微波輔助提取咖啡豆殘渣中多酚

沈汪洋，金征宇

(1.武漢工業學院食品科學與工程學院，湖北 武漢 430023；2.江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122)

微波輔助提取咖啡豆殘渣中多酚

沈汪洋1，金征宇2

(1.武漢工業學院食品科學與工程學院，湖北 武漢 430023；2.江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122)

從咖啡豆殘渣中初步提取多酚。在有機溶劑提取多酚的基礎上，采用微波輔助提取的方法，利用響應面分析，對提取條件進行研究。用Folin-Ciocalteus比色法測定多酚含量，以得率為評價指標，得到優化的提取參數：提取溶劑為50%(V/V)丙酮、微波功率296W、料液比1:20(g/mL)、微波提取時間17s。在此條件下，咖啡豆殘渣提取多酚的得率為5.12%，是有機溶劑提取多酚得率(3.21%)的1.6倍，咖啡豆殘渣提取的多酚得率大幅提高。本實驗可為咖啡豆殘渣中多酚的提取利用提供一定的參考。

咖啡豆殘渣；多酚；微波輔助提取；響應面

植物多酚又稱作植物單寧，是一類廣泛存在于植物體內的重要天然產物，在植物中的含量僅次于纖維素、半纖維素和木質素，主要存在于植物的皮、根、木、葉、果中。從20世紀80年代后期開始，植物多酚逐漸成為研究的熱點，尤其是國外的研究呈現逐年上升趨勢[1]。植物多酚廣泛的應用于制革、醫藥、石油開采、木材加工、水處理、金屬防腐、食品添加劑、化妝品等領域[2-4]。咖啡多酚存在于咖啡樹的枝、葉、果實(咖啡豆)中，咖啡豆(Coffea arabica)中含有大量的植物多酚，多酚含量為(7.15±0.15)%，主要是咖啡酸和奎尼酸結合而成的綠原酸[5]。國外已經進行了一些研究，主要集中于咖啡多酚的組成及抗氧化研究[5-9]。

咖啡豆種植業在我國農業發展中占有一席之地，種植區域主要集中于海南省和云南省，2004年我國咖啡收獲面積1.6萬hm2，產量2.10萬t[10]，咖啡豆在我國已經成為一種重要的農產品。但目前咖啡豆主要用于咖啡加工，遠不能體現其附加價值。為提高咖啡豆的利用價值，從提取α-半乳糖苷酶(α-d-galactosidase；α-gal；EC 3.2.1.22)后的咖啡豆殘渣(含有大量多酚)中，提取多酚。微波輔助提取(MAE)是高頻電磁波到達物料內部，由于吸收微波能，物料內部迅速升溫，細胞瞬時破碎，被提取物進入提取介質中，提高提取效率[11-12]。具有提取時間短，溶劑消耗量小等優點，而且易于操作、節能和環境友好。微波輔助提取已廣泛應用于天然產物中有效成分的提取[13]。本實驗在有機溶劑提取多酚的基礎上[14]，采用微波輔助提取，選用響應面分析方法，對提取工藝進行詳細的研究，以提高從咖啡豆殘渣中提取多酚的得率，提高咖啡豆的利用價值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

咖啡豆殘渣(提取α-半乳糖苷酶后的咖啡豆殘渣，Coffea arabica小種粒) 海南福山；綠原酸 Sigma-Aldrich公司；其他試劑為分析純。

1.2 儀器與設備

DJ-04粉碎機 上海淀久中藥機械制造有限公司；UV-754紫外可見分光光度計 上海分析儀器總廠；Galanz wp800微波爐、Galanz wp700a微波爐 順德市格蘭仕電器實業有限公司；XW-80A漩渦混合器 上海醫科大學儀器廠；80-2離心機 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；HW.YS電子恒溫水浴鍋 浙江舟山海源儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 原料制備

咖啡豆殘渣經粉碎機粉碎，粉末過0.075mm篩，備用。

1.3.2 溶劑浸提

稱取1.00g咖啡豆殘渣粉末，按照一定的料液比加入有機溶劑，在30℃[14]下攪拌(100r/min)浸提，離心(5000r/min，5min)，取上清液得到提取液。

1.3.3 微波輔助提取

稱取1.00g咖啡豆粉末，按照一定的料液比加入有機溶劑，在微波爐中進行微波輔助提取，一段時間后取出離心(5000r/min，5min)，取上清液得到提取液。

1.3.4 多酚含量測定

采用Folin-Ciocalteus比色法[5]。量取0.1mL提取液加入50mL容量瓶內，加10mL蒸餾水，再加0.5mL的Folin-Ciocalteus試劑，放置30s后加入飽和Na2CO3溶液5mL，加水定容混勻，室溫下避光反應30min，700nm處測定吸光度，計算提取液中總酚含量(以綠原酸計)。標準曲線的方程為：y=0.6454x－0.0044，R2=0.9909，y為吸光度，x為多酚質量濃度/(mg/mL)。將測得的吸光度代入此方程，便可得到溶液中多酚質量濃度，計算出多酚含量。

1.3.5 多酚得率

1.3.6 試驗設計與統計分析

響應面分析設計和統計分析均采用Minitab for Windows Release 13.32軟件執行[12-15]。分別進行有機溶劑種類、料液比、微波功率和提取時間等單因素試驗，篩選出主要影響因素，在此基礎上采用Box-Behnken試驗設計進行響應面分析。

2 結果與分析

2.1 有機溶劑浸提

2.1.1 提取溶劑對多酚得率的影響

多酚浸提溶劑種類很多，效果各有差異，有機溶劑提取效果更好[2]。選用甲醇、乙醇、丙酮等有機溶劑作為多酚的提取試劑。由圖1可得：50%(V/V)丙酮，60%(V/V)甲醇和60%(V/V)乙醇分別在各自的提取過程中得到最高得率，低于或者高于這些體積分數，得率相對降低。而50%(V/V)丙酮的得率是3種有機溶劑中最高的。50%丙酮和60%乙醇的得率進行比較，呈現出顯著性差異(P＜0.05)。

圖1 有機溶劑及其體積分數對多酚得率的影響Fig.1 Effects of organic solvent type and concentration on extraction rate of polyphenols

2.1.2 液料比對多酚得率的影響

如圖2所示，多酚得率隨著提取液的增多先增加后降低。液料比從5:1到20:1，得率上升，表明適當的增加提取液，對多酚的提取有利；液料比從20:1到30:1，得率迅速下降。液料比20:1是最適合的，在此條件下，多酚得率最高。選擇20:1為提取的液料比。

圖2 液料比對多酚得率的影響Fig.2 Effect of material/liquid ratio on extraction rate of polyphenols

2.2 微波輔助提取

2.2.1 微波功率對多酚得率的影響

兩種型號的微波爐，分別對應不同的功率調節檔。Galanz wp800型：136W(低火)、296W(解凍)、320W(中低火)、528W(中火)、680W(中高火)和800W(高火)；Galanz wp700a型：140W(低火)、280W(解凍)、420W (中火)、560W(中高火)和700W(高火)。根據實際情況選擇功率大小，進行微波輔助提取，多酚得率如圖3所示。結果顯示：隨著微波功率的增加，多酚得率先升高后降低，微波功率過低，一定時間內不能提取更多的多酚。微波功率增加到400W以后，提取過程中產生大量的熱，部分多酚迅速氧化導致損失。當微波功率為296W左右時，得率較高，適合多酚的提取。

圖3 微波功率對多酚得率的影響Fig.3 Effect of microwave power on extraction rate of polyphenols

2.2.2 微波提取時間對多酚得率的影響

提取時間是影響提取效果的重要因素，達到一定的提取時間，多酚才可能從植物組織細胞中釋放出來，進入提取液，結果如圖4所示。隨著提取時間的延長，多酚得率先升后降，提取時間為15s時達到最大值。故選擇15s作為微波提取時間。

圖4 提取時間對多酚得率的影響Fig.4 Effect of extraction time on extraction rate of polyphenols

2.2.3 響應面優化試驗

以50%丙酮為溶劑，根據單因素試驗篩選出料液比、微波功率和提取時間3個對多酚提取影響較大的因素。采用Box-Behnken試驗設計，利用響應面分析進行各因素參數的優化。分別選取3個水平，進行試驗。試驗設計和方差分析，分別見表1和表2。

表1 Box-Behnken試驗設計及其響應值Table1 Box-Behnken experimental design arrangement and experimental results

通過MiniTab軟件進行矩陣設計并對結果進行分析，可以得到關于多酚得率的擬合多元二次方程：

表2 得率二次多項模型的方差分析Table2 Variance analysis of the fitted quadratic polynomial models for extraction rate of polyphenols

用F檢驗來驗證以上方程的顯著性，其方差分析見表2。由表2可知，P值為0.004，小于0.01，方程非常顯著。相關系數R2為96.6%，說明試驗值與預測值之間高度相關。方程的校正決定系數R2Adj為90.5%，表明大約有90%的影響得率的變異分布在所研究的3個關鍵因子中，總變異中僅有不到10%不能由該模型來解釋。方程的失擬項不顯著，說明方程足以用來預測所選因子在試驗范圍內任何水平上的變化所導致的結果。

解方程求其最大值為5.1453%，各因素的參數：微波功率296.939W、微波提取時間16.9324s、料液比1:18.5295。根據實際條件，選取的試驗因素參數：微波功率296W、提取時間17s、料液比1:20。在此參數條件下，得到的實際得率為5.12%，而有機溶劑(提取時間2h)得率為3.21%，微波輔助提取多酚的得率是有機溶劑得率的1.6倍，取得了預期的效果。

圖5 微波功率和提取時間對多酚得率的影響Fig.5 Effect of the cross-interaction between microwave power and extraction time on extraction rate of polyphenols

圖6 微波功率和液料比對多酚得率的影響Fig.6 Effect of the cross-interaction between microwave power and material/liquid ratio on extraction rate of polyphenols

圖7 提取時間和液料比對多酚得率的影響Fig.7 Effect of the cross-interaction between extraction time and material/liquid ratio on extraction rate of polyphenols

響應面和等值線見圖5～7。提取時間對多酚得率的影響較大，表現為響應面落差較大而等高線比較密集。在因素水平的范圍內，多酚得率隨著提取時間的延長而升高，直至大約17s時達到最大，此后開始緩慢下降。提取時間的延長，使得多酚與提取試劑的接觸更加充分，提高多酚得率。但是提取時間過長，會導致溫度升高[11]，增加多酚的氧化變性，從而降低多酚得率。圖5～7中也同樣反映出，適中的料液比(1:19左右)和微波功率(300W左右)會促進多酚的提取。

2.2.4 微波輔助提取法的重現性和回收率

在上述微波輔助提取的工藝條件下，取5份樣品，采用1.3.4節方法測定多酚含量，計算多酚得率，以相對標準偏差(RSD)為評價指標。結果顯示RSD為3.1%，可見重現性較好。進行加標回收實驗，得到的回收率為97.2%～100.6%，可見微波輔助提取條件下，多酚基本無破壞，準確性較高[16]。

3 結 論

3.1 僅以有機溶劑提取時(未優化工藝)，咖啡豆殘渣作為原料，50%丙酮作為提取溶劑，料液比1:15(g/mL)，提取時間2h，提取溫度30℃，咖啡多酚的得率3.21%。

3.2 微波輔助提取咖啡殘渣中的多酚，經過響應面分析，所得最優工藝：50%丙酮為提取溶劑、微波功率296W、料液比1:20(g/mL)、提取時間17s，得率為5.12%，是原工藝得率的1.6倍。

3.3 微波輔助法提取咖啡多酚，具有時間短，得率高等優點。

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Microwave-assisted Extraction of Polyphenols from Coffee Bean Residue

SHEN Wang-yang1，JIN Zheng-yu2
(1. School of Food Science and Technology, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China；2. School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

In order to improve the utilization rate of coffee bean residue, polyphenols were extracted from coffee bean residue by organic solvent extraction with the aid of microwave. The optimal extraction conditions were explored by response surface methodology and the content of polyphenols was determined by Folin-Ciocalteus colorimetric method. The optimal parameters for the extraction of polyphenols were as follows: extraction solvent, 50% (V/V) acetone; microwave power, 296 W; material/liquid ratio, 1:20; and extraction duration, 17 s. The extraction rate of polyphenols was 5.12% under these optimal extraction conditions, 1.6-fold higher than that obtained without the aid of microwave.

coffee bean residue；polyphenols；microwave-assisted extraction；response surface methdology

TS273

A

1002-6630(2010)20-0079-04

2010-01-21

國家“863”計劃項目(2006AA10Z333)

沈汪洋(1978—)，男，講師，博士研究生，研究方向為食品資源開發及利用。E-mail：kxyjzhy@yahoo.com.cn