废弃咖啡渣中油脂的简易溶剂提取方法对其理化特性及抗氧化活性的影响研究

本研究针对废弃咖啡渣(SCG)资源化利用中传统提取方法存在的高成本、高危害及低效问题，探讨了机械高速搅拌(MHE)和加速溶剂萃取(ASE)两种简易绿色提取技术对SCG油脂得率、脂肪酸组成、热行为、紫外吸收特性、咖啡因与二萜(如kahweol和cafestol)含量、抗氧化活性及氧化状态的影响。结果表明，ASE提取率较索氏提取提高12%，且显著提升二萜含量及抗氧化活性；MHE则有效降低过氧化值，保留更高生物活性。该研究为SCG高值化利用提供了低投资、低成本且高效可行的技术路径，对食品、化妆品及制药行业具有重要应用价值。

　　

在全球咖啡消费量持续增长的背景下，每年产生约6000万吨的废弃咖啡渣(Spent Coffee Grounds, SCG)，成为巨大的环境负担。然而，SCG并非简单的废弃物，其含有丰富的纤维、蛋白质和脂质，以及多种高附加值的生物活性成分，如多酚、咖啡因、美拉德反应产物 Melanoidins，以及亲脂性的二萜类化合物（如kahweol和cafestol）、甾醇和生育酚等。尽管SCG潜力巨大，目前其主要处置方式仍是作为有机废弃物处理，未能充分实现其资源化价值。传统提取方法如索氏提取（Soxhlet）虽操作简单、成本较低，但使用正己烷等有机溶剂存在健康、安全和环境风险；超临界流体萃取（SFE）虽绿色高效，但设备复杂、成本高昂，限制了其工业应用。因此，开发一种既高效又经济、且易于工业推广的SCG油脂提取技术，成为当前研究的重要方向。

本研究旨在评估两种简易且易实施的溶剂提取方法——机械高速搅拌提取（Mechanical High-speed-stirring Extraction, MHE）和加速溶剂萃取（Accelerated Solvent Extraction, ASE）——对SCG油脂提取效率及油脂理化特性、化学组成和抗氧化性能的影响，并与传统索氏提取法进行对比。所有提取实验均采用异辛烷（isooctane）作为溶剂，因其易于去除、毒性低于正己烷，且广泛应用于油脂提取领域。

为开展本研究，研究人员从意大利乌迪内地区10家本地咖啡店收集SCG样本，经清洗、混合、研磨并干燥后，采用以下关键技术方法进行油脂提取与分析：（1）索氏提取（Soxhlet）：以正己烷为溶剂，69°C提取60分钟；（2）机械高速搅拌提取（MHE）：以异辛烷为溶剂，20°C下高速搅拌5-15分钟；（3）加速溶剂萃取（ASE）：以异辛烷为溶剂，在105°C和10.3 MPa压力下提取6-12分钟。提取后的油脂经旋转蒸发去除溶剂，并进一步通过气相色谱-质谱（GC-MS）分析脂肪酸组成，差示扫描量热仪（DSC）分析热行为，紫外-可见分光光度法（UV-Vis）测定吸收光谱，高效液相色谱-二极管阵列检测（HPLC-DAD）定量咖啡因、kahweol和cafestol含量，DPPH•法测定自由基清除活性（RSA），并依据ISO 3976方法测定过氧化值（PV）。所有数据分析均采用Origin Pro 2021软件进行单因素方差分析（ANOVA）及Tukey事后检验。

3.1. 提取得率

索氏提取法（正己烷，60分钟）的油脂得率为~13.5%，与文献报道一致。MHE法（异辛烷，5-15分钟）的得率较索氏法低23%，约为10%，而ASE法（异辛烷，6-12分钟）的得率显著提高12%，达~15%。ASE得率提升可能源于加压条件下溶剂扩散和基质-溶剂接触的增强。

3.2. 脂肪酸组成与热行为

GC-MS分析显示，不同提取方法获得的SCG油脂脂肪酸组成无显著差异，主要脂肪酸为亚油酸（C18:2ω6，~41%）、棕榈酸（C16:0，~34%）和油酸（C18:1ω9，~9%）。DSC热分析表明，所有样品的结晶和熔化行为相似，表明不同提取方法未改变油脂的晶体形成特性，这与脂肪酸组成的稳定性一致。

3.3. 紫外-可见吸收特性

UV-Vis光谱显示，所有样品在200-500 nm均有 broad 吸收峰，400-500 nm区域的吸收可能与美拉德反应产物melanoidins相关，而200-400 nm UV区域的吸收则归因于萜类、多酚和甾醇等生物活性物质。MHE和ASE提取的油脂在UV区域吸收更强，表明其保留了更多热敏感生物活性物质；ASE样品吸收最高，可能得益于压力促进的基质破坏和化合物溶出。

3.4. 咖啡因和二萜含量

HPLC-DAD定量分析表明，索氏提取因高温长时处理导致咖啡因和二萜回收率低。MHE法（15分钟）可显著提高kahweol和cafestol含量（较索氏法提高~32%和~12%），但咖啡因含量较低（90-121 mg L^-1_oil）。ASE法则进一步提升了所有生物活性物质的回收，咖啡因含量达371-500 mg L^-1_oil，kahweol和cafestol分别达16-17 g L^-1_oil和15 g L^-1_oil，这可能源于高温高压提高溶解度和基质渗透性。

3.5. 抗氧化特性与氧化状态

DPPH•分析显示，索氏提取油脂的RSA最低（27 mgTE L^-1_oil），MHE法显著提高RSA（162-200 mgTE L^-1_oil），ASE法最高（281-298 mgTE L^-1_oil），表明后两种方法更好保留了抗氧化成分。然而，过氧化值（PV）测定结果呈现不同趋势：索氏提取油脂PV最高（36 mEq_O2 kg^-1_oil），MHE法最低（9.7-12.5 mEq_O2 kg^-1_oil），而ASE法虽提取了更多抗氧化剂，但PV较高（26-27 mEq_O2 kg^-1_oil），表明加压条件在促进生物活性物溶出的同时，也可能加速了油脂氧化。

本研究系统评估了MHE和ASE两种简易提取技术对SCG油脂品质及功能特性的影响。结果表明，ASE可显著提高油脂得率和生物活性物质（如咖啡因、kahweol和cafestol）含量，并增强抗氧化活性，但可能引发油脂氧化；MHE虽得率略低，但更好保留了油脂氧化稳定性，且操作更简便、成本更低。两种方法均能有效替代传统索氏提取，避免正己烷的使用及高温长时间处理导致的成分降解。异辛烷作为提取溶剂，展现出与正己烷相当的提取效率且安全性更优。该研究为SCG的高值化利用提供了技术可靠、经济可行的解决方案，所获富含生物活性物质的SCG油脂在功能性食品、化妆品和药品等领域具有广阔应用前景。未来研究需重点关注这些提取技术的工业化放大及经济可行性评估，以推动SCG资源化从实验室走向产业化。