超聲波法提取咖啡中水溶性固形物工藝研究

摘要： 以焙炒云南小粒咖啡為原料，水為提取溶劑，研究并優化超聲波法提取咖啡中水溶性固形物的最佳工藝參數，通過單因素試驗和正交試驗可以確定提取的最佳工藝。試驗結果得出：用超聲波法處理小粒咖啡，提取其中的水溶性固形物的最佳條件為浸提比1：20，超聲浸提溫度50℃，超聲時間60min，咖啡顆粒粒度40目。

Abstract： Taking the Yunnan coffea arabica as raw material， with water as extraction solvent， we try to study and optimize the technical parameters in extracting of soluble material from coffea by ultrasound. The optimal extraction process can be determined by making the single factor experiment and orthogonal experiments. The results showed that： solid/water=1：20， ultrasonic extraction temperature=50℃， ultrasonic time=60min and the particle size of coffee is 40.

關鍵詞： 小粒咖啡；超聲波法；水溶性固形物

Key words： coffea arabica；ultrasound；soluble material

中圖分類號：O644.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）23-0114-03

0 引言

咖啡（coffea）是茜草科植物（Rubiaceae）的一種。葉片深綠色，呈長橢圓形，葉面光滑，每片長10～15厘米，邊緣如波浪狀。咖啡樹枝末梢很長，葉片兩兩對生[1]。它的果實即為咖啡豆，經炒熟、粉碎制成咖啡，外觀為棕褐色，具有咖啡的特殊芳香[2]。咖啡豆中含有咖啡因、脂肪、碳水化合物、蛋白質、礦物質和酸類物質。咖啡飲料具有獨特的咖啡香氣、味道醇厚可口，并且營養豐富，故和可可、茶葉組成了世界上三大飲料，其產量和消費量居三飲料之首。咖啡具有減肥、抗衰老、抗癡呆、保健大腦、預防癌癥，防輻射等保健功效[3]。試驗采用的咖啡屬變異種，其種植歷史可追溯到1892年，一位法國傳教士從境外將咖啡種帶進云南，經過長期的栽培馴化而成，一般稱為云南小粒種咖啡。

速溶咖啡的常規生產工藝主要有三個部分：提取、濃縮和干燥[4，5]。其中水溶性固形物的提取又是保證產率和品質的關鍵所在。提取的主要目的是將焙炒過的咖啡中的水溶性物質以水為媒介，浸提出來，從而使咖啡粉具有速溶性。這些水溶性固形物有：碳水化合物、咖啡因、綠原酸、咖啡酸、單寧酸等。傳統的提取工藝主要是用熱水浸提，但該法所要求的溫度較高，時間較長。超聲波提取法的原理是利用超聲波輻射壓強產生的空化、擾動效應和攪拌作用，增大物質分子運動頻率和速度，增加浸提媒介的穿透力，使其能夠快速地進入咖啡中，將其咖啡所含的水溶性成分盡可能完全地溶于浸提媒介之中，從而有利于水溶性固形物的提取[6-8]。超聲波作為一種提取技術，具有時間短、效率高等特點，同時可防止浸提物在長時間、高溫條件下發生不良反應。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

云南小粒咖啡（焙炒豆）： 由德宏州宏天實業（集團）有限公司提供。

1.2 試驗儀器和設備

超聲波細胞破碎機：上海杜斯儀器有限公司。

其它儀器設備：研磨機、恒溫干燥箱、電子分析天平、玻璃器皿等。

1.3 分析方法

精確稱取10.000～20.000g研磨處理好并分級過的咖啡粉放入500mL錐形瓶，加入蒸餾水。設置好超聲波功率后進行提取，在提取過程中要不斷的攪拌。提取完成之后迅速過濾，將濾液和渣分離，于相同條件下進行第二次浸提，把兩次所得濾液混合并冷卻后移入容量瓶定容。用移液管從容量瓶中取50mL咖啡濾液至小燒杯中，蒸干后放入恒溫干燥箱（干燥溫度設定為105±3℃，干燥時間為5h）。恒重稱量，按下式計算咖啡水溶性固形物的提取率[9-10]。

式中：A0—樣品重量，g；

A1—水提取物重量，g；

a—咖啡樣品中水溶性物質含量百分率，%。

1.4 試驗方法

1.4.1 單因素實驗

以提取率為主要考察指標，研究不同的溫度、時間、料液比和咖啡顆粒粒度對咖啡中水溶性固形物提取率的影響。

1.4.2 正交實驗

根據單因素實驗得到的結果，分析確定各因素的水平，以提取率為主要考察指標，選擇了四個有關因素（處理溫度、時間、料液比和粒度）進行條件實驗，通過數據分析從而得到最適生產條件[11]。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 料液比的確定

選用粒度為40目的咖啡粉，在處理時間為60min，溫度為50℃的條件下，研究不同的料液比對提取率的影響，結果見圖1。

由圖1可以看出，隨著料液比（提取用水量）的增加，提取率先是逐漸增大，之后又略有減小。當料液比為1：20時，提取率達到最大值22.9%，之后不再增加。因此根據試驗結果得出提取的最佳料液比為1：20。

2.1.2 處理時間的確定

選用40目的咖啡粉，在料液比1：20，溫度50℃的條件下，研究處理時間對提取率的影響，結果如圖2所示。

由圖2得出，隨著處理時間的增加，提取率逐漸提高，當提取時間到達60min時，提取率達到最大值22.9%，之后開始下降。這可能是因為超聲波具有較強的機械剪切作用，長時間的作用使得大分子物質如油脂等發生分子斷裂，從而在后續的過濾處理中影響水溶性固形物的提出率。另外考慮到提取時間如果太長，也會增加生產成本，故提取時間以60min為最佳。

2.1.3 溫度的確定

用粒度為40目的咖啡粉，在料液比1：20，處理時間為60min的條件下，研究超聲溫度對水溶性固形物提取率的影響，結果見圖3。

由圖3可以看出，超聲波處理時所用溫度越高，提取率就越高。在20～50℃時，隨著溫度的升高，其提取率快速增加，從18.4%提高到22.9%，而當超聲波處理所用溫度超過50℃時，隨著溫度的升高，其提取率增加很少，且在較高溫度和較長時間下用超聲波進行處理，會影響到后續的過濾效率。因此，綜合考慮選擇50℃為超聲波處理最佳提取溫度。

2.1.4 粒度的確定

在料液比1：20，浸提時間為60min，浸提溫度為50℃的條件下，選取不同粒度的咖啡粉研究其對提取率的影響，結果見圖4。

由圖4可以看出，咖啡粒度對提取率的影響不是很明顯，隨著顆粒粒度的增加，提取率有所增加。但太細的顆粒首先是機械粉碎不易達到，其次是增加了后續過濾工藝的難度。因此，選擇40目為云南小粒咖啡浸提時的最佳粉碎粒度。

2.2 正交試驗結果

2.2.1 超聲波正交試驗

用單因素試驗篩選出的最佳提取條件設計正交試驗，選定以料液比、時間、溫度和粒度為因素設計四因素、三水平的正交實驗L9（34）尋求最佳提取條件。所設計的提取率試驗因素水平表見表1，結果見表2。

2.2.2 最佳提取條件

以提取率為考察指標，由表2得出，最佳浸提條件為A2B2C2D3，即料液比1：20，超聲溫度50℃，超聲時間60min，咖啡顆粒粒度50目。從極差分析得知：各個因素對提取率的影響順序為C（超聲溫度）>B（超聲時間）>D（顆粒粒度）>A（料液比）。也就是說，超聲波處理時所用溫度對云南小粒咖啡中水溶性固形物提取率的影響最大，其次是超聲波處理時間和所用咖啡粉顆粒粒度，料液比對提取率影響最小。

另外，在相同的浸提條件（即咖啡粒度40目，料液比1：20，浸提溫度50℃，浸提時間60min）下，采用傳統的熱水浸提所得云南小粒咖啡中水溶性固形物提取率僅為13.0%，與超聲波處理后所得22.9%的提取率相差甚遠，故采用超聲波浸提效果明顯。

3 結論

在料液比、時間、溫度和顆粒粒度各單因素實驗的基礎上，設計正交實驗，得出超聲波提取云南小粒咖啡中水溶性固形物的最佳提取條件為浸提比1：20，浸提溫度50℃，浸提時間60min，咖啡顆粒粒度40目。與傳統的熱水浸提法相比，用超聲波提取咖啡中水溶性固形物具有較大的優勢。

參考文獻：

[1]王欣.咖啡大全[M].哈爾濱：哈爾濱出版社，2007：9-11.

[2]曹克嘉.漫談咖啡[J].中國食品信息，1989（4）：23-24.

[3]薛殿凱.咖啡的保健作用[J].中國保健營養，2007（1）：48.

[4]蔡瑞玲，趙晉府，王志華，等.咖啡豆乳飲料的工藝技術研究[J].食品研究與開發，2004，2（25）：84-86.

[5]李云川.咖啡濃縮液的研制和加工技術[J].飲料技術，2000（27）：29-31.

[6]謝振偉，但德忠，趙燕，等.超聲波輔助萃取技術在樣品預處理中的應用[J].化學通報，2005（68）：1-3.

[7]Sinisterra J V.Application of Ultrasound to Biotechnology：anOverview[J].Ultrasound，1992， 30（3）：l80-185.

[8]王娜，李保慶.超聲催化反應的研究現狀和發展趨勢[J].化學通報，1999（5）：26-32.

[9]GB 8305—87，茶-水浸出物測定[S].中國標準出版社，1996.

[10]代妮婭，趙天瑞，楊威.微波提取咖啡中水溶性物質的工藝研究[J].廣西輕工業，2011，27（12）：3-4.

[11]秦德利，賈坤，竇珺榮，等.茶樹花多糖超聲波輔助熱水浸提工藝優化[J].《食品工業科技》，2015，36（4）：215-218.