咖啡豆蛋白质的提取工艺条件优化及其成分研究

2018-08-06 08:22甄鹏晨高育哲
现代食品 2018年10期
关键词:酸碱度咖啡豆粉末

◎ 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%。

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