咖啡生豆醇提綠原酸工藝研究

林雅敏,饒建平,張遠志,李國輝,姚射月,胡銀鳳

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咖啡生豆醇提綠原酸工藝研究

林雅敏,饒建平,張遠志*,李國輝,姚射月,胡銀鳳

（福建省飲料用植物提取加工企業(yè)重點實驗室（大閩食品（漳州）有限公司），福建漳州 363000）

采用單因素實驗法研究了料液比、乙醇濃度、提取溫度、提取時間對咖啡生豆醇提綠原酸提取得率的影響，并進一步采用響應面法優(yōu)化咖啡生豆醇提綠原酸工藝，獲得最佳工藝條件為：料液比1:15，提取溫度64℃，提取時間74min，乙醇濃度55%時，綠原酸提取得率為5.17 %。

綠原酸；醇提；咖啡生豆；響應面法

引言

咖啡與可可、茶并稱為世界三大飲料，具有健胃、醒腦、止血、散熱、強身等功效?？Х壬购G原酸2%-8%左右[1]，綠原酸含量較高?，F(xiàn)在科學研究表明，咖啡的部分功效（興奮中樞神經(jīng)系統(tǒng)等作用）可能與咖啡中的有效成分綠原酸有關[2-4]?？Х绕贩N中Robusta咖啡生豆綠原酸含量普遍比Arabica咖啡生豆高，且Robusta咖啡生豆原料成本相對較低，所以可以選擇工業(yè)咖啡剩余的Robusta咖啡瑕疵豆（碎豆、未熟豆等）來提取綠原酸，充分利用成本低廉的瑕疵豆，降低綠原酸生產(chǎn)成本。

根據(jù)綠原酸自身特性，目前多數(shù)研究是采用水提、醇提或醇提結(jié)合其他方法（超聲波、微波等）等方法[5-6]提取綠原酸，提取原料一般是金銀花、杜仲葉，而以咖啡生豆為原料來提取綠原酸的研究則相對比較少。本文采用醇提方法來提取Robusta咖啡生豆中的綠原酸，探索咖啡生豆醇提綠原酸的工藝，為開拓綠原酸的另一可行性來源提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試機

咖啡生豆購于上海寶榮國際貿(mào)易有限公司，品種越南：Robusta咖啡生豆，提取前先用Mahlkonig磨粉機10檔粉碎，備用；

綠原酸標準品中國藥品生物制品檢定所（質(zhì)量分數(shù)大于99.0%）；乙醇天津市福晨化學試劑廠（95%、分析純）；甲醇色譜純；蒸餾水。

HH-2型電熱恒溫水浴鍋北京科偉永興儀器有限公司；TW 223L型分析天平日本島津；Waters2998高效液相色譜儀美國Waters公司。

1.2 方法

1.2.1提取工藝

粉碎后的咖啡生豆粉→加酒精提取→提取液→過濾（300目）→濾液→備用

1.2.2分析檢測方法

采用高效液相色譜法，對照標準品，測定濾液中綠原酸的含量[7],

綠原酸提取得率/%=C×V× 100% m

C：濾液中綠原酸含量(g /L)

V：濾液體積(L)

m: 原料質(zhì)量(g)

1.2.3單因素及響應面實驗

以綠原酸提取得率為指標，分別以料液比（1:5、1:10、1:15、1:20、1:25）、乙醇濃度（30%、40%、50%、60%、70%）、提取溫度（30℃、40℃、50℃、60℃、70℃）、提取時間（30min、45min、60min、75min、90min）為單因素條件進行單因素實驗，研究咖啡生豆醇提過程各因素對綠原酸提取得率的影響。

根據(jù)單因素實驗的實驗結(jié)果，采用Box-Behnken方法，運用Design-Expert V8.0.6軟件進行響應面優(yōu)化實驗設計，探索咖啡生豆醇提綠原酸的最佳工藝。

表1 響應面試驗設計因素水平表

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果

2.1.1料液比對綠原酸醇提提取得率的影響

由圖1可以看出，在固定提取溫度60℃，提取時間60min，乙醇濃度50%的提取條件下，料液比的增加可以提高綠原酸提取得率，料液比由1：5增加到1：15綠原酸提取得率也由2.22%增加到5.02%，增加較快。而料液比由1：15增加到1：25時，綠原酸提取得率僅增加0.02%，增加較慢。從實驗結(jié)果來看，以及考慮到后續(xù)處理工序和生產(chǎn)成本，咖啡生豆醇提綠原酸工藝采用料液比1：15較佳。

圖1 料液比對綠原酸醇提提取得率的影響

2.1.2乙醇濃度對綠原酸醇提提取得率的影響

由圖2可以看出，在固定料液比1:15，提取時間60min，提取溫度60℃的提取條件下，當乙醇濃度小于50%，綠原酸提取得率隨著乙醇濃度增加而遞增，綠原酸提取得率在乙醇濃度濃度達到50%時最大為5.01%。從乙醇濃度大于50%開始，綠原酸提取得率隨著乙醇濃度增加而降低。分析原因：綠原酸為極性較強的有機酸，而不同濃度乙醇因水與乙醇的比例不同，極性也不同，乙醇濃度越大，極性越小。根據(jù)相似相容原理，乙醇濃度越大極性越小越不利于綠原酸的提取，最適合咖啡生豆醇提綠原酸的乙醇濃度在50%左右。

圖2 乙醇濃度對綠原酸醇提提取得率的影響

2.1.3提取溫度對綠原酸醇提提取得率的影響

由圖3可知，在固定料液比1:15，提取時間60min，乙醇濃度50%的提取條件下，在一定溫度范圍內(nèi)，升高提取溫度，分子運動加快，有利于傳質(zhì)過程的進行，從而可以提高綠原酸提取得率，所以可以看到提取溫度由30℃升高到60℃時綠原酸提取得率由2.50%增加到5.05%，增加明顯。但是當提取溫度超過60℃后，由于乙醇的易揮發(fā)性和綠原酸不穩(wěn)定的自身結(jié)構(gòu)，綠原酸提取得率可能開始緩慢下降，提取溫度為70℃時綠原酸提取得率下降到4.92%，所以咖啡生豆醇提綠原酸工藝采用提取溫度60℃左右較佳。

圖3 提取溫度對綠原酸醇提提取得率的影響

2.1.4提取時間對綠原酸醇提提取得率的影響

由圖4可以看出，在固定料液比1:15，提取溫度60℃，乙醇濃度50%的提取條件下，提取時間的增加可以提高綠原酸提取得率，提取時間由30min增加到60min時綠原酸提取得率也由3.24%增加到5.04%，增加明顯。而提取時間超過60min后，綠原酸提取得率隨著提取時間的增加提高緩慢，甚至有下降的趨勢。提取時間的延長有助于綠原酸的溶出，但是時間過長可能會導致綠原酸的分解，所以從縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率考慮，在保持較高提取得率的前提下，咖啡生豆醇提綠原酸工藝采用提取時間60min左右較佳。

圖4 提取時間對綠原酸醇提提取得率的影響

2.2 響應面實驗結(jié)果

2.2.1回歸模型方程的建立及分析

利用Design-Expert.V8.0.6軟件對表2實驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，根據(jù)最小失擬項F值、最大值原則[8]，手動剔除不顯著交互作用項（x1x2、x2x3），得到咖啡生豆醇提綠原酸工藝參數(shù)回歸方程（編碼）：

表2 響應面試驗設計及結(jié)果

綠原酸提取得率=+5.04+0.38x1+0.00875x2-0.019x3+0.15x1x3-0.61x12+0.17x22-0.33x32其中x1、x2、x3分別為提取溫度、提取時間、乙醇濃度的編碼值。

通過表3中的方差分析結(jié)果可以看出，該模型項值<0.0001，說明模型高度顯著；自變量提取溫度、提取溫度二次項、提取時間的二次項、乙醇濃度二次項與綠原酸提取得率之間均關系高度顯著(<0.01)，提取溫度和乙醇濃度的相互作用與綠原酸提取得率之間均關系顯著(<0.05)，整體模型失擬度值0.067>0.05，表明模型可信度高，實驗數(shù)據(jù)與模型不相符合的情況不顯著，而且由模型的回歸決定系數(shù)R2=0.9704、調(diào)整確定系數(shù)R2adj=0.9704、預測確定系數(shù)R2pred=0.8041可知，回歸決定系數(shù)與調(diào)整確定系數(shù)接近，調(diào)整確定系數(shù)與預測確定系數(shù)之差小于0.2，說明可以用此模型對咖啡生豆醇提綠原酸工藝結(jié)果進行分析和預測[9]。

表3 回歸模型方差分析

由表3可知，對綠原酸提取得率影響力順序為：提取溫度的二次項＞提取溫度＞乙醇濃度二次項＞提取時間二次項＞提取溫度與乙醇濃度的交互作用＞乙醇濃度＞提取時間。

2.2.2響應曲面圖及其等高線

從圖5的響應曲面圖及其等高線可以明顯看出，當固定提取時間(x2=74.26min)時，咖啡生豆綠原酸提取得率受提取溫度和乙醇濃度交互作用的影響顯著。從圖中可看出，綠原酸提取得率隨著提取溫度及乙醇濃度的增加呈現(xiàn)由低到高再降低的趨勢，從而勢必會存在一個極大值點，也就是響應曲面的頂部。

圖5 兩因素交互作用的響應曲面及等高線圖

通過計算和分析等高線而得到[10]這個極大值點，也就是咖啡生豆醇提綠原酸理論最佳工藝：乙醇濃度54.99%，提取溫度63.61℃，提取時間74.26 min，綠原酸提取得率5.19421%。

2.2.3最佳工藝驗證性實驗

考慮到實際操作的方便，對咖啡生豆醇提綠原酸理論最佳工藝進行修正，修正后工藝參數(shù)為：提取溫度64℃，提取時間74min，乙醇濃度55%時，對修正后的工藝參數(shù)進行三次驗證實驗，得綠原酸提取得率平均值為5.17%，與理論預測值僅相差0.02421%，驗證了此模型對咖啡生豆醇提綠原酸工藝結(jié)果進行分析和預測的可靠性。

3 結(jié)束語

本實驗建立了咖啡生豆醇提綠原酸的提取得率與提取溫度、提取時間、乙醇濃度的二次多項式回歸模型，得到最佳的提取工藝參數(shù)：提取溫度64℃、提取時間為74min、乙醇濃度55%、料液比1：15，進行驗證性實驗測得綠原酸提取得率為5.17 %，與理論值相對誤差僅為 0.47 %。實驗值與理論值是吻合的，證明了該模型的合理可靠性。相比綠原酸水提方法，醇提方法提取得率較高，有一定的優(yōu)勢，但醇提方法設備要求較高、生產(chǎn)成本相對較高，所以選擇何種提取方法提取綠原酸需綜合考慮和評估，以便為從Robusta咖啡生豆中提取綠原酸的產(chǎn)業(yè)化提供一定的理論依據(jù)。

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（責任編輯:季平）

Study on technology of alcohol extraction conditions of chlorogenic acid from green coffee beans

LIN Ya-min, RAO Jian-ping, ZHANG Yuan-zhi, LI Guo-hui, YAO She-yue, HU Yin-feng

(Fujian Provincial Key Laboratory for Extracting & Processing Technology of Edible Plant (DAMIN Foodstuff(Zhangzhou) Co.,Ltd.), Zhangzhou 363000, China)

Main factors(the ratio of solid to liquid, ethanol concentration,extraction temperature,extraction time)influencing the extraction of chlorogenic acid from green coffee beans were studied by single factor experiments, and further the response surface method was used to optimize conditions for the extraction of chlorogenic acid from green coffee beans. Optimized conditions for the extraction of chlorogenic acid from green coffee beans by ethanol extraction was obtained as: the ratio of solid to liquid 1:15, extraction temperature 64℃, extraction time 74min, ethanol concentration 55%, The extraction ratio of chlorogenic acid was 5.17%.

chlorogenic acid; ethanol extraction; green coffee beans; response surface method

R284.2

A

1673-1417（2016）03-0022-07 doi:10.13908/j.cnki.issn1673-1417.2016.03.0005

2016－07－10

林雅敏（1988—），女，助理工程師，本科，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工、檢驗。

張遠志（1970—），男，高級工程師，研究方向：天然植物加工。