不同方法制备咖啡提取物及其在卷烟中的应用

杨上莺 罗海涛 何力 李红霞 刘丽芬

摘要：为了提高云南小粒咖啡（Coffea arabica L.）的利用率，采用热水回流提取法和微波辅助提取法制备咖啡提取物，对其进行感官评价、挥发性成分分析及在卷烟中的应用试验以及咖啡渣的表观分析。结果表明，微波辅助提取法能增加咖啡提取物的得率，比热水回流提取法增加13%，并且能够丰富咖啡提取物的香气，提高其香气质量。将咖啡提取物以0.1%（g/g）烟丝重量添加到某品牌叶组上，抽吸评价显示微波提取物能明显增加烟气甜润感，突出咖啡特征香，协调烟气，丰富烟香。因此，采用微波辅助提取法制备咖啡提取物具有高效率特点，在烟用香精香料领域中有一定应用前景。

关键词：云南小粒咖啡（Coffea arabica L.）;微波辅助提取法;热水回流提取法;挥发性成分;香味轮廓分析

中图分类号：TS45         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）12-0107-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.12.025           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： In order to improve the utilization efficiency of Coffea arabica L. in Yunnan， the extracts prepared by heat reflux extraction （HRE） and microwave-assisted extraction（MAE） were analyzed by sensory， volatile components， the application effect in cigarette and phenomenal characteristics of waste coffee grounds. Results showed that MAE was the more efficient extraction method for coffee extract with an improved yield of 13% compared to HRE. Besides， MAE also could enrich fragrance components of extract in order to improve its quality. The extracts of MAE had the more obvious effects than HRE extract on the aspect of improving the sense of sweet， projecting the smell of coffee， balancing the smoke and enriching the aroma of smoking when added to cigarette with 0.1% the weight of cigarette. As a result， MAE is not only a high efficiency method in the extraction of coffee but also a promising application in the field of tobacco flavors.

Key words： Coffea arabica L. in Yunnan; microwave-assisted extraction; heat reflux extraction; volatile components; fragrance profile analysis

咖啡与茶、可可并称为世界三大饮料，是茜草科（Rubiaceae）咖啡属（coffea）常绿灌木或小乔木的种子[1]，原产地为埃塞俄比亚[2]。目前，咖啡的产量和消费量在世界三大饮料作物中居于首位，成为继石油之后的世界第二大原料型产品[3-5]。咖啡种植业在中国农业中占有重要地位，主要种植区域为云南省和海南省[6]。云南地区主栽小粒种阿拉比卡咖啡（Coffea arabica L.），被国际咖啡组织誉为品质优异的小粒种咖啡，咖啡豆产值高达全国99%以上[7]。咖啡含有生物碱、有机酸、甾醇和多酚等化学成分[8]，具有抗氧化、抗病毒、扩张血管、提高新陈代谢等生物活性[9，10]。除此之外，咖啡由于在烘烤过程中形成的呋喃类、吡嗪类、吡啶类、酚类及醛类等挥发性物质而具有浓郁饱满的风味[11-13]。因此，咖啡提取物能作为香料应用于食品和卷烟领域。

但目前咖啡提取物的制备手段较为单一，主要是简单传统的加热水提、醇提，这种提取方式耗时长、耗能高、效率低[14]，不利于咖啡风味物质和活性成分的保留。近年来，微波辅助提取技术（MAE）日渐成熟，凭借着物料吸收高频电磁波发出的能量而使物料内部迅速升温，细胞瞬间破碎而加快内容物的溶出速率，提高提取效率[15，16]。微波辅助提取法具有提取时间短、溶剂耗量小、节能环保、成本低等优点[17]，逐渐应用于天然产物的提取等方面[18]。因此，本研究采用热水回流提取法和微波辅助提取法制备咖啡提取物，对比了传统水提物与微波辅助提取物在结构组成和卷烟应用等方面的差异，为咖啡提取物在卷烟中的应用提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  试验材料

1.1.1  材料  中等烘焙咖啡豆（小粒咖啡种，云南）。

1.1.2  仪器  ZN-500A型高速粉碎机（常州日宏粉体设备厂，中国）;PTHW型加热套（山东鄄城华鲁电热仪器有限公司，中国）;NEOS-GR型微波萃取仪（Melstone公司，意大利）;R-124（B-480）型旋转蒸发仪（BUCHI公司，瑞士）;FEI phenom型電子显微镜（Phenom公司，荷兰）;6890-5975 N型气相色谱/质谱仪（Agilent公司，美国）。

1.2  方法

1.2.1  原料制备  小粒咖啡豆经高速粉碎机粉碎，过60目筛，备用。

1.2.2  传统热水回流提取  称取3份20 g小粒咖啡豆粉末，置于500 mL圆底烧瓶，按照1∶12（g∶g，下同）料液比加入去离子水，加热回流2 h，静置冷却后抽滤，于65 ℃下减压浓缩到密度为1.15 g/cm3，平均得到（14.2±0.8） g的热水提取物。按照式（1）计算咖啡提取物得率。

式中，m1为平均得到的咖啡提取物的质量（g），m2为用于提取的咖啡粉末的质量（g）。

1.2.3  微波辅助提取  称取3份20 g小粒咖啡豆粉末，置于微波专用提取容器中，按照1∶2料液比加入去离子水，250 W处理5 min后变频至300 W处理30 min，静置冷却后抽滤，于65 ℃下浓缩到密度为1.15 g/cm3平均得到（16.6±0.6） g的微波提取物，按照“1.2.2”中方法计算得率。

1.2.4  咖啡提取物感官评价  对不同提取方法所得的咖啡提取物外观进行评价，对比其在色泽、透明度、状态、流动性和气味方面的差异。

1.2.5  咖啡提取渣的表观特征分析  为进一步对比评价微波辅助提取法和热水回流提取法对目标成分溶出情况及得率的影响，对2种提取方式剩余的咖啡提取渣进行表观分析。分别取一定质量的咖啡热水提取物和微波提取物制备后剩余的咖啡提取渣，分散固定在导电胶表面，吹去浮样后置于扫描电镜下进行观察，选取有代表性的咖啡渣颗粒视野进行显微拍摄。

1.2.6  咖啡提取物挥发性成分分析  使用6890-5975N型气相色谱/质谱仪分析咖啡热水提取物和咖啡微波提取物的挥发性成分。准确量取2种咖啡提取物样品各25 μL，用无水乙醇稀释至1 mL，GC/MS进样分析，以等体积去离子水作为对照。

仪器条件：Agilent 6890-5975 N气相色谱/质谱仪，HP-5MS石英毛细管色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）。

色谱条件：载气为高纯氦气;流速1.0 mL/min;进样量2 μL;分流比10∶1;进样口温度280 ℃;升温程序：柱温50 ℃保持1 min，以6 ℃/min升至280 ℃，保持10 min。

质谱条件：扫描范围41～510 Aum;电离电压  70 V;離子源温度230 ℃;传输线温度280 ℃;扫描方式为全扫描。

1.2.7  咖啡提取物在卷烟中的应用评价  采用紫云（硬）空白叶组，将2种不同工艺制备的咖啡提取物以烟丝重量的0.1%添加到叶组中，参考中式卷烟风格感官评价方法组织10位专业评吸人员抽吸评价。采用香味轮廓法对咖啡提取物评吸，研究该咖啡提取物在卷烟中的应用效果。

2  结果与分析

2.1  咖啡提取物的感官评价

咖啡热水提取物和微波提取物的感官评价如表1所示。从表1可以看出，热水提取物和微波提取物均呈黑色，其中热水提取物在室温下为半流动状态，微波提取物呈膏状，流动性稍差，这说明咖啡微波提取物中含有较热水提取更多的可溶性固形物。相同质量的原料，得到的微波提取物比热水提取物多，说明微波能够打破细胞壁，促进咖啡中水溶性成分的溶出。咖啡的热水提取物和微波提取物都具有咖啡的特征香和烘烤香，微波提取物还具有更明显的焦甜香，这说明在微波的作用下，咖啡在提取过程中能发生一些反应产生焦甜香成分。

2.2  咖啡提取渣的表观特征分析

不同提取工艺制备咖啡提取物后所余咖啡渣经扫描电镜扫描后的效果如图1所示。在相同的放大倍数下，热水提取咖啡渣的表面比较光滑，没有形成明显的空穴;微波提取咖啡渣的表面形成较大空穴，呈现出疏松的结构特征。这说明微波具有较强的穿透力能够对物料表面进行破坏，从而增加目标提取物的溶出，提高提取物的得率，该结果与“2.1”所得咖啡提取物得率结果一致。

2.3  咖啡提取物的挥发性成分分析

图2是咖啡提取物的总离子流（TIC），采用峰面积归一化法得出了各挥发性组分的相对百分含量。表2为咖啡提取物主要成分GC-MS分析。从表2可知，咖啡微波提取物和热水提取物中的挥发性主体成分是大致相似的，分别鉴定出34种和33种化合物，主要是酸类、醛类、酯类和酮类、呋喃类和吡嗪类。相同种类的化合物，微波提取物的含量均高于热水提取物。在检出的挥发性成分中，呋喃类化合物的相对百分含量均高于其他类化合物（微波提取物15.83%、热水提取物10.91%）。其余按照相对百分含量由高到低依次为吡嗪类（微波提取物13.93%、热水提取物10.54%）、酮类（微波提取物7.83%、热水提取物5.01%）、酯类（微波提取物5.98%、热水提取物1.55%）、酸类（微波提取物3.79%、热水提取物1.67%）、酚类（微波提取物2.76%、热水提取物1.65%）、吡咯类（微波提取物1.37%、热水提取物0.99%）、醛类（微波提取物1.17%、热水提取物0.72%）和吡啶类（微波提取物0.97%、热水提取物0.52%）。

结合表2对2种提取物所含挥发性成分进行分析可知，咖啡提取物主要包含4种呋喃类化合物，其中，糠醇在呋喃类化合物中所占百分含量最高。呋喃类化合物可赋予咖啡提取物坚果香、烤香和焦香等风味[19]，微波提取物中呋喃类化合物的含量高于热水提取物，说明微波辅助后能够促进呋喃类化合物的溶出和合成，使咖啡的微波提取物具有更为浓厚的焦甜香。吡嗪类化合物也对咖啡的特征香味具有重要贡献，主要表现为烘烤香、坚果香和爆玉米花香等[21]。2种咖啡提取物检测出的吡嗪类化合物种类一致，微波提取物的吡嗪类化合物含量比热水提取物高3个百分点，其中甲基吡嗪的含量最高，因而使咖啡提取物具有浓厚的果仁及可可香。咖啡提取物中检测到的酮类化合物可能是由酯类等物质氧化分解而成。其中，3-羟基-2-丁酮具有奶香味，甲基环戊烯醇酮有枫槭糖浆味、焦甜香和烘烤栗子气。微波提取物中检测出三醋酸甘油酯、棕榈酸甲酯和亚油酸甲酯等酯类，含量均高于热水提取物。酸类化合物对咖啡酸度有一定的影响，热水提取物中检测到2种酸，微波提取物中有3种酸，其含量均较高。其中异戊酸具有提调嗅香的功能[1]，含量在2种咖啡提取物中最高。而微波提取物中的2-甲基丁酸能赋予样品坚果香和黄油香[1]。酚类化合物在热水提取物中的种类较微波提取物丰富，虽然从中检测到具有药草香的愈创木酚和苯酚，2-甲氧基-4-乙烯基苯酚和麦芽酚的含量均低于微波提取物，这2种化合物分别赋予微波提取物更浓郁的炒花生气息和焦奶油香。微波提取物中吡咯类化合物的含量均有不同程度的提高，其中2-乙酰基吡咯具有烤焦香，N-甲基-2-乙酰基吡咯具有咖啡的特征焦苦香[20，21]。咖啡提取物中的苯乙醛还具有类似风信子的香气，在一定程度上赋予咖啡提取物清香的韵调。

综上所述，微波辅助提取物能够尽可能多地溶出咖啡中的挥发性成分，在提高得率的同时丰富咖啡提取物的组成，使咖啡的微波提取物在具有咖啡特征香的基础上，带有丰富的奶香、坚果香，提高其香气质量。

2.4  咖啡提取物在卷烟中的应用

2.4.1  咖啡提取物应用评吸  将2种不同工艺制备的咖啡提取物以0.1%的添加量添加到某品牌叶组中，并以某品牌空白叶组作为对照。参考行业标准[22]进行评吸打分，评吸结果见表3。由表3可知，3款卷烟抽吸综合评价由高到低为微波提取物>热水提取物>空白对照。对比空白对照，添加了咖啡提取物的卷烟能够增加甜润感，丰富烟香，提高香气质量。微波提取物的得分最高，对增加烟气甜润感效果明显，咖啡特征突出，醇香，协调性较好，余味较纯净舒适。

2.4.2  咖啡提取物香味轮廓分析  咖啡提取物通过轮廓分析法进行感官评吸，结果如图3所示。添加了咖啡微波提取物和热水提取物的卷烟在基本味觉、感觉、芳香香气和整体质量上均有一定差别。添加咖啡提取物后均能增加卷烟的甜味、酸味和苦味，使口腔充盈度提高，并且在这几个方面，热水提取物和微波提取物并没有表现出较大的差距。添加咖啡提取物能够降低口腔毛刺和灼烧感，改善喉部粗糙感，其中，微波提取物在上述指标中的表现更为明显。但添加咖啡提取物也在一定程度上影响了卷烟原有的清凉感。从图3c中可以看出，咖啡提取物较好地丰富了卷烟的香型，给卷烟带来面包香、坚果香、豆香、香草香和杏仁香。微波辅助提取法较大程度地提高了多种挥发性特征成分的含量，使添加了微波提取物的卷烟表现出更为丰富的香型。此外，添加微波提取物的卷烟在劲头、强度和质量上与空白对照相比同样有较大的提高，虽然与热水提取物相比差距不是特别明显，但微波辅助提取法效率高、得率高、产品香气丰富，较热水提取物有更大的开发空间。

3  结论与讨论

对传统热水提取物和微波辅助提取咖啡提取物在得率、外观性状、挥发性物质种类和含量以及在卷烟上的应用效果等方面进行评价和对比，结果表明，微波辅助提取能够提高咖啡提取物的得率13%;微波辅助提取能够快速彻底地打破细胞壁，使提取渣呈现出较大的空隙，有利于咖啡内容物的溶出;微波辅助提取过程中能发生一系列反应产生焦甜香成分，使咖啡提取物在具有咖啡特征香的基础上，带有丰富香气，提高其香气质量。通过对咖啡提取物在某品牌上的抽吸评价及轮廓分析，发现微波提取物对热水提取物有更大的优势，对增加烟气甜润感有明显效果，咖啡特征香更突出，协调性更好。综上，微波辅助提取咖啡提取物因其得率高，香气丰富而在卷烟中有较大开发价值。

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收稿日期：2018-12-24

作者简介：杨上莺（1989-），女，云南昆明人，工程师，硕士，主要从事天然产物开发及应用研究，