超声波辅助冷萃制备咖啡液工艺优化及其理化特性分析

杜 娇，董文江，程金焕，何红艳，陈 罡，陈舰飞，陈小爱，龙宇宙，黄家雄

超声波辅助冷萃制备咖啡液工艺优化及其理化特性分析

杜 娇1,2，董文江2,5*，程金焕3*，何红艳3，陈 罡4，陈舰飞4，陈小爱2,5，龙宇宙2，黄家雄3

1. 华中农业大学食品科技学院，湖北武汉 430070；2. 中国热带农业科学院香料饮料研究所，海南万宁 571533；3. 云南省农业科学院热带亚热带经济作物研究所，云南保山 678000；4. 普洱富民农业装备有限公司，云南普洱 665000；5. 海南省特色热带作物适宜性加工与品质控制重点实验室，海南万宁 571533

咖啡作为世界三大饮料之一，中国咖啡主要分布在海南和云南地区。本研究以海南兴隆咖啡豆为原料，探究超声波辅助冷萃技术（以下简称超声冷萃）制备咖啡液的最优条件，并测定咖啡因、葫芦巴碱、绿原酸含量以及咖啡渣的微观结构。以超声时间、超声温度和超声功率为单因素，咖啡液总可溶性固形物提取率为评价指标，在单因素试验的基础上，利用Box-Behnken原理设计3因素3水平响应面试验，对超声冷萃提取条件进行优化得到最佳提取工艺，并以传统冷浸法为对照，采用超高效液相色谱法测定咖啡液葫芦巴碱、咖啡因、绿原酸的含量，扫描电子显微镜测定咖啡渣微观结构。结果表明，适当增加超声功率、超声时间和超声温度，咖啡液总可溶性固形物随之增加，影响咖啡液总可溶性固形物的提取率的主次因素为超声功率>超声时间>超声温度，超声冷萃制备咖啡液的最佳工艺参数为：超声功率500 W、超声时间35 min、超声温度20℃，在优化条件下，总可溶性固形物提取率为22.92%±0.16%，与响应面优化试验回归模型预测值（22.85%±0.12%）基本吻合。与传统冷浸法相比，超声冷萃制备所得咖啡液葫芦巴碱、咖啡因和绿原酸（3-CQA、4-CQA、5-CQA）含量分别为175.19 mg/L、317.71 mg/L和257.77 mg/L，均有所提高，咖啡渣表面微观结构更为破碎，说明超声冷萃破坏了植物细胞壁，从而释放出更多的可溶性物质，且超声冷萃显著缩短萃取时间。本研究优化制备咖啡液的超声冷萃提取工艺，结果表明超声波冷萃是一种有效的咖啡液提取技术，为咖啡精深加工及高值化产品研发提供理论依据和技术支撑。

咖啡豆；超声波辅助冷萃提取；响应面优化；理化特性

咖啡（spp.）是茜草科（Rubiaceae）、咖啡属（）植物，原产于非洲埃塞俄比亚和刚果地区[1]，我国主要种植在海南和云南等地区，是我国重要的特色热带饮料作物[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，在烘焙过程中高温处理条件会引发非酶褐变反应等，从而导致这些物质产生或降解，还会引起多酚分解和其他化学变化，形成咖啡特有的香气和滋味[3]，此外，咖啡中富含咖啡因、绿原酸、葫芦巴碱等多种生物活性物质，被认为是一种功能性食品，具有减肥、抗衰老、抗痴呆、降血脂、降低心血管疾病风险等保健功效[4]。由于其独特的香气滋味及保健功效，咖啡消费量和受欢迎度逐年增加，成为世界上消费最多的饮品之一，被列为仅次于石油的第二大贸易商品[5]。

咖啡的传统制作步骤为咖啡生豆烘焙、研磨、热水萃取以及过滤[6]，冷萃咖啡是咖啡粉长时间在低温条件与水接触萃取制成，具有浓郁的甜味、巧克力味、果味和花香味[7]；然而传统的冷萃方法耗时长，并且总可溶性固形物提取率较低[8]。咖啡总可溶性固形物包括绿原酸、咖啡因、碳水化合物等物质，其提取率决定了咖啡的感官特性，低提取率的咖啡味道平淡[9]；另外，总可溶性固形物提取率是速溶咖啡的常规生产中保证产率和品质的关键所在，因此，应探究出简便、安全、高效的提取方法，从而提高咖啡中的总可溶性固形物提取率。

超声波提取是一种高效的提取方法，具有快速、简单、经济、提取率高、样品适用范围广等优点，超声波提取法的原理是利用超声波辐射压强产生的空化效应，空化气泡在局部压力和温度下快速膨胀和塌陷，当产生的空化气泡在植物组织壁附近坍塌时，强烈诱导的微流会刺穿细胞壁，释放出细胞内化合物；此外，超声波可以提高传质速率，将溶解的化合物快速输送到溶剂中[10-11]。超声波辅助提取法目前已广泛应用于杏仁、米糠、大豆的提取[12]。关于采用超声提取咖啡的研究报道较少，仅AHMED等[13]和MOHAMMAD等[14]报道采用超声波法提取咖啡，结果表明超声波增加了咖啡因、绿原酸、甘油三酯及总可溶性固形物的提取率。然而关于超声波辅助冷萃提取的工艺条件优化，提取后咖啡渣的微观结构形态变化等尚未见报道，因此本研究采用响应面优化超声辅助冷萃提取工艺条件制备咖啡液。

兴隆咖啡作为国家地理性标志产品，具有颗粒大，品质优良等特点，因此，本研究以海南兴隆咖啡豆为原料，以咖啡液总可溶性固形物提取率为考察指标，采用超声波冷萃法，研究超声功率、超声时间、超声温度对咖啡液中总可溶性固形物提取率的影响，通过单因素试验和响应面分析法优化最适提取工艺。测定其理化性质，如pH、可滴定酸度、生物碱及绿原酸，与传统冷浸进行对比，为超声波冷萃制备咖啡液的开发利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试材料 咖啡鲜果于2021年3月采摘于位于海南兴隆的中国热带农业科学院香料饮料研究所咖啡试验基地，采用热风恒温干燥（40℃）至水分含量为10%左右，机械脱壳得到生咖啡豆，过筛除去有缺陷的豆子，于避光干燥环境中储藏备用。

1.1.2 仪器与设备 S210型pH计（梅特勒托利多仪器有限公司）、PROBATINO Typ 2SSH型咖啡豆烘焙机（德国Probat仪器公司）、KR804型咖啡豆研磨机（瑞士DITTING仪器公司）、VOSHIN-1500C低温超声波萃取仪（无锡沃信仪器制造有限公司）、咖啡TDS折光仪（美国VST公司）、1290 Infinity型超高效液相色谱仪（UPLC）（美国安捷伦公司）、Phenom Prox型扫描电镜（上海复纳科学仪器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 咖啡样品的制备 （1）烘焙咖啡粉的制备。称取适量生咖啡豆于滚筒式咖啡烘焙机中，烘焙机燃气火力设定分别为1.5左右，初始入锅温度为180℃，焙炒时间约10 min，得到中焙炒度的咖啡豆，经研磨得到烘焙咖啡粉。

（2）咖啡液提取方法。超声辅助冷萃法：准确称取15 g烘焙咖啡粉，加入16 g去离子水，在不同超声功率、超声时间、超声温度下提取。将提取过后的固液混合物在5000 r/min、25℃下离心10 min，制得咖啡液样品。

传统冷浸法：准确称取15 g烘焙咖啡粉，加入165 g去离子水，在室温25℃下恒温浸润9 h，过滤得到咖啡液样品。

1.2.2 超声波辅助冷萃提取条件单因素试验 以总可溶性固形物提取率为指标，探究超声时间、超声功率、超声温度3个因素对咖啡液总可溶性固形物提取率的影响。

（1）超声功率对总可溶性固形物提取率的影响。固定超声温度15℃，超声时间30 min，探究超声功率（200、300、400、500、600 W）对咖啡液总可溶性固形物提取率的影响。

（2）超声温度对总可溶性固形物提取率的影响。固定超声功率400 W，超声时间30 min，探究超声温度（5、10、15、20、25℃）对咖啡液总可溶性固形物提取率的影响。

（3）超声时间对总可溶性固形物提取率的影响。固定超声功率400 W，超声温度为15℃，探究超声时间（10、20、30、40、50 min）对咖啡液总可溶性固形物提取率的影响。

总可溶性固形物（TDS）提取率计算[9]：

1.2.3 响应面法优化提取条件 基于单因素试验结果，以总可溶性固形物提取率为响应值，采用Design-Expert 8.0.6软件中的Box-Behnken设计3因素3水平响应面优化试验，对超声冷萃的提取工艺做进一步优化（表1）。

表1 响应面因素水平

1.2.4 理化特性测定 选取超声冷萃响应面优化试验中总可溶性固形物提取率较高的咖啡液，测定其理化特性，并与传统冷浸法进行对比。其中超声冷萃1的提取条件为500 W、25℃、40 min，超声冷萃2的提取条件为400 W、20℃、40 min，超声冷萃3的提取条件为500 W、20℃、35 min。

（1）pH、可滴定酸度（TA）、总固形物（TS）测定。pH[15]：准确量取20.0 mL样液，室温（25± 2℃）下使用pH计测定咖啡液的酸碱度。可滴定酸度（TA）[15]：准确量取10.0 mL样液于烧杯中，用0.10 mol/L NaOH溶液滴定至pH为8.00±0.05，记录NaOH的消耗体积数，结果以消耗0.10 mol/L NaOH的毫升数表示。总固形物（TS）[16]：准确量取5.0 mL样液于105℃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，结果以百分含量（%）表示。

（2）生物碱（咖啡因、葫芦巴碱）及绿原酸含量测定。采用Agilent超高效液相色谱仪配备了Zorbax Eclispe Plus C18 色谱柱（4.6 mm×100 mm, 3.5 μm）测定咖啡液样品中咖啡因、葫芦巴碱及绿原酸（3-CQA、4-CQA、5-CQA），UPLC检测条件参照于菲[17]的方法并略作修改。结果以每升样品中活性成分的毫克数（mg/L）表示。

（3）微观结构测定。测定方法参考ZHANG等[18]的方法并稍作修改，取适量咖啡渣，将样品固定在不锈钢样品台后放入试样表面处理机中，氮气吹掉多余的样品，在真空状态下进行表面镀金，取出样品台。使用10 kV的加速电压在扫描电镜下观察样品。粒子溅射喷金时间60 s，电流在10 mA以内，电镜放大倍数1000倍。

1.3 数据处理

采用Design Expert 8.0.6（Minneapolis USA）统计软件中的Box-Behnken设计方案，SPSS 26.0 （IBM Corporation, New York, NY）软件对数据进行处理、分析，origin 2021（Northampton, MA, USA）软件绘图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 超声功率对咖啡液中总可溶性固形物提取率影响 在超声处理时间为30 min，超声温度为15℃的条件下，研究不同的超声功率对提取率的影响，结果如图1所示。由图1可知，在一定超声功率范围内，随着超声功率的增加，提取率也增加，这是由于超声功率越高，空化强度越大，可溶性固形物与水分子之间相互作用增强，有效成分分离越快。在超声功率为400 W时达到最大值，为21.74%，超出一定范围，提取率随超声功率的增大而减小，这可能是大额功率超声将提取物分解所致，魏晴等[19]研究表明随着超声功率的增大，使得多糖结构破碎导致得率下降，考虑到能源成本等因素，选择超声功率300、400、500 W三个水平进行响应面试验。

2.1.2 超声温度对咖啡液中总可溶性固形物提取率的影响 在超声功率为400 W、超声处理时间为30 min的条件下，研究不同的超声温度对提取率的影响，结果如图2所示。由图2可知，提取率随超声温度的增加而增加，当超声温度由5℃升至10℃时，提取率显著增加，这可能是是由于随着温度的升高，细胞膜的通透性改变，分子运动加快，促进胞内物质溶出，当超声温度达到20℃时，提取率达到最大值，为22.04%±0.73%，与CÓRDOBA等[20]报道的低温长时烘焙的冷滴咖啡总可溶性固形物提取率接近为20.83%±0.84%，考虑到能耗等因素，选择超声温度15℃、20℃和25℃三个因素进行响应面试验。

不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

2.1.3 超声时间对咖啡液中总可溶性固形物提取率的影响 在超声功率为400 W、超声温度为15℃的条件下，研究不同的超声时间对提取率的影响，结果如图3所示。由图3可知，提取率随超声时间的增加而增加，当超声时间达到30 min时，再增加超声时间，提取率无显著性差异，当超声时间为40 min时，提取率达到最大值，为21.96%，这可能是提取达到饱和状态，选择超声时间30、40、50 min三个水平进行响应面试验。

不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

2.2 响应面试验结果

2.2.1 响应面试验设计及结果分析 通过单因素试验确定咖啡液中总可溶性固形物的最佳提起工艺参数，根据表1中因素和水平的设计试验，利用Design-Eepert 8.0.6软件中的Box-Behnken Design试验模型优化设计，具体试验设计及结果如表2所示。

将实验所得数据利用Design-Expert 8.0.6软件进行二次多项回归拟合实验，所得二次回归方程如下：=22.37+1.14A+0.28B+0.33C–0.27AB– 0.62AC–0.17BC–0.72A2–0.24B2–0.44C2。方程中：为提取率；A为超声功率；B为超声温度；C为超声时间。

对模型进行方差分析，结果如表3所示，方差的模型显著性<0.01，差异极显著，表示模型具有意义；失拟项>0.05，差异不显著，表明模型与实验值间的差异较小；相关系数2=0.9781，校正系数2Adj=0.9499，表明模型拟合程度较好，预测值和实测值间相关性较好，可直接采用回归方程分析，预测实际结果。各因素对提取率的影响依次为A>C>B。在一次项中，A、C对提取率影响极显著（<0.01），B对提取率影响差异显著（<0.05）。在交互项中，AC对于提取率有极显著影响（<0.01）。在二次项中，A²、C²作用差异极显著（<0.01）。

表2 响应面实验设计及结果

表3 响应面数据方差分析

注：*表示处理间差异显著（<0.05），**表示处理间差异极显著（<0.01）。

Note: * indicate significant difference among treatments (<0.05), ** indicate extremely significant difference among treatments (<0.01).

图4A～图4F为响应面优化模型因素（超声功率、超声时间、超声温度）两两交互作用对咖啡液总可溶性固形物提取率影响的三维响应曲面图及等高线图。由图4可以看出，各因素对响应面的陡峭程度影响，由大到小依次为：超声功率＞超声时间＞超声温度，超声功率与超声时间交互作用的响应曲面表现最陡峭，其交互作用差异显著，这与方差分析结果一致。

图4 超声波冷萃提取对咖啡液可溶性固形物提取率的响应曲面图和等高线图

2.2.2 模型分析 模型充分性诊断如图5A～图5C所示，图5A显示了响应残差的正态百分比概率图，这可以确认数据呈正态分布，由图5可知，数据遵循直线趋势，没有显著的异常值，模型具有相关性，误差项呈正态分布。图5B用于分析实验数据，通过构建内部学生化残差与实验运行来确定开发模型最优拟合，由图5可知，残差和实验运行的实验序点分散，所有数据点都在可接受的范围内。图5C显示了用于评估模型适用性的预测值和实际值之间的关系，由图5可知，点靠近同一条直线，表明实验值和预测值之间的模型兼容性[21]。这些均证实了二次模型的准确性与可靠性，以及Box-Behnken设计与响应面方法相结合优化总可溶性固形物提取条件的可行性。

图5 模型充分性诊断图

2.2.3 最佳提取工艺条件的确定及验证试验 通过对回归方程进行分析，筛选出方程最大值，对应条件为A=488.47 W、B=20.90℃、C=37.23 min，

在此条件下，总可溶性固形物的预测提取率为22.85%±0.12%；考虑实际可操作性，将预测最佳条件调整为：超声功率为500 W、超声温度为20℃、超声时间35 min，为检验回归模型的可靠性与准确性，在此条件下进行了3次平行试验，得到的总可溶性固形物提取率为22.92%±0.16%，与回归模型预测值接近，说明响应面得到的优化工艺参数对总可溶性固形物提取率的影响结果真实可靠。

2.3 理化特性分析

2.3.1 提取液中pH、可滴定酸度（TA）和总固形物（TS）分析 酸度是衡量一杯好咖啡的重要标准，均衡的酸度通常与良好的咖啡风味有关[22]。测定pH量化了水溶液中氢离子的浓度[23]，TA是样品中所有酸性质子的测量值，指通过添加强碱中和的非解离质子。pH和可滴定酸度已被广泛用于通过感知酸度来表征咖啡饮料。TS指咖啡饮料中存在的物质，TS的化学成分因咖啡生豆质量、烘焙过程和冲泡方法而异[24]。

如表4所示，咖啡液的pH处于5.73～5.80之间，与GLOESS等[16]报道的pH接近，超声冷萃和传统冷浸条件下的咖啡液的pH无显著性差异；TA的变化范围为1.38～1.48；TS的变化范围为2.20%～2.60%，3种超声冷萃咖啡液的总固形物平均含量为2.57%±0.06%，高于传统冷浸咖啡液的总固形物的含量2.20%±0.02%，说明超声有助于咖啡液总固形物的提取；超声冷萃咖啡液的可溶性固形物的平均提取率为22.78%±0.12%，高于传统冷浸总可溶性固形物提取率（18.41%±0.28%），相较于传统冷浸，超声冷萃不仅缩短了萃取时间，还提高了提取效率。

表4 不同提取条件下咖啡液的理化指标

注：同行不同小写字母表示不同提取条件间差异显著（<0.05）。

Note: Different lowercase letters on the same line indicate that there are significant differences between different extraction conditions(<0.05).

2.3.2 提取液中生物碱和绿原酸含量分析 生物碱包括咖啡因和葫芦巴碱，通常咖啡因是咖啡中最主要的生物碱，葫芦巴碱则是第2种主要生物碱。多项研究表明，摄入咖啡因可诱导脂解和产热活动，通过提高多巴胺水平提高代谢率，增强抗自由基作用[25]。葫芦巴碱是咖啡豆中具有高生物利用度的生物碱，具有降血糖、神经保护和保健特性，还具有抗菌活性[26]。由表5可知，3种超声冷萃咖啡液葫芦巴碱平均含量为(175.19±4.54)mg/L，高于传统冷浸(158.77±3.36)mg/L。3种超声冷萃咖啡液咖啡因平均含量(317.71±2.43)mg/L显著高于传统冷浸(289.34±0.26)mg/L (<0.05)，与ZAMANIPOOR等[27]研究得出超声制备的咖啡样品中咖啡因含量高于对照方法一致。

绿原酸是咖啡中的主要酚类化合物，5-CQA通过抑制DNA甲基转移酶，从而具有内源性抗氧化和抗癌活性[28]。由表5可知，3种超声冷萃咖啡液中绿原酸（3-CQA、5-CQA、4-CQA）平均含量(257.77±1.03)mg/L高于传统冷浸提取液中绿原酸含量(232.29±0.01)mg/L，与AHMED等[14]研究中超声冷萃咖啡液绿原酸含量高于传统冷浸方法一致，不同提取条件下咖啡液的3-CQA含量差异显著（<0.05），3种超声冷萃咖啡液的5-CQA与4-CQA均显著高于传统冷浸（<0.05）。结果表明，与传统冷浸相比，超声冷萃更有利于生物活性物质（葫芦巴碱、咖啡因和绿原酸）的提取。

表5 不同提取条件下咖啡液中生物碱及绿原酸含量

注：同行不同小写字母表示不同提取条件间差异显著（<0.05）。

Note: Different lowercase letters on the same line indicate that there are significant differences between different extraction conditions(<0.05).

2.3.3 咖啡渣微观结构分析 扫描电镜下观察咖啡渣如图6所示，由图6可知，超声冷萃条件下的咖啡渣表面微观结构较传统冷浸更为破碎。超声冷萃咖啡液总固形物、咖啡因、葫芦巴碱和绿原酸含量均高于传统冷浸，这可能是由于超声使细胞壁破损，从细胞中释放出更多的咖啡因、绿原酸等可溶性物质，从而提高提取效率。与孙杨[29]研究超声波提取对茶渣叶微观结构的影响，在扫描电镜下观察到超声波处理后的茶渣叶表面有严重破损，从而提取出更多的茶叶成分一致。

图6 不同提取条件下咖啡渣的扫描电镜图（×1000）

3 讨论

咖啡通常作为一种饮料被广泛饮用，关于采用超声波提取咖啡液的研究鲜有报道，本研究首次采用响应面试验优化超声波冷萃咖啡提取工艺，建立回归模型并验证了模型的准确有效性，结果表明，此模型可用于分析和预测设定条件范围内的超声提取咖啡总可溶性固形物的工艺结果，且稳定可靠。在最优提取条件下，咖啡液总可溶性固形物提取率达到22.92%±0.16%，高于传统冷浸咖啡液总可溶性固形物提取率（18.41%± 0.28%），也高于文献报道中咖啡在冷浸条件下的提取率（15.93%）[21]、7.06%～20.39%[30]。ZOU等[31]研究了超声波提取对蓝莓汁的影响，结果表明超声波提高了总可溶性固形物的含量，与本研究结果相类似。咖啡由于其独特的香气及口感，消费量逐年增加，如何提高咖啡中可溶性固形物的提取效率，超声萃取提供了一种解决方案。

在理化特性研究中，超声冷萃咖啡液的总固形物、生物活性物质（葫芦巴碱、咖啡因、3-CQA、5-CQA、4-CQA）含量高于传统冷浸咖啡液，其中5-CQA的含量均明显大于10 μg/mL，FUJIOKA等[32]报道浓度低至10 μg/mL的5-CQA时也具有抗氧化活性，表明本研究制得的咖啡液具有抗氧化功能。超声冷萃提取相比于传统冷浸提取咖啡，不仅提高了提取效率，而且大大缩短了提取时间，这与超声的空化作用有关，超声破坏了植物细胞壁，从而更有利于可溶性固形物的快速溶出。关于超声各因素对活性成分提取的影响，本文仅测定了响应面优化所得较优的3种超声提取条件样品的生物活性物质，未比较各单因素及响应面试验条件对生物活性物质提取率的影响，在后续研究中将充分考虑多指标条件下提取工艺的优化，为超声波冷萃咖啡提取液的制备提供技术支撑。

4 结论

本研究以海南兴隆咖啡豆为原料，通过超声波辅助冷萃制备咖啡液，利用单因素和响应面法优化咖啡液总可溶性固形物提取工艺，确定总可溶性固形物的最佳提取工艺条件为：超声功率500 W、超声温度20℃、超声时间35 min，在此条件下的总可溶性固形物提取率为22.92%± 0.16%。超声辅助冷萃制备咖啡液的总固形物含量2.57%±0.06%、葫芦巴碱含量(175.19±4.54)mg/L、咖啡因含量(317.71±2.43)mg/L、绿原酸含量(257.77±1.03)mg/L，且高于传统冷浸法；扫描电镜结果表明超声波辅助冷萃提取条件下的咖啡渣表面微观结构较传统冷浸更为破碎。综上所述，超声辅助冷萃提取咖啡液中总可溶性固形物的优化工艺可行，既提高了咖啡液中活性成分咖啡因、葫芦巴碱及绿原酸的含量，又缩短了提取时间，大大提高了生产线率。本研究可为咖啡精深加工工艺升级改进和高值化产品研发提供理论依据和技术指导。

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Optimization of Ultrasonic-assisted Cold Extraction Process for Coffee Liquor Preparation and Its Physicochemical Characteristics

DUJiao1,2, DONG Wenjiang2,5*, CHENG Jinhuan3*, HE Hongyan3, CHEN Gang4, CHEN Jianfei4, CHEN Xiaoai2,5, LONG Yuzhou2, HUANG Jiaxiong3

1. College of Food Science and Technology,Huazhong Agricultural University,Wuhan, Hubei 430070, China; 2. Spice and Beverage Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Wanning, Hainan 571533, China; 3. Institute of Tropical and Subtropical Cash Crops, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Baoshan, Yunnan 678000, China;4. Pu’er Fuming Agricultural Equipment Co. Ltd., Pu’er, Yunnan 665000, China; 5. Key Laboratory of Suitability Processing and Quality Control of Characteristic Tropical Crops, Wanning, Hainan 571533, China

Coffee is one of the three major beverages in the world, and it is mainly distributed in Hainan and Yunnan in China. In this paper, we investigated the optimal conditions for the preparation of coffee liquor by the ultrasonic-assisted cold extraction technology using Hainan Xinglong coffee beans as the raw materials, and determined the contents of caffeine, trigonelline, chlorogenic acid and the microstructure of coffee grounds. The extraction time, ultrasonic temperature and ultrasonic power were used as the single factors, and the extraction rate of total soluble solids from coffee liquor was used as the evaluation index. Based on the single-factor test, a 3-factor, 3-level response surface test was designed using the Box-Behnken principle to optimize the extraction conditions for ultrasound-assisted cold extraction to obtain the best extraction process, and the content of trigonelline, caffeine and chlorogenic acid in coffee liquor was determined by the ultra performance liquid chromatography and the microstructure of coffee grounds was determined by a scanning electron microscopy using the traditional cold extraction method as the control. The total soluble solids of coffee liquor increased with the appropriate increase of ultrasonic power, ultrasonic time, and ultrasonic temperature, and the main factors affecting the extraction rate of total soluble solids of coffee liquor were ultrasonic power > ultrasonic time > ultrasonic temperature, and the optimal process parameters for the preparation of coffee liquor by ultrasound-assisted cold extraction were: ultrasonic power 500 W, ultrasonic time 35 min, and ultrasonic temperature 20℃, and under the optimized conditions, the total soluble solids extraction rate was 22.92%±0.16%, which was basically consistent with the predicted value of the response surface optimization test regression model (22.85%±0.12%). Compared with the traditional cold infusion method, the content of trigonelline, caffeine, and chlorogenic acids in the coffee liquor prepared by ultrasound-assisted cold extraction was 175.19 mg/L, 317.71 mg/L and 257.77 mg/L, respectively, all were increased, and the microstructure on the surface of coffee grounds was more fragmented, indicating that ultrasound-assisted cold extraction broke the plant cell walls, thus releasing more soluble substances, and ultrasound-assisted cold extraction time was significantly shortened. This study optimized the extraction process of ultrasound-assisted cold extraction for the preparation of coffee liquor, and the results showed that ultrasound-assisted cold extraction is an effective extraction technique, which would provide a reference for the application of ultrasound-assisted technology in coffee processing industry.

coffee bean; ultrasound assisted cold extraction; response surface optimization; physical and chemical properties

S571.2

A

10.3969/j.issn.1000-2561.2022.10.019

2022-03-07；

2022-04-20

国家重点研发计划项目（No. 2020YFD10012）；海南省重点研发计划项目（No. ZDYF2021XDNY147）；云南省创新引导与科技型企业培育计划项目（No. 202104BI090015）。

杜 娇（1994—），女，硕士研究生，研究方向：食品加工与安全。*通信作者：董文江（DONG Wenjiang），E-mail：dongwenjiang.123@163.com；程金焕（CHENG Jinhuan），E-mail：jinhuancheng-2006@163.com。