超声波提取咖啡渣中多酚的优化工艺研究

(四川大学化学工程学院，四川成都，610065)

1 引言

咖啡已经成为当今世界最受欢迎的饮料之一，在欧美国家是很普遍的饮料，在中国也日趋流行[1]。咖啡的需求量很大，它在世界贸易中是仅次于石油的第二大贸易品[2]，根据美国农业部的数据，2017-2018年度世界咖啡产量预计为1.599亿袋(60千克)。研究表明，咖啡具有多种功效包括提神醒脑、消除疲劳等，并潜在的健康功效如降低结肠癌的患病可能性[3-4]。速溶咖啡在世界咖啡消费总量中占据较大比例，而在制造加工咖啡粉的过程中会产生大量的副产物(1吨咖啡对应2吨副产物)，即咖啡渣[5]。根据研究可知咖啡渣中含有绿原酸、咖啡算和多酚类等抗氧化物质，可以进一步处理利用[6]。植物多酚是在植物中广泛存在的生物活性物质，含量仅低于纤维素、半纤维素和木质素，已经成为国内外有机化学和天然产物方向研究的热点之一[7]。植物多酚在现代工业生产中有着广泛的应用，例如传统工业中制革、木材工业和石油开采中有使用多酚作为添加剂等，精细加工中用于生产各类日化用品和食品等，在医药和农业对等方面也有着广泛的应用，所以多酚是用途非常广泛的生物活性成分，如何高效地提取多酚对于工业生产有着现实的意义[8]。通常情况下，企业会将咖啡渣作为废料卖出，被当作肥料或燃料等使用，浪费了其中潜在的自然资源和效益[9]。为了提高咖啡残渣的利用价值，拟从咖啡残渣中提取多酚，从而提高经济效益。

目前植物多酚的提取技术主要分为两类，一是传统的溶剂萃取法，包括浸泡，热回流和索氏提取等方法，二是应用新的提取技术，如微波辅助提取、超临界流体萃取和超声波辅助提取等[10]。传统溶剂提取法常常伴有提取时间长，产率低等不足，所以有必要开发新的提取技术用于提取多酚。超声波辅助提取是一种通过将超声波产生的空化、搅拌等效应综合利用于提取植物天然成分的工艺中，从而提高提取效率、减少操作时间、减少溶剂消耗和降低提取温度的新型提取技术[11-12]。在本文研究中，采用超声波辅助提取技术提取咖啡渣中的多酚，采用单因素试验的优化方法对提取工艺进行了优化研究，从而提高了提取率，提升了咖啡豆残渣的利用价值。

2 材料与方法

2.1 材料与试剂

咖啡渣从一家上海的速溶咖啡厂购得；没食子酸(3，4，5-三羟基苯甲酸，纯度≥99.99%)，国药集团化学试剂有限公司；福林酚、碳酸钠、无水乙醇，分析纯，成都科龙化工试剂厂；其余试剂均为分析纯。所有水溶液均使用去离子水进行制备。

2.2 仪器与设备

紫外分光光度计(751-GW)，上海菁华科技仪器有限公司；数控超声波清洗器(KQ-7700DE)，昆山市超声仪器有限公司。

2.3 超声波辅助提取法

准确称取5.00 g咖啡渣，按照不同的料液比加入一定浓度的乙醇水溶液，在一定温度下进行超声波辅助提取一定的时间，提取后进行抽滤，然后离心(4000转，10分钟)，取上清液得到提取液。

2.4 传统溶剂提取法

作为对照试验，使用常规的乙醇浸泡提取，优化后的实验条件为乙醇浓度为60%(v/v)，料液比为15 mL/g，提取温度为50 ℃，提取时间为150分钟。将原料和溶剂加入一圆底烧瓶中进行水浴加热提取。

2.5 多酚含量测定

为了使用分光光度法测得多酚的含量，采用了基于显色反应的Folin-Ciocalteu方法进行检测[13]。取0.2 mL 稀释一定比例的提取物与1.0 mL 福林酚溶液(使用去离子水稀释10倍)加入具塞试管中混合摇匀，然后加入0.8 mL碳酸钠水溶液(75 g/L)，使用去离子水将混合溶液定容至10.0 mL 后，在50 ℃下水浴加热反应10分钟，在室温下冷却后使用紫外分光光度计在760 nm处测定吸光度。以没食子酸标准品测得的标准曲线方程为：y=0.5639x-0.0103，R2=0.9988，y为测得的吸光度，x为多酚的质量浓度(mg/g)。将测得的吸光度代入标准方程中即可得到产物溶液的多酚的质量浓度，从而计算出多酚含量。

3 结果与讨论

3.1 超声波辅助提取工艺参数优化

3.1.1 提取时间对多酚产率的影响

提取时间对于超声波辅助提取来说是一个重要的影响因素，咖啡渣中的有效成分在超声波处理的过程中需要一定时间才能充分释放，然而如果处理时间过长，则会浪费时间和能源，所以提取时间有必要优化，结果如图1所示。工艺参数为料液比20 mL/g，溶剂为50%(v/v)的乙醇水溶液，提取温度为50 ℃，超声波功率为80%。随着提取时间的延长，多酚的产率逐渐提升，到20分钟时趋于平衡，达到35.29 mg/g，提取时间进一步延长时提取率不再显著上升，故选择20分钟作为提取时间。

图1 提取时间对多酚产率的影响

3.1.2 料液比对多酚产率的影响

通常情况下提取率会随着料液比的升高而升高，更多的溶剂有助于使生物活性成分尽可能彻底的释放出来。料液比对多酚产率的影响如图2所示，随着料液比的提高，多酚的产率逐步提升，当料液比达到30 mL/g时达到50.45 mL/g，此后再进一步提高料液比不能显著提高多酚的产率，所以选择30 mL/g的料液比作为最佳料液比。

图2 料液比对多酚产率的影响

3.1.3 乙醇浓度对多酚产率的影响

溶剂中乙醇浓度对多酚产率的影响如图3所示。根据实验结果可知，当乙醇浓度相对较低时，多酚的产率随着乙醇浓度的升高而上升，乙醇浓度达到50%(v/v)时达到最大值。在此之后，随着乙醇浓度的进一步上升多酚的产率开始下降。可能的原因是随着乙醇浓度进一步升高，脂溶性物质也会更多的溶解在溶剂中，从而提高了多酚溶解的“阻力”，使得多酚浓度开始降低。所以选择50%(v/v)作为溶剂的乙醇浓度。

图3 乙醇浓度对多酚产率的影响

3.1.4 提取温度对多酚产率的影响

提取温度对多酚产率的影响如图4所示，当提取温度由30 ℃提升到40 ℃时，提取温度升高对提取有促进作用，多酚产率上升，达到了最大值51.94 mg/g，随后随着提取温度的进一步上升，多酚产率逐渐下降。可能的原因是随着温度的进一步升高，多酚类物质相对比较容易被氧化，从而降低了多酚的产率。所以选择40 ℃作为最佳提取温度。

图4 提取温度对多酚产率的影响

3.1.5 超声波功率对多酚产率的影响

超声波功率是超声波辅助提取技术中的核心参数之一，本次使用的超声波清洗器的额定功率为700 W，将工艺参数设定成之前实验优化过的参数，将超声波功率设定为60%、70%、80%、90%、100%，即420 W、490 W、560 W、630 W和700 W，分别测定多酚的产率，结果如图5所示。随着超声波清洗器功率的提高，多酚产率逐步提高，当达到100%功率时产率最高为53.37 mg/g。

图5 超声波功率对多酚产率的影响

3.2 与传统溶剂提取多酚的对比

当使用传统溶剂提取的方法时，多酚的产率为47.84 mg/g，比超声波辅助提取的产率(53.37 mg/g)低了10.36%，同时提取时间为150分钟，远超过超声波辅助提取所需要的提取时间。实验结果表明，超声波辅助提取相对传统提取方法有着更高的提取产率，同时还能降低提取时间，提高效率。

4 结论与展望

研究使用超声波辅助提取技术提取咖啡渣中的多酚类物质，研究了不同因素对提取效率的影响，并与传统的溶剂提取做了对比。超声波辅助提取咖啡渣中的多酚的最佳工艺条件为：料液比30 mL/g，乙醇浓度50%(v/v)，提取时间20分钟，提取温度40 ℃，超声波功率为100%，所得的产率为53.37 mg/g，在提取时间和提取温度低于传统溶剂提取方法的条件下，取得了更高的产率，是一种更高效且安全的从植物材料中提取生物活性成分的提取技术，有着较好的发展前景。

同时，在实验中还存在一些对提取效率影响程度未知的因素有待进一步考证，如咖啡渣的品种区别、粉碎程度和提取前放置的时间长短等对提取率的影响。此外，提取出的多酚类物质还需要进一步的分离、纯化研究。