全 文 ：第 1 3卷第 5期
9 9 5 1年 9月
色 谱
H I CNE SE J R O UN AL O C FHR OM T O AR GP H AY
V
o
l
.
1 3
S
e P t
.
N
o
.
5
9 19 5
超临界流体萃取法脱除云南小粒咖啡豆中
咖啡因的研究及评香模型初建 ’
刘锦耀 赵建平 张先俊 王 梅 刘维涓
(云南省分析测试研 究所 昆明 5 6。。 5 1)(云 南大学化学 系 昆明 5 609 0 ) 1
提要 应用超临界流体萃取技术 ( E S ) F脱除云南小粒咖啡豆中的咖啡因 , 取得较好效果 ; 采用顶空气相色谱 、 色
/ 质谱手段 . 对 S F E 处理前后 的咖啡 中的香味成分进行了对 比分 析 .提 出了一 种用于进行咖啡香味鉴评的模型 。
关健词 超临界流体萃取 , 咖啡因
前言
产 于云南高原 干热河谷地 区的小粒咖啡 , 原属
阿拉伯种 ( C o ff e a a r a b i e a L . ) 及其变种 , 引种到云南
已有数十年历 史 。 云南小粒咖啡色正味纯 , 香而不
苦 , 浓而不烈 , 被许多国家誉为世界上质量最好的咖
啡之一 ’ 二 。 咖啡 已成为云南迅速掘起的新兴产业 。 然
而 , 传统咖啡制品所富含的咖啡因成分有不 利于健
康的弊端 。 近年国际市场上一种咖啡因含量较低的
咖啡新产品正 日益受到人们的青睐 。 其制取方法原
来常用的是水蒸汽蒸馏法或二氯甲烷浸出法 。 但前
者常造成芳香成分损失 , 后者则有溶剂残毒之虞 。 七
十年代西德率先用超临界二氧化碳流体萃取法脱除
咖啡制品中的咖啡因 . 并实现 了工业化生产 二2二 。
我们采用 4 L 规模进 口 超 临界 流体萃取 (S F E )
装置 , 分离 、 脱除云南小粒咖啡中的咖啡 因的试验获
得较好效果 。 还采用顶空气相色谱 (G C ) 、 气相色谱 /
质谱 (G C /M )S 联用等手段 , 对 S F E 萃取前后的咖啡
微量组分进行了对 比分析及初步定性 。 同时提 出一
种简易的鉴 评模型 , 用 以选择较佳 S F E 操作条件 。
此模型也可用于咖啡香味鉴评 。 本项研究对小粒咖
啡的深化开发具有较大的现实意义 。
2 实验部分
.2 1 实验装工
超 临界流体萃 取装置 N o v a S w is s 型 , 瑞士制
造 。 双泵头压缩机 , 最高萃取压力 95 M P a , 最高萃取
温度 90 C , 萃取容器体积 4 L , ZL (任选 ) 。 以食品级
二氧化碳为萃取流体 。
气相 色谱仪 P E 8 7 0 0 型 , 美 国 P E 公 司制造 ,
带有 H S 一 6B 顶 空分析附件并附进样器后冷阱富集
装置 。 采用 S E 一 54 石英毛细管柱 ( 25m )及氢焰检测
器 。
气相色谱 /质谱 仪 Q M as s 一 9 10 型 , 美国 P E 公
司制造 , E l 源 , 电离电 压 7 0e V , 载气为氦气 , 使用
S E
一
54 石英毛细管柱 ( 50 m ) , 附进样器后冷阱富集装
置 。
2
.
2 实验材料
产自云南西南部潞江 坝地 区 、 经 自然发酵的小
粒咖啡原豆 。
2
.
3 实验方法
1
. 进行 S F E 研究时 , 先将小粒咖啡豆用冷水浸
润 4 h , 置人 4 L 萃取器中 , 起动萃取装置 , 按 预先设
定好的温度 、 压力进行循环萃取 。 萃出咖啡 因后 的咖
啡豆用咖啡小 型焙炒专用设备在 2 5 o C 条件下焙炒
并粉碎 , 得到脱过咖啡因的熟咖啡粉样 品 。 以相 同方
法对未经 S F E 处 理的咖啡豆进行焙炒 、 粉碎 , 得到
未脱咖啡因的熟咖啡粉对照样品 。 对上述样品中咖
啡因含量进行分析 , 确定咖啡因脱除效果 。
2
. 取 同重量 各一份 上述样 品进 行顶空 气相 色
谱分析 , 以配合 S F E 处理条件与成品香味组分含量
关系研究 。 色谱条件 : H s 一 6B 浴温 9 0 亡 ( Z o m in ) ;检
测 器 温 2 6 O c ; 柱 温 4。 e ( s m i n ) 里二l兰些几 5。 c
C / 1 S C / nr i n一 1 1 O C一 2 0 0 一C ( s m i n ) ; 载 气 N Z( 9 9 . 9 9 % ) 。3 . 作 G C 及 G C / M S 分析时 , 样 品在进样后均
先进人附有冷阱的富集预柱 , 约 3m in 后撤去冷阱 ,
本课题为云南省应用基础基金资助项 目 ,适逢卢佩章先生七十华诞 ,谨以本文 沽贺本文收稿 日期 : 1 9 9 5 年 4 月 1 5 日
5期 刘锦耀等 :超临界流体萃取法脱除云南小粒咖啡豆中咖啡因的研究及评香模型初建 。 3 4 3 ·
使预柱 及分析柱转人 温度程升并采集相应色谱 、 质
谱信号 。
0“”叭
3 结果和讨论
3. 1 超临界流体的选择
二氧化碳是在超临界流 体萃取应用中最常选用
的流 体 , 其化学稳定性 、 安全性 、 易操作性及价格 低
廉等优点 已广为人知 , 此外 , 二 氧化碳在临 界点 ( 温
度 3l C . 压力 7 . 4M P a )附近 , 当温度 、 压力略作变动
时 ,会引起密度的大幅度变化 。 同时二氧化碳的密度
P 与许多物质 ( 包括咖啡因 ) 在二氧化碳中的溶解度
S 具有幂相关关系 , 即 : In s 一 K · nI p 二 C 。 式中 K ,
C 为常数 , 与溶质及二 氧化碳间的亲和力有关 。
由上可见 , 选用二氧化碳为超临界载流体 , 有可
能在 比较容易达到的条件 (温度 、压力 )下 , 尽可能多
地将咖啡因萃出 , 取得较好的咖啡 因脱除效果 。 我们
在实验中曾对萃取温度 、压力作 了多种变 化 , 结果 表
明 , 采用 较低温 度 ( 70 C ) 及工业上 易于达到的压 力
〔18 M aP ) 条件 , 可将小粒咖啡中大部分咖啡因脱除 。
试验还表明 , 鉴于二氧化碳 对咖 啡因 已具有较强 萃
取力 . 载流体中一般可不 必加人改性剂 。
3
.
2 超临界流体萃取流程 的选择
用超临界 二氧化碳流体萃取咖啡豆 中的咖啡
因一般的工艺装置和流程可简示如图 1 。
试验结果 : 在相同温度 、 压力条件下 , 以上三种
工 艺 方 式 对 咖 啡 因 的 脱 除 率 分 别 为 6 8 . 6% ,
76
.
4 %
,
78
.
5%
。 上述试验表明 , 第二 、第三种工艺方
式更有效 。 三种工艺方式均可同时获得副产品咖啡
因 。
3
.
3 萃取温度和压力条件的选择
/ |z
由右方咖啡因结构式可
以看出 , 该杂 环生物碱结构
较为稳定 。 实验表明 , 在 S F E
一般操作条件 下 , 咖啡因具
有较好的耐受力 。
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H 一 N
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沪一
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1
(
一 日 、
图 l 超临界流体苹取装 t 及流程
1
.
C O : 钢瓶 . 2 . 压缩 机 , 3 . 萃取器 , 4 . 分离器 。
试验表明 , 咖啡因的萃出率与萃取压力 、 温度呈
正相关关系 。 考虑到工业生产时压力不宜过高 , 且为
满 足咖啡香味成分尽量减少 损失的原则 , 萃取操作
压力和 温度都应以低为宜 。 因此 , 对云南小粒咖啡豆
的萃取 工艺 , 我们经筛选确定的 温度为 70 C , 压力
为 1 8M P a 。
1
. 在 此温度 、 压力条件下 , 咖 啡 因的萃 出率 已
达 到 75 % 以 上 。
2
. 云南小粒咖啡是一种清香型 的咖啡品 种 , 冲
泡后 , 香气中的头香成分十分丰富 。 因此 , 为保持这
些香味 , 选用较低的温度与压力条件是有利的 。
迄今为止 , 对咖啡香味的鉴评尚无 一种成熟的
仪器方法 , 基本是依赖于 口感品尝 。 我们在进行 S F E
条件选择时 , 同样面 临着用 何种方式进行咖啡香味
保持程度的评价与检测的问题 。 经反复摸索 , 我们认
为采用气相色谱手段 , 辅 以一些相应规则 , 有可能建
立起一套较先进 的鉴评方法 。
.3 4 建立咖啡香味鉴评模型
已知在顶 空气相色谱方法中某一组分的量与几
种相关物理参数间的平衡关系为 :
我们参考前人工作 , 分别进行了以下 几种提取
工艺方式的试验 :
1
. 将经水浸过的生咖啡豆置 于萃取器中 , 运行
后 , 从分离器中获得咖啡因等提取物 。 由萃取器获得
脱了咖啡因的咖啡豆 。
2
. 将经水浸过的生咖啡豆 置于萃取 器中 , 在分
离器 中装人活性炭 , 运行后 , 咖啡豆 中的咖啡 因大部
分转移到了活性炭中 。 由萃取器得到脱去咖啡因的
咖啡豆 。
3
. 将经水浸过的咖啡豆 与活性炭混合装人萃
取器中 , 运行后 , 将去掉咖啡因的咖啡豆 与吸附了咖
啡因的活性碳过筛分开 。
A
,
入 , 一 二 ; - ; 仄一二丁入 厂。 , 1 1
式冲 , X 表示样品中 ; 组分的摩尔分数 ; A 为该组分
的 色谱峰面积 ; K , 为组分的常数 , 与所用检测器有
关 ;尸 。 , 表示组分 i 纯品的蒸汽压 ; 7 , 为组分 i 的活度
系数 。 式中的 1/ K 尹。 了 在一 定条件下 可 当作一常
数 , 相当于组分 i 在特定条件下的校正因子 。
在相同顶空 气相色谱条件下 , 比较容易建立起
如下关系 :
A I C
,
1
C
:
。 式中 , c , , 为组分 : 在样 1 中的
含量 ;浅 , 为组分 i 在样 1 中所对应的峰面积厂` : 为组
分 i 在样 2 中的含量 ;浅 : 为组分 i 在样 2 中所对应的
峰面积 。
。
34 4
。 谱 1 3卷
可见采用顶 空气相色谱的方法 , 可以定量 地测
定咖 啡中各种微量组分的含量或作相对 比较 。
考虑到云南小粒咖啡含有丰富的低沸点香味组
分 , 因此在建立 的咖啡香味鉴评模型的第一部分 , 以
顶 空气相色谱法 测得的 10 个易挥发且对香味有明
显影 响的组分峰面积之和 冗 A , ( 见图 2 , 3 及表 1 的
甲基吠喃 、 乙 酸等 10 个选 定组分 ) 作为该咖啡样头
香成分的成分参量 。 模型的第二部分选 用气相色谱
法测得的咖啡的水浸 出液高沸点馏段 5 个组分峰面
积之和艺 ` (本研究选咖啡因 、 十六酸 、 硬脂酸等
组分 ) 为其参量 。
20山
土 - - - ~一 _ 一 1 一 .0 10 2硬、 30图 2 未经 S F E 处理 的咖啡样 顶空气 相色谱 图 图 3 经 S F E 处理脱咖啡因的咖啡样顶空气相色谱图
表 l 选出的 10 种咖啡徽 . 组分及其 H S / G C 分析峰面积
峰面积 ( m m Z )
峰号 组分名称
未经 S F E 处理 经 过 S F E 处理
2
一甲基吠喃 ( F u r a n , 2 一m e t h y l )
醋酸 ( A e e t . c a e . d )
戊醛 ( P e n t a n a l )
2
一甲基丁醛 ( B u t a n a l . 2一 m e t h y l )
丙酸乙 醋 ( P r o p o r o Le a e 记 , 2一 p r o 一 , e t h y l e s t e r )
2
, 3一戊二 酮 ( 2 , 3一 P e n t a n e d i o n e )
2
,
3一二 甲基 一环 氧乙烷 ( O x i r o n e , 2 , 3一d l m e t h y l一 )
4一毗吮胺 ( 4一 P y r l d Ln a m ; n e )
2
一吠喃醛 ( 2一 F u r a n e a r b o x a ld e h y d e )
2 一甲基对丙烯基酚乙 酸酷 ( 2 一F u r a n r e e t h a n o l )
2 8
.
2 8 9 6 1 6
.
7 3 8 7
3 5
.
9 2 8 0 2 8
.
3 1 3 3
2 1
.
1 2 5 8 1 6
.
0 4 1 7
3 6
.
9 0 0 1 2 7
.
7 4 3 9
3 4
.
5 4 3 9 3 1
.
9 7 3 1
3 6
.
5 4 3 9 3 1
.
9 9 69
2 2
.
1 7 2 2 2 2
.
0 98 1
1 6
.
1 5 6 9 1 6
.
8 95 9
2 3
.
3 3 3 4 1 9
.
3 18 1
3 2
.
4 15 7 3 6
.
8 74 9
因而得到
Q 一 艺A + 艺 A
式中 Q 为咖啡香味表征量 。
为提高 Q 值的测定重复性 , 一般应在样品中加
人内标物 。此时得到较完整的香味鉴评模 型为 :
_ 、 , , A
, 、 , ,
似 一 少 二二 十 少一 月` 一
丛
A
` :
我们将上述 模型用 于对已经 S F E 处理 和未处
理的同一咖啡样的香味变化鉴评 ,求测出 Q 已萃 /Q 未苹
~ 85 呢。 此结果表明 ,经 S F E 处理的咖啡中主要微
量组分略有损失 ,但不显著 。 而上述两样品经上百人
次 口 感鉴评 , 其结论为 :两者风味及 口感相似 , 但经
处理的样品味道略淡一点 。 由此可见 , 我们建立的模
型与人们 口感鉴评咖啡香味的结果是吻合的 。
我们 已将本模型用于小粒咖啡中脱除咖啡 因的
S F E 温度 、 压力条件选定 , 取得较好效果 , 避免了依
赖 口感鉴评香味的人为误差 。
3
.
5 云南小粒咖啡的色谱 /质谱鉴定
有人 〔 , , 4 〕用顶空气相色谱 /质谱方法对咖啡香味
成分作过鉴定 ,并检出了约 60 个微量组分 。 但认为
5期 刘锦耀等 :超临界流体萃取法脱除云南小粒咖啡豆中咖啡因的研究及评香模型初建 · 3 4 5·
必须采用高灵敏度 、 高分辨率的质谱仪器 。 为配合前 G C /M S 仪 (Q /M as s9 10)成功地对云南小粒咖啡挥
述香味鉴评模型的建立及确定 S F E 操作条件的需 发性微量组分进行了分析 , 鉴定出云南小粒咖啡制
要 . 并作为首次对云南小粒咖啡 G C /M S 分析探索 , 品中一批微量组分 , 效果甚佳 (见表 2) 。
我们用预柱低温 富集顶 空样 品 的方法 , 以普及 型
表 2 用顶空气相色谱 /质谱法检出的云南小粒咖啡中徽 t 组分
本研究表明 , 采用简易 、 快捷 的顶空气相色谱 /
质谱分析手段 , 也可作为咖啡香味成分香检 、 质控的
有效手段 , 具有较大实用价值 。
致谢 本工作得到刘启 、何春茂先生大力协助 , 谨表
谢意 。
参 考 文 献
云南 省科委 编 . 云 南生物资源 开发战略研究 . 昆 明 :
1 9 90
:
2 0 1
H 1115 J W
,
H i l l H H
.
A n a l C h e m
,
19 9 1 ; 6 3
:
2 1 5 2
V i r z t h u m 0 G
.
W e r k h o ff P
.
J A g r , e F o o d C h e m
.
1 9 7 5 ; 2 3
: 5 0 0
W a n C M
,
J
a h n M T
,
W a n g T H 扩 t a l
.
C h r o
-
m a t o g
r a p h i a
, 1 9 8 3 ; 1 7
: 4 1
R e m o
v i n g C a f f e i n e i n Y u n n a n C o f f e e B e a n s b y S u P e r e r i t i e a l
F l u i d E x t r a c t i o n ( S F E ) T e c h n i q u e a n d S e t t i n g u P a M o d e l f o r
C o f f e e F l a v o u r A P P r a i s a l
L i u J i
n y a o
,
Z h a o J i a n p i n g
,
Z h a n g X i a n ju n a n d W
a n g M e i
( Y u n n a n P r o v i n c e A n a ly
s i s a n d eT
s t i n g R
e s e a cr h I n s t i t : ` t e , K : ` n m i n g , 6 5 0 0 5 1 )
L i u W
e i ju a n
(D ￡户a rt m e , t of C h e m i s t即 , Y u n n a , U n io e sr i t夕 , K u n m i n g , 6 5 0 0 9 1 )
S
u p e r e r i t ie a l f l u id e x t r a e t io n ( S F E ) t e e h n i q u e w a s a p P l ie d t o r e m o v e e a f f e in e i n Y u n n a n C o f f e e B e a n s
w i r h
e
f f
e e t iv e r e s u lt s
,
W it h H S
一
G C
,
G C / M S
, t h e f r a g r a n e e e o m p o s i t io n s in t h e e o f f e e b e a n s b o t h S F E一
t r e a t e d a n d u n t r e a t e d w e r e a n a l y z e d a n d e o m p a r e d
.
A m o d e l f o r e o f fe e fl a v o u r a p p r a is a l w a s r a is e d
.
K e y w o r d s s u P e r e r i t i
e a l f l u l d e x t r a e t io n
, e a
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