響應(yīng)面法優(yōu)化咖啡生豆水提綠原酸工藝研究

饒建平，王文成，李國輝，張遠(yuǎn)志，尤惠君

（1.大閩食品（漳州）有限公司，福建漳州363000；2.福建省飲料用植物提取加工企業(yè)重點實驗室，漳州363000；3.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建漳州363000）

響應(yīng)面法優(yōu)化咖啡生豆水提綠原酸工藝研究

饒建平1，2，王文成3，李國輝1，2，張遠(yuǎn)志1，*，尤惠君1

（1.大閩食品（漳州）有限公司，福建漳州363000；2.福建省飲料用植物提取加工企業(yè)重點實驗室，漳州363000；3.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建漳州363000）

以越南Robusta咖啡生豆為原料，采用水提方法提取綠原酸。通過單因素實驗對料水比、提取溫度、pH、提取時間等提取工藝參數(shù)進(jìn)行研究，并通過響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝，建立二次多項數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明，單因素和響應(yīng)面優(yōu)化咖啡生豆水提綠原酸的最優(yōu)工藝參數(shù)為：料水比1∶20、提取溫度為81℃，提取時間為60 min，pH為3.6，綠原酸提取得率為3.27%。

綠原酸，水提，越南Robusta咖啡生豆，響應(yīng)面法

綠原酸，是由咖啡酸與奎尼酸生成的縮酚酸，是植物體在有氧呼吸過程中經(jīng)莽草酸途徑產(chǎn)生的一種苯丙素類化合物，具有廣泛的生物活性，有抗菌、抗病毒、增高白血球、保肝利膽、抗腫瘤、降血壓、降血脂、清除自由基和興奮中樞神經(jīng)系統(tǒng)等作用[1-3]。綠原酸廣泛存在于各類植物中，在杜仲葉、金銀花、山銀花、咖啡等植物中含量相對較高?？Х葘佘绮菘瓶Х葘俣嗄晟＞G灌木或小喬木，生咖啡豆中含2%～8%[4]的綠原酸，提取綠原酸可選用生咖啡豆中的瑕疵豆（碎豆、未熟豆等），尤其是Robusta咖啡生豆的瑕疵豆，不僅綠原酸含量豐富，而且原料來源豐富、價格低廉。從Robusta咖啡生豆的瑕疵豆中提取綠原酸，即充分利用了資源，又提高了咖啡的附加值（綠原酸附加值較高）。目前從Robusta咖啡生豆中提取綠原酸的研究鮮見報道。

綠原酸易溶于水、醇、丙酮等溶劑中，目前對于綠原酸的提取研究大部分都集中在從金銀花、杜仲葉中提取，提取方法大多采用水提、醇提、超聲波法、微波等方法[5-6]。從實際生產(chǎn)應(yīng)用來看，超聲波法、微波等提取方法因自身技術(shù)難點問題，工藝放大風(fēng)險、成本較高，目前大多仍處于實驗室階段。醇提綠原酸，雖然提取得率相對水提綠原酸會高，但是考慮到醇提綠原酸后，后續(xù)需增加乙醇分離這道工序，且醇提在實際生產(chǎn)應(yīng)用過程中，涉及安全問題，對車間、生產(chǎn)設(shè)備、人員操作等要求較高（防爆等級），生產(chǎn)成本較高。本文從實際生產(chǎn)出發(fā)，選用水提方法提取咖啡生豆中的綠原酸。

本文選用越南Robusta咖啡生豆為原料，采用水提方法結(jié)合高效液相色譜法，對水提咖啡生豆綠原酸的工藝進(jìn)行了探索，并用響應(yīng)面法優(yōu)化咖啡生豆水提綠原酸工藝，以期獲得咖啡生豆水提綠原酸的最佳工藝，從而為開拓綠原酸的另一可行性來源提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

咖啡生豆 越南Robusta咖啡生豆，購于阿露瑪咖啡（上海）有限公司；綠原酸標(biāo)準(zhǔn)品 質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.0%，中國藥品生物制品檢定所；甲醇 色譜純；冰醋酸、乙醇、鹽酸、氫氧化鈉、檸檬酸與檸檬酸鈉 均為分析純；水 RO水。

Waters2998高效液相色譜儀 美國Waters公司；BL-300電子天平 廈門佰倫斯電子科技有限公司；SENCO-GG17旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海申生科技有限公司；粉碎機(jī) 德國Mahlkonig；FD-1E-50冷凍干燥機(jī)上海滬沁儀器設(shè)備有限公司；層析柱Φ1.5 cm×15 cm。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗工藝流程 咖啡生豆→粉碎→水提→過濾→濾液→測量濾液體積→高效液相色譜法測定濾液中綠原酸的含量。

采用Mahlkonig磨粉機(jī)10檔粉碎越南Robusta咖啡生豆，稱取40 g粉碎好咖啡生豆，不同條件下進(jìn)行水提，提取液用300目濾布進(jìn)行過濾，測量濾液體積，高效液相色譜法測定濾液中綠原酸的含量。

1.2.2 綠原酸提取得率 取過濾后濾液，采用高效液相色譜法測定濾液中綠原酸的含量[7-8]，綠原酸的提取得率按照以下公式進(jìn)行計算。

綠原酸提取得率（%）=[濾液中綠原酸含量（g/L）×濾液體積（L）]/原料質(zhì)量（g）×100

1.2.3 單因素實驗 采用單因素實驗研究咖啡生豆水提過程中料水比、溫度、pH、提取時間等因素對綠原酸提取得率的影響。

1.2.3.1 料水比對咖啡生豆水提綠原酸的影響 選取40 g粉碎好咖啡生豆，水提條件：提取溫度80℃，提取時間60 min，RO水pH=6.5，選取料液比1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30，以綠原酸提取得率為指標(biāo)，研究料水比對咖啡生豆水提綠原酸的影響。

1.2.3.2 提取溫度對咖啡生豆水提綠原酸的影響 選取40 g粉碎好咖啡生豆，水提條件：料液比1∶20，提取時間60 min，RO水pH=6.5，選取提取溫度50、60、70、80、90℃，以綠原酸提取得率為指標(biāo)，研究提取溫度對咖啡生豆水提綠原酸的影響。

1.2.3.3 提取時間對咖啡生豆水提綠原酸的影響 選取40 g粉碎好咖啡生豆，水提條件：料液比1∶20，提取溫度80℃，RO水pH=6.5，提取時間選取30、60、90、120、150 min，以綠原酸提取得率為指標(biāo)，研究提取時間對咖啡生豆水提綠原酸的影響。

1.2.3.4 pH對咖啡生豆水提綠原酸的影響 選取40 g粉碎好咖啡生豆，水提條件：料液比1∶20，提取時間60 min，提取溫度80℃，調(diào)節(jié)提取用水pH，選取2、3.5、5、6.5、8、9.5，以綠原酸提取得率為指標(biāo)，研究pH對咖啡生豆水提綠原酸的影響。

1.2.4 響應(yīng)面實驗 根據(jù)單因素實驗的實驗結(jié)果，選取提取溫度、pH、提取時間三因素，通過Box-Behnken方法進(jìn)行響應(yīng)面實驗，以獲得咖啡生豆水提綠原酸最佳工藝。

表1 響應(yīng)面分析因子及水平表Table 1 Factors and levels of response surface method（RSM）

1.2.5 數(shù)據(jù)處理 統(tǒng)計數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003和Design-Expert V 8.0.6軟件進(jìn)行分析

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 料水比對咖啡生豆水提綠原酸的影響 由圖1可以看出，隨著料水比的增加，綠原酸提取得率也遞增，從料水比1∶10～1∶20，綠原酸提取得率增加較快，隨后隨著料水比的增加，綠原酸提取得率增加較慢，基本持平?？紤]到料水比的增加，不僅給后續(xù)的分離純化處理增加了難度，而且還增加了一定的生產(chǎn)成本（RO水、污水處理等），所以在保證提取得率的前提下，綜合考慮，選取料水比1∶20較佳。

圖1 料水比對咖啡生豆水提綠原酸得率的影響Fig.1 Effect of ratio of material to solvent on extraction rate

2.1.2 提取溫度對咖啡生豆水提綠原酸的影響 由圖2可知，隨著提取溫度的升高，綠原酸提取得率也逐漸增加，但當(dāng)溫度升高到80℃左右時，綠原酸提取得率達(dá)到最大，當(dāng)溫度升高到90℃時，綠原酸提取得率開始有略微減少。分析原因：提取溫度升高，提取過程傳質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)增加，加快了提取過程，有助于綠原酸的溶出，但是當(dāng)溫度升高到90℃左右，因綠原酸自身結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性（綠原酸分子結(jié)構(gòu)中有酯鍵、不飽和雙鍵及多元酚三個不穩(wěn)定部分），長時間處于高溫狀態(tài)易發(fā)生變化（氧化、分解等），所以綠原酸提取得率減少。綜合考慮，提取溫度不宜太高，選在80℃左右為宜。

圖2 提取溫度對咖啡生豆水提綠原酸得率的影響Fig.2 Effect of temperature on extraction rate

2.1.3 提取時間對咖啡生豆水提綠原酸的影響 由圖3可以看出，提取時間小于60 min時，綠原酸提取得率隨著提取時間的增加而增加，當(dāng)提取時間在60～90 min，綠原酸提取得率基本維持不變，當(dāng)提取時間大于90 min后，綠原酸提取得率隨著提取時間的增加反而減少。分析原因：咖啡生豆水提過程中，傳質(zhì)過程大致如下：水先擴(kuò)散至碎豆表面，再進(jìn)入碎豆內(nèi)部，綠原酸等水溶性成分在碎豆內(nèi)部溶解，溶解后的綠原酸等水溶性成分?jǐn)U散至碎豆表面，溶解后的綠原酸等水溶性成分?jǐn)U散至水溶液中。提取時間的增加延長了傳質(zhì)過程，有助于綠原酸等水溶性成分的溶出，但當(dāng)綠原酸等水溶性成分在水溶液中的濃度與碎豆細(xì)胞中的綠原酸等水溶性成分的濃度越接近時，傳質(zhì)速度越慢，綠原酸等水溶性成分溶出速度越慢。同時，咖啡生豆水溶性成分中綠原酸因分子結(jié)構(gòu)中有酯鍵、不飽和雙鍵及多元酚三個不穩(wěn)定部分，高溫條件下易氧化、分解，長時間條件下氧化、分解的更多，從而導(dǎo)致提取液中除綠原酸外的其他水溶性成分濃度越來越高，而綠原酸因氧化、分解，濃度越來越低。所以高溫提取條件下，提取時間不宜過長，從趨勢圖上看，提取時間選在60～90 min提取得率出現(xiàn)峰值?？紤]到實驗結(jié)果在60 min較90 min高，因此提取時間選取60 min左右為宜。

圖3 提取時間對咖啡生豆水提綠原酸得率的影響Fig.3 Effect of extraction time on extraction rate

2.1.4 pH對咖啡生豆水提綠原酸的影響 由圖4可以看出，隨著pH的升高，綠原酸提取得率緩慢增加，當(dāng)pH大于3.5后，隨著pH的升高，綠原酸提取得率卻逐漸減小，從總體上看，在pH小于6.5時，綠原酸提取得率減小緩慢，pH大于6.5后，綠原酸提取得率迅速減小。分析原因：綠原酸為極性較強(qiáng)的有機(jī)酸，不穩(wěn)定，在堿性條件下，更加不穩(wěn)定，容易發(fā)生水解。堿性條件下，綠原酸發(fā)生水解，提取得率迅速減小，所以綠原酸提取應(yīng)在酸性條件下，而綠原酸在pH3.5左右提取得率最高，綜合考慮，綠原酸提取pH選在3.5左右為宜。

圖4 pH對咖啡生豆水提綠原酸得率的影響Fig.4 Effect of pH on extraction rate

2.2 響應(yīng)面實驗結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面實驗結(jié)果分析 響應(yīng)面實驗結(jié)果見表2，對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到回歸方程：

Y=0.033＋0.000425x1＋0.0000125x2＋0.0001125x3-0.000625x1x2-0.000325x1x3＋0.0000000x2x3-0.002045x12-0.00177x22-0.00097x32

表2 響應(yīng)面實驗結(jié)果Table 2 Results of response surface method（RSM）

再對上述該模型進(jìn)行響應(yīng)面分析，并參照失擬項F值最小，p值最高原則[9]，手動對不顯著交互作用項（x2x3）進(jìn)行有條件地剔除后，得到新的回歸方程：

Y=0.033＋0.000425x1＋0.0000125x2＋0.0001125x3-0.000625x1x2-0.000325x1x3-0.002045x12-0.00177x22-0.00097x32

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analyses for the regression mode

對新的模型進(jìn)行方差分析結(jié)果見表3，由表3可以看出，該模型項p<0.0001，說明模型高度顯著；整體模型失擬度p=0.3212>0.1，表明模型可信度高，而且調(diào)整確定系數(shù)與預(yù)測確定系數(shù)之差（Adj-R2-Pre-R2）<0.2，說明模型的實驗值與預(yù)測值相關(guān)性較高，所建模型準(zhǔn)確[10]?；貧w方程的R2=0.9723與校正R2adj= 0.9446相近，表明咖啡生豆水提綠原酸工藝提取得率和預(yù)測值有較好的擬合度，可用于實驗結(jié)果的預(yù)測[11]。從F值可知，對提取得率的影響順序為：溫度（x1）＞pH（x3）＞時間（x2），x1、x1x2對提取得率的影響顯著（p<0.05），三個因子的二次項對提取得率的影響極顯著（p<0.01），其余因子均不顯著。

對表3的分析結(jié)果作回歸優(yōu)化響應(yīng)曲面，得到圖5、圖6。

圖5直觀地從反映了當(dāng)固定pH（x3=3.56）時，提取溫度和時間的交互作用對綠原酸提取得率影響顯著，綠原酸提取得率隨提取溫度及時間的增加而呈現(xiàn)由低到高再降低的趨勢，即綠原酸提取得率在合適的提取溫度（80～83℃）及時間（55～63 min）下具有極大值。

圖5 提取溫度和時間對咖啡生豆水提綠原酸工藝提取得率的影響Fig.5 The response surface of temperature and time on extraction rate of chlorogenic acid

圖6反映了當(dāng)固定時間（x2=59.55 min）時，綠原酸提取得率隨提取溫度及pH的增加而呈現(xiàn)由低到高再降低的趨勢，即綠原酸提取得率在提取溫度（80～83℃）及pH（3.2～3.8）下具有極大值。

圖6 提取溫度和pH對咖啡生豆水提綠原酸工藝提取得率的影響Fig.6 The response surface of temperature and pH on extraction rate of chlorogenic acid

以綠原酸提取率作為響應(yīng)值，利用Design-Expert.V8.0.6軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)化分析，最終得到最佳提取溫度81.03℃，時間59.55 min，pH3.56，綠原酸提取率3.30%。

2.2.2 最佳工藝驗證性實驗 考慮到實際操作的方便，取提取溫度為81℃，提取時間為60 min，pH為3.6時，進(jìn)行三次驗證性實驗取平均值，得綠原酸提取得率3.27%，實驗值與預(yù)測值接近，驗證了該模型的可靠性。

3 結(jié)論

采用水提法提取越南Robusta咖啡生豆中的綠原酸，根據(jù)單因素實驗和Box-Behnken響應(yīng)面分析法，獲得咖啡生豆水提綠原酸的最佳工藝：料水比1∶20、提取溫度為81℃，提取時間為60 min，pH為3.6，最佳工藝條件下綠原酸提取得率達(dá)到3.27%。本文為從Robusta咖啡生豆中提取綠原酸的產(chǎn)業(yè)化提供了一定的理論依據(jù)，也為開拓綠原酸的另一可行性來源提供了科學(xué)依據(jù)。

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Study on optimization of water extraction conditions of chlorogenic acid from green coffee beans by response surface method

RAO Jian-ping1，2，WANG Wen-cheng3，LI Guo-hui1，2，ZHANG Yuan-zhi1，*，YOU Hui-jun1
（1.Damin Foodstuff（Zhangzhou）Co.，Ltd.，Zhangzhou 363000，China；2.Fujian Provincial Key Laboratory for Extracting&Processing Technology of Edible Plant，Zhangzhou 363000，China；3.Zhangzhou Institute of Technology，Zhangzhou 363000，China）

The water extraction of chlorogenic acid was studied by using Robusta green coffee beans from Vietnam as raw material.Main factors（the ratio of material to water，extraction temperature，pH，extraction time）influencing the extraction of chlorogenic acid were studied by single factor experiments，and further the response surface method was used to optimize conditions for the extraction of chlorogenic acid.Optimized conditions for the extraction of chlorogenic acid was obtained：the ratio of material to water 1∶20，extraction temperature 81℃，pH3.6，extraction time 60 min.The extraction ratio of chlorogenic acid was 3.27%.

chlorogenic acid；water extraction；Robusta green coffee beans from Vietnam；response surface methodq

TS201.1

B

1002-0306（2015）22-0298-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.22.053

2015－03－09

饒建平（1988-），男，碩士研究生，工程師，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏，E-mail：rjp30503@163.com。

*通訊作者：張遠(yuǎn)志（1970-），男，高級工程師，研究方向：天然植物加工，E-mail：turelife@163.com。