超声波法提取咖啡中水溶性固形物工艺研究

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摘要： 以焙炒云南小粒咖啡为原料，水为提取溶剂，研究并优化超声波法提取咖啡中水溶性固形物的最佳工艺参数，通过单因素试验和正交试验可以确定提取的最佳工艺。试验结果得出：用超声波法处理小粒咖啡，提取其中的水溶性固形物的最佳条件为浸提比1：20，超声浸提温度50℃，超声时间60min，咖啡颗粒粒度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.

关键词： 小粒咖啡；超声波法；水溶性固形物

Key words： coffea arabica；ultrasound；soluble material

中图分类号：O644.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）23-0114-03

0 引言

咖啡（coffea）是茜草科植物（Rubiaceae）的一种。叶片深绿色，呈长椭圆形，叶面光滑，每片长10～15厘米，边缘如波浪状。咖啡树枝末梢很长，叶片两两对生[1]。它的果实即为咖啡豆，经炒熟、粉碎制成咖啡，外观为棕褐色，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、蛋白质、矿物质和酸类物质。咖啡饮料具有独特的咖啡香气、味道醇厚可口，并且营养丰富，故和可可、茶叶组成了世界上三大饮料，其产量和消费量居三饮料之首。咖啡具有减肥、抗衰老、抗痴呆、保健大脑、预防癌症，防辐射等保健功效[3]。试验采用的咖啡属变异种，其种植历史可追溯到1892年，一位法国传教士从境外将咖啡种带进云南，经过长期的栽培驯化而成，一般称为云南小粒种咖啡。

速溶咖啡的常规生产工艺主要有三个部分：提取、浓缩和干燥[4，5]。其中水溶性固形物的提取又是保证产率和品质的关键所在。提取的主要目的是将焙炒过的咖啡中的水溶性物质以水为媒介，浸提出来，从而使咖啡粉具有速溶性。这些水溶性固形物有：碳水化合物、咖啡因、绿原酸、咖啡酸、单宁酸等。传统的提取工艺主要是用热水浸提，但该法所要求的温度较高，时间较长。超声波提取法的原理是利用超声波辐射压强产生的空化、扰动效应和搅拌作用，增大物质分子运动频率和速度，增加浸提媒介的穿透力，使其能够快速地进入咖啡中，将其咖啡所含的水溶性成分尽可能完全地溶于浸提媒介之中，从而有利于水溶性固形物的提取[6-8]。超声波作为一种提取技术，具有时间短、效率高等特点，同时可防止浸提物在长时间、高温条件下发生不良反应。

1 材料和方法

1.1 试验材料

云南小粒咖啡（焙炒豆）： 由德宏州宏天实业（集团）有限公司提供。

1.2 试验仪器和设备

超声波细胞破碎机：上海杜斯仪器有限公司。

其它仪器设备：研磨机、恒温干燥箱、电子分析天平、玻璃器皿等。

1.3 分析方法

精确称取10.000～20.000g研磨处理好并分级过的咖啡粉放入500mL锥形瓶，加入蒸馏水。设置好超声波功率后进行提取，在提取过程中要不断的搅拌。提取完成之后迅速过滤，将滤液和渣分离，于相同条件下进行第二次浸提，把两次所得滤液混合并冷却后移入容量瓶定容。用移液管从容量瓶中取50mL咖啡滤液至小烧杯中，蒸干后放入恒温干燥箱（干燥温度设定为105±3℃，干燥r间为5h）。恒重称量，按下式计算咖啡水溶性固形物的提取率[9-10]。

式中：A0―样品重量，g；

A1―水提取物重量，g；

a―咖啡样品中水溶性物质含量百分率，%。

1.4 试验方法

1.4.1 单因素实验

以提取率为主要考察指标，研究不同的温度、时间、料液比和咖啡颗粒粒度对咖啡中水溶性固形物提取率的影响。

1.4.2 正交实验

根据单因素实验得到的结果，分析确定各因素的水平，以提取率为主要考察指标，选择了四个有关因素（处理温度、时间、料液比和粒度）进行条件实验，通过数据分析从而得到最适生产条件[11]。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 料液比的确定

选用粒度为40目的咖啡粉，在处理时间为60min，温度为50℃的条件下，研究不同的料液比对提取率的影响，结果见图1。

由图1可以看出，随着料液比（提取用水量）的增加，提取率先是逐渐增大，之后又略有减小。当料液比为1：20时，提取率达到最大值22.9%，之后不再增加。因此根据试验结果得出提取的最佳料液比为1：20。

2.1.2 处理时间的确定

选用40目的咖啡粉，在料液比1：20，温度50℃的条件下，研究处理时间对提取率的影响，结果如图2所示。

由图2得出，随着处理时间的增加，提取率逐渐提高，当提取时间到达60min时，提取率达到最大值22.9%，之后开始下降。这可能是因为超声波具有较强的机械剪切作用，长时间的作用使得大分子物质如油脂等发生分子断裂，从而在后续的过滤处理中影响水溶性固形物的提出率。另外考虑到提取时间如果太长，也会增加生产成本，故提取时间以60min为最佳。

2.1.3 温度的确定

用粒度为40目的咖啡粉，在料液比1：20，处理时间为60min的条件下，研究超声温度对水溶性固形物提取率的影响，结果见图3。

由图3可以看出，超声波处理时所用温度越高，提取率就越高。在20～50℃时，随着温度的升高，其提取率快速增加，从18.4%提高到22.9%，而当超声波处理所用温度超过50℃时，随着温度的升高，其提取率增加很少，且在较高温度和较长时间下用超声波进行处理，会影响到后续的过滤效率。因此，综合考虑选择50℃为超声波处理最佳提取温度。

2.1.4 粒度的确定

在料液比1：20，浸提时间为60min，浸提温度为50℃的条件下，选取不同粒度的咖啡粉研究其对提取率的影响，结果见图4。

由图4可以看出，咖啡粒度对提取率的影响不是很明显，随着颗粒粒度的增加，提取率有所增加。但太细的颗粒首先是机械粉碎不易达到，其次是增加了后续过滤工艺的难度。因此，选择40目为云南小粒咖啡浸提时的最佳粉碎粒度。

2.2 正交试验结果

2.2.1 超声波正交试验

用单因素试验筛选出的最佳提取条件设计正交试验，选定以料液比、时间、温度和粒度为因素设计四因素、三水平的正交实验L9（34）寻求最佳提取条件。所设计的提取率试验因素水平表见表1，结果见表2。

2.2.2 最佳提取条件

以提取率为考察指标，由表2得出，最佳浸提条件为A2B2C2D3，即料液比1：20，超声温度50℃，超声时间60min，咖啡颗粒粒度50目。从极差分析得知：各个因素对提取率的影响顺序为C（超声温度）>B（超声时间）>D（颗粒粒度）>A（料液比）。也就是说，超声波处理时所用温度对云南小粒咖啡中水溶性固形物提取率的影响最大，其次是超声波处理时间和所用咖啡粉颗粒粒度，料液比对提取率影响最小。

另外，在相同的浸提条件（即咖啡粒度40目，料液比1：20，浸提温度50℃，浸提时间60min）下，采用传统的热水浸提所得云南小粒咖啡中水溶性固形物提取率仅为13.0%，与超声波处理后所得22.9%的提取率相差甚远，故采用超声波浸提效果明显。

3 结论

在料液比、时间、温度和颗粒粒度各单因素实验的基础上，设计正交实验，得出超声波提取云南小粒咖啡中水溶性固形物的最佳提取条件为浸提比1：20，浸提温度50℃，浸提时间60min，咖啡颗粒粒度40目。与传统的热水浸提法相比，用超声波提取咖啡中水溶性固形物具有较大的优势。

⒖嘉南祝

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