《Food Chemistry》：Coffee beverage sedimentation: From roasting effects to storage stability
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咖啡即饮产品沉淀机制研究显示，低温提取促进蛋白-多酚聚集，高温提取导致半乳糖聚曼nan结晶，不同配方（黑咖啡/拿铁）沉淀主导因素差异显著。
徐东赫 | 康俊旭 | 苏允尚 | 尤尚浩
韩国首尔广津区Nungdong-ro 209号世宗大学食品科学与生物技术系及碳水化合物生物制品研究中心，邮编05006
摘要
即饮（RTD）咖啡产品经常出现沉淀现象，这会降低产品质量和消费者接受度。本研究通过分子量和成分分析，探讨了在不同烘焙条件、提取温度和产品配方下RTD咖啡沉淀的机制。研究发现两种主要机制：半乳甘露聚糖结晶和蛋白质-多酚相互作用。低温提取有利于蛋白质-多酚聚集，导致沉淀物中蛋白质比例较高；而高温提取则促进半乳甘露聚糖结晶，使沉淀物中甘露糖含量增加。商业RTD咖啡的沉淀模式各不相同：黑咖啡的沉淀物以碳水化合物为主，而拿铁配方则表现为蛋白质介导的聚集。实验表明，配方变量会影响沉淀物的数量和聚合物分子量；牛奶蛋白同时增加了沉淀物的数量和分子量，表明其具有更强的聚集作用。这一研究为针对性策略提供了依据，例如针对黑咖啡采用酶控制多糖的方法，针对含奶RTD咖啡优化蛋白质比例，从而提高产品的稳定性。
引言
咖啡是全球最受欢迎的饮料之一，即饮咖啡产品市场正在快速增长（Fuller & Rao, 2017）。然而，RTD咖啡中的沉淀现象已成为一个关键的质量问题，影响产品的清澈度、稳定性和整体质量，显著降低消费者接受度（Kazes et al., 2024）。咖啡生产过程中，咖啡豆在180–220°C的温度下进行烘焙，这一热处理会引发复杂的化学反应，包括美拉德反应、焦糖化和热解（Mehaya & Mohammad, 2020）。这些反应从根本上改变了咖啡豆的化学成分，进而影响最终产品的风味和沉淀倾向。
咖啡豆含有许多生物活性化合物，在烘焙过程中会发生显著变化（Moreira, Nunes, Domingues, & Coimbra, 2012）。这些变化后的化合物在提取和加工过程中可能导致沉淀。绿咖啡豆中的主要酚类化合物是绿原酸及其异构体（Liang, Xue, Kennepohl, & Kitts, 2016），但在烘焙过程中这些化合物会被大量分解，从而降低其与蛋白质形成复合物的能力（Kim, Lim, Kim, & Kim, 2024）。咖啡多糖是绿咖啡豆细胞壁的主要成分，主要包括半乳甘露聚糖和阿拉伯半乳聚糖（Ballesteros, Cerqueira, Teixeira, & Mussatto, 2015; Fischer, Reimann, Trovato, & Redgwell, 2001）。半乳甘露聚糖以甘露糖为主链，侧链为半乳糖；阿拉伯半乳聚糖则以甘露糖为基础，具有复杂的分支结构。烘焙过程中这两种多糖会发生热降解，导致聚合物链断裂（Redgwell, Trovato, Curti, & Fischer, 2002; Sim?es, Maricato, Nunes, Domingues, & Coimbra, 2014）。这种断裂增加了它们的可提取性，但也增强了储存过程中的结晶倾向（Delgado, Vignoli, Siika-aho, & Franco, 2008; Kazes et al., 2024）。咖啡因是一种嘌呤生物碱，在烘焙过程中结构稳定，并通过与绿原酸的π-π堆叠相互作用形成复合物（D'Amelio, Papamokos, Dreyer, Carloni, & Navarini, 2015）。咖啡蛋白在烘焙过程中会发生热降解，并参与美拉德反应（Cardoso et al., 2023），生成黑色素类化合物，这类化合物占烘焙后咖啡豆干重的25%左右（Borrelli, Visconti, Mennella, Anese, & Fogliano, 2002; Moreira et al., 2012）。
这些烘焙后的咖啡成分可通过多种机制导致沉淀。当绿原酸与β-酪蛋白结合时，会形成不溶性复合物，从而促进沉淀（Yin et al., 2022）。钾离子稳定的咖啡因-绿原酸复合物也是沉淀形成的另一个关键途径，脱咖啡因产品的沉淀现象明显减少（Kazes et al., 2024）。咖啡中的半乳甘露聚糖和阿拉伯半乳聚糖在储存过程中会结晶，从而导致沉淀（Delgado et al., 2008）。此外，热处理过程中形成的美拉德反应产物也被认为可能是沉淀的潜在原因，尤其是在热处理的RTD产品中（Borrelli et al., 2002; Moreira et al., 2012）。然而，大多数先前的研究仅单独考察了沉淀机制，未考虑加工条件对它们相对贡献的影响。此外，关于新鲜提取物与不同储存条件下加工后的RTD产品沉淀模式的比较研究也很有限。因此，本研究系统地分析了烘焙强度、提取温度和产品配方对咖啡提取物和RTD产品沉淀机制的影响。我们假设烘焙强度和提取温度通过改变咖啡大分子的溶解度、分子结构和相互作用潜力，调节多种沉淀途径的竞争。具体而言，较高的烘焙和提取温度会促进多糖的释放和降解，有利于半乳甘露聚糖结晶；而温和的热处理条件则保持蛋白质的完整性和酚类的反应活性，促进蛋白质-多酚聚集。我们利用分子量分布和成分分析来研究这些效应。
咖啡提取物的制备
阿拉比卡和罗布斯塔咖啡豆来自韩国首尔的商业来源，分别进行两种强度的热风烘焙：轻烘焙在215°C下进行12–13分钟，深烘焙在230°C下进行12–13分钟。烘焙程度使用ColorTrack Benchtop roast analyzer（型号R-100INTL，Fresh Roast Systems, Inc.，美国佛罗里达州Key Biscayne）进行监测，轻烘焙的目标值为60，深烘焙的目标值为70。
固体含量和分子量分布
咖啡提取物的固体含量和沉淀模式随烘焙强度和提取温度的不同而有显著差异（表1）。对于阿拉比卡提取物，高温（95°C）提取的固体含量明显高于低温（80°C）提取。在低温条件下，深烘焙提取物的固体含量略高于轻烘焙提取物，这表明热处理促进了细胞壁的降解，提高了提取效率。
结论
本研究通过系统分析分子量分布和化学成分，全面揭示了RTD咖啡产品中的沉淀机制。发现了三种主要途径：半乳甘露聚糖结晶、蛋白质-多酚相互作用以及咖啡因-绿原酸复合物的形成，其相对重要性取决于加工条件和产品配方。低温提取有利于蛋白质-多酚聚集；
CRediT作者贡献声明
徐东赫：撰写初稿、验证、方法学设计、实验实施、数据分析、概念构建。
康俊旭：资源提供、方法学设计、数据分析。
苏允尚：数据验证、数据分析、数据整理。
尤尚浩：撰写修订、监督、项目管理、实验实施、概念构建。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写本文时，作者使用了ChatGPT和Claude工具检查语法和简洁性，并根据期刊要求减少了字数。使用这些工具后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了韩国国家研究基金会（Ministry of Education资助）基础科学研究计划的支持（项目编号：RS-2022-NR070874和RS-2023-NF001356）。
