超微粉碎对咖啡果皮理化性质、结构及吸附能力的影响

罗白玲 刘敦华 董文江 胡荣锁 龙宇宙 陈治华 蒋快乐

摘  要：本研究以咖啡果皮為原料，对其进行传统粉碎和超微粉碎，分别得到不同粒度的咖啡果皮粉。通过测定不同粒度粉体的持水性、膨胀性、持油性、溶解性和阳离子交换能力表明，随着粒度的减小，粉体的物理性状都有不同程度的改善，其中膨胀性和溶解性显著增加，分别从3.86 mL/g增加到6.14 mL/g、13.23%增加到44.50%;通过测定不同粒度粉体的吸附性能表明，随着粒度的减小，粉体对葡萄糖、胆固醇和亚硝酸盐的吸附能力增强，且超微粉与传统粉间差异显著，超微粉对三者的吸附能力分别为42.42 mg/g、29.34 mg/g、224.56 ?g/g，吸附率分别为63.04%、67.38%、75.91%;扫描电镜和傅里叶变换红外光谱结果表明，超微粉碎能显著降低粉体粒度，但对粉体结构组成无显著改变。本研究结果表明超微粉碎能赋予咖啡果皮更好的加工和功能特性，下一步可考虑作为新的食品加工配料资源，提高咖啡副产物的利用价值。

关键词：咖啡果皮;超微粉碎;理化性质;吸附能力中图分类号：S571.2;TS209      文献标识码：A

Effect of Ultrafine Grinding on Physicochemical Properties， Structure and Adsorption Capacity of Coffee Peel

LUO Bailing^{1， 2， 3}， LIU Dunhua^1*， DONG Wenjiang^2*， HU Rongsuo²， LONG Yuzhou²， CHEN Zhihua⁴， JIANG Kuaile⁴

1. School of Agriculture， Ningxia University， Yinchuan， Ningxia 750121， China; 2. Spice and Beverage Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Wanning， Hainan 571533， China; 3. Department of Medical Education， Dingxi Campus， Gansu University of Traditional Chinese Medicine， Dingxi， Gansu 743000， China; 4. School of Tropical Crops， Yunnan Agricultural University， Puer， Yunnan 665000， China

Abstract： Coffee peel powder with different particle sizes was obtained by the traditional pulverization and ultrafine pulverization. By measuring the water holding capacity， swelling capacity， oil holding capacity， solubility and cation exchange capacity of the powders， it showed that the physical properties of the powders were improved with the decrease of particle sizes， among them swelling and solubility were significantly increased from 3.86 mL/g to 6.14 mL/g and 13.23% to 44.50% respectively. By measuring the absorption properties of the powders， it showed that with the decrease of the particle size the adsorption capacity of the powders were enhanced， and the difference between the ultrafine powder and traditional powder was significant. The adsorption quantity of the ultrafine powder to glucose， cholesterol and nitrite was 42.42 mg/g， 29.34 mg/g and 224.56 ?g/g respectively， and the adsorption rates was 63.04%， 67.38% and 75.91% respectively. Scanning electron microscopy and Fourier transform infrared spectroscopy results showed that ultrafine pulverization could significantly reduce the powder particle size but had no significant change on the powder structure. The results of this study indicate that ultrafine pulverization can impart better processing and functional properties to coffee peels. The next step can be considered as a new food processing ingredient resource to improve the utilization value of coffee by-products.

Keywords： coffee peel; ultrafine pulverization; physical and chemical properties; absorption capacity

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.06.021

咖啡是我国重要的热带饮料作物，与可可、茶同为世界三大饮料，主产国包括巴西、印度、墨西哥、印度尼西亚、埃塞俄比亚和哥伦比亚等国^[1]。咖啡在我国主要种植在海南和云南地区，分别为中粒种罗布斯塔和小粒种阿拉比卡品种，种植面积达3.6×10⁵ hm²以上，已成为海南和云南农民增收致富的重要产业之一。咖啡在加工过程中会产生较多副产物，主要有咖啡果皮、银皮及咖啡渣等，其中咖啡果皮是咖啡加工最主要的副产物。2016年我国咖啡果皮年产50余万t ^[2]，除少数作为肥料还田外，大多被丢弃，不仅造成资源浪费，也对环境造成污染。据研究报道，咖啡果皮含大约35%～80%的碳水化合物，总膳食纤维的含量可达70%左右^[3]。此外，还含有4%～12%的蛋白质、0.5%～3%的脂类、3%～10%的矿物质、1%～9%的单宁、约1%的咖啡因^[4]。

目前，国内外关于咖啡果皮研究已经从传统燃料、动物饲料、堆肥、园艺、蘑菇生长等粗放型研究转变到更精细化利用的研究上。Heeger等^[5]用咖啡果皮制作新型的咖啡果皮茶饮料;张云鹤等^[6]从咖啡果皮里提取了花青素;Murthy等^[7]报道了花青素-3-芦丁苷是咖啡果皮中的主要花青素;Amaia等^[8]从咖啡果皮中提取了具有抗氧化性的膳食纤维;Velez等^[9]从咖啡皮中开发出一种新的有趣的配料——咖啡粉，建议用于不同的食品配方，如面包、饼干、意大利面、酱汁和饮料来作为增值产品。超微粉碎技术粉碎的物料具有颗粒粒径小、孔隙度高、比表面积大、原料中营养物质释放率高等特点而广泛应用于水果蔬菜类、调味料、肉类、粮食淀粉类、药食兼用类等食品加工行业中^[10]，不仅能改善物料的理化加工特性，还能不同程度提高物料的生物活性物质^[11-14]。在咖啡应用方面，文娜娜等^[15]曾研究了咖啡超微粉的颗粒特征及其对加工适应性的影响，发现粒度小的咖啡粉具有较好的持水力、溶解性、分散性和持油力。但目前还未见利用超微粉碎技术在咖啡果皮方面应用研究的报道。

因此，本研究将超微粉碎技术应用到咖啡果皮的研究中，探索粒度大小对咖啡果皮物理性质（持水性、膨胀性、溶解性、持油性和阳离子交换能力）和吸附能力（葡萄糖吸附能力、亚硝酸盐吸附能力和胆固醇吸附能力）的影响，旨在选择出较好的粒度分布范围，赋予物料更好的加工和功能特性，扩大咖啡果皮的应用范围，为咖啡果皮的高值化利用提供理论依据和技术支撑。

1  材料与方法

1.1材料

1.1.1  材料与试剂  咖啡果皮来自中国热带农业科学院香料饮料研究所咖啡试验基地。葡萄糖、蒽酮、胆固醇、邻苯二甲醛、亚硝酸钠、氨基苯磺酸、盐酸萘乙二胺、冰乙酸、浓硫酸、盐酸、氯化钠、氢氧化钠、硝酸银、无水乙醇等，均为分析纯。

1.1.2  仪器与设备  Mastersizer3000激光粒度分析仪，英国 Malvern;Nicolet 6700傅里叶变换近红外光谱仪，美国Thermo Fisher;Phenom Prox台式显微能谱一体机，荷兰Phenom;Specord 250Plus紫外-可见分光光度仪，德国耶拿;RH-600高速万能粉碎机，天津泰斯特仪器有限公司;XDW-6B超细粉碎机，济南达微机械有限公司;Avanti JXN-26高速冷凍离心机，美国Beckman。

1.2方法

1.2.1  不同粒度传统粉碎咖啡果皮粉样品的制备  水分含量干燥至<10%的咖啡果皮用高速万能粉碎机粉碎，逐次过40、60、80、100目筛，40目和60目之间的样品为M40，60目和80目之间的样品为M60，80目和100目之间的样品为M80，将其置于密封袋在干燥器中保存备用。

1.2.2  超微粉碎咖啡果皮粉样品的制备  利用超细粉碎机将干燥至水分含量<10%的咖啡果皮粉碎30 min，得到咖啡果皮超微粉（UCP），将其置于密封袋，放在干燥器中保存备用。

1.2.3  咖啡果皮粉粒度的测定  采用激光粒度分析仪的干法测定其粒度分布状况。有关粒径分布的参数主要包括D₉₀、D₅₀、D₁₀，分别表示1个样品的累计粒度分布百分数分别达到90%、50%、10%时所对应的粒径大小（?m）。

1.2.4  咖啡果皮粉物理性状的测定  （1）持水力的测定^[16]。准确称取0.5 g试样（m₀）于已知质量（m₁）的50 mL离心管中，加蒸馏水20 mL，摇匀在室温下放置24 h，4000 r/min离心10 min，使用吸管小心弃去上清液，并用吸水纸吸干离心管壁残留的水分，称量湿试样的质量为m₂。

（5）阳离子交换能力的测定^[16]。分别称取不同粒度的咖啡果皮粉1.0 g，加入40 mL的0.1 mol/L的HCl溶液，摇匀在室温下浸泡24 h后过滤，用蒸馏水洗掉过量的酸，10%的硝酸银溶液滴定滤液，直到不含氯离子为止（无白色沉淀产生），將滤渣干燥后取0.25 g样品加入到100 mL的NaCl溶液（150 g/L）中，用磁力搅拌机搅拌均匀后，每次用0.2 mL的0.1 mol/L NaOH溶液进行滴定，记录对应的pH，直到pH变化很小为止，根据得到的数据作V（NaOH）与pH关系图。

1.2.5  咖啡果皮粉傅里叶变换红外光谱分析  取1.0 mg干燥的果皮粉于玛瑙研钵中，加入100.0 mg干燥的光谱纯KBr充分研磨均匀后进行压片，将压好的透明薄片放入仪器进行分析扫描，扫描次数为64次，分辨率4 cm^?1，扫描范围400～ 4000 cm^?1。

1.2.6  咖啡果皮粉扫描电镜观察  微观结构在15 kV条件下用扫描电子显微镜进行扫描观察。将微量干燥的样品固定镀金后置于扫描电子显微镜下扫描，分别观察放大200、500、1000倍的扫描电镜图像。

1.2.7  咖啡果皮粉吸附能力的测定  （1）葡萄糖吸附能力。葡萄糖的测定采用蒽酮比色法。参照郭晓蕾等^[17]的方法绘制标准曲线，具体为取6支10 mL的比色管，分别加入0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL浓度为0.1 mg/mL的葡萄糖标准溶液，然后在每管中加入4 mL的蒽酮试剂，摇匀后沸水浴10 min，冷却放置10 min后，以0 μg/mL溶液为空白，在625 nm波长下测吸光度。其标准曲线的回归方程为y=0.0078x?0.0150，R²=0.9997。

参考Luo等^[18]的方法进行样品的测定。准确称取1.0 g试样放到100 mL 0.5 mg/mL葡萄糖溶液中，将溶液的pH调至7.0左右（模拟小肠环境），再把溶液放入37 ℃的恒温振荡器中振荡6 h。在4000 r/min的条件下离心10 min，准确移取上清液1.0 mL，同标准曲线做法，用分光光度计测定上清液中葡萄糖含量。同时做空白实验，吸附量计算公式如下：

（2）胆固醇吸附能力。胆固醇的测定采用邻苯二甲醛比色法。参考张汝娇等^[19]的方法制作标准曲线，取0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL 0.1 mg/mL胆固醇标准溶液，冰乙酸对应补足至0.5 mL，混匀后加入OPA试剂（50 mg邻苯二甲醛溶于冰乙酸，定容至100 mL）0.5 mL和混合酸（浓硫酸和冰乙酸等体积混合）4.0 mL，充分混匀，室温静置10 min，在550 nm测定吸光度值，绘制标准曲线。回归方程为y=0.0122x+0.1223，R²=0.9908。

参考Hua等^[20]的方法测定样品，取新鲜鸡蛋2个，分离蛋黄和蛋清，在蛋黄中加入9倍体积的蒸馏水用均质机搅打成均匀的乳液。分别取不同粒度的样品1.0 g，加50 mL搅打均匀的蛋黄乳液，调节pH至7.0（模拟人体小肠环境），37 ℃恒温振荡2 h，4000 r/min离心10 min，取上清液测定吸光度值，按照下式计算上清液中的胆固醇质量。

（3）亚硝酸盐吸附能力的测定。参照钟希琼等^[21]的方法测定：分别于10 mL具塞比色管加入0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL 浓度为5 μg/mL的NaNO₂标准溶液，加入2.0 mL氨基苯磺酸溶液（4 g/L），将溶液混合均匀后放置3～5 min，加入1.0 mL盐酸萘乙二胺溶液（2.0 g/L），混合均匀并静置15 min，以空白为参比，在波长538 nm处测吸光度值并绘制标准曲线，回归方程为y=0.0858x+0.0185，R²=0.9982。

样品测定：分别准确称取1.0 g样品于150 mL锥形瓶，加入50 mL NaNO₂（200 μg/mL）溶液，调节锥形瓶中液体的pH为2.0（模拟人体胃液环境），在37 ℃下的恒温振荡器振荡2 h，过滤弃去初滤液20.0 mL后用移液管移取1.0 mL的样品溶液，按照标准曲线的方法测定NO^2?的含量，计算对NO^2?的吸附量。

1.3数据处理

实验重复测定3次以上，图表中数据均以平均值±标准偏差表示，采用Origin 9.0软件绘图，采用SPSS 20.0软件分析数据之间的显著性。

2  结果与分析

2.1咖啡果皮粉粒径分析

在食品加工行业，物料的粒度会显著影响成品的口感、风味、质地和物化指标。如表1所示，M40、M60、M80、UCP的咖啡果皮粉的中值粒径D₅₀分别为（465.23±7.03）、（303.33±1.47）、（200.87±0.01）、（8.95±0.12） μm，表明利用超微粉碎设备并通过控制一定的操作参数可以将物料粉碎到10 μm以下，能显著降低粉体的粒度，粒度越小，比表面积越大，活性基团暴露越多，有利于物料持水性、溶解性、膨胀力等物理性质的改善，这也与不同粒度咖啡果皮的水合性质分析结果相一致。UCP的粒距明显大于不同粒度的3种常规粉体，表示超微粉体具有较宽的颗粒尺寸分布范围，这与粉碎方法、粉碎程度，特别是物料本身的类型有关^[22]。

2.2咖啡果皮粉水合性质和持油性分析

咖啡果皮粉的水合性质主要包括它的持水性、膨胀力和溶解性等。由表2所示，粉体的持水力随着粒度的减小而增加，但各样品粒径之间差异不显著;粉体的膨胀力也随着粒度的减小而增加，从3.86 mL/g增加到6.14 mL/g，其中M40、M60、M80三者之間的差异不显著，但与UCP之间的差异显著;不同粒径粉体的溶解性随粒度的减小显著增加，从13.23%增加到44.50%，其中M60和M80之间差异不显著，但与M40和超微粉之间差异显著;粉体的持油性也随粒度的减小而增加，超微粉与传统粉之间的持油性差异显著，但传统粉碎的粉体之间的差异不显著。

2.3  咖啡果皮粉阳离子交换能力分析

由图1所示，不同粒径的咖啡果皮粉的阳离子交换能力随着粉体粒径的减小而增加，即UCP> M80>M60>M40。在NaOH滴入量为0～0.4 mL时，随着NaOH体积的的增加，溶液的pH缓慢增加;在NaOH滴入量为0.4～1.2 mL时溶液的pH随NaOH的增加而快速上升，其中阳离子交换能力最弱的是M40，最强的是UCP。之后随着NaOH滴入量的增加，pH基本趋于一致。

2.4咖啡果皮粉傅里叶变换红外光谱分析

图2所示为不同粒径咖啡果皮粉的红外光谱图，在3419 cm^-1处的强吸收峰是?OH的伸缩振动吸收峰，是天然纤维素的特征谱带，由一些游离羟基和分子内氢键缔合形成的伸缩振动吸收^[23]，在2923 cm^-1处的显著吸收峰是C-H的伸缩振动吸收峰，代表半纤维素多糖化合物的典型结构，在1625 cm^-1处有明显的吸收峰，分别在1747 cm^?1和1517 cm^?1处有2处肩峰，可被归类为木质素中的芳香苯，糖醛酸和多酚中?COOH中C-O伸缩振动峰^[24]。在950～1200 cm^-1的吸收峰，被认为是碳水化合物的“指纹”区域，因为它能识别糖类主要化学组成^[25]。以上结果表明，咖啡果皮具有典型的纤维素多糖官能团，包括果胶、纤维素、半纤维素和木质素，而且随着粒度的减小咖啡果皮的化学组成变化不显著，超微粉碎也没有显著改变它的结构组成。

2.5咖啡果皮粉扫描电镜分析

从图3所示，传统粉碎的粒径较大并呈现出不规则的形状，其中M40颗粒比较致密和紧凑，M60颗粒和M80颗粒表面呈现出疏松和层次状，这与传统粉碎时作用力不均匀有关，超微粉碎的颗粒粒径显著减小，比表面积大幅度增加，这也是造成超微粉物化性质改变的主要原因，在放大1000倍的图中可以看出小颗粒之间已经发生了轻微的团聚的现象，这是因为粉体粒径减小到一定程度后，粉体表面的吸附性增强，分子之间相互吸引，发生分子间聚集而引起的。

2.6咖啡果皮粉吸附能力分析

2.6.1  葡萄糖吸附能力  从图4中可看出，M40粒径的果皮粉对葡萄糖吸附能力很弱（5.84 mg/g），吸附率仅为1.85%，随着粒径的减小，M60的吸附能力增加到19.96 mg/g，吸附率增加到28.40%，M80的吸附能力增加到23.60 mg/g，吸附率增加到35.10%，UCP的葡萄糖吸附能力达42.42 mg/g （P<0.05），吸附率达63.04%（P<0.05）;不同粒径样品间葡萄糖吸附能力存在显著差异。超微粉样品吸附能力显著增强可能是由于其极性和非极性基团暴露在外，增大了样品与葡萄糖分子的接触面积而引起的。

2.6.2  胆固醇吸附能力  如图5所示，胆固醇的吸附能力随着粒径的减小而增加，在粒径为M40、M60、M80和UCP时，胆固醇的吸附能力分别为6.88、15.04、21.13、29.34 mg/g，吸附率分别为15.74%、31.31%、44.02%、67.38%，传统粉碎样品之间以及超微粉和传统粉之间均有显著差异。咖啡果皮粉中膳食纤维含量较高，其对胆固醇的吸附性是其降血脂的作用机制之一，可使得胆固醇吸附后随粪便排出，从而降低体内胆固醇含量，因此，胆固醇吸附能力可间接反映其降血脂能力。

2.6.3  亚硝酸盐吸附能力  图6所示为不同粒径样品亚硝酸盐吸附能力对比图，从图中可看出，随着样品粒径的减小，咖啡果皮粉对亚硝酸盐的吸附能力从186.45 ?g/g（M40）增加到224.56 ?g/g（UCP），吸附率从63.62%（M40）增加到75.91%（UCP），传统粉碎的粉体M40、M60、M80之间亚硝酸盐吸附能力差异均不显著，但与超微粉碎的粉体有显著差异。结果表明，超微粉碎不仅可提高咖啡果皮粉的葡萄糖吸附能力和胆固醇吸附能力，亚硝酸盐吸附能力也与上述2个指标具有相似的变化趋势。

3  讨论

（1）物质的性质取决于物质本身的结构和组成。在本研究中，咖啡果皮粉的物理性状指标随着粒度的降低而均有不同程度的改善，其中超微粉碎的粉体和传统粉碎的粉体之间的差异较显著，这与Zhu等^[13]关于超微粉碎改善了麸皮膳食纤维功能特性的研究结果是一致的，这可能是因为超微粉碎后粉体粒径减小，比表面积增加，多孔性增加，促进可溶性物质的溶出，更多亲水、亲油基团暴露出来从而增加了粉体的水合和持油性质，但此结论与Zhao等^[22]关于米糠膳食纤维持油性的测定结果相反，这可能是因为物料的某些性质不仅仅是和颗粒的大小有关，还与物料本身、加工方法、加工参数都有关。粉体的阳离子交换能力随着粒度的减小而增高，这与姜永超等^[26]的研究结论相一致，这主要是因为果皮粉在超微粉碎的过程中由于强压力、剪切力和摩擦力等作用，使颗粒组织破碎，使颗粒分子中的羧基和羟基等侧链基团的暴露增多，所以呈现出阳离子交换能力增加的现象^[27]。

（2）咖啡果皮的主要成分为膳食纤维。膳食纤维可以吸附葡萄糖并阻止其扩散从而起到降血糖的作用^[28]，随着粒度的减小，葡萄糖吸附力从5.84 mg/g增加到42.42 mg/g，且超微粉与传统粉间存在差异显著。这可能是因为随着粒度的减小本来被包裹的功能基团暴露出来与葡萄糖分子的接触面积增大，以及疏松多孔的结构也有利于促进葡萄糖的吸附作用。胆固醇吸附力从6.88 mg/g增加到29.34 mg/g，这主要是果皮粉中可溶性和不溶性膳食纤维共同作用的结果。超微粉在粉碎过程中由于物理改性作用释放更多的可溶性膳食纤维，研究表明，可溶性膳食纤维比不溶性膳食纤维对胆固醇有更好的吸附能力^[29]。亚硝酸盐吸附力从186.45 ?g/g增加到224.56 ?g/g，亚硝酸盐在特定的条件下可以生成具有致癌作用的亚硝胺化合物，对人体的健康存在潜在威胁。很多研究表明亚硝酸盐在pH 2.0条件下的吸附量大于pH 7.0时的吸附量，在酸性条件下，NO^2?可与H⁺结合生成HNO^?₂，HNO^?₂又形成大量的氮氧化合物，其中包括强电子亲和化合物三氧化二氮，与膳食纤维中酚酸基团结合引起吸附^[30]。郭增旺等^[31]研究中也表明超微粉碎技术可以明显改良大豆皮水不溶性膳食纤维的的吸附功能特性。方吉雷等^[32]在研究超微粉碎对竹粉膳食纤维功能特性的影响时也得出了类似的结论。

（3）在粒径分析中咖啡果皮的粒度从（465.23± 7.03） μm降至（8.95±0.12） μm，说明超微粉碎显著降低了颗粒的粒度，增大了比表面积，暴露了更多的功能性基团从而使物料的理化性质得到改善，扫描电镜图中显示经过粉碎，物料表面会出现孔洞和疏松的状态，同样有利于物料性质的改善，傅里叶变换红外光谱图说明经过超微粉碎改性之后物质的结构组成并不会明显改变。这与陈如^[33]关于苹果渣膳食纤维经超微粉碎后其主要结构基团并没有明显发生改变相一致。方吉雷等^[32]在研究中发现，虽然超微粉碎技术对竹粉膳食纤维中主要官能团结构无较大影响，但由于超微粉碎的强作用力，在3400 cm^?1左右的O-H伸缩振动峰红移，强度变大，说明超微粉碎后发生分子链断裂，使氢键等基团暴露而引起的，在1000 cm^?1左右的糖类特征吸收峰强度加强、峰型变尖锐，这说明超微粉碎后，分子链断裂，分子聚合度减小，更多糖苷键暴露引起的。

4  结论

超微粉碎能显著降低果皮粉的粒度，超微粉与传统粉中较细的M80相比较，平均粒度D₅₀从200.87 μm降至8.95 μm，粒度的减小，比表面积的增大，活性基团的暴露，改善了咖啡果皮粉的理化性质，提高其利用率。咖啡果皮粉的持水性从5.58 g/g增加到6.30 g/g、膨胀性从3.86 mL/g增加了6.14 mL/g、溶解性增加了3.36倍、持油性增加了1.33倍、阳离子交换能力也得到了提升。在吸附性能方面，超微粉与传统粉M40相比较其葡萄糖吸附能力提高了7.26倍，胆固醇吸附能力提高了4.26倍，亚硝酸盐吸附能力提高了1.20倍。由此可见，超微粉碎技术改善了咖啡果皮粉的加工和功能性质，为咖啡果皮作为新的食品配料资源和高值化利用提供理论借鉴。但值得一提的是，超微粉并不是越细越好，粉碎过度，会使纤维架构破坏，引起某些性质的下降，应根据不同的工艺要求选择合适的粒度进行加工。

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