不同提取方法对咖啡原液理化和感官特性的影响

咖啡是世界上最受欢迎的饮料之一。它不仅风味独特，还具有很多健康功效，如预防早期非酒精性脂肪性肝炎、改善心血管功能、缓解认知能力下降[1]等。这些功效与咖啡含有的多种活性成分如咖啡因、绿原酸、葫芦巴碱等有关。其中绿原酸是一种强抗氧化剂，可以预防糖尿病、减轻I/R引起的肝损伤以及肺炎和胰腺炎等带来的不良后果[2]；咖啡因对中枢神经系统及新陈代谢有益，还具有显著的抗炎效果，对于各种炎症和自身免疫性疾病有治疗作用[3]；葫芦巴碱可以减轻炎症、氧化应激和肾细胞凋亡，防治骨质疏松[4]。

咖啡的提取方法多样，不同提取方法制备出的咖啡原液品质也有较大差异。传统提取法主要分为三大类：滴漏法、浸提法和加压提取法。其中滴漏法和浸提法操作简单，不需要复杂的机器，常见于日常生活中。SANCHEZ等[5]认为滴漏咖啡的有机酸提取物低于加压提取法制得的咖啡，但是抗氧化活性高于加压提取法。加压提取法制备的咖啡有很高的泡沫稠度和香气强度，几乎没有负面风味。且研究表明在一定条件下，加压提取法能最有效地萃取咖啡因、葫芦巴碱和烟酸等生物活性化合物，其总酚、咖啡因和抗氧化剂的含量显著高于滴漏法[6-7]。有研究使用浸提法分别提取了深度烘焙和中度烘焙咖啡豆，认为前者香气成分含量高，后者绿原酸含量更高[8-9]。ZAMANIPOOR等[10]认为超声波辅助提取可显著增加咖啡中甘油三酯、咖啡因、二萜类和关键挥发物的含量，有助于咖啡的风味，但对咖啡的抗氧化性有负面影响。LOPES等[11]研究发现,微波辅助可以显著提升咖啡中阿拉伯半乳聚糖、咖啡因、绿原酸的提取率和抗氧化活性。

目前工业生产咖啡饮品大多是使用速溶咖啡粉和香精香料进行调配，而速溶咖啡中的活性物质如葫芦巴碱、咖啡因、咖啡酰奎宁酸和香气成分N-甲基吡啶和2-糠醇的含量明显减少[12]，降低了咖啡原有的口感、香气和健康功效。随着人们生活水平的提高，在追求咖啡的感官品质同时，更注重其带来的健康功效。到目前为止，关于滴漏法和加压提取法的研究较多，其余3种方法相对较少，且微波辅助提取法提取咖啡的感官和香气成分的分析未见报道。本文首次采用滴漏法、浸提法、超声辅助提取法、微波辅助提取法和加压提取法提取咖啡，系统比较其基本理化性质、主要活性成分、抗氧化活性、感官品质和香气成分的差别，为工业生产感官品质优异，活性成分含量高且抗氧化活性强的优质咖啡饮品提供理论支撑和实践指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

AA级肯尼亚咖啡豆(中度烘焙)，重庆熙卓食品科技有限责任公司；福林酚试剂、甲醇(色谱纯)、水溶性维生素E标准品(Trolox)、没食子酸标准品(GAE)、绿原酸标准品(色谱纯)、葫芦巴碱标准品(色谱纯)、咖啡因标准品(色谱纯)、DPPH、ABTS，北京索莱宝科技有限公司；邻二氯苯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 仪器与设备

pH计，北京赛多利斯科学仪器有限公司；CM-5色差仪，日本柯尼卡美能达有限公司；紫外可见分光光度计，上海菁华科技仪器有限公司；MAS-Ⅱ PLUS常压微波合成/萃取仪，上海新仪微波化学科技有限公司；气相色谱-质谱联用仪，日本岛津公司；EXPOBAR加压咖啡萃取机，杭州慧百特餐饮设备有限公司；Agilent 1200高效液相色谱仪，中国安捷伦科技有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 样品准备

将咖啡豆磨粉，过30目筛备用。固定料液比为1∶10，按照表1的方法提取咖啡原液，制备完成后过200目滤网，备用。

表1 不同提取方法的具体操作过程
Table 1 The specific operation process of different extraction methods

1.3.2 基本理化指标[9]

可滴定酸：准确移取 10.0 mL 样液于烧杯中，用 0.10 mol/L NaOH 溶液滴定至 pH=8.00±0.05，记录NaOH的消耗体积数，结果以1 L消耗 0.10 mol/L NaOH 的体积数表示。

色度：用色差仪分析样品色度值，用 L*、a*、b*值分别表示样品的亮度、红色-绿色和黄色-蓝色。

总固形物：准确量取5.0 mL 样液于90 ℃恒温鼓风干燥箱内烘干至恒重，通过差量法计算得出咖啡液中总固形物含量，结果表示为1 L样品中固形物的质量(g/L)。

1.3.3 总酚含量测定

参考WONGSA等[15]的方法，测定咖啡原液的总酚含量。

1.3.4 绿原酸、葫芦巴碱、咖啡因含量测定

参考TANG等[16]的方法，适当修改如下；色谱条件：色谱柱为Agilent Eclipse Plus C18柱(250 mm×4.6 mm，5 μm)；流动相为1%乙酸(流动相A)、甲醇(流动相B)；梯度洗脱：0～5 min，6%甲醇；5～10 min，6%～20%甲醇；10～15 min，20%～40%甲醇；15～20 min，40%～6%甲醇；20～25 min，6%甲醇；流速：1.0 mL/min；柱温：26 ℃；检测波长：280 nm；进样量：5.0 μL。结果表示为1 L样品中活性成分的质量(mg/L)。

活性成分标准曲线回归方程：Y=1.440 2X-2.617 2，R2 =0.999 1(葫芦巴碱)、Y=8.959 9X-131.33，R2 =0.999 2(绿原酸)、Y=11.584X+918.902，R2 =0.999 8(咖啡因)。

1.3.5 抗氧化活性测定

(1)DPPH自由基清除能力测定：参考PAIVA等[17]的方法，测定样品DPPH自由基清除能力。

(2)ABTS阳离子自由基清除能力测定：参考AYSELI等[9]的方法，测定样品ABTS阳离子自由基清除能力。

(3)羟自由基(·OH)清除能力测定：参考YANG等[18]的方法，测定样品·OH清除能力。

1.3.6 感官评价

感官品尝小组由10 名接受过专业感官培训的评价员组成，评价员分别从外观、气味、口感以及风味4个方面对随机编号的样品比较品尝，总分为100 分。感官评价表见表2。

1.3.7 香气成分测定

参考虞健[20]的方法，适当修改如下：取3.0 mL咖啡液装入10 mL气相小瓶，加入10 μg/mL邻二氯苯溶液，盖上硅胶盖。用DVB/CAR/PDMS 30～50 μm的萃取头，恒温水浴60 ℃吸附30 min后，250 ℃解析15 min。进气相色谱柱，温度从40 ℃(维持5 min)，程序升温5 ℃/min，到120 ℃。然后以10 ℃/min上升到230 ℃(维持5 min)。质谱条件是：70 eV，50～350 aum，离子源温度250 ℃。物质相对含量计算如公式(1)所示：

(1)

式中：ω1：物质的相对含量，μg/mL；ω2：内标物物质的质量浓度，μg/mL；S1物质的峰面积；S2：内标物峰面积。

表2 咖啡原液感官评价表
Table 2 Sensory evaluation table of coffee stock solution

注：参考阴苹苹[19]的感官评价表，并适当修改

1.4 数据处理

数据表达为平均值±标准差，采用SPSS 26.0和Excel 2016软件处理数据并进行相关性分析，Origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 不同提取方法对咖啡原液基本理化性质的影响

如表3所示，超声和微波辅助提取法制取的咖啡原液pH值无显著性差异(P>0.05)，加压提取法提取的咖啡原液pH显著性低于其他4种方法。5种方法提取的咖啡原液pH值在文献报道的咖啡pH值范围(4.90～5.80)内，且即使咖啡pH处于较低水平(4.90)，也可以被很好地接受[21]。

咖啡中的可滴定酸包括柠檬酸、绿原酸、苹果酸等。如表3所示，比较5种提取方法，微波辅助提取法比其他方法提取的咖啡原液可滴定酸值低，滴漏法提取的咖啡原液可滴定酸值最高，可能是因为其提取温度最高的缘故。VIVO等[22]在研究中测得咖啡的可滴定酸为52.00～274.00 mL(0.1 mol/L NaOH)/L(咖啡)，本实验所得数据在此范围内。有研究认为pH和可滴定酸值与感知的酸度并无相关性[23]，另有研究认为可滴定酸值与感知的酸度相关[24]，但不可否认的是合适的酸度与良好的风味息息相关。

咖啡原液的总固形物含量如表3所示，与微波辅助提取法和浸提法相比，滴漏法、超声辅助提取法和加压提取法制取的咖啡原液的总固形物含量更高。5种方法制取的咖啡原液的总固形物含量与文献报道的12.20 g/L总体相差不大[25]，超声提取法相对偏高，可能是因为超声的空化和热效应的共同作用使基质膨胀和细胞壁中的孔扩大，增强了水和咖啡粉的接触，从而导致其总固形物含量提高[26]，但是这也容易导致咖啡的提取过度。

表3 不同提取方法对咖啡原液pH、可滴定酸和 总固形物的影响
Table 3 Effects of different extraction methods on pH, titratable acid and total solids of coffee stock solution

注：a～d表示咖啡原液pH、可滴定酸和总固形物差异显著性(P<0.05)

2.2 不同提取方法对咖啡原液色度的影响

L*表示明亮度，a*表示红绿色，b*表示黄蓝色。如表4所示，滴漏法和浸提法比其余3种方法的色度值高。这可能是因为提取时间不同的缘故，研究表明提取时间越长，有色化合物的浸出越多，颜色就越深[27]，本实验除超声辅助提取法制得的咖啡原液，其余4种方法均遵循此规律。超声辅助提取法制得的咖啡颜色最浅，这可能归因于其较高的甘油三酯含量[10]。有研究认为，当咖啡呈现深棕色，无颗粒悬浮物且有透明感时，更受人们喜爱[11]。

表4 不同提取方法对咖啡原液色度的影响
Table 4 Effects of different extraction methods on coffee stock solution chroma

注：a～d 表示咖啡原液L*、a*、b*值的差异显著性(P<0.05)

2.3 不同提取方法对咖啡原液的总酚含量的影响

如图1所示，加压提取法提取的咖啡原液的总酚含量显著高于其他方法(P<0.05)，达到了(5.36±0.13) g GAE/L。超声辅助提取法[(4.66±0.04)g GAE/L]和滴漏法[(4.60±0.14) g GAE/L]次之，微波辅助提取法[(3.20±0.09) g GAE/L]最低。本试验制得的咖啡原液的总酚含量与文献报道相差不大，加压提取法略高于文献报道[28]。这可能是因为在加压条件下，溶质细胞壁被破坏，且高温高压有利于溶剂的扩散，使多酚化合物的提取率更高[7]。多酚是咖啡中重要的活性物质，在咖啡中含量颇高，如绿原酸、咖啡酸、阿魏酸。研究表明，咖啡多酚与抗阿尔兹海默症和改善血管功能多种健康益处具有相关性。

图1 不同提取方法对咖啡原液的总酚含量
Fig.1 Effects of different extraction methods on coffee stock solution chroma total phenolic content

2.4 不同提取方法对咖啡原液的咖啡因、绿原酸、葫芦巴碱含量的影响

咖啡中含有多种活性成分，其中绿原酸、咖啡因、葫芦巴碱的含量较高，且对于咖啡的功能活性有很大贡献。葫芦巴碱、绿原酸和咖啡因的典型液相色谱图见图2。如表5所示，本试验的活性成分含量在文献报道范围内[29]，且加压提取法能提取出最多的生物活性物质，与其他4种方法有显著性差异(P<0.05)。这可能是因为溶剂在压力作用下，进入细胞内部溶解活性成分，或者直接导致细胞破裂，活性成分暴露于提取溶剂中，有效提高了生物活性成分的提取率[22]。

1-葫芦巴碱；2-绿原酸；3-咖啡因； A-葫芦巴碱、绿原酸和咖啡因标准品液相色谱图； B-咖啡原液液相色谱图
图2 典型液相色谱图
Fig.2 Typical liquid chromatograms

表5 不同提取方法下咖啡原液的咖啡因、绿原酸、 葫芦巴碱含量 单位：mg/L

Table 5 Content of caffeine, chlorogenic acid and trigonelline of coffee stock solution extracted by different methods

注：a～d 表示咖啡原液活性成分的差异显著性(P<0.05)

2.5 不同提取方法对咖啡原液抗氧化能力的影响

咖啡具有良好的抗氧化能力，这也是咖啡有益健康的重要原因。如图3所示，5种不同提取方法中，加压提取法[(29.23±1.07) mmol Trolox/L]制得的咖啡原液DPPH自由基清除能力最强，滴漏法[(23.23±1.11) mmol Trolox/L]、超声辅助提取法[(23.17±0.72) mmol Trolox/L]、浸提法[(22.10±0.51) mmol Trolox/L]次之，微波辅助提取法[(18.47±0.90) mmol Trolox/L]最弱。如图4所示，5种不同提取方法中，加压提取法[(46.16±0.55) mmol Trolox/L]制得的咖啡原液ABTS阳离子自由基清除能力最强，滴漏法[(38.53±1.85) mmol Trolox/L]和超声辅助提取法[(38.02±0.79) mmol Trolox/L]次之且无显著性差异(P>0.05)，浸提法[(34.68±1.58) mmol Trolox/L]较弱，微波辅助提取法[(29.15±0.83) mmol Trolox/L]最弱。加压提取法制得的咖啡原液无论是DPPH自由基清除能力，还是ABTS阳离子自由基清除能力都是最强的。如图5所示，5种不同提取方法中，加压提取法·OH 清除能力[(8.32±0.15) mmol Trolox/L]最强，微波提取法[(6.13±0.26) mmol Trolox/L]最弱。3种自由基清除能力测定结果相一致。咖啡原液成分和抗氧化能力相关性分析如表6所示，总酚、葫芦巴碱、绿原酸和咖啡因含量均与抗氧化能力呈显著正相关(P<0.05)，其中总酚与咖啡原液抗氧化能力相关性最强。

图3 不同提取方法下咖啡原液的DPPH自由基清除活性
Fig.3 DPPH radical scavenging activity of coffee stock solution extracted by different methods

图4 不同提取方法下咖啡原液的ABTS阳离子 自由基清除活性
Fig.4 ABTS cationic radical scavenging activity of coffee stock solution extracted by different methods

图5 不同提取方法下咖啡原液的·OH清除活性
Fig.5 ·OH radical scavenging activity of coffee stock solution extracted by different methods

表6 咖啡原液成分与抗氧化能力的相关性分析
Table 6 Correlation analysis between components of coffee stock and antioxidant capacity

注：**表示两项目间呈显著相关性(P<0.05)

2.6 不同提取方法对咖啡原液感官品质的影响

如图6所示，不同提取方法制得的咖啡原液外观无显著性差异，加压提取法制得的咖啡原液感官评价总分(91.0)最高，香味最好，口感润滑但是苦味稍重；微波辅助提取法制得的咖啡原液感官评价总分(86.7)次之，酸味和苦味适中，但是香味稍差；评分最低的为超声辅助提取法制得的咖啡原液(80.2)，咖啡颜色泛白且口感最差。

图6 不同提取方法下咖啡原液感官评价得分
Fig.6 Sensory evaluation score of coffee stock solution extracted by different methods

2.7 不同提取方法对咖啡原液挥发性香气成分的影响

如表7所示，不同提取方法制得的咖啡原液挥发性香气成分有较大差异，加压提取法制得的咖啡原液香气种类最多，超声辅助提取法制得的咖啡原液挥发性香气含量最多，滴漏法制得的咖啡原液香气成分损失最严重。吲哚类物质只有在滴漏法和加压提取法制得的咖啡原液中检测到，且低浓度吲哚具有茉莉花香气。浸泡和超声辅助提取法制得的咖啡原液吡嗪类物质含量比另外3种方法高，并且大多吡嗪类物质具有美好的香气，如2-甲基吡嗪具有坚果的香气，2,5-二甲基吡嗪具有坚果、烘烤和青草的香气等[6]。

5种提取方法制得的咖啡原液的挥发性香气成分也有共同点——呋喃类物质种类和含量最多，分别占总挥发性香气成分含量的78.23%、67.72%、69.62%、68.69%和62.98%，呋喃类物质中含量最多的为糠醛和5-甲基糠醛，具有烘烤和面包的香气，同时也是其他关键香味物质的重要前体。但是在本次实验中未检测到咖啡的关键香气成分——糠基硫醇，这可能是因为其极易通过离子反应和自由基反应降解成其他含硫物质的缘故[29]。

表7 不同提取方法下咖啡原液的挥发性香气成分
Table 7 Volatile aroma components of coffee stock solution extracted by different methods

注：-表示该成分未检出

3 结论

综上所述，5种提取方法中，虽然滴漏法和浸提法操作最为简单，但是滴漏法提取的咖啡原液香气成分损失严重，浸提法提取的咖啡品质较差，均不适合生产优质咖啡饮品。超声辅助提取法制得的咖啡原液颜色泛白，口感差，且容易出现提取过度的现象。微波辅助提取法制得的咖啡原液感官品质较好，但是活性成分含量低，抗氧化活性弱，品质最差。加压提取法制得的咖啡原液的总酚含量和活性成分含量高、抗氧化活性强，品质最优，并且感官评价最好，香气丰富。综合比较5种提取方法，加压提取法最适合作为生产优质咖啡饮品的方法。