沈汪洋，金征宇

(1.武漢工業(yè)學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430023；2.江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

微波輔助提取咖啡豆殘?jiān)卸喾?/p>

沈汪洋1，金征宇2

(1.武漢工業(yè)學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430023；2.江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

從咖啡豆殘?jiān)谐醪教崛《喾?。在有機(jī)溶劑提取多酚的基礎(chǔ)上，采用微波輔助提取的方法，利用響應(yīng)面分析，對(duì)提取條件進(jìn)行研究。用Folin-Ciocalteus比色法測(cè)定多酚含量，以得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到優(yōu)化的提取參數(shù)：提取溶劑為50%(V/V)丙酮、微波功率296W、料液比1:20(g/mL)、微波提取時(shí)間17s。在此條件下，咖啡豆殘?jiān)崛《喾拥牡寐蕿?.12%，是有機(jī)溶劑提取多酚得率(3.21%)的1.6倍，咖啡豆殘?jiān)崛〉亩喾拥寐蚀蠓岣?。本?shí)驗(yàn)可為咖啡豆殘?jiān)卸喾拥奶崛±锰峁┮欢ǖ膮⒖肌?/p>

咖啡豆殘?jiān)欢喾樱晃⒉ㄝo助提?。豁憫?yīng)面

植物多酚又稱(chēng)作植物單寧，是一類(lèi)廣泛存在于植物體內(nèi)的重要天然產(chǎn)物，在植物中的含量?jī)H次于纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，主要存在于植物的皮、根、木、葉、果中。從20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始，植物多酚逐漸成為研究的熱點(diǎn)，尤其是國(guó)外的研究呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)[1]。植物多酚廣泛的應(yīng)用于制革、醫(yī)藥、石油開(kāi)采、木材加工、水處理、金屬防腐、食品添加劑、化妝品等領(lǐng)域[2-4]?？Х榷喾哟嬖谟诳Х葮?shù)的枝、葉、果實(shí)(咖啡豆)中，咖啡豆(Coffea arabica)中含有大量的植物多酚，多酚含量為(7.15±0.15)%，主要是咖啡酸和奎尼酸結(jié)合而成的綠原酸[5]。國(guó)外已經(jīng)進(jìn)行了一些研究，主要集中于咖啡多酚的組成及抗氧化研究[5-9]。

咖啡豆種植業(yè)在我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展中占有一席之地，種植區(qū)域主要集中于海南省和云南省，2004年我國(guó)咖啡收獲面積1.6萬(wàn)hm2，產(chǎn)量2.10萬(wàn)t[10]，咖啡豆在我國(guó)已經(jīng)成為一種重要的農(nóng)產(chǎn)品。但目前咖啡豆主要用于咖啡加工，遠(yuǎn)不能體現(xiàn)其附加價(jià)值。為提高咖啡豆的利用價(jià)值，從提取α-半乳糖苷酶(α-d-galactosidase；α-gal；EC 3.2.1.22)后的咖啡豆殘?jiān)?含有大量多酚)中，提取多酚。微波輔助提取(MAE)是高頻電磁波到達(dá)物料內(nèi)部，由于吸收微波能，物料內(nèi)部迅速升溫，細(xì)胞瞬時(shí)破碎，被提取物進(jìn)入提取介質(zhì)中，提高提取效率[11-12]。具有提取時(shí)間短，溶劑消耗量小等優(yōu)點(diǎn)，而且易于操作、節(jié)能和環(huán)境友好。微波輔助提取已廣泛應(yīng)用于天然產(chǎn)物中有效成分的提取[13]。本實(shí)驗(yàn)在有機(jī)溶劑提取多酚的基礎(chǔ)上[14]，采用微波輔助提取，選用響應(yīng)面分析方法，對(duì)提取工藝進(jìn)行詳細(xì)的研究，以提高從咖啡豆殘?jiān)刑崛《喾拥牡寐?，提高咖啡豆的利用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

咖啡豆殘?jiān)?提取α-半乳糖苷酶后的咖啡豆殘?jiān)?，Coffea arabica小種粒) 海南福山；綠原酸 Sigma-Aldrich公司；其他試劑為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

DJ-04粉碎機(jī) 上海淀久中藥機(jī)械制造有限公司；UV-754紫外可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海分析儀器總廠；Galanz wp800微波爐、Galanz wp700a微波爐 順德市格蘭仕電器實(shí)業(yè)有限公司；XW-80A漩渦混合器 上海醫(yī)科大學(xué)儀器廠；80-2離心機(jī) 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；HW.YS電子恒溫水浴鍋 浙江舟山海源儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 原料制備

咖啡豆殘?jiān)?jīng)粉碎機(jī)粉碎，粉末過(guò)0.075mm篩，備用。

1.3.2 溶劑浸提

稱(chēng)取1.00g咖啡豆殘?jiān)勰?，按照一定的料液比加入有機(jī)溶劑，在30℃[14]下攪拌(100r/min)浸提，離心(5000r/min，5min)，取上清液得到提取液。

1.3.3 微波輔助提取

稱(chēng)取1.00g咖啡豆粉末，按照一定的料液比加入有機(jī)溶劑，在微波爐中進(jìn)行微波輔助提取，一段時(shí)間后取出離心(5000r/min，5min)，取上清液得到提取液。

1.3.4 多酚含量測(cè)定

采用Folin-Ciocalteus比色法[5]。量取0.1mL提取液加入50mL容量瓶?jī)?nèi)，加10mL蒸餾水，再加0.5mL的Folin-Ciocalteus試劑，放置30s后加入飽和Na2CO3溶液5mL，加水定容混勻，室溫下避光反應(yīng)30min，700nm處測(cè)定吸光度，計(jì)算提取液中總酚含量(以綠原酸計(jì))。標(biāo)準(zhǔn)曲線的方程為：y=0.6454x－0.0044，R2=0.9909，y為吸光度，x為多酚質(zhì)量濃度/(mg/mL)。將測(cè)得的吸光度代入此方程，便可得到溶液中多酚質(zhì)量濃度，計(jì)算出多酚含量。

1.3.5 多酚得率

1.3.6 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析

響應(yīng)面分析設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)分析均采用Minitab for Windows Release 13.32軟件執(zhí)行[12-15]。分別進(jìn)行有機(jī)溶劑種類(lèi)、料液比、微波功率和提取時(shí)間等單因素試驗(yàn)，篩選出主要影響因素，在此基礎(chǔ)上采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)溶劑浸提

2.1.1 提取溶劑對(duì)多酚得率的影響

多酚浸提溶劑種類(lèi)很多，效果各有差異，有機(jī)溶劑提取效果更好[2]。選用甲醇、乙醇、丙酮等有機(jī)溶劑作為多酚的提取試劑。由圖1可得：50%(V/V)丙酮，60%(V/V)甲醇和60%(V/V)乙醇分別在各自的提取過(guò)程中得到最高得率，低于或者高于這些體積分?jǐn)?shù)，得率相對(duì)降低。而50%(V/V)丙酮的得率是3種有機(jī)溶劑中最高的。50%丙酮和60%乙醇的得率進(jìn)行比較，呈現(xiàn)出顯著性差異(P＜0.05)。

圖1 有機(jī)溶劑及其體積分?jǐn)?shù)對(duì)多酚得率的影響Fig.1 Effects of organic solvent type and concentration on extraction rate of polyphenols

2.1.2 液料比對(duì)多酚得率的影響

如圖2所示，多酚得率隨著提取液的增多先增加后降低。液料比從5:1到20:1，得率上升，表明適當(dāng)?shù)脑黾犹崛∫?，?duì)多酚的提取有利；液料比從20:1到30:1，得率迅速下降。液料比20:1是最適合的，在此條件下，多酚得率最高。選擇20:1為提取的液料比。

圖2 液料比對(duì)多酚得率的影響Fig.2 Effect of material/liquid ratio on extraction rate of polyphenols

2.2 微波輔助提取

2.2.1 微波功率對(duì)多酚得率的影響

兩種型號(hào)的微波爐，分別對(duì)應(yīng)不同的功率調(diào)節(jié)檔。Galanz wp800型：136W(低火)、296W(解凍)、320W(中低火)、528W(中火)、680W(中高火)和800W(高火)；Galanz wp700a型：140W(低火)、280W(解凍)、420W (中火)、560W(中高火)和700W(高火)。根據(jù)實(shí)際情況選擇功率大小，進(jìn)行微波輔助提取，多酚得率如圖3所示。結(jié)果顯示：隨著微波功率的增加，多酚得率先升高后降低，微波功率過(guò)低，一定時(shí)間內(nèi)不能提取更多的多酚。微波功率增加到400W以后，提取過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱，部分多酚迅速氧化導(dǎo)致?lián)p失。當(dāng)微波功率為296W左右時(shí)，得率較高，適合多酚的提取。

圖3 微波功率對(duì)多酚得率的影響Fig.3 Effect of microwave power on extraction rate of polyphenols

2.2.2 微波提取時(shí)間對(duì)多酚得率的影響

提取時(shí)間是影響提取效果的重要因素，達(dá)到一定的提取時(shí)間，多酚才可能從植物組織細(xì)胞中釋放出來(lái)，進(jìn)入提取液，結(jié)果如圖4所示。隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，多酚得率先升后降，提取時(shí)間為15s時(shí)達(dá)到最大值。故選擇15s作為微波提取時(shí)間。

圖4 提取時(shí)間對(duì)多酚得率的影響Fig.4 Effect of extraction time on extraction rate of polyphenols

2.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

以50%丙酮為溶劑，根據(jù)單因素試驗(yàn)篩選出料液比、微波功率和提取時(shí)間3個(gè)對(duì)多酚提取影響較大的因素。采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，利用響應(yīng)面分析進(jìn)行各因素參數(shù)的優(yōu)化。分別選取3個(gè)水平，進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方差分析，分別見(jiàn)表1和表2。

表1 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其響應(yīng)值Table1 Box-Behnken experimental design arrangement and experimental results

通過(guò)MiniTab軟件進(jìn)行矩陣設(shè)計(jì)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到關(guān)于多酚得率的擬合多元二次方程：

表2 得率二次多項(xiàng)模型的方差分析Table2 Variance analysis of the fitted quadratic polynomial models for extraction rate of polyphenols

用F檢驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證以上方程的顯著性，其方差分析見(jiàn)表2。由表2可知，P值為0.004，小于0.01，方程非常顯著。相關(guān)系數(shù)R2為96.6%，說(shuō)明試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值之間高度相關(guān)。方程的校正決定系數(shù)R2Adj為90.5%，表明大約有90%的影響得率的變異分布在所研究的3個(gè)關(guān)鍵因子中，總變異中僅有不到10%不能由該模型來(lái)解釋。方程的失擬項(xiàng)不顯著，說(shuō)明方程足以用來(lái)預(yù)測(cè)所選因子在試驗(yàn)范圍內(nèi)任何水平上的變化所導(dǎo)致的結(jié)果。

解方程求其最大值為5.1453%，各因素的參數(shù)：微波功率296.939W、微波提取時(shí)間16.9324s、料液比1:18.5295。根據(jù)實(shí)際條件，選取的試驗(yàn)因素參數(shù)：微波功率296W、提取時(shí)間17s、料液比1:20。在此參數(shù)條件下，得到的實(shí)際得率為5.12%，而有機(jī)溶劑(提取時(shí)間2h)得率為3.21%，微波輔助提取多酚的得率是有機(jī)溶劑得率的1.6倍，取得了預(yù)期的效果。

圖5 微波功率和提取時(shí)間對(duì)多酚得率的影響Fig.5 Effect of the cross-interaction between microwave power and extraction time on extraction rate of polyphenols

圖6 微波功率和液料比對(duì)多酚得率的影響Fig.6 Effect of the cross-interaction between microwave power and material/liquid ratio on extraction rate of polyphenols

圖7 提取時(shí)間和液料比對(duì)多酚得率的影響Fig.7 Effect of the cross-interaction between extraction time and material/liquid ratio on extraction rate of polyphenols

響應(yīng)面和等值線見(jiàn)圖5～7。提取時(shí)間對(duì)多酚得率的影響較大，表現(xiàn)為響應(yīng)面落差較大而等高線比較密集。在因素水平的范圍內(nèi)，多酚得率隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，直至大約17s時(shí)達(dá)到最大，此后開(kāi)始緩慢下降。提取時(shí)間的延長(zhǎng)，使得多酚與提取試劑的接觸更加充分，提高多酚得率。但是提取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致溫度升高[11]，增加多酚的氧化變性，從而降低多酚得率。圖5～7中也同樣反映出，適中的料液比(1:19左右)和微波功率(300W左右)會(huì)促進(jìn)多酚的提取。

2.2.4 微波輔助提取法的重現(xiàn)性和回收率

在上述微波輔助提取的工藝條件下，取5份樣品，采用1.3.4節(jié)方法測(cè)定多酚含量，計(jì)算多酚得率，以相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)果顯示RSD為3.1%，可見(jiàn)重現(xiàn)性較好。進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，得到的回收率為97.2%～100.6%，可見(jiàn)微波輔助提取條件下，多酚基本無(wú)破壞，準(zhǔn)確性較高[16]。

3 結(jié) 論

3.1 僅以有機(jī)溶劑提取時(shí)(未優(yōu)化工藝)，咖啡豆殘?jiān)鳛樵希?0%丙酮作為提取溶劑，料液比1:15(g/mL)，提取時(shí)間2h，提取溫度30℃，咖啡多酚的得率3.21%。

3.2 微波輔助提取咖啡殘?jiān)械亩喾?，?jīng)過(guò)響應(yīng)面分析，所得最優(yōu)工藝：50%丙酮為提取溶劑、微波功率296W、料液比1:20(g/mL)、提取時(shí)間17s，得率為5.12%，是原工藝得率的1.6倍。

3.3 微波輔助法提取咖啡多酚，具有時(shí)間短，得率高等優(yōu)點(diǎn)。

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Microwave-assisted Extraction of Polyphenols from Coffee Bean Residue

SHEN Wang-yang1，JIN Zheng-yu2
(1. School of Food Science and Technology, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China；2. School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

In order to improve the utilization rate of coffee bean residue, polyphenols were extracted from coffee bean residue by organic solvent extraction with the aid of microwave. The optimal extraction conditions were explored by response surface methodology and the content of polyphenols was determined by Folin-Ciocalteus colorimetric method. The optimal parameters for the extraction of polyphenols were as follows: extraction solvent, 50% (V/V) acetone; microwave power, 296 W; material/liquid ratio, 1:20; and extraction duration, 17 s. The extraction rate of polyphenols was 5.12% under these optimal extraction conditions, 1.6-fold higher than that obtained without the aid of microwave.

coffee bean residue；polyphenols；microwave-assisted extraction；response surface methdology

TS273

A

1002-6630(2010)20-0079-04

2010-01-21

國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2006AA10Z333)

沈汪洋(1978—)，男，講師，博士研究生，研究方向?yàn)槭称焚Y源開(kāi)發(fā)及利用。E-mail：kxyjzhy@yahoo.com.cn