咖啡果皮果胶提取工艺优化及其功能特性研究.pdf

128咖啡果皮果胶提取工艺优化及其功能特性研究李泽林”，高艳”，鄂文君，赵春燕，范江平，沈晓静-3（1.云南农业大学食品科学技术学院，理学院，云南昆明6 50 2 0 1；2.云南省天然药物重点实验室，昆明医科大学，云南昆明6 50 50 0；3.云南省有机茶产业智能工程研究中心，云南省高校智能有机茶园建设重点实验室，云南昆明6 50 2 0 1）摘要：通过响应面法优化云南小粒咖啡果皮粗果胶的超声提取工艺，并与纯化后精果胶的功能特性进行比较，同时采用扫描电子显微镜观察精果胶的微观结构。结果表明：最佳提取条件为提取时间1 0 1 min、超声时间1 5min、料液比1：1 5（g/mL），在此条件下粗果胶得率为3.8 2%0.74%。纯化后，果胶中总糖含量增加了9.59%，多酚和蛋白质含量减少了1.96%和0.0 8%，酯化度和乙酰化度降低了8.9 7%和2.6 4%；纯化可提高果胶的持水性、持油性和乳化性，降低乳化稳定性。在纯化前后的果胶中均未检测到起泡性和泡沫稳定性。此外,扫描电子显微镜结果表明精果胶的微观结构粗糙、紧致。关键词：云南小粒咖啡；果胶；响应面法；提取工艺；功能特性Optimization of extraction process andfunctional properties of coffee peel pectinLI Ze-lin,GAO Yan,WU Wen-jun,ZHAO Chun-yan,FAN Jiang-ping,SHEN Xiao-jing.-.3(1.College of Food Science and Technology,College of Science,Yunnan Agricultural University,2.Kunming Medical University,Yunnan Key Laboratory of Pharmacology for Natural Products,Abstract:The ultrasonic extraction of crude pectin from Yunnan Coffea arabica L.peel was optimized byresponse surface method.The functional properties of crude pectin were compared with those of fine pec-tin after purifying.The microstructure of pectin was observed by scanning electron microscope.The re-sults showed that the optimal extraction conditions were extraction time 101 min,ultrasonic time 15 min,solid-liquid ratio 1:15(g/mL).Under these conditions,the yield of crude pectin was 3.82%0.74%.After purification,the content of total sugar in pectin increased by 9.59%,the content ofpolyphenol and protein decreased by 1.96%and 0.08%,and the degree of esterification and acetyla-tion decreased by 8.97%and 2.64%.Purification could improve the water retention,oil retention andemulsification of pectin,and reduce the emulsification stability.Foaming and foam stability were not de-tected in pectin before and after purification.In addition,scanning electron microscopy results showed收稿日期：2 0 2 2-0 4-30基金项目：国家自然科学基金云南联合基金项目（U1902206）；云南省农业基础研究联合专项面上项目（2 0 2 1 0 1 BD070001046）；云南省天然药物药理重点实验室开放研究基金项目（7 0 1 2 0 0 30 50 6）；云南省重大科技专项子课题云茶”数字化关键技术应用研发与示范（2 0 2 0 0 2 AE09001004)作者简介：李泽林（1 995一），男，博士研究生，研究方向为食品科学与工程研究。通信作者：沈晓静（1 98 8 一），女，博士研究生，实验师，研究方向为天然产物化学研究。粮食与油脂Kunming 650201,Yunnan,China;Kunming 650500,Yunnan,China;3.Yunnan Organic Tea Industry Intelligent Engineering Research Center,Key Laboratory of Intelligent Arganic Tea Garden Construction inUniversities of Yunnan Province,Kunming 650201,Yunnan,China)2023年第36 卷第8 期2023年第36 卷第8 期that the microstructure of fine pectin was rough and compact.Key words:Yunnan Coffea arabica L.;pectin;response surface method;extraction process;function-al property中图分类号：TS201.1小粒种咖啡又称阿拉比卡种咖啡，原产于非洲埃塞俄比亚西南部和苏丹东南部高海拔的山区，产量、消费量、产值均居世界“三大饮料”之首 。近年来，我国咖啡种植业迅速扩增,其中云南省是我国最大咖啡豆生产基地，咖啡种植面积和产量占比居全国95%以上2 。然而，咖啡鲜果产量的激增导致大量的果肉、咖啡壳、胶浆、残豆等副产品产生。咖啡果皮作为咖啡加工中的第一大副产品，大多被直接丢弃，只有少量用作堆肥、果皮茶以及生物燃料制作等，利用率较低，而直接丢弃会对土壤、环境造成污染。从咖啡果皮中提取果胶可以降低咖啡副产物对环境的污染，还可以提高咖啡的附加值,但目前对其提取利用研究的报道较少3果胶是广泛存在于植物初生细胞壁和细胞内层的一类复杂天然高分子聚合物，大多由-1,4糖苷键连接半乳糖醛酸与鼠李糖、阿拉伯糖等中性糖聚合而成的酸性杂多糖4，常被用来制作抑癌、降糖、降脂和调节机体免疫等药物的载体，辅助药物活性释放5。另外,果胶还具有良好的起泡性、泡沫稳定性、持水性、持油性、乳化性和乳化稳定性等功能特性,常用作食品加工中的胶凝剂、增稠剂、胶体稳定剂和脂肪替代品等6 。本研究采用超声辅助热水提取法优化云南小粒咖啡果皮粗果胶的提取工艺，再对粗果胶进行纯化,并检测其功能特性、理化指标及微观结构,旨在为云南小粒咖啡果皮果胶在食品添加剂以及其他领域中的应用研究提供理论依据和前期基础。1材料与方法1.1材料与试剂云南小粒咖啡果皮，产自云南省保山市潞江坝；透析袋MD34（7 0 0 0 D），上海源叶生物有限公司；大孔树脂（AB-8），河北美凯化工有限公司；没食子酸、福林酚试剂、无水乙醇、葡萄糖、氢氧化钠、氯化钠、浓盐酸、浓硫酸、三氯甲烷、正丁醇,分析纯。1.2仪器与设备SCIENTZ-48高通量组织研磨器，宁波新芝生物科技股份有限公司；DHG-9070A电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司;H3-18K台式高速离心粮食与油脂文献标志码：A文章编号：1 0 0 8-9 57 8(2 0 2 3)0 8-0 1 2 8-0 6机，湖南可成仪器设备有限公司；RE-2000A旋转蒸发器，上海亚荣生化仪器厂;SCQ-9201B超声波提取仪，上海声彦超声波仪器有限公司。1.3试验方法1.3.1果胶提取将咖啡果皮置于45干燥箱中干燥至含水率低于5%，经打粉后过8 0 mm筛，备用。准确称取20g上述咖啡果皮粉加入50 0 mL超纯水，在一定条件下以2 0 0 0 r/min提取一定时间后，再超声一定时间，过滤取上清液，加入等体积无水乙醇混匀，于4冰箱中过夜，然后以50 0 0 r/min离心1 5min，真空冷冻干燥沉淀，得粗果胶。按式（1）计算粗果胶得率。果胶得率=1 0 0%mo式中：m为粗果胶质量，g;mo为咖啡果皮粉质量，。1.3.2单因素试验在提取温度45、提取9 0 min、超声温度50、超声时间1 5min和料液比1:2 5（g/mL）的基础上,进行单因素试验，考察提取时间、超声时间、料液比对咖啡果皮果胶得率的影响。1.3.3响应面试验在单因素试验的基础上，以提取时间、超声时间、料液比为自变量，以咖啡果皮果胶得率为响压值,设计三因素三水平的响应面试验。因素水平见表1。表1 响应面试验因素水平设计因素水平A提取时间/min B超声时间/min16029031201.3.4纯化用超纯水配制1.0 mg/mL的粗果胶溶液100mL,AB-8大孔树脂脱色5h。脱色后过滤得到滤液,以50 浓缩至原体积的1/2 7 。使用Sevage法脱蛋白质8 ,加入Sevage溶液振荡2 0 min，以4000r/min离心，取上层水层，重复操作至无白色蛋129(1)C料液比/(g/mL)51:5101:10151:15130白质沉淀层，旋转蒸发溶剂，透析48 h，真空冷冻干燥得精果胶。1.3.5理化特性检测按照SINGH等9 的苯酚-硫酸法测定总糖含量;按照CHEN等1 0 的福林酚比色法测定多酚含量；按照KHODAIYAN等 的考马斯亮蓝法测定蛋白质含量；按照YU等1 2 的皂化滴定度法测定果胶的酯化度；按照TAN等1 3 的化学滴定度法测定果胶的乙酰化度；根据GB5009.32016食品安全国家标准食品中水分的测定测定水分含量。1.3.6 功能特性检测 1 4持水性：取0.1 0 g（m o）样品置于离心管中并称重（ml）。以1:2 0（g/mL）加人蒸馏水搅拌30 min，然后以30 0 0 r/min离心1 0 min，弃上清液，记录离心管和沉淀质量（m）。按式（2)计算持水性。持水性=心mo持油性：取0.50 g（m 3）样品于离心管中并称重（m 4）。加5mL大豆油充分搅拌，以2 2 0 0 r/min离心2 5min,弃上清液，记录离心管和沉淀物的质量(ms）。按式(3)计算持油性。持油性=m3起泡性和泡沫稳定性：配制1 2 0 mL体积分数1%的样品溶液，以1 0 0 0 0 r/min剪切2 min后,立即倒人量筒中记录泡沫与液体的总体积（V）。按式(4)计算起泡性。V-120起泡性=100%120将上述溶液于室温下静置30 min后，记录泡沫与液体的总体积（V）。按式（5)计算泡沫稳定性。Vi-120泡沫稳定性=100%V-120乳化性与乳化稳定性：配制1 2 0 mL体积分数0.2%的果胶样品溶液，加入6 0 mL大豆油，以10000r/min剪切6 0 s,再以1 50 0 r/min离心30 0 s，记录液体总高度（h,）和乳化层高度（h）。按式（6）计算果胶的乳化性。乳化性=100%hl将上述离心管以8 5水浴加热30 min后，于室温下静置2 0 min，再以1 50 0 r/min离心5min，记录管中乳化层高度（h）及液体总高度（ha）。按式（7）计算乳化稳定性。粮食与油脂1.3.7扫描电镜参考KAZEMI等1 5 的方法,将预处理后的样品在离子溅射仪上喷金30 s，再使用扫描电子显微镜在1 5kV的加速电压下拍照。1.4数据处理试验均重复3次,结果以平均值标准差(SD)表示。采用MicrosoftExcel2016处理数据，Design-expert 8.0.6设计与分析响应面试验，GraphPadPrism9制作折线图。2结果分析2.1单因素试验结果分析2.1.1提取时间对粗果胶得率的影响由图1 可知：随着提取时间的延长,粗果胶得率m2-ml先升高后降低，在提取时间为90 min时，得率最高，(2)为3.1 2%0.1 1%。原因是随着提取时间的延长，咖啡果皮粉与溶剂充分接触，果胶得到充分溶解,得率上升；但当提取时间超过90 min时,底物有限,果胶在水中的溶出达到饱和,在内源酶的作用下使果胶糖醛酸键水解，导致得率下降。因此，选ms-m4取90 min为最佳提取时间。(3)43F(4)1OL0(5)图1 提取时间对粗果胶得率的影响2.1.2超声时间对粗果胶得率的影响由图2 可知：随着超声时间的延长，粗果胶得率先升高后降低，当超声时间为1 0 min时，得率最高，为3.2 0%0.0 4%。得率升高是因为超声波产生h2(6)2023年第36 卷第8 期3乳化稳定性=100%3060提取时间/min的强烈空化效应以及搅拌作用使细胞壁破裂,果胶快速进人水中,得率上升。当超声时间超过1 0 min时，在内源酶和超声产热作用下，溶出的部分果胶被快速分解，得率下降。因此，选取1 0 min为最佳超声时间。(7)901201502023年第36 卷第8 期43F0图2 超声时间对粗果胶得率的影响2.1.3料液比对粗果胶得率的影响由图3可知：随着溶剂用量不断增大，粗果胶得率先升高后降低,当料液比达到1：1 0(g/mL)时,得率最高，为3.2 7%0.1 6%。原因是当溶剂用量过小时，咖啡果皮粉溶解不充分导致果胶得率低；但是料液比过大，会使咖啡果皮粉被过度稀释，导致反应速率变慢，从而降低得率。因此，选取1：10(g/mL)为最佳料液比。43+止00图3料液比对粗果胶得率的影响2.2响应面试验结果分析响应面试验结果见表2，方差分析结果见表3。将所得试验数据进行二次回归分析并建立回归模型:Y=2.42-0.07A+0.03B-1.39C-0.02AB+1.29AC+0.04BC+0.000 7A+0.078B+0.28C由表3可知：模型显著（P0.05），说明实际值与预测值之间无过拟合现象存在,表明方程拟合性好,试验误差小。R=0.68，R=0.49，表明该模型中的试验值与预测值具有较好的相关性，该模型拟合度和试验重现性较好,可用此模型作为咖啡果胶提取工艺的分析和预测。交互项AC的PBA。表2 叫响应面试验设计及结果工试验号123456510超声时间/min1:51:10料液比/(g/mL)131AB00-1-10-100111015201:151:20C00-100-1257891011121314151617来源平方和自由度均方回归模型4.42A0.02B0.12C2.63AB1.000E 004AC1.65BC1.600E003A27.392E 004B20.078C20.281:25参差失拟项误差总差注：*为差异显著（P0.05）。根据模型拟合得到最佳粗果胶提取工艺为提取时间1 0 0.8 0 min、超声时间1 4.6 7 min、料液比1:14.70（g/m L）,此时预测粗果胶得率为3.46%。结合实际情况将此工艺修正为提取时间1 0 1 min、超声时间1 5min、料液比1：1 5（g/mL），在此条件下进行3组验证实验，粗果胶得率平均为3.8 2%0.74%与模型理论值差异不大，证明该数学模型优化的最佳工艺参数具有较好的可行性和重现性。2.3理化指标检测结果分析由表4可知：精果胶的总糖含量较纯化前增加了9.59%。粗果胶中多酚和总蛋白质含量在纯化得率/%2.622.441.293.182.741.591-1-100-1-1110-100100010000表3响应面二次模型的方差分析结果F值P值显著性60.7410.0210.1212.6311.000E004 4.812E00411.6511.600E0037.700E00317.392E-0410.07810.282.08101.8260.2546.501601101-1-101003.540.080.5512.677.950.0121.224.410.210.300.062.442.073.242.763.183.051.422.623.452.562.740.04*0.780.470.010.980.020.930.920.330.104.770.08*132后分别减少31.9 6%和0.0 8%，其中多酚的减少大部分可能是因为纯化过程中氧化分解和受热分解造成的。粗果胶中酯化度和乙酰化度在纯化后分别下降了8.9 7%和2.6 4%，原因可能是在纯化过程中半乳糖醛酸聚糖结构中的甲氧基的游离和乙酰基的降解引起的1 6 ;但是这些纯化前后的果胶酯化度均小于50%，表明咖啡果胶属于低甲氧基果胶。粮食与油脂超声过程释放能量和热造成的1 95552023年第36 卷第8 期表4果胶理化指标指标粗果胶总糖含量61.52 1.84多酚含量4.16 0.003总蛋白质含量0.22 0.03水分含量7.96 1.22酯化度含量16.31 0.96乙酰化度含量4.33 0.182.4功能特性分析由表5可知：粗果胶具有一定程度的持水性、持油性、乳化性和乳化稳定性。且纯化后，其持水性增加了0.7 3%,原因可能是在纯化过程中果胶内部亲水基团暴露，使其持水性增大；持油性增加至粗果胶的2.0 7 倍,原因可能是果胶中含有一定量的水分,在搅拌过程中形成的乳液增加了持油性；但乳化稳定性降低。粗、精果胶均没有检测到起泡性和泡沫稳定性，原因是超声处理和纯化过程破坏了多糖形成网络的能力，形成的界面膜不稳定，使得泡沫表面张力减小,最终导致没有起泡性1 7 ;此外,果胶中含有的蛋白质虽然具有起泡性，但是因其含量极低导致起泡性很难被检测到。样品展现乳化性和乳化稳定性的主要原因是水油界面形成了有一定弹性和机械强度的保护薄膜1 8 表5果胶中功能特性测试结果功能特性粗果胶持水性/(g/g)19.32 0.81持油性/(g/g)4.33 0.09起泡性/%0泡沫稳定性/%0乳化性/%43.94 0.26乳化稳定性/%43.16 0.512.5扫描电镜分析由图4可知：当精果胶分别放大2 0 0 0 和20000倍时,果胶的表面均可观察到粗糙、紧致且伴有许多不规则的凸起物附着的构造，而且有许多长条状隆起物无规则地分布在果胶表面，原因可能是(a）放大2 0 0 0 倍/%图4精果胶的微观结构精果胶3结论71.11 2.012.20 0.030.14 0.035.31 0.277.34 0.341.69 0.16精果胶20.05 0.148.95 0.370046.67 0.3042.48 0.18（b）放大2 0 0 0 0 倍本研究使用响应面法优化咖啡果皮粗果胶的超声辅助提取工艺，得到实际的最佳提取条件：提取时间1 0 1 min、超声时间1 5min、料液比1:1 5（g/mL），在此条件下粗果胶得率平均为3.8 2%0.7 4%。此外，纯化使果胶中总糖含量增加了9.59%，多酚和蛋白质含量减少了1.9 6%和0.0 8%；酯化度和乙酰化度的含量降低了8.9 7%和2.6 4%；纯化提高咖啡果胶的持水性、持油性和乳化性，但乳化稳定性降低。此外,精果胶的微观结构粗糙、紧致。本研究可为云南小粒咖啡果皮及其果胶的开发利用提供依据。【参考文献1 MAMAN M,SANCCHOTE S,PIASAI O,et al.Storagefungi and ochratoxin a associated with arabica coffee beanin postharvest processes in northern thailand J.FoodControl,2021,130:108351.【2 吴建，蒋快乐，时玲，等云南小粒种咖啡初加工工艺发展现状及趋势J中国农机化学报，2 0 2 1，42(1 1)：205-213.【3李晓娇，付文相，陈建瑞，等.酒石酸法提取咖啡果胶工艺研究J广州化工，2 0 1 9，47（1 4：98 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