咖啡生豆醇提绿原酸工艺研究

林雅敏,饶建平,张远志,李国辉,姚射月,胡银凤



咖啡生豆醇提绿原酸工艺研究

林雅敏,饶建平,张远志*,李国辉,姚射月,胡银凤

（福建省饮料用植物提取加工企业重点实验室（大闽食品（漳州）有限公司），福建漳州 363000）

采用单因素实验法研究了料液比、乙醇浓度、提取温度、提取时间对咖啡生豆醇提绿原酸提取得率的影响，并进一步采用响应面法优化咖啡生豆醇提绿原酸工艺，获得最佳工艺条件为：料液比1:15，提取温度64℃，提取时间74min，乙醇浓度55%时，绿原酸提取得率为5.17 %。

绿原酸；醇提；咖啡生豆；响应面法

引言

咖啡与可可、茶并称为世界三大饮料，具有健胃、醒脑、止血、散热、强身等功效。咖啡生豆含绿原酸2%-8%左右[1]，绿原酸含量较高。现在科学研究表明，咖啡的部分功效（兴奋中枢神经系统等作用）可能与咖啡中的有效成分绿原酸有关[2-4]。咖啡品种中Robusta咖啡生豆绿原酸含量普遍比Arabica咖啡生豆高，且Robusta咖啡生豆原料成本相对较低，所以可以选择工业咖啡剩余的Robusta咖啡瑕疵豆（碎豆、未熟豆等）来提取绿原酸，充分利用成本低廉的瑕疵豆，降低绿原酸生产成本。

根据绿原酸自身特性，目前多数研究是采用水提、醇提或醇提结合其他方法（超声波、微波等）等方法[5-6]提取绿原酸，提取原料一般是金银花、杜仲叶，而以咖啡生豆为原料来提取绿原酸的研究则相对比较少。本文采用醇提方法来提取Robusta咖啡生豆中的绿原酸，探索咖啡生豆醇提绿原酸的工艺，为开拓绿原酸的另一可行性来源提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试机

咖啡生豆购于上海宝荣国际贸易有限公司，品种越南：Robusta咖啡生豆，提取前先用Mahlkonig磨粉机10档粉碎，备用；

绿原酸标准品中国药品生物制品检定所（质量分数大于99.0%）；乙醇天津市福晨化学试剂厂（95%、分析纯）；甲醇色谱纯；蒸馏水。

HH-2型电热恒温水浴锅北京科伟永兴仪器有限公司；TW 223L型分析天平日本岛津；Waters2998高效液相色谱仪美国Waters公司。

1.2 方法

1.2.1提取工艺

粉碎后的咖啡生豆粉→加酒精提取→提取液→过滤（300目）→滤液→备用

1.2.2分析检测方法

采用高效液相色谱法，对照标准品，测定滤液中绿原酸的含量[7],

绿原酸提取得率/%=C×V× 100% m

C：滤液中绿原酸含量(g /L)

V：滤液体积(L)

m: 原料质量(g)

1.2.3单因素及响应面实验

以绿原酸提取得率为指标，分别以料液比（1:5、1:10、1:15、1:20、1:25）、乙醇浓度（30%、40%、50%、60%、70%）、提取温度（30℃、40℃、50℃、60℃、70℃）、提取时间（30min、45min、60min、75min、90min）为单因素条件进行单因素实验，研究咖啡生豆醇提过程各因素对绿原酸提取得率的影响。

根据单因素实验的实验结果，采用Box-Behnken方法，运用Design-Expert V8.0.6软件进行响应面优化实验设计，探索咖啡生豆醇提绿原酸的最佳工艺。

表1 响应面试验设计因素水平表

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1料液比对绿原酸醇提提取得率的影响

由图1可以看出，在固定提取温度60℃，提取时间60min，乙醇浓度50%的提取条件下，料液比的增加可以提高绿原酸提取得率，料液比由1：5增加到1：15绿原酸提取得率也由2.22%增加到5.02%，增加较快。而料液比由1：15增加到1：25时，绿原酸提取得率仅增加0.02%，增加较慢。从实验结果来看，以及考虑到后续处理工序和生产成本，咖啡生豆醇提绿原酸工艺采用料液比1：15较佳。

图1 料液比对绿原酸醇提提取得率的影响

2.1.2乙醇浓度对绿原酸醇提提取得率的影响

由图2可以看出，在固定料液比1:15，提取时间60min，提取温度60℃的提取条件下，当乙醇浓度小于50%，绿原酸提取得率随着乙醇浓度增加而递增，绿原酸提取得率在乙醇浓度浓度达到50%时最大为5.01%。从乙醇浓度大于50%开始，绿原酸提取得率随着乙醇浓度增加而降低。分析原因：绿原酸为极性较强的有机酸，而不同浓度乙醇因水与乙醇的比例不同，极性也不同，乙醇浓度越大，极性越小。根据相似相容原理，乙醇浓度越大极性越小越不利于绿原酸的提取，最适合咖啡生豆醇提绿原酸的乙醇浓度在50%左右。

图2 乙醇浓度对绿原酸醇提提取得率的影响

2.1.3提取温度对绿原酸醇提提取得率的影响

由图3可知，在固定料液比1:15，提取时间60min，乙醇浓度50%的提取条件下，在一定温度范围内，升高提取温度，分子运动加快，有利于传质过程的进行，从而可以提高绿原酸提取得率，所以可以看到提取温度由30℃升高到60℃时绿原酸提取得率由2.50%增加到5.05%，增加明显。但是当提取温度超过60℃后，由于乙醇的易挥发性和绿原酸不稳定的自身结构，绿原酸提取得率可能开始缓慢下降，提取温度为70℃时绿原酸提取得率下降到4.92%，所以咖啡生豆醇提绿原酸工艺采用提取温度60℃左右较佳。

图3 提取温度对绿原酸醇提提取得率的影响

2.1.4提取时间对绿原酸醇提提取得率的影响

由图4可以看出，在固定料液比1:15，提取温度60℃，乙醇浓度50%的提取条件下，提取时间的增加可以提高绿原酸提取得率，提取时间由30min增加到60min时绿原酸提取得率也由3.24%增加到5.04%，增加明显。而提取时间超过60min后，绿原酸提取得率随着提取时间的增加提高缓慢，甚至有下降的趋势。提取时间的延长有助于绿原酸的溶出，但是时间过长可能会导致绿原酸的分解，所以从缩短生产周期，提高生产效率考虑，在保持较高提取得率的前提下，咖啡生豆醇提绿原酸工艺采用提取时间60min左右较佳。

图4 提取时间对绿原酸醇提提取得率的影响

2.2 响应面实验结果

2.2.1回归模型方程的建立及分析

利用Design-Expert.V8.0.6软件对表2实验数据进行回归分析，根据最小失拟项F值、最大值原则[8]，手动剔除不显著交互作用项（x1x2、x2x3），得到咖啡生豆醇提绿原酸工艺参数回归方程（编码）：

表2 响应面试验设计及结果

绿原酸提取得率=+5.04+0.38x1+0.00875x2-0.019x3+0.15x1x3-0.61x12+0.17x22-0.33x32其中x1、x2、x3分别为提取温度、提取时间、乙醇浓度的编码值。

通过表3中的方差分析结果可以看出，该模型项值<0.0001，说明模型高度显著；自变量提取温度、提取温度二次项、提取时间的二次项、乙醇浓度二次项与绿原酸提取得率之间均关系高度显著(<0.01)，提取温度和乙醇浓度的相互作用与绿原酸提取得率之间均关系显著(<0.05)，整体模型失拟度值0.067>0.05，表明模型可信度高，实验数据与模型不相符合的情况不显著，而且由模型的回归决定系数R2=0.9704、调整确定系数R2adj=0.9704、预测确定系数R2pred=0.8041可知，回归决定系数与调整确定系数接近，调整确定系数与预测确定系数之差小于0.2，说明可以用此模型对咖啡生豆醇提绿原酸工艺结果进行分析和预测[9]。

表3 回归模型方差分析

由表3可知，对绿原酸提取得率影响力顺序为：提取温度的二次项＞提取温度＞乙醇浓度二次项＞提取时间二次项＞提取温度与乙醇浓度的交互作用＞乙醇浓度＞提取时间。

2.2.2响应曲面图及其等高线

从图5的响应曲面图及其等高线可以明显看出，当固定提取时间(x2=74.26min)时，咖啡生豆绿原酸提取得率受提取温度和乙醇浓度交互作用的影响显著。从图中可看出，绿原酸提取得率随着提取温度及乙醇浓度的增加呈现由低到高再降低的趋势，从而势必会存在一个极大值点，也就是响应曲面的顶部。

图5 两因素交互作用的响应曲面及等高线图

通过计算和分析等高线而得到[10]这个极大值点，也就是咖啡生豆醇提绿原酸理论最佳工艺：乙醇浓度54.99%，提取温度63.61℃，提取时间74.26 min，绿原酸提取得率5.19421%。

2.2.3最佳工艺验证性实验

考虑到实际操作的方便，对咖啡生豆醇提绿原酸理论最佳工艺进行修正，修正后工艺参数为：提取温度64℃，提取时间74min，乙醇浓度55%时，对修正后的工艺参数进行三次验证实验，得绿原酸提取得率平均值为5.17%，与理论预测值仅相差0.02421%，验证了此模型对咖啡生豆醇提绿原酸工艺结果进行分析和预测的可靠性。

3 结束语

本实验建立了咖啡生豆醇提绿原酸的提取得率与提取温度、提取时间、乙醇浓度的二次多项式回归模型，得到最佳的提取工艺参数：提取温度64℃、提取时间为74min、乙醇浓度55%、料液比1：15，进行验证性实验测得绿原酸提取得率为5.17 %，与理论值相对误差仅为 0.47 %。实验值与理论值是吻合的，证明了该模型的合理可靠性。相比绿原酸水提方法，醇提方法提取得率较高，有一定的优势，但醇提方法设备要求较高、生产成本相对较高，所以选择何种提取方法提取绿原酸需综合考虑和评估，以便为从Robusta咖啡生豆中提取绿原酸的产业化提供一定的理论依据。

参考文献：

[1] 刘军海, 裘爱泳. 绿原酸及其提取纯化和应用前景[J]. 粮食与油脂, 2003(9): 44-46.

[2] 尤秀丽, 池路花, 曹芸梅, 等. 响应面法优化微波超声双辅助提取金银花绿原酸工艺[J]. 食品工业科技, 2014, 35(12)：272-276.

[3] 单磊, 达超超, 呼延晓颖, 刘军海. 金银花中绿原酸提取工艺研究[J]. 饮料工业, 2010, 4(5): 23-25.

[4] Kasai H，Fukadaa S，Yamaizumib Z，et al．Action of chlorogenic acid in vegetab1es and fruits as an inhibitor of 8- hydroxydeoxyguanosine formation in vitro and in a rat carcinogenesismod-El[J]. Food＆Chem Toxicol, 2000, 38(5): 467-471.

[5] 胡鲜宝, 范贵生, 吕加平. 绿原酸提取纯化及检测方法的研究进展[J]. 农产品加工·学刊, 2009, 11(11): 85-88.

[6] 王利, 冉旭. 金银花中绿原酸醇提工艺的研究[J]. 饮料工业, 2009, 12(1): 18-20.

[7] 许善伟. 高效液相法测定咖啡豆提取物中绿原酸的含量[J]. 广西医学, 2009, 11(11): 1702-1703.

[8] 徐向宏, 何明珠. 实验设计与Design-Expert、SPSS应用[M]. 北京: 科学工业出版社, 2010: 146-160.

[9] 李云雁, 胡传荣. 实验设计与数据处理[M]. 北京: 化学工业出版社, 2008: 134-136.

[10] 张泽志, 韩春亮, 李成未. 响应面法在实验设计与优化中的应用[J]. 河南教育学院学报: 自然科学版, 2011, 20(4): 34-37.

（责任编辑: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，助理工程师，本科，研究方向：农产品加工、检验。

张远志（1970—），男，高级工程师，研究方向：天然植物加工。