咖啡豆蛋白质的提取工艺条件优化及其成分研究

◎ 甄鹏晨，高育哲

（沈阳师范大学粮食学院，辽宁 沈阳 110034）

咖啡豆，普遍是指用于制作咖啡的植物果实，早期的食用方式是阿拉伯人发明的，他们将整颗果实（coffee cherry）咀嚼以吸取其汁液。后来他们将磨碎的咖啡豆与动物的脂肪混合，以此作为长途旅行的体力补充剂，一直到约公元1000年，咖啡豆才被拿来在滚水中煮沸成为芳香的饮料。近年来，人均体重逐渐增加，咖啡作为一种减肥饮品已成为大众的心头喜，并衍生了我国所特有的咖啡文化，而咖啡豆也广泛应用于我国的食品工业中。此外，咖啡豆并非只能作为人类的食物，有研究表明，咖啡豆中所含的球蛋白具有独特的理化性质和很好的驱虫效果，但关于提取咖啡豆蛋白质的最优工艺条件及其性质的研究，目前国内少有报道。本实验以正交实验法探究碱溶酸沉法提取咖啡豆蛋白质的最佳条件，并对提取的咖啡豆蛋白质性质进行测定。本研究可以有效减少咖啡豆的物料消耗，实现废物减量化、资源化，符合当前所倡导的绿色工业理论，同时对咖啡副产品的开发具有一定的研究意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 原料

以同一批次的多袋云南景庆生咖啡豆为原料，经彻底粉碎研磨后过100目筛，放在烘箱中以40 ℃低温烘干至恒重之后，待称量备用。

1.1.2 试剂

氢氧化钠、石油醚、盐酸、硫酸、硫酸钾、硼酸、亚甲基蓝、甲基红和蒸馏水等，除蒸馏水为实验室自制外，均为分析纯。

1.2 仪器与设备

Hettich台式高速冷冻离心机Mikro-220R（德国Hettich公司）、SKD-200凯氏定氮仪（上海沛欧分析仪器有限公司）、高速分散机（ULTRA-TURRAX T 25 basic IKA-WERKE）、氨基酸分析仪（塞卡姆S433D氨基酸分析仪）、HH-6型数显恒温水浴锅（常州国华电器有限公司）、精宏电热恒温水浴锅（上海精宏实验设备有限公司）、电子天平（沈阳龙燚电子科技公司）、ESJ120-4B型分析天平（沈阳龙腾电子有限公司）、BCD-205小天鹅冰箱（江苏小天鹅电器有限责任公司）、UV5100型紫外分光光度计（上海元析仪器有限公司）。

1.3 提取流程

本研究采取碱溶酸沉的传统方法提取咖啡豆蛋白，经冻干后对得出的蛋白质粉末进行蛋白质提取率的测定，确定最优的提取工艺条件。咖啡豆蛋白质的提取工艺流程如下：生咖啡豆→研磨粉碎→过筛→石油醚脱脂→碱液溶解→离心取上清液→加酸至等电点→离心取沉淀→冻干→咖啡豆蛋白质。

1.4 单因素实验

在正交实验之前，首先进行单因素实验，确定该因素是否会对咖啡豆蛋白质的提取产生影响以及影响的幅度。在本研究中，在控制其他变量不变的情况下，分别对咖啡豆蛋白质碱溶酸沉中所采用的提取温度（35、40、45、50、55 ℃和60 ℃）、提取时间（30、45、60、75、90 min 和 105 min)以及 pH（8、9、10、11、12和13）这3项因素进行控制，在不同条件下进行碱溶酸沉法提取咖啡豆蛋白质。提取后采用冻干法制得蛋白质粉末，称量确定在该条件下咖啡豆蛋白质的提取量，并比较不同结果。

1.5 正交实验

以咖啡豆蛋白质提取率为指标，对提取温度、提取时间、碱溶时的pH为影响因素，进行三因素三水平正交实验设计，因素水平见表1。

表1 咖啡豆蛋白质提取工艺正交因素表

1.6 氨基酸组成的测定

称取少量咖啡豆粉末，将其送入氨基酸分析仪中，依照GB 5009.124-2016《食品安全国家标准 食品中氨基酸的测定》中所示方法测定咖啡豆粉末中不同的氨基酸。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 提取温度的确定

在控制其他变量（提取时间60 min、酸碱度pH 11）不变的情况下，在不同提取温度的条件下进行实验，所得结果如图1所示。

图1 不同提取温度条件下咖啡豆蛋白质的提取率图

由图1可知，提取温度因素对咖啡豆蛋白质提取率的影响较为平缓，随着提取温度的逐渐上升咖啡豆蛋白质的提取率也在逐渐上升。当温度处于45～50 ℃时，咖啡豆蛋白质的提取率有较大提高，推测可能在45～50 ℃处于较优的提取工艺条件，因而提高率较高。

2.1.2 提取时间的确定

在控制其他变量（提取温度60 ℃、酸碱度pH 11）不变的情况下，在不同提取时间的条件下进行试验，所得结果如图2所示。

由图2可知，提取时间因素对咖啡豆蛋白质提取率的影响较高，随着提取所用的时间逐渐增长，咖啡豆蛋白质的提取率由15.07%逐渐上升到了最高的38.47%，最后趋于平缓甚至逐渐下降的趋势。推测产生这种趋势的原因是单因素实验中所使用的温度较高，长时间水浴提取可能会导致某些蛋白质结构发生改变从而变性。

2.1.3 pH值的确定

在控制其他变量（提取温度50 ℃、提取时间60 min）不变的情况下，在不同pH的条件下进行实验，所得结果如图3所示。

图3 不同pH下咖啡豆蛋白质的提取率图

由图3可知，酸碱度对咖啡豆蛋白质的提取影响较高，这种现象在pH＜9或pH＞12时尤为明显，而在pH 9～11影响较小，且在pH 9～11时咖啡豆蛋白质的提取率要明显高于不同的pH值时咖啡豆蛋白质的提取率。推测产生这种趋势的原因是因为当pH过低时，提取液的酸碱度与水几乎无异，无法很好地溶解咖啡豆粉末中的蛋白质，从而导致咖啡豆蛋白质的提取率偏低；而当pH较高时，溶液中过量的碱离子会导致咖啡豆蛋白质结构改变从而变性，导致提取出来的蛋白质量减少。同时，该单因素实验的蛋白质提取率显著小于其他单因素实验，初步考虑是因为其他变量不适而导致的。

2.2 正交实验结果

使用正交实验法探究提取温度、提取时间、溶液酸碱度3种因素对咖啡豆蛋白质的提取率的影响。结果见表2。

表2 正交实验结果及数据处理表

通过表2所列数据的计算，可以计算由于因素A（温度）的变化所引起的蛋白质提取率的变化。由于在项KA1、KA2、KA3中，因素BC的各水平均只出现了1次，且因B、C间无交互作用，所以B、C两因素的不同组合理论上对各实验数据不存在影响。因此，对于该研究来说，三组实验的条件是完全相同的。若因素A对实验结果无影响，则KA1、KA2、KA3三项数值应相等。但通过对比，我们可以发现在因素A的三个水平中，KA1、KA2、KA3三项数值明显并不相等，且KA1

同理，可以对因素B、C进行以上计算，得出的结果如表2所示。由结果可得结论：在碱溶酸沉法对咖啡豆蛋白质进行提取的过程中，因素B（进行提取的时间）和因素C（提取时的酸碱度）对咖啡豆蛋白质的提取率均具有影响。其中因素B的影响较为显著，在本实验研究范围内的最适时长是90 min；而因素C的影响较为微小，在本实验研究范围内的最适酸碱度为pH 10。

由表中R（极差值）可知，提取温度、提取时间、酸碱度3种因素对咖啡豆蛋白质提取率影响大小依次为提取时间＞提取温度＞酸碱度，其中时间是影响咖啡豆蛋白质提取率的主要因素。

2.3 咖啡豆蛋白质的氨基酸组成

实验取咖啡豆原料粉末0.115 g，测定其氨基酸的组成及含量，结果见表3。

表3 咖啡豆原料粉中各项氨基酸组成表

由表3可以看出，咖啡豆粉末中氨基酸的含量非常丰富，都含有谷氨酸、天冬氨酸、亮氨酸、精氨酸等共16种氨基酸。其中对于成年人来说的8种必需氨基酸包含6种，相对较为齐全，配比也较为合理。必需氨基酸与条件必须氨基酸的总含量合计占了总质量的7.50%、占了蛋白质总质量的67.02%，尤其其中赖氨酸的含量处于中等偏上的比例，可以一定程度上弥补我国传统膳食结构中的赖氨酸的不足，减少“赖氨酸缺乏症”的产生。尽管咖啡豆粉末或者咖啡制品不易大量摄入，但咖啡蛋白质独特的组成和性质未来在工业上也许会另有用途。

3 结论

在碱溶酸沉法提取咖啡豆蛋白质的工艺过程中，对蛋白质提取率造成较大影响的因素是进行碱溶提取工艺的时间，对蛋白质提取率影响较小的因素为进行提取时的酸碱度（在适宜范围内）。而在本实验的研究范围中，最佳工艺条件为温度55 ℃、提取时间90 min、碱溶的pH 10。

咖啡豆蛋白质中氨基酸种类较为丰富，人体必需氨基酸比例较高，占咖啡粉总质量的7.50%、咖啡豆蛋白质总质量的67.02%。