不同方法制備咖啡提取物及其在卷煙中的應(yīng)用

楊上鶯 羅海濤 何力 李紅霞 劉麗芬

摘要：為了提高云南小?？Х龋–offea arabica L.）的利用率，采用熱水回流提取法和微波輔助提取法制備咖啡提取物，對其進行感官評價、揮發(fā)性成分分析及在卷煙中的應(yīng)用試驗以及咖啡渣的表觀分析。結(jié)果表明，微波輔助提取法能增加咖啡提取物的得率，比熱水回流提取法增加13%，并且能夠豐富咖啡提取物的香氣，提高其香氣質(zhì)量。將咖啡提取物以0.1%（g/g）煙絲重量添加到某品牌葉組上，抽吸評價顯示微波提取物能明顯增加煙氣甜潤感，突出咖啡特征香，協(xié)調(diào)煙氣，豐富煙香。因此，采用微波輔助提取法制備咖啡提取物具有高效率特點，在煙用香精香料領(lǐng)域中有一定應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：云南小?？Х龋–offea arabica L.）;微波輔助提取法;熱水回流提取法;揮發(fā)性成分;香味輪廓分析

中圖分類號：TS45? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）12-0107-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.12.025? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（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

咖啡與茶、可可并稱為世界三大飲料，是茜草科（Rubiaceae）咖啡屬（coffea）常綠灌木或小喬木的種子[1]，原產(chǎn)地為埃塞俄比亞[2]。目前，咖啡的產(chǎn)量和消費量在世界三大飲料作物中居于首位，成為繼石油之后的世界第二大原料型產(chǎn)品[3-5]?？Х确N植業(yè)在中國農(nóng)業(yè)中占有重要地位，主要種植區(qū)域為云南省和海南省[6]。云南地區(qū)主栽小粒種阿拉比卡咖啡（Coffea arabica L.），被國際咖啡組織譽為品質(zhì)優(yōu)異的小粒種咖啡，咖啡豆產(chǎn)值高達全國99%以上[7]?？Х群猩飰A、有機酸、甾醇和多酚等化學(xué)成分[8]，具有抗氧化、抗病毒、擴張血管、提高新陳代謝等生物活性[9，10]。除此之外，咖啡由于在烘烤過程中形成的呋喃類、吡嗪類、吡啶類、酚類及醛類等揮發(fā)性物質(zhì)而具有濃郁飽滿的風(fēng)味[11-13]。因此，咖啡提取物能作為香料應(yīng)用于食品和卷煙領(lǐng)域。

但目前咖啡提取物的制備手段較為單一，主要是簡單傳統(tǒng)的加熱水提、醇提，這種提取方式耗時長、耗能高、效率低[14]，不利于咖啡風(fēng)味物質(zhì)和活性成分的保留。近年來，微波輔助提取技術(shù)（MAE）日漸成熟，憑借著物料吸收高頻電磁波發(fā)出的能量而使物料內(nèi)部迅速升溫，細胞瞬間破碎而加快內(nèi)容物的溶出速率，提高提取效率[15，16]。微波輔助提取法具有提取時間短、溶劑耗量小、節(jié)能環(huán)保、成本低等優(yōu)點[17]，逐漸應(yīng)用于天然產(chǎn)物的提取等方面[18]。因此，本研究采用熱水回流提取法和微波輔助提取法制備咖啡提取物，對比了傳統(tǒng)水提物與微波輔助提取物在結(jié)構(gòu)組成和卷煙應(yīng)用等方面的差異，為咖啡提取物在卷煙中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 試驗材料

1.1.1? 材料? 中等烘焙咖啡豆（小粒咖啡種，云南）。

1.1.2? 儀器? ZN-500A型高速粉碎機（常州日宏粉體設(shè)備廠，中國）;PTHW型加熱套（山東鄄城華魯電熱儀器有限公司，中國）;NEOS-GR型微波萃取儀（Melstone公司，意大利）;R-124（B-480）型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（BUCHI公司，瑞士）;FEI phenom型電子顯微鏡（Phenom公司，荷蘭）;6890-5975 N型氣相色譜/質(zhì)譜儀（Agilent公司，美國）。

1.2? 方法

1.2.1? 原料制備? 小粒咖啡豆經(jīng)高速粉碎機粉碎，過60目篩，備用。

1.2.2? 傳統(tǒng)熱水回流提取? 稱取3份20 g小粒咖啡豆粉末，置于500 mL圓底燒瓶，按照1∶12（g∶g，下同）料液比加入去離子水，加熱回流2 h，靜置冷卻后抽濾，于65 ℃下減壓濃縮到密度為1.15 g/cm3，平均得到（14.2±0.8） g的熱水提取物。按照式（1）計算咖啡提取物得率。

式中，m1為平均得到的咖啡提取物的質(zhì)量（g），m2為用于提取的咖啡粉末的質(zhì)量（g）。

1.2.3? 微波輔助提取? 稱取3份20 g小粒咖啡豆粉末，置于微波專用提取容器中，按照1∶2料液比加入去離子水，250 W處理5 min后變頻至300 W處理30 min，靜置冷卻后抽濾，于65 ℃下濃縮到密度為1.15 g/cm3平均得到（16.6±0.6） g的微波提取物，按照“1.2.2”中方法計算得率。

1.2.4? 咖啡提取物感官評價? 對不同提取方法所得的咖啡提取物外觀進行評價，對比其在色澤、透明度、狀態(tài)、流動性和氣味方面的差異。

1.2.5? 咖啡提取渣的表觀特征分析? 為進一步對比評價微波輔助提取法和熱水回流提取法對目標(biāo)成分溶出情況及得率的影響，對2種提取方式剩余的咖啡提取渣進行表觀分析。分別取一定質(zhì)量的咖啡熱水提取物和微波提取物制備后剩余的咖啡提取渣，分散固定在導(dǎo)電膠表面，吹去浮樣后置于掃描電鏡下進行觀察，選取有代表性的咖啡渣顆粒視野進行顯微拍攝。

1.2.6? 咖啡提取物揮發(fā)性成分分析? 使用6890-5975N型氣相色譜/質(zhì)譜儀分析咖啡熱水提取物和咖啡微波提取物的揮發(fā)性成分。準確量取2種咖啡提取物樣品各25 μL，用無水乙醇稀釋至1 mL，GC/MS進樣分析，以等體積去離子水作為對照。

儀器條件：Agilent 6890-5975 N氣相色譜/質(zhì)譜儀，HP-5MS石英毛細管色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）。

色譜條件：載氣為高純氦氣;流速1.0 mL/min;進樣量2 μL;分流比10∶1;進樣口溫度280 ℃;升溫程序：柱溫50 ℃保持1 min，以6 ℃/min升至280 ℃，保持10 min。

質(zhì)譜條件：掃描范圍41～510 Aum;電離電壓? 70 V;離子源溫度230 ℃;傳輸線溫度280 ℃;掃描方式為全掃描。

1.2.7? 咖啡提取物在卷煙中的應(yīng)用評價? 采用紫云（硬）空白葉組，將2種不同工藝制備的咖啡提取物以煙絲重量的0.1%添加到葉組中，參考中式卷煙風(fēng)格感官評價方法組織10位專業(yè)評吸人員抽吸評價。采用香味輪廓法對咖啡提取物評吸，研究該咖啡提取物在卷煙中的應(yīng)用效果。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 咖啡提取物的感官評價

咖啡熱水提取物和微波提取物的感官評價如表1所示。從表1可以看出，熱水提取物和微波提取物均呈黑色，其中熱水提取物在室溫下為半流動狀態(tài)，微波提取物呈膏狀，流動性稍差，這說明咖啡微波提取物中含有較熱水提取更多的可溶性固形物。相同質(zhì)量的原料，得到的微波提取物比熱水提取物多，說明微波能夠打破細胞壁，促進咖啡中水溶性成分的溶出。咖啡的熱水提取物和微波提取物都具有咖啡的特征香和烘烤香，微波提取物還具有更明顯的焦甜香，這說明在微波的作用下，咖啡在提取過程中能發(fā)生一些反應(yīng)產(chǎn)生焦甜香成分。

2.2? 咖啡提取渣的表觀特征分析

不同提取工藝制備咖啡提取物后所余咖啡渣經(jīng)掃描電鏡掃描后的效果如圖1所示。在相同的放大倍數(shù)下，熱水提取咖啡渣的表面比較光滑，沒有形成明顯的空穴;微波提取咖啡渣的表面形成較大空穴，呈現(xiàn)出疏松的結(jié)構(gòu)特征。這說明微波具有較強的穿透力能夠?qū)ξ锪媳砻孢M行破壞，從而增加目標(biāo)提取物的溶出，提高提取物的得率，該結(jié)果與“2.1”所得咖啡提取物得率結(jié)果一致。

2.3? 咖啡提取物的揮發(fā)性成分分析

圖2是咖啡提取物的總離子流（TIC），采用峰面積歸一化法得出了各揮發(fā)性組分的相對百分含量。表2為咖啡提取物主要成分GC-MS分析。從表2可知，咖啡微波提取物和熱水提取物中的揮發(fā)性主體成分是大致相似的，分別鑒定出34種和33種化合物，主要是酸類、醛類、酯類和酮類、呋喃類和吡嗪類。相同種類的化合物，微波提取物的含量均高于熱水提取物。在檢出的揮發(fā)性成分中，呋喃類化合物的相對百分含量均高于其他類化合物（微波提取物15.83%、熱水提取物10.91%）。其余按照相對百分含量由高到低依次為吡嗪類（微波提取物13.93%、熱水提取物10.54%）、酮類（微波提取物7.83%、熱水提取物5.01%）、酯類（微波提取物5.98%、熱水提取物1.55%）、酸類（微波提取物3.79%、熱水提取物1.67%）、酚類（微波提取物2.76%、熱水提取物1.65%）、吡咯類（微波提取物1.37%、熱水提取物0.99%）、醛類（微波提取物1.17%、熱水提取物0.72%）和吡啶類（微波提取物0.97%、熱水提取物0.52%）。

結(jié)合表2對2種提取物所含揮發(fā)性成分進行分析可知，咖啡提取物主要包含4種呋喃類化合物，其中，糠醇在呋喃類化合物中所占百分含量最高。呋喃類化合物可賦予咖啡提取物堅果香、烤香和焦香等風(fēng)味[19]，微波提取物中呋喃類化合物的含量高于熱水提取物，說明微波輔助后能夠促進呋喃類化合物的溶出和合成，使咖啡的微波提取物具有更為濃厚的焦甜香。吡嗪類化合物也對咖啡的特征香味具有重要貢獻，主要表現(xiàn)為烘烤香、堅果香和爆玉米花香等[21]。2種咖啡提取物檢測出的吡嗪類化合物種類一致，微波提取物的吡嗪類化合物含量比熱水提取物高3個百分點，其中甲基吡嗪的含量最高，因而使咖啡提取物具有濃厚的果仁及可可香?？Х忍崛∥镏袡z測到的酮類化合物可能是由酯類等物質(zhì)氧化分解而成。其中，3-羥基-2-丁酮具有奶香味，甲基環(huán)戊烯醇酮有楓槭糖漿味、焦甜香和烘烤栗子氣。微波提取物中檢測出三醋酸甘油酯、棕櫚酸甲酯和亞油酸甲酯等酯類，含量均高于熱水提取物。酸類化合物對咖啡酸度有一定的影響，熱水提取物中檢測到2種酸，微波提取物中有3種酸，其含量均較高。其中異戊酸具有提調(diào)嗅香的功能[1]，含量在2種咖啡提取物中最高。而微波提取物中的2-甲基丁酸能賦予樣品堅果香和黃油香[1]。酚類化合物在熱水提取物中的種類較微波提取物豐富，雖然從中檢測到具有藥草香的愈創(chuàng)木酚和苯酚，2-甲氧基-4-乙烯基苯酚和麥芽酚的含量均低于微波提取物，這2種化合物分別賦予微波提取物更濃郁的炒花生氣息和焦奶油香。微波提取物中吡咯類化合物的含量均有不同程度的提高，其中2-乙?；量┚哂锌窘瓜?，N-甲基-2-乙酰基吡咯具有咖啡的特征焦苦香[20，21]?？Х忍崛∥镏械谋揭胰┻€具有類似風(fēng)信子的香氣，在一定程度上賦予咖啡提取物清香的韻調(diào)。

綜上所述，微波輔助提取物能夠盡可能多地溶出咖啡中的揮發(fā)性成分，在提高得率的同時豐富咖啡提取物的組成，使咖啡的微波提取物在具有咖啡特征香的基礎(chǔ)上，帶有豐富的奶香、堅果香，提高其香氣質(zhì)量。

2.4? 咖啡提取物在卷煙中的應(yīng)用

2.4.1? 咖啡提取物應(yīng)用評吸? 將2種不同工藝制備的咖啡提取物以0.1%的添加量添加到某品牌葉組中，并以某品牌空白葉組作為對照。參考行業(yè)標(biāo)準[22]進行評吸打分，評吸結(jié)果見表3。由表3可知，3款卷煙抽吸綜合評價由高到低為微波提取物>熱水提取物>空白對照。對比空白對照，添加了咖啡提取物的卷煙能夠增加甜潤感，豐富煙香，提高香氣質(zhì)量。微波提取物的得分最高，對增加煙氣甜潤感效果明顯，咖啡特征突出，醇香，協(xié)調(diào)性較好，余味較純凈舒適。

2.4.2? 咖啡提取物香味輪廓分析? 咖啡提取物通過輪廓分析法進行感官評吸，結(jié)果如圖3所示。添加了咖啡微波提取物和熱水提取物的卷煙在基本味覺、感覺、芳香香氣和整體質(zhì)量上均有一定差別。添加咖啡提取物后均能增加卷煙的甜味、酸味和苦味，使口腔充盈度提高，并且在這幾個方面，熱水提取物和微波提取物并沒有表現(xiàn)出較大的差距。添加咖啡提取物能夠降低口腔毛刺和灼燒感，改善喉部粗糙感，其中，微波提取物在上述指標(biāo)中的表現(xiàn)更為明顯。但添加咖啡提取物也在一定程度上影響了卷煙原有的清涼感。從圖3c中可以看出，咖啡提取物較好地豐富了卷煙的香型，給卷煙帶來面包香、堅果香、豆香、香草香和杏仁香。微波輔助提取法較大程度地提高了多種揮發(fā)性特征成分的含量，使添加了微波提取物的卷煙表現(xiàn)出更為豐富的香型。此外，添加微波提取物的卷煙在勁頭、強度和質(zhì)量上與空白對照相比同樣有較大的提高，雖然與熱水提取物相比差距不是特別明顯，但微波輔助提取法效率高、得率高、產(chǎn)品香氣豐富，較熱水提取物有更大的開發(fā)空間。

3? 結(jié)論與討論

對傳統(tǒng)熱水提取物和微波輔助提取咖啡提取物在得率、外觀性狀、揮發(fā)性物質(zhì)種類和含量以及在卷煙上的應(yīng)用效果等方面進行評價和對比，結(jié)果表明，微波輔助提取能夠提高咖啡提取物的得率13%;微波輔助提取能夠快速徹底地打破細胞壁，使提取渣呈現(xiàn)出較大的空隙，有利于咖啡內(nèi)容物的溶出;微波輔助提取過程中能發(fā)生一系列反應(yīng)產(chǎn)生焦甜香成分，使咖啡提取物在具有咖啡特征香的基礎(chǔ)上，帶有豐富香氣，提高其香氣質(zhì)量。通過對咖啡提取物在某品牌上的抽吸評價及輪廓分析，發(fā)現(xiàn)微波提取物對熱水提取物有更大的優(yōu)勢，對增加煙氣甜潤感有明顯效果，咖啡特征香更突出，協(xié)調(diào)性更好。綜上，微波輔助提取咖啡提取物因其得率高，香氣豐富而在卷煙中有較大開發(fā)價值。

參考文獻：

[1] 魏? 敏，宋旭艷，羅誠浩，等.微生物發(fā)酵對咖啡提取物揮發(fā)性成分的影響[J].食品研究與開發(fā)，2018，39（8）：84-87.

[2] 于? 淼.云南德宏地區(qū)咖啡豆的風(fēng)味品質(zhì)特性研究[D].黑龍江大慶：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，2017.

[3] 孫? 娟，熊惠波.世界咖啡產(chǎn)銷情況以及中國咖啡產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析[J].世界農(nóng)業(yè)，2010（2）：38-40.

[4] 黃家雄.小?？Х葮?biāo)準化生產(chǎn)技術(shù)[M].北京：金盾出版社，2009.

[5] 劉光華，張星燦.從深山走向世界的云南咖啡[M].昆明：云南人民出版社，2010.

[6] 張曉霞，王小芬，韋萬興，等.綠咖啡豆的抗氧化活性研究[J].食品科技，2014，39（8）：220-225.

[7] 呂文佳，劉? 云，楊剴舟，等.咖啡主要風(fēng)味物質(zhì)的形成及變化規(guī)律[J].食品工業(yè)科技，2015，36（3）：394-400.

[8] 李? 婷.咖啡豆揮發(fā)性成分及質(zhì)量標(biāo)準研究[D].武漢：湖北中醫(yī)藥大學(xué)，2013.

[9] 杜? 旭.咖啡中抗嗜肺性軍團病菌的活性成分[J].國外醫(yī)學(xué)中醫(yī)中藥分冊，2004，26（1）：49.

[10] WATANABE T，ARAI Y，MITSUI Y，et al. The blood pressure-lowering effect and safety of chlorogenic acid from green coffee bean extract in essential hypertension[J].Clin Exp Hypertens，2006，28：439-449.

[11] FLAMENT I. Mini-scale genomic DNA extraction from cotton[J].Food Rev Int，1989，5：317-414.

[12] NIJSSEN L M. Volatile compounds in food[J].Food chemistry，1996，17：72.

[13] KUMAZAWA K，MASUDA H. Investigation of the change in the flavor of a coffee drink during heat processing[J].Journal of agricultural food chemistry，2003，51（9）：674-2678.

[14] 吳曉瓊.微波輔助提取煙草廢棄物中的綠原酸[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（34）：19579-19580.

[15] 高? 虹，谷文英，丁霄霖.利用微波輔助提取測定姬松茸中麥角甾醇含量[J].浙江大學(xué)學(xué)報（農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版），2007，33（1）：113-118.

[16] 周向輝，潘治利，陳松江，等.響應(yīng)曲面法優(yōu)化微波提取漿棗棗皮多酚工藝的研究[J].食品科學(xué)，2008，29（11）：265-268.

[17] 郭松斌.微波輔助提取水華藍藻多糖及在卷煙中的應(yīng)用[J].食品工業(yè)，2013，34（12）：82-85.

[18] 沈汪洋，金征宇.微波輔助提取咖啡豆殘渣中多酚[J].食品科學(xué)，2010，31（20）：79-82.

[19] 胡倩倩，王洪新.速溶咖啡的揮發(fā)性成分分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（10）：3054-3055.

[20] 周? 斌，任洪濤.不同產(chǎn)地咖啡豆香氣成分分析[J].食品研究與開發(fā)，2016，37（2）：128-132.

[21] GB 5606.4-2005，卷煙 第4部分：感官技術(shù)要求[S].

收稿日期：2018-12-24

作者簡介：楊上鶯（1989-），女，云南昆明人，工程師，碩士，主要從事天然產(chǎn)物開發(fā)及應(yīng)用研究，