑中[10-11]。超聲波輔助提取法目前已廣泛應(yīng)用于杏仁、米糠、大豆的提取[12]。關(guān)于采用超聲提取咖啡的研究報(bào)道較少，僅AHMED等[13]和MOHAMMAD等[14]報(bào)道采用超聲波法提取咖啡，結(jié)果表明超聲波增加了咖啡因、綠原酸、甘油三酯及總可溶性固形物的提取率。然而關(guān)于超聲波輔助冷萃提取的工藝條件優(yōu)化，提取后咖啡渣的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)變化等尚未見報(bào)道，因此本研究采用響應(yīng)面優(yōu)化超聲輔助冷萃提取工藝條件制備咖啡液。

興隆咖啡作為國(guó)家地理性標(biāo)志產(chǎn)品，具有顆粒大，品質(zhì)優(yōu)良等特點(diǎn)，因此，本研究以海南興隆咖啡豆為原料，以咖啡液總可溶性固形物提取率為考察指標(biāo)，采用超聲波冷萃法，研究超聲功率、超聲時(shí)間、超聲溫度對(duì)咖啡液中總可溶性固形物提取率的影響，通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面分析法優(yōu)化最適提取工藝。測(cè)定其理化性質(zhì)，如pH、可滴定酸度、生物堿及綠原酸，與傳統(tǒng)冷浸進(jìn)行對(duì)比，為超聲波冷萃制備咖啡液的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試材料 咖啡鮮果于2021年3月采摘于位于海南興隆的中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所咖啡試驗(yàn)基地，采用熱風(fēng)恒溫干燥（40℃）至水分含量為10%左右，機(jī)械脫殼得到生咖啡豆，過篩除去有缺陷的豆子，于避光干燥環(huán)境中儲(chǔ)藏備用。

1.1.2 儀器與設(shè)備 S210型pH計(jì)（梅特勒托利多儀器有限公司）、PROBATINO Typ 2SSH型咖啡豆烘焙機(jī)（德國(guó)Probat儀器公司）、KR804型咖啡豆研磨機(jī)（瑞士DITTING儀器公司）、VOSHIN-1500C低溫超聲波萃取儀（無(wú)錫沃信儀器制造有限公司）、咖啡TDS折光儀（美國(guó)VST公司）、1290 Infinity型超高效液相色譜儀（UPLC）（美國(guó)安捷倫公司）、Phenom Prox型掃描電鏡（上海復(fù)納科學(xué)儀器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 咖啡樣品的制備 （1）烘焙咖啡粉的制備。稱取適量生咖啡豆于滾筒式咖啡烘焙機(jī)中，烘焙機(jī)燃?xì)饣鹆υO(shè)定分別為1.5左右，初始入鍋溫度為180℃，焙炒時(shí)間約10 min，得到中焙炒度的咖啡豆，經(jīng)研磨得到烘焙咖啡粉。

（2）咖啡液提取方法。超聲輔助冷萃法：準(zhǔn)確稱取15 g烘焙咖啡粉，加入16 g去離子水，在不同超聲功率、超聲時(shí)間、超聲溫度下提取。將提取過后的固液混合物在5000 r/min、25℃下離心10 min，制得咖啡液樣品。

傳統(tǒng)冷浸法：準(zhǔn)確稱取15 g烘焙咖啡粉，加入165 g去離子水，在室溫25℃下恒溫浸潤(rùn)9 h，過濾得到咖啡液樣品。

1.2.2 超聲波輔助冷萃提取條件單因素試驗(yàn) 以總可溶性固形物提取率為指標(biāo)，探究超聲時(shí)間、超聲功率、超聲溫度3個(gè)因素對(duì)咖啡液總可溶性固形物提取率的影響。

（1）超聲功率對(duì)總可溶性固形物提取率的影響。固定超聲溫度15℃，超聲時(shí)間30 min，探究超聲功率（200、300、400、500、600 W）對(duì)咖啡液總可溶性固形物提取率的影響。

（2）超聲溫度對(duì)總可溶性固形物提取率的影響。固定超聲功率400 W，超聲時(shí)間30 min，探究超聲溫度（5、10、15、20、25℃）對(duì)咖啡液總可溶性固形物提取率的影響。

（3）超聲時(shí)間對(duì)總可溶性固形物提取率的影響。固定超聲功率400 W，超聲溫度為15℃，探究超聲時(shí)間（10、20、30、40、50 min）對(duì)咖啡液總可溶性固形物提取率的影響。

總可溶性固形物（TDS）提取率計(jì)算[9]：

1.2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化提取條件 基于單因素試驗(yàn)結(jié)果，以總可溶性固形物提取率為響應(yīng)值，采用Design-Expert 8.0.6軟件中的Box-Behnken設(shè)計(jì)3因素3水平響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，對(duì)超聲冷萃的提取工藝做進(jìn)一步優(yōu)化（表1）。

表1 響應(yīng)面因素水平

1.2.4 理化特性測(cè)定 選取超聲冷萃響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)中總可溶性固形物提取率較高的咖啡液，測(cè)定其理化特性，并與傳統(tǒng)冷浸法進(jìn)行對(duì)比。其中超聲冷萃1的提取條件為500 W、25℃、40 min，超聲冷萃2的提取條件為400 W、20℃、40 min，超聲冷萃3的提取條件為500 W、20℃、35 min。

（1）pH、可滴定酸度（TA）、總固形物（TS）測(cè)定。pH[15]：準(zhǔn)確量取20.0 mL樣液，室溫（25± 2℃）下使用pH計(jì)測(cè)定咖啡液的酸堿度?？傻味ㄋ岫龋═A）[15]：準(zhǔn)確量取10.0 mL樣液于燒杯中，用0.10 mol/L NaOH溶液滴定至pH為8.00±0.05，記錄NaOH的消耗體積數(shù)，結(jié)果以消耗0.10 mol/L NaOH的毫升數(shù)表示。總固形物（TS）[16]：準(zhǔn)確量取5.0 mL樣液于105℃恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干至恒重，通過差量法計(jì)算得出咖啡液中總固形物含量，結(jié)果以百分含量（%）表示。

（2）生物堿（咖啡因、葫蘆巴堿）及綠原酸含量測(cè)定。采用Agilent超高效液相色譜儀配備了Zorbax Eclispe Plus C18 色譜柱（4.6 mm×100 mm, 3.5 μm）測(cè)定咖啡液樣品中咖啡因、葫蘆巴堿及綠原酸（3-CQA、4-CQA、5-CQA），UPLC檢測(cè)條件參照于菲[17]的方法并略作修改。結(jié)果以每升樣品中活性成分的毫克數(shù)（mg/L）表示。

（3）微觀結(jié)構(gòu)測(cè)定。測(cè)定方法參考ZHANG等[18]的方法并稍作修改，取適量咖啡渣，將樣品固定在不銹鋼樣品臺(tái)后放入試樣表面處理機(jī)中，氮?dú)獯档舳嘤嗟臉悠?，在真空狀態(tài)下進(jìn)行表面鍍金，取出樣品臺(tái)。使用10 kV的加速電壓在掃描電鏡下觀察樣品。粒子濺射噴金時(shí)間60 s，電流在10 mA以內(nèi)，電鏡放大倍數(shù)1000倍。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Design Expert 8.0.6（Minneapolis USA）統(tǒng)計(jì)軟件中的Box-Behnken設(shè)計(jì)方案，SPSS 26.0 （IBM Corporation, New York, NY）軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，origin 2021（Northampton, MA, USA）軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 超聲功率對(duì)咖啡液中總可溶性固形物提取率影響 在超聲處理時(shí)間為30 min，超聲溫度為15℃的條件下，研究不同的超聲功率對(duì)提取率的影響，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，在一定超聲功率范圍內(nèi)，隨著超聲功率的增加，提取率也增加，這是由于超聲功率越高，空化強(qiáng)度越大，可溶性固形物與水分子之間相互作用增強(qiáng)，有效成分分離越快。在超聲功率為400 W時(shí)達(dá)到最大值，為21.74%，超出一定范圍，提取率隨超聲功率的增大而減小，這可能是大額功率超聲將提取物分解所致，魏晴等[19]研究表明隨著超聲功率的增大，使得多糖結(jié)構(gòu)破碎導(dǎo)致得率下降，考慮到能源成本等因素，選擇超聲功率300、400、500 W三個(gè)水平進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。

2.1.2 超聲溫度對(duì)咖啡液中總可溶性固形物提取率的影響 在超聲功率為400 W、超聲處理時(shí)間為30 min的條件下，研究不同的超聲溫度對(duì)提取率的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，提取率隨超聲溫度的增加而增加，當(dāng)超聲溫度由5℃升至10℃時(shí)，提取率顯著增加，這可能是是由于隨著溫度的升高，細(xì)胞膜的通透性改變，分子運(yùn)動(dòng)加快，促進(jìn)胞內(nèi)物質(zhì)溶出，當(dāng)超聲溫度達(dá)到20℃時(shí)，提取率達(dá)到最大值，為22.04%±0.73%，與CóRDOBA等[20]報(bào)道的低溫長(zhǎng)時(shí)烘焙的冷滴咖啡總可溶性固形物提取率接近為20.83%±0.84%，考慮到能耗等因素，選擇超聲溫度15℃、20℃和25℃三個(gè)因素進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。

不同小寫字母表示處理間差異顯著（P<0.05）。

不同小寫字母表示處理間差異顯著（P<0.05）。

2.1.3 超聲時(shí)間對(duì)咖啡液中總可溶性固形物提取率的影響 在超聲功率為400 W、超聲溫度為15℃的條件下，研究不同的超聲時(shí)間對(duì)提取率的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，提取率隨超聲時(shí)間的增加而增加，當(dāng)超聲時(shí)間達(dá)到30 min時(shí)，再增加超聲時(shí)間，提取率無(wú)顯著性差異，當(dāng)超聲時(shí)間為40 min時(shí)，提取率達(dá)到最大值，為21.96%，這可能是提取達(dá)到飽和狀態(tài)，選擇超聲時(shí)間30、40、50 min三個(gè)水平進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。

不同小寫字母表示處理間差異顯著（P<0.05）。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析 通過單因素試驗(yàn)確定咖啡液中總可溶性固形物的最佳提起工藝參數(shù)，根據(jù)表1中因素和水平的設(shè)計(jì)試驗(yàn)，利用Design-Eepert 8.0.6軟件中的Box-Behnken Design試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?yōu)化設(shè)計(jì)，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表2所示。

將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)利用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行二次多項(xiàng)回歸擬合實(shí)驗(yàn)，所得二次回歸方程如下：=22.37+1.14A+0.28B+0.33C–0.27AB– 0.62AC–0.17BC–0.72A2–0.24B2–0.44C2。方程中：為提取率；A為超聲功率；B為超聲溫度；C為超聲時(shí)間。

對(duì)模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示，方差的模型顯著性<0.01，差異極顯著，表示模型具有意義；失擬項(xiàng)>0.05，差異不顯著，表明模型與實(shí)驗(yàn)值間的差異較??；相關(guān)系數(shù)2=0.9781，校正系數(shù)2Adj=0.9499，表明模型擬合程度較好，預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值間相關(guān)性較好，可直接采用回歸方程分析，預(yù)測(cè)實(shí)際結(jié)果。各因素對(duì)提取率的影響依次為A>C>B。在一次項(xiàng)中，A、C對(duì)提取率影響極顯著（<0.01），B對(duì)提取率影響差異顯著（<0.05）。在交互項(xiàng)中，AC對(duì)于提取率有極顯著影響（<0.01）。在二次項(xiàng)中，A2、C2作用差異極顯著（<0.01）。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3 響應(yīng)面數(shù)據(jù)方差分析

注：*表示處理間差異顯著（<0.05），**表示處理間差異極顯著（<0.01）。

Note: * indicate significant difference among treatments (<0.05), ** indicate extremely significant difference among treatments (<0.01).

圖4A～圖4F為響應(yīng)面優(yōu)化模型因素（超聲功率、超聲時(shí)間、超聲溫度）兩兩交互作用對(duì)咖啡液總可溶性固形物提取率影響的三維響應(yīng)曲面圖及等高線圖。由圖4可以看出，各因素對(duì)響應(yīng)面的陡峭程度影響，由大到小依次為：超聲功率＞超聲時(shí)間＞超聲溫度，超聲功率與超聲時(shí)間交互作用的響應(yīng)曲面表現(xiàn)最陡峭，其交互作用差異顯著，這與方差分析結(jié)果一致。

圖4 超聲波冷萃提取對(duì)咖啡液可溶性固形物提取率的響應(yīng)曲面圖和等高線圖

2.2.2 模型分析 模型充分性診斷如圖5A～圖5C所示，圖5A顯示了響應(yīng)殘差的正態(tài)百分比概率圖，這可以確認(rèn)數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布，由圖5可知，數(shù)據(jù)遵循直線趨勢(shì)，沒有顯著的異常值，模型具有相關(guān)性，誤差項(xiàng)呈正態(tài)分布。圖5B用于分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建內(nèi)部學(xué)生化殘差與實(shí)驗(yàn)運(yùn)行來確定開發(fā)模型最優(yōu)擬合，由圖5可知，殘差和實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)序點(diǎn)分散，所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都在可接受的范圍內(nèi)。圖5C顯示了用于評(píng)估模型適用性的預(yù)測(cè)值和實(shí)際值之間的關(guān)系，由圖5可知，點(diǎn)靠近同一條直線，表明實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值之間的模型兼容性[21]。這些均證實(shí)了二次模型的準(zhǔn)確性與可靠性，以及Box-Behnken設(shè)計(jì)與響應(yīng)面方法相結(jié)合優(yōu)化總可溶性固形物提取條件的可行性。

圖5 模型充分性診斷圖

2.2.3 最佳提取工藝條件的確定及驗(yàn)證試驗(yàn) 通過對(duì)回歸方程進(jìn)行分析，篩選出方程最大值，對(duì)應(yīng)條件為A=488.47 W、B=20.90℃、C=37.23 min，

在此條件下，總可溶性固形物的預(yù)測(cè)提取率為22.85%±0.12%；考慮實(shí)際可操作性，將預(yù)測(cè)最佳條件調(diào)整為：超聲功率為500 W、超聲溫度為20℃、超聲時(shí)間35 min，為檢驗(yàn)回歸模型的可靠性與準(zhǔn)確性，在此條件下進(jìn)行了3次平行試驗(yàn)，得到的總可溶性固形物提取率為22.92%±0.16%，與回歸模型預(yù)測(cè)值接近，說明響應(yīng)面得到的優(yōu)化工藝參數(shù)對(duì)總可溶性固形物提取率的影響結(jié)果真實(shí)可靠。

2.3 理化特性分析

2.3.1 提取液中pH、可滴定酸度（TA）和總固形物（TS）分析 酸度是衡量一杯好咖啡的重要標(biāo)準(zhǔn)，均衡的酸度通常與良好的咖啡風(fēng)味有關(guān)[22]。測(cè)定pH量化了水溶液中氫離子的濃度[23]，TA是樣品中所有酸性質(zhì)子的測(cè)量值，指通過添加強(qiáng)堿中和的非解離質(zhì)子。pH和可滴定酸度已被廣泛用于通過感知酸度來表征咖啡飲料。TS指咖啡飲料中存在的物質(zhì)，TS的化學(xué)成分因咖啡生豆質(zhì)量、烘焙過程和沖泡方法而異[24]。

如表4所示，咖啡液的pH處于5.73～5.80之間，與GLOESS等[16]報(bào)道的pH接近，超聲冷萃和傳統(tǒng)冷浸條件下的咖啡液的pH無(wú)顯著性差異；TA的變化范圍為1.38～1.48；TS的變化范圍為2.20%～2.60%，3種超聲冷萃咖啡液的總固形物平均含量為2.57%±0.06%，高于傳統(tǒng)冷浸咖啡液的總固形物的含量2.20%±0.02%，說明超聲有助于咖啡液總固形物的提??；超聲冷萃咖啡液的可溶性固形物的平均提取率為22.78%±0.12%，高于傳統(tǒng)冷浸總可溶性固形物提取率（18.41%±0.28%），相較于傳統(tǒng)冷浸，超聲冷萃不僅縮短了萃取時(shí)間，還提高了提取效率。

表4 不同提取條件下咖啡液的理化指標(biāo)

注：同行不同小寫字母表示不同提取條件間差異顯著（<0.05）。

Note: Different lowercase letters on the same line indicate that there are significant differences between different extraction conditions(<0.05).

2.3.2 提取液中生物堿和綠原酸含量分析 生物堿包括咖啡因和葫蘆巴堿，通常咖啡因是咖啡中最主要的生物堿，葫蘆巴堿則是第2種主要生物堿。多項(xiàng)研究表明，攝入咖啡因可誘導(dǎo)脂解和產(chǎn)熱活動(dòng)，通過提高多巴胺水平提高代謝率，增強(qiáng)抗自由基作用[25]。葫蘆巴堿是咖啡豆中具有高生物利用度的生物堿，具有降血糖、神經(jīng)保護(hù)和保健特性，還具有抗菌活性[26]。由表5可知，3種超聲冷萃咖啡液葫蘆巴堿平均含量為(175.19±4.54)mg/L，高于傳統(tǒng)冷浸(158.77±3.36)mg/L。3種超聲冷萃咖啡液咖啡因平均含量(317.71±2.43)mg/L顯著高于傳統(tǒng)冷浸(289.34±0.26)mg/L (<0.05)，與ZAMANIPOOR等[27]研究得出超聲制備的咖啡樣品中咖啡因含量高于對(duì)照方法一致。

綠原酸是咖啡中的主要酚類化合物，5-CQA通過抑制DNA甲基轉(zhuǎn)移酶，從而具有內(nèi)源性抗氧化和抗癌活性[28]。由表5可知，3種超聲冷萃咖啡液中綠原酸（3-CQA、5-CQA、4-CQA）平均含量(257.77±1.03)mg/L高于傳統(tǒng)冷浸提取液中綠原酸含量(232.29±0.01)mg/L，與AHMED等[14]研究中超聲冷萃咖啡液綠原酸含量高于傳統(tǒng)冷浸方法一致，不同提取條件下咖啡液的3-CQA含量差異顯著（<0.05），3種超聲冷萃咖啡液的5-CQA與4-CQA均顯著高于傳統(tǒng)冷浸（<0.05）。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)冷浸相比，超聲冷萃更有利于生物活性物質(zhì)（葫蘆巴堿、咖啡因和綠原酸）的提取。

表5 不同提取條件下咖啡液中生物堿及綠原酸含量

注：同行不同小寫字母表示不同提取條件間差異顯著（<0.05）。

Note: Different lowercase letters on the same line indicate that there are significant differences between different extraction conditions(<0.05).

2.3.3 咖啡渣微觀結(jié)構(gòu)分析 掃描電鏡下觀察咖啡渣如圖6所示，由圖6可知，超聲冷萃條件下的咖啡渣表面微觀結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)冷浸更為破碎。超聲冷萃咖啡液總固形物、咖啡因、葫蘆巴堿和綠原酸含量均高于傳統(tǒng)冷浸，這可能是由于超聲使細(xì)胞壁破損，從細(xì)胞中釋放出更多的咖啡因、綠原酸等可溶性物質(zhì)，從而提高提取效率。與孫楊[29]研究超聲波提取對(duì)茶渣葉微觀結(jié)構(gòu)的影響，在掃描電鏡下觀察到超聲波處理后的茶渣葉表面有嚴(yán)重破損，從而提取出更多的茶葉成分一致。

圖6 不同提取條件下咖啡渣的掃描電鏡圖（×1000）

3 討論

咖啡通常作為一種飲料被廣泛飲用，關(guān)于采用超聲波提取咖啡液的研究鮮有報(bào)道，本研究首次采用響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化超聲波冷萃咖啡提取工藝，建立回歸模型并驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確有效性，結(jié)果表明，此模型可用于分析和預(yù)測(cè)設(shè)定條件范圍內(nèi)的超聲提取咖啡總可溶性固形物的工藝結(jié)果，且穩(wěn)定可靠。在最優(yōu)提取條件下，咖啡液總可溶性固形物提取率達(dá)到22.92%±0.16%，高于傳統(tǒng)冷浸咖啡液總可溶性固形物提取率（18.41%± 0.28%），也高于文獻(xiàn)報(bào)道中咖啡在冷浸條件下的提取率（15.93%）[21]、7.06%～20.39%[30]。ZOU等[31]研究了超聲波提取對(duì)藍(lán)莓汁的影響，結(jié)果表明超聲波提高了總可溶性固形物的含量，與本研究結(jié)果相類似?？Х扔捎谄洫?dú)特的香氣及口感，消費(fèi)量逐年增加，如何提高咖啡中可溶性固形物的提取效率，超聲萃取提供了一種解決方案。

在理化特性研究中，超聲冷萃咖啡液的總固形物、生物活性物質(zhì)（葫蘆巴堿、咖啡因、3-CQA、5-CQA、4-CQA）含量高于傳統(tǒng)冷浸咖啡液，其中5-CQA的含量均明顯大于10 μg/mL，F(xiàn)UJIOKA等[32]報(bào)道濃度低至10 μg/mL的5-CQA時(shí)也具有抗氧化活性，表明本研究制得的咖啡液具有抗氧化功能。超聲冷萃提取相比于傳統(tǒng)冷浸提取咖啡，不僅提高了提取效率，而且大大縮短了提取時(shí)間，這與超聲的空化作用有關(guān)，超聲破壞了植物細(xì)胞壁，從而更有利于可溶性固形物的快速溶出。關(guān)于超聲各因素對(duì)活性成分提取的影響，本文僅測(cè)定了響應(yīng)面優(yōu)化所得較優(yōu)的3種超聲提取條件樣品的生物活性物質(zhì)，未比較各單因素及響應(yīng)面試驗(yàn)條件對(duì)生物活性物質(zhì)提取率的影響，在后續(xù)研究中將充分考慮多指標(biāo)條件下提取工藝的優(yōu)化，為超聲波冷萃咖啡提取液的制備提供技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

本研究以海南興隆咖啡豆為原料，通過超聲波輔助冷萃制備咖啡液，利用單因素和響應(yīng)面法優(yōu)化咖啡液總可溶性固形物提取工藝，確定總可溶性固形物的最佳提取工藝條件為：超聲功率500 W、超聲溫度20℃、超聲時(shí)間35 min，在此條件下的總可溶性固形物提取率為22.92%± 0.16%。超聲輔助冷萃制備咖啡液的總固形物含量2.57%±0.06%、葫蘆巴堿含量(175.19±4.54)mg/L、咖啡因含量(317.71±2.43)mg/L、綠原酸含量(257.77±1.03)mg/L，且高于傳統(tǒng)冷浸法；掃描電鏡結(jié)果表明超聲波輔助冷萃提取條件下的咖啡渣表面微觀結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)冷浸更為破碎。綜上所述，超聲輔助冷萃提取咖啡液中總可溶性固形物的優(yōu)化工藝可行，既提高了咖啡液中活性成分咖啡因、葫蘆巴堿及綠原酸的含量，又縮短了提取時(shí)間，大大提高了生產(chǎn)線率。本研究可為咖啡精深加工工藝升級(jí)改進(jìn)和高值化產(chǎn)品研發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

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Optimization of Ultrasonic-assisted Cold Extraction Process for Coffee Liquor Preparation and Its Physicochemical Characteristics

DUJiao1,2, DONG Wenjiang2,5*, CHENG Jinhuan3*, HE Hongyan3, CHEN Gang4, CHEN Jianfei4, CHEN Xiaoai2,5, LONG Yuzhou2, HUANG Jiaxiong3

1. College of Food Science and Technology,Huazhong Agricultural University,Wuhan, Hubei 430070, China; 2. Spice and Beverage Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Wanning, Hainan 571533, China; 3. Institute of Tropical and Subtropical Cash Crops, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Baoshan, Yunnan 678000, China;4. Pu’er Fuming Agricultural Equipment Co. Ltd., Pu’er, Yunnan 665000, China; 5. Key Laboratory of Suitability Processing and Quality Control of Characteristic Tropical Crops, Wanning, Hainan 571533, China

Coffee is one of the three major beverages in the world, and it is mainly distributed in Hainan and Yunnan in China. In this paper, we investigated the optimal conditions for the preparation of coffee liquor by the ultrasonic-assisted cold extraction technology using Hainan Xinglong coffee beans as the raw materials, and determined the contents of caffeine, trigonelline, chlorogenic acid and the microstructure of coffee grounds. The extraction time, ultrasonic temperature and ultrasonic power were used as the single factors, and the extraction rate of total soluble solids from coffee liquor was used as the evaluation index. Based on the single-factor test, a 3-factor, 3-level response surface test was designed using the Box-Behnken principle to optimize the extraction conditions for ultrasound-assisted cold extraction to obtain the best extraction process, and the content of trigonelline, caffeine and chlorogenic acid in coffee liquor was determined by the ultra performance liquid chromatography and the microstructure of coffee grounds was determined by a scanning electron microscopy using the traditional cold extraction method as the control. The total soluble solids of coffee liquor increased with the appropriate increase of ultrasonic power, ultrasonic time, and ultrasonic temperature, and the main factors affecting the extraction rate of total soluble solids of coffee liquor were ultrasonic power > ultrasonic time > ultrasonic temperature, and the optimal process parameters for the preparation of coffee liquor by ultrasound-assisted cold extraction were: ultrasonic power 500 W, ultrasonic time 35 min, and ultrasonic temperature 20℃, and under the optimized conditions, the total soluble solids extraction rate was 22.92%±0.16%, which was basically consistent with the predicted value of the response surface optimization test regression model (22.85%±0.12%). Compared with the traditional cold infusion method, the content of trigonelline, caffeine, and chlorogenic acids in the coffee liquor prepared by ultrasound-assisted cold extraction was 175.19 mg/L, 317.71 mg/L and 257.77 mg/L, respectively, all were increased, and the microstructure on the surface of coffee grounds was more fragmented, indicating that ultrasound-assisted cold extraction broke the plant cell walls, thus releasing more soluble substances, and ultrasound-assisted cold extraction time was significantly shortened. This study optimized the extraction process of ultrasound-assisted cold extraction for the preparation of coffee liquor, and the results showed that ultrasound-assisted cold extraction is an effective extraction technique, which would provide a reference for the application of ultrasound-assisted technology in coffee processing industry.

coffee bean; ultrasound assisted cold extraction; response surface optimization; physical and chemical properties

S571.2

A

10.3969/j.issn.1000-2561.2022.10.019

2022-03-07；

2022-04-20

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（No. 2020YFD10012）；海南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（No. ZDYF2021XDNY147）；云南省創(chuàng)新引導(dǎo)與科技型企業(yè)培育計(jì)劃項(xiàng)目（No. 202104BI090015）。

杜 嬌（1994—），女，碩士研究生，研究方向：食品加工與安全。*通信作者：董文江（DONG Wenjiang），E-mail：dongwenjiang.123@163.com；程金煥（CHENG Jinhuan），E-mail：jinhuancheng-2006@163.com。