超聲波提取咖啡渣中多酚的優(yōu)化工藝研究

(四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都，610065)

1 引言

咖啡已經(jīng)成為當(dāng)今世界最受歡迎的飲料之一，在歐美國(guó)家是很普遍的飲料，在中國(guó)也日趨流行[1]。咖啡的需求量很大，它在世界貿(mào)易中是僅次于石油的第二大貿(mào)易品[2]，根據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部的數(shù)據(jù)，2017-2018年度世界咖啡產(chǎn)量預(yù)計(jì)為1.599億袋(60千克)。研究表明，咖啡具有多種功效包括提神醒腦、消除疲勞等，并潛在的健康功效如降低結(jié)腸癌的患病可能性[3-4]。速溶咖啡在世界咖啡消費(fèi)總量中占據(jù)較大比例，而在制造加工咖啡粉的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物(1噸咖啡對(duì)應(yīng)2噸副產(chǎn)物)，即咖啡渣[5]。根據(jù)研究可知咖啡渣中含有綠原酸、咖啡算和多酚類等抗氧化物質(zhì)，可以進(jìn)一步處理利用[6]。植物多酚是在植物中廣泛存在的生物活性物質(zhì)，含量?jī)H低于纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外有機(jī)化學(xué)和天然產(chǎn)物方向研究的熱點(diǎn)之一[7]。植物多酚在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，例如傳統(tǒng)工業(yè)中制革、木材工業(yè)和石油開(kāi)采中有使用多酚作為添加劑等，精細(xì)加工中用于生產(chǎn)各類日化用品和食品等，在醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)對(duì)等方面也有著廣泛的應(yīng)用，所以多酚是用途非常廣泛的生物活性成分，如何高效地提取多酚對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)有著現(xiàn)實(shí)的意義[8]。通常情況下，企業(yè)會(huì)將咖啡渣作為廢料賣(mài)出，被當(dāng)作肥料或燃料等使用，浪費(fèi)了其中潛在的自然資源和效益[9]。為了提高咖啡殘?jiān)睦脙r(jià)值，擬從咖啡殘?jiān)刑崛《喾?，從而提高?jīng)濟(jì)效益。

目前植物多酚的提取技術(shù)主要分為兩類，一是傳統(tǒng)的溶劑萃取法，包括浸泡，熱回流和索氏提取等方法，二是應(yīng)用新的提取技術(shù)，如微波輔助提取、超臨界流體萃取和超聲波輔助提取等[10]。傳統(tǒng)溶劑提取法常常伴有提取時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)率低等不足，所以有必要開(kāi)發(fā)新的提取技術(shù)用于提取多酚。超聲波輔助提取是一種通過(guò)將超聲波產(chǎn)生的空化、攪拌等效應(yīng)綜合利用于提取植物天然成分的工藝中，從而提高提取效率、減少操作時(shí)間、減少溶劑消耗和降低提取溫度的新型提取技術(shù)[11-12]。在本文研究中，采用超聲波輔助提取技術(shù)提取咖啡渣中的多酚，采用單因素試驗(yàn)的優(yōu)化方法對(duì)提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化研究，從而提高了提取率，提升了咖啡豆殘?jiān)睦脙r(jià)值。

2 材料與方法

2.1 材料與試劑

咖啡渣從一家上海的速溶咖啡廠購(gòu)得；沒(méi)食子酸(3，4，5-三羥基苯甲酸，純度≥99.99%)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；福林酚、碳酸鈉、無(wú)水乙醇，分析純，成都科龍化工試劑廠；其余試劑均為分析純。所有水溶液均使用去離子水進(jìn)行制備。

2.2 儀器與設(shè)備

紫外分光光度計(jì)(751-GW)，上海菁華科技儀器有限公司；數(shù)控超聲波清洗器(KQ-7700DE)，昆山市超聲儀器有限公司。

2.3 超聲波輔助提取法

準(zhǔn)確稱取5.00 g咖啡渣，按照不同的料液比加入一定濃度的乙醇水溶液，在一定溫度下進(jìn)行超聲波輔助提取一定的時(shí)間，提取后進(jìn)行抽濾，然后離心(4000轉(zhuǎn)，10分鐘)，取上清液得到提取液。

2.4 傳統(tǒng)溶劑提取法

作為對(duì)照試驗(yàn)，使用常規(guī)的乙醇浸泡提取，優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)條件為乙醇濃度為60%(v/v)，料液比為15 mL/g，提取溫度為50 ℃，提取時(shí)間為150分鐘。將原料和溶劑加入一圓底燒瓶中進(jìn)行水浴加熱提取。

2.5 多酚含量測(cè)定

為了使用分光光度法測(cè)得多酚的含量，采用了基于顯色反應(yīng)的Folin-Ciocalteu方法進(jìn)行檢測(cè)[13]。取0.2 mL 稀釋一定比例的提取物與1.0 mL 福林酚溶液(使用去離子水稀釋10倍)加入具塞試管中混合搖勻，然后加入0.8 mL碳酸鈉水溶液(75 g/L)，使用去離子水將混合溶液定容至10.0 mL 后，在50 ℃下水浴加熱反應(yīng)10分鐘，在室溫下冷卻后使用紫外分光光度計(jì)在760 nm處測(cè)定吸光度。以沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)品測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為：y=0.5639x-0.0103，R2=0.9988，y為測(cè)得的吸光度，x為多酚的質(zhì)量濃度(mg/g)。將測(cè)得的吸光度代入標(biāo)準(zhǔn)方程中即可得到產(chǎn)物溶液的多酚的質(zhì)量濃度，從而計(jì)算出多酚含量。

3 結(jié)果與討論

3.1 超聲波輔助提取工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1.1 提取時(shí)間對(duì)多酚產(chǎn)率的影響

提取時(shí)間對(duì)于超聲波輔助提取來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的影響因素，咖啡渣中的有效成分在超聲波處理的過(guò)程中需要一定時(shí)間才能充分釋放，然而如果處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)浪費(fèi)時(shí)間和能源，所以提取時(shí)間有必要優(yōu)化，結(jié)果如圖1所示。工藝參數(shù)為料液比20 mL/g，溶劑為50%(v/v)的乙醇水溶液，提取溫度為50 ℃，超聲波功率為80%。隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，多酚的產(chǎn)率逐漸提升，到20分鐘時(shí)趨于平衡，達(dá)到35.29 mg/g，提取時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)時(shí)提取率不再顯著上升，故選擇20分鐘作為提取時(shí)間。

圖1 提取時(shí)間對(duì)多酚產(chǎn)率的影響

3.1.2 料液比對(duì)多酚產(chǎn)率的影響

通常情況下提取率會(huì)隨著料液比的升高而升高，更多的溶劑有助于使生物活性成分盡可能徹底的釋放出來(lái)。料液比對(duì)多酚產(chǎn)率的影響如圖2所示，隨著料液比的提高，多酚的產(chǎn)率逐步提升，當(dāng)料液比達(dá)到30 mL/g時(shí)達(dá)到50.45 mL/g，此后再進(jìn)一步提高料液比不能顯著提高多酚的產(chǎn)率，所以選擇30 mL/g的料液比作為最佳料液比。

圖2 料液比對(duì)多酚產(chǎn)率的影響

3.1.3 乙醇濃度對(duì)多酚產(chǎn)率的影響

溶劑中乙醇濃度對(duì)多酚產(chǎn)率的影響如圖3所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)乙醇濃度相對(duì)較低時(shí)，多酚的產(chǎn)率隨著乙醇濃度的升高而上升，乙醇濃度達(dá)到50%(v/v)時(shí)達(dá)到最大值。在此之后，隨著乙醇濃度的進(jìn)一步上升多酚的產(chǎn)率開(kāi)始下降?？赡艿脑蚴请S著乙醇濃度進(jìn)一步升高，脂溶性物質(zhì)也會(huì)更多的溶解在溶劑中，從而提高了多酚溶解的“阻力”，使得多酚濃度開(kāi)始降低。所以選擇50%(v/v)作為溶劑的乙醇濃度。

圖3 乙醇濃度對(duì)多酚產(chǎn)率的影響

3.1.4 提取溫度對(duì)多酚產(chǎn)率的影響

提取溫度對(duì)多酚產(chǎn)率的影響如圖4所示，當(dāng)提取溫度由30 ℃提升到40 ℃時(shí)，提取溫度升高對(duì)提取有促進(jìn)作用，多酚產(chǎn)率上升，達(dá)到了最大值51.94 mg/g，隨后隨著提取溫度的進(jìn)一步上升，多酚產(chǎn)率逐漸下降。可能的原因是隨著溫度的進(jìn)一步升高，多酚類物質(zhì)相對(duì)比較容易被氧化，從而降低了多酚的產(chǎn)率。所以選擇40 ℃作為最佳提取溫度。

圖4 提取溫度對(duì)多酚產(chǎn)率的影響

3.1.5 超聲波功率對(duì)多酚產(chǎn)率的影響

超聲波功率是超聲波輔助提取技術(shù)中的核心參數(shù)之一，本次使用的超聲波清洗器的額定功率為700 W，將工藝參數(shù)設(shè)定成之前實(shí)驗(yàn)優(yōu)化過(guò)的參數(shù)，將超聲波功率設(shè)定為60%、70%、80%、90%、100%，即420 W、490 W、560 W、630 W和700 W，分別測(cè)定多酚的產(chǎn)率，結(jié)果如圖5所示。隨著超聲波清洗器功率的提高，多酚產(chǎn)率逐步提高，當(dāng)達(dá)到100%功率時(shí)產(chǎn)率最高為53.37 mg/g。

圖5 超聲波功率對(duì)多酚產(chǎn)率的影響

3.2 與傳統(tǒng)溶劑提取多酚的對(duì)比

當(dāng)使用傳統(tǒng)溶劑提取的方法時(shí)，多酚的產(chǎn)率為47.84 mg/g，比超聲波輔助提取的產(chǎn)率(53.37 mg/g)低了10.36%，同時(shí)提取時(shí)間為150分鐘，遠(yuǎn)超過(guò)超聲波輔助提取所需要的提取時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲波輔助提取相對(duì)傳統(tǒng)提取方法有著更高的提取產(chǎn)率，同時(shí)還能降低提取時(shí)間，提高效率。

4 結(jié)論與展望

研究使用超聲波輔助提取技術(shù)提取咖啡渣中的多酚類物質(zhì)，研究了不同因素對(duì)提取效率的影響，并與傳統(tǒng)的溶劑提取做了對(duì)比。超聲波輔助提取咖啡渣中的多酚的最佳工藝條件為：料液比30 mL/g，乙醇濃度50%(v/v)，提取時(shí)間20分鐘，提取溫度40 ℃，超聲波功率為100%，所得的產(chǎn)率為53.37 mg/g，在提取時(shí)間和提取溫度低于傳統(tǒng)溶劑提取方法的條件下，取得了更高的產(chǎn)率，是一種更高效且安全的從植物材料中提取生物活性成分的提取技術(shù)，有著較好的發(fā)展前景。

同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中還存在一些對(duì)提取效率影響程度未知的因素有待進(jìn)一步考證，如咖啡渣的品種區(qū)別、粉碎程度和提取前放置的時(shí)間長(zhǎng)短等對(duì)提取率的影響。此外，提取出的多酚類物質(zhì)還需要進(jìn)一步的分離、純化研究。