с 01.09.2015 по 01.09.2018
Цель исследования – изучение динамики извлечения кофеина и антиоксидантной активности при экстрагировании кофе в условиях индустрии питания. Экстракцию кофе проводили водой в 4 этапа по 100 мл в капсульной кофемашине и на каждом этапе в экстрактах определяли растворимые сухие вещества (РСВ) рефрактометрически, содержание кофеина спектрофотометрически, антиоксидантную активность (АОА) на кулонометре «Эксперт-006-антиоксиданты». Для экстрагирования использовали по два наименования кофе – арабика и робуста. Экстракты, полученные из 7 г кофе разных видов и наименований, отличались содержанием РСВ, кофеина и АОА, но их динамика при экстрагировании носила аналогичный характер. Экстракты, полученные на I этапе, характеризовались максимальным количеством РСВ (0,84–1,64 %) и АОА (287,76–327,38 мг рутина/100 мл), которая составляла 67–70 % от суммарных значений за все этапы экстрагирования и количественно преобладала в кофе робуста. Дальнейшее экстрагирование снижало АОА экстрактов, но наибольшие изменения происходили на III этапе, уменьшив АОА кофейных экстрактов в 8–10 раз по сравнению с предыдущим этапом. Динамика содержания кофеина в экстрактах на разных этапах экстрагирования отличалась от АОА. Экстракты, полученные на I и II этапах, имели сопоставимое количество кофеина, ста¬тистически значимые различия установлены только в экстрактах кофе робуста. На III этапе экстрагирования содержание кофеина уменьшилось более чем в 2 раза. Экстракты, полученные на II этапе из уже использованного кофе (кофейная гуща), содержат кофеин и антиоксиданты, что позволит их использовать для производства пищевых продуктов с заданными свойствами.
кофе, арабика, робуста, растворимые сухие вещества, кофеин, антиоксидантная активность, экстрагирование
Введение. Кофе является одним из самых популярных напитков, потребляемых во всем мире, благодаря вкусовым качествам, тонизирующему эффекту и антиоксидантным свойствам. Наряду с фенольными соединениями [1, 2], токоферолами и фитостеролами [3] антиоксидантные свойства кофе формируют алкалоиды пуринового ряда (кофеин, теофиллин, теобромин) [4].
В технологической цепочке от переработки плодов кофе до приготовления напитка образуется значительное количество отходов, количество которых ежегодно составляет 6–8 млн т. Из них около 65 % приходится на кофейную гущу SCG (spent coffee ground), образующуюся при производстве растворимого кофе (производственные отходы) и приготовлении напитка из жареного кофе SECG (spent espresso coffee ground) (потребительские отходы), что приводит к проблемам с ее хранением и утилизацией [5].
Кожура и мякоть плодов кофе, серебряная кожица, образующаяся при обжарке кофейного зерна, сопоставимы по химическому составу с зерном кофе, и высокое содержание в них алкалоидов не позволяет утилизировать их в комбикорма или компост. Поэтому их предлагают использовать для производства биотоплива, биогаза, адсорбентов, а также получения химических веществ (пищевых волокон, протеинов, липидов и БАВ) [6–9]. Почти полное извлечение кофеина происходит при экстракции горячей водой при производстве растворимого кофе. В образующихся при этом промышленных отходах – кофейной гуще SCG – содержание кофеина не превышает 0,02 % [6, 10]. Более короткое время экстракции при приготовлении кофе в индустрии питания или домашних условиях позволяет экстрагировать только часть кофеина – 54–77 % [11], количество которого в SECG в большей степени подвержено зависимости от ботанического вида и места происхождения кофе [12]. В образующейся кофейной гуще SECG может содержаться кофеина 1,94–5,93 мг/г [12–15]. Существенны различия между SCG и SECG и в содержании фенольных соединений. В SCG их количество составляет не более 10–16 мг/г [16, 17], а в SECG – 17,1–35,5 мг/г, что повышает значения антиоксидантной активности последнего [11, 13–15, 18].
Кофейная гуща SCG считается недорогим источником природных антиоксидантов, для извлечения которых предлагают микроволновую и эультразвуковую экстракцию [18–20] водой или растворами этанола, метанола, [19], ацетона [21], β-циклодекстрина [22], автогидролиз при температуре 200 °С [23, 24] и др. Осуществление таких технологий возможно только в промышленных условиях, для чего необходим централизованный сбор кофейной гущи SECG из ресторанов и кафе, что повысит затраты и риски микробиологической порчи. Более эффективно разработать способы использования кофейной гущи непосредственно в индустрии питания, исключая централизованный сбор отходов SECG, что будет способствовать развитию экономики замкнутого цикла.
Цель исследования – изучение динамики извлечения кофеина и антиоксидантной активности при экстрагировании кофе в условиях индустрии питания.
Задачи: провести поэтапную экстракцию кофе в кофемашине и определить на разных этапах экстрагирования содержание растворимых сухих веществ (РСВ), кофеина и антиоксидантную активность (АОА) экстрактов.
Объекты и методы. Для получения экстрактов использовали Coffea Arabica: арабика-1
(А-1) – кофе в зернах «ROKKA», Бразилия; арабика-2 (А-2) – кофе молотый «Живой кофе», изготовитель ООО «ЖК ХОЛДИНГ», Россия; Coffea Canephora: Робуста-1 (Р-1) – кофе в зернах «PIAZZA DEL CAFFE», Вьетнам; Робуста-2 (Р-2) – кофе в зернах «Urban Platter», Индия.
Экстрагирование проводили 4 раза по 100 мл из 7 г образцов кофе под давлением 15 бар в капсульной кофемашине Nescafe Krups Dolse Gusto КР1А3В10, Индонезия. В экстрактах после предварительного фильтрования через бумажный фильтр определяли количество РСВ, кофеина и АОА.
РСВ определяли рефрактометрически по ГОСТ ISO 2173-2013. Содержание кофеина определяли на спектрофотометре «UNICO-2800», США, при длине волны 276 нм (поглощение кофеина) и 310 нм (фон). Для извлечения кофеина из экстракта его подщелачивали до pH 12,5–12,7 и экстрагировали двумя порциями по 10 мл хлороформа. Для измерений использовали органический слой, доведенный до объема 25 мл хлороформом [25]. Содержание кофеина рассчитывали по калибровочной кривой для чистого кофеина как разницу между оптической плотностью кофеина и фоном.
АОА фильтрованных экстрактов кофе определяли на кулонометре «Эксперт-006-антиоксиданты». Титрантом служил электрогенерированный бром, при постоянном токе 50,0 мА из водного 0,2 М раствора бромида калия в 0,1 М растворе серной кислоты с определением конца титрования по потенциометрической индикации. Время в секундах, затраченное на титрование объема аликвоты исследуемого экстракта, введенной в измерительную ячейку, пересчитывалось в количество электроэнергии в кулонах. Электролитическую ячейку кулонометра калибровали по рутину.
Экстрагирование кофе в кофемашине проводили в трехкратной повторности. Повторность опытов составляла 3–5 раз. Статистический анализ экспериментальных данных проводили с использованием MS Excel 2010.
Результаты и их обсуждение. Кофейные экстракты существенно отличались количеством РСВ только на первом этапе экстрагирования (табл. 1), существенно преобладая в Р-1. Похожие результаты количества РСВ в диапазоне 1–2 % были получены при приготовлении кофе разными методами [26].
Таблица 1
Количество РСВ в кофейных экстрактах, %
|
Этап экстрагирования |
Арабика |
Робуста |
||
|
А-1 |
А-2 |
Р-1 |
Р-2 |
|
|
I |
0,90 ± 0,02 |
0,84 ± 0,08 |
1,64 ± 0,08 |
1,04 ± 0,08 |
|
II |
0,32 ± 0,10 |
0,28 ± 0,10 |
0,40 ± 0,14 |
0,24 ± 0,08 |
|
III |
0,20 ± 0,00 |
0,16 ± 0,08 |
0,24 ± 0,08 |
0,20 ± 0,00 |
|
IV |
0,16 ± 0,08 |
0,16 ± 0,08 |
0,20 ± 0,00 |
0,16 ± 0,08 |
Дальнейшее экстрагирование привело к резкому снижению РСВ в 3–4 раза на втором этапе, а на третьем и четвертом этапах их количество не превышало 0,24 и 0,2 % соответственно.
Содержание кофеина в экстрактах на разных этапах экстрагирования было неравномерным. Наибольшее количество кофеина содержалось в экстрактах, полученных на I и II этапах, независимо от ботанического вида кофе (табл. 2). Причем на II этапе экстрагировалось кофеина больше, чем на I этапе: арабика – на 2,8 и 2,3 %, робуста – на 14 и 12 %. Первые 100 мл экстрактов (I этап) содержали от 36,1 до 37,4 % кофеина от общего экстрагированного количества, вторые 100 мл экстрактов (II этап) – 37,6–41,4 %.
Содержание кофеина в кофейных экстрактах, мг/100 мл
|
Этап экстрагирования |
Арабика |
Робуста |
||
|
А-1 |
А-2 |
Р-1 |
Р-2 |
|
|
24,47 ± 0,60 |
23,67 ± 0,50 |
23,54 ± 0,56 |
20,91 ± 0,46 |
|
|
II |
25,16 ± 0,48 |
24,21 ± 0,58 |
26,85 ± 0,30 |
23,44 ± 0,40 |
|
III |
11,32 ± 0,30 |
12,32 ± 0,22 |
10,2 ± 0,42 |
9,76 ± 0,40 |
|
4,45 ± 0,10 |
4,16 ± 0,12 |
4,25 ± 0,20 |
3,82 ± 0,16 |
|
В экстрактах, полученных на III этапе, содержание кофеина уменьшилось более чем в 2 раза по сравнению с I и II этапами экстрагирования и составляло уже 15,7–19,1 % от общего экстрагированного количества кофеина. Последние 100 мл (IV этап) характеризовались остаточным количеством кофеина, которое не превышало 4,45 мг/100 мл.
Всего за четыре этапа экстрагирования удалось извлечь от 57,93 до 65,4 мг/100 мл кофеина, что с учетом навески кофе, взятой для экстрагирования, составляло от 8,28 до 9,34 мг/г, или 0,83–0,93 %. Причем экстракт Р-2 содержал кофеина на 12,9 % меньше, чем экстракты А-1 и А-2. На это могли повлиять способы обжарки, продолжительность хранения, метод определения [1, 6, 9, 15, 25].
АОА экстрактов отражает в них суммарное содержание антиоксидантов, что определяют разными методами [1, 2, 9, 27]. В отличие от динамики извлечения кофеина максимальные значения АОА экстрактов были получены на I этапе, составляя 67–70 % от суммарных значений за все этапы экстрагирования (табл. 3). Причем кофе робуста демонстрировал более высокие значения АОА экстрактов. Многие авторы [20, 21] связывают АОА с фенольными соединениями, которые в своем большинстве экстрагируются в первые пять минут. Фактически первые 100 мл экстракта отражают АОА сваренной чашки кофе, которая составляет от 41,1 до 46,7 мг/г и близка к значениям, полученным амперометрическим методом [27].
На II этапе экстрагирования для всех образцов было характерно снижение АОА экстрактов в 2,3–2,8 раза. Аналогичная динамика была установлена [14, 17]. АОА кофейных экстрактов из SECG была в 2,5–3 раза меньше, чем в кофе эспрессо [14].
Антиоксидантная активность кофейных экстрактов, мг/100 мл
|
Этап экстрагирования |
Арабика |
Робуста |
||
|
А-1 |
А-2 |
Р-1 |
Р-2 |
|
|
I |
293,75 ± 5,20 |
287,76 ± 4,50 |
327,38 ± 5,60 |
299,67 ± 4,80 |
|
II |
104,88 ± 2,10 |
118,50 ± 2,00 |
139,82 ± 1,85 |
113,24 ± 1,00 |
|
III |
13,37 ± 0,54 |
13,00 ± 0,25 |
14,61 ± 0,30 |
12,82 ± 0,40 |
|
IV |
5,43 ± 0,16 |
2,24 ± 0,08 |
5,35 ± 0,05 |
4,25 ± 0,05 |
Экстракты, полученные на III и IV этапах, практически не содержали антиоксидантов, их АОА была минимальной, которая не превышала 3,2 и 1,3 % соответственно от ее суммарных значений, подтвердив результаты [17].
Заключение. Содержание кофеина и АОА экстрактов из кофе разных ботанических видов, полученных поэтапным экстрагированием водой с использованием капсульной кофемашины, имеют разную динамику. Максимальное извлечение кофеина происходит на первых двух этапах, а максимальной АОА обладают первые 100 мл экстрактов. Наибольшие изменения происходили на III этапе, уменьшив АОА кофейных экстрактов в 8–10 раз, содержание кофеина в 2–2,5 раза по сравнению с предыдущим этапом экстрагирования.
Экстракты, полученные на II этапе из уже использованного кофе (кофейная гуща SECG), содержат кофеин и антиоксиданты, что позволит их использовать для производства пищевых отходов с заданными свойствами, одновременно минимизируя воздействие на окружающую среду.
1. Babova O., Occhipinti A., Maffei M.E. Chemical partitioning and antioxidant capacity of green coffee (Coffea arabica and Coffea cane¬phora) of different geographical origin // Phyto¬chemistry. 2016. № 123. P. 33–39. DOI:https://doi.org/10.1016/j.phytochem.2016.01.016.
2. Игнатова Д.Ф., Макарова Н.В. Исследование антиоксидантных свойств различных видов кофе // Индустрия питания. 2020. Т. 5, № 4. С. 74–81. DOI:https://doi.org/10.29141/2500-1922-2020-5-4-11.
3. Comparison of the effect of extraction methods on the quality of green coffee oil from Arabica coffee beans: Lipid yield, fatty acid composition, bioactive components, and antioxidant activity / W. Dong [et al.] // Ultrasonics Sono¬chemistry. 2021. № 74. 105578. DOI:https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2021.105578
4. Comparing antioxidant capacity of purine alkaloids: A new, efficient trio for screening and discovering potential antioxidants in vitro and in vivo / B. Tsoi [et al.] // Food Chemistry. 2015. № 176. P. 411–419. DOI:https://doi.org/10.1016/j. foodchem.2014.12.087.
5. Bio-recycling of spent coffee grounds: Recent advances and potential applications / B. Yusu-foğlu [et al.] // Current Opinion in Food Scien-ce. 2024. № 55. P. 101–111. DOI:https://doi.org/10.1016/j. cofs.2023.101111.
6. Murthy P.S., Naidu M.M. Sustainable mana-gement of coffee industry by-products and value addition – A review // Resources, Conservation and Recycling 2012. № 66. P. 45–58. DOI:https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2012.06.005.
7. Effects of drying on physical properties, phenolic compounds and antioxidant capacity of Robusta wet coffee pulp (Coffea canephora) / T.M.K. Tran [et al.] // Heliyon. 2020. № 6. e04498. DOI:https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2020.e04498.
8. Karmee S.K. A spent coffee grounds based biorefinery for the production of biofuels, bio-polymers, antioxidants and biocomposites // Waste Management. 2018. № 72. P. 240–254. DOI:https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.10.042.
9. The impact of different drying methods on the physical properties, bioactive components, antioxidant capacity, volatile components and industrial application of coffee peel / D. Hu [et al.] // Food Chemistry: X. 2023. № 19. 100807. DOI:https://doi.org/10.1016/j.fochx.2023.100807.
10. Use of spent coffee grounds as food ingredient in bakery products / N. Martinez-Saez [et al.] // Food Chemistry. 2017. № 216. P. 114–122. DOI:https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2016.07.173.
11. Choi B., Koh E. Spent coffee as a rich source of antioxidative compounds // Food Sci Bio-technol. 2017. № 26 (4). P. 921–927. DOI:https://doi.org/10.1007/s10068-017-0144-9.
12. Andrade C., Perestrelo R., Câmara J.S. Bioactive compounds and antioxidant activity from spent coffee grounds as a powerful approach for its valorization // Molecules. 2022. № 27. 7504. DOI:https://doi.org/10.3390/molecules27217504.
13. Recovery of natural antioxidants from spent coffee grounds / A. Panusa [et al.] // J. Agric. Food Chem. 2013. № 61. P. 4162–4168. DOI:https://doi.org/10.1021/jf4005719.
14. Extraction, identification and quantification of polyphenols from spent coffee grounds by chromatographic methods and chemometric analyses / M. Ramón-Gonçalves [et al.] // Waste Management. 2019. № 96. P. 15–24. DOI:https://doi.org/10.1016/j.wasman.2019.07.009.
15. Incorporation of spent coffee grounds in muffins: A promising industrial application / D.B. Benincá [et al.] // Food Chemistry Advances. 2023. № 3. 100329. DOI:https://doi.org/10.1016/j. focha.2023.
16. Extraction of antioxidant phenolic compounds from spent coffee grounds // S.I. Mussatto [et al.] / Sep. Purif. Technol. 2011. № 83. Р. 173–179. DOI:https://doi.org/10.1016/j.seppur.2011.09. 036.
17. Influence of extraction process on antioxidant capacity of spent coffee / J. Bravo [et al.] // Food Research International. 2013. № 50. P. 610–616. DOI:https://doi.org/10.1016/j.foodres.2011.04. 026.
18. Improving the recovery of phenolic compounds from spent coffee grounds by using hydrothermal delignification coupled with ultrasound assisted extraction / P.J. Arauzo [et al.] // Biomass and Bioenergy 2020. № 139. 105616. DOI:https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2020.105616.
19. Optimization of microwave-assisted extraction of natural antioxidants from spent espresso coffee grounds by response surface methodo-logy / M. Ranic [et al.] // Journal of Cleaner Production. 2014. № 80. P. 69–79. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2014.05.060.
20. Comparing the efficiency of extracting antioxidant polyphenols from spent coffee grounds using an innovative ultrasound-assisted extraction equipment versus conventional me¬thod / M. Beaudor [et al.] // Chemical Engineering & Processing: Process Intensification. 2023. № 188. 109358. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cep. 2023.109358.
21. Extraction of bioactive compounds from spent coffee grounds using ethanol and acetone aqueous solutions / I. Bouhzam [et al.] // Foods. 2023. № 12. 4400. DOI:https://doi.org/10.3390/foods 12244400.
22. Recovery of phenolic compounds from spent coffee grounds through optimized extraction processes / N. Solomakou [et al.] // Sustainable Chemistry and Pharmacy. 2022. № 25. 100592. DOI:https://doi.org/10.1016/j.scp.2021.100592.
23. Optimization of autohydrolysis conditions to extract antioxidant phenolic compounds from spent coffee grounds / L.F. Ballesteros [et al.] // Journal of Food Engineering. 2017. №199. P. 1–8. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2016.11.014.
24. Optimization of the extraction from spent coffee grounds using the desirability approach / M.R. Gigliobianco [et al.] // Antioxidants. 2020. № 9. 370. DOI:https://doi.org/10.3390/antiox9050370.
25. Caffeine content and antioxidant activity of various brews of specialty grade coffee / M. Miłek [et al.] // Acta Sci. Pol. Technol. Aliment. 2021. № 20 (2). P. 179–188. DOI:https://doi.org/10.17306/J.AFS.2021.0890.
26. Влияние способов заваривания кофе на органолептические и физико-химические свойства / Л.А. Лашманова [и др.] // Вестник КрасГАУ. 2023. № 3. С. 181–187. DOI:https://doi.org/10.36718/1819-4036-2023-3-181-187.
27. Кофе: химический состав, антиоксидантная активность и влияние на здоровье чело-века / А.Я. Яшин [и др.] // Лаборатория и производство. 2020. № 2. С. 88–102. DOI:https://doi.org/10.32757/2619-0923.2020.2.12.88.102.
