从咖啡副产品中提取的酚类化合物的脱咖啡因处理及其稳定性研究——这些化合物存在于牛奶和杏仁奶中

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Extraction, decaffeination, and stability of phenolic compounds recovered from a coffee co-product in milk and almond-based milk

　　

摘要

从咖啡副产品中提取的绿原酸具有有益的代谢作用，但这些效果可能会因共提取的咖啡因而减弱。因此，开发能够选择性去除咖啡因的纯化技术对于获得具有增强功能特性的成分至关重要。此外，将这些生物活性化合物融入广泛消费的食品中可以提高其可及性和潜在的健康益处。在此背景下，本研究旨在从牛奶和杏仁基牛奶中提取、脱咖啡因并评估绿原酸及其衍生物的稳定性。采用高强度超声（HIUS）进行提取，溶剂与原料的比例（S/F）分别为10、20和30克/克。为了纯化，评估了不同的吸附剂（PoraPak Rxn、Sepra C18-E和Sepra? NH?）以及吸附剂与提取物的比例（4–12%（重量/重量），以在保留酚类化合物的同时最大程度地去除咖啡因。然后将粗提取物和脱咖啡因后的冻干提取物加入牛奶和杏仁基牛奶中，并对其进行热处理和冷藏储存。结果发现，S/F比例为20时提取效率最高，可获得更浓缩的提取物。最有效的纯化条件是使用6%（重量/重量）的Sepra C18-E吸附剂，可去除约80%的咖啡因。热处理和冷藏后，酚类化合物在牛奶中的稳定性高于杏仁基牛奶，这可能是因为牛奶具有更稳定的胶体结构和更低的pH值。总体而言，酚类化合物的保留情况依赖于食品基质，而在杏仁基牛奶中的损失更大。这些发现强调了在评估功能性食品中酚类化合物稳定性时考虑食品基质成分的重要性。

引言

咖啡是全球最重要的商品之一，因其大规模生产和对全球经济的重大贡献（Freitas等人，2024年）。然而，在加工过程中，超过50%的咖啡果被废弃，产生了诸如壳、果肉、果胶、银皮和缺陷咖啡豆等固体副产品（Santos等人，2021年）。如果这些固体材料没有得到妥善利用或管理，可能会对自然资源造成严重影响，并导致宝贵的生物资源的流失（Arya等人，2021年；Urugo等人，2025年）。尽管如此，这些副产品为咖啡产业链增加了价值，因为它们是膳食纤维、蛋白质和生物活性化合物的丰富来源（Strieder等人，2023年）。

在咖啡副产品中存在的生物活性化合物中，最丰富的是绿原酸，特别是5-咖啡酰奎宁酸（5-CQA）及其异构体3-CQA和4-CQA、相关的二咖啡酰奎宁酸和阿魏酰奎宁酸衍生物以及咖啡因（Rodrigues da Silva等人，2022年）。5-CQA具有抗氧化、抗菌和抗炎作用，并被认为有多种有益的代谢效应，包括调节血糖水平（Li等人，2023年；Lu等人，2020年）。然而，咖啡因的存在可能会减弱5-CQA的一些有益效果，据报道咖啡因会降低胰岛素敏感性（Arvianto等人，2025年）。此外，仅约三分之一的5-CQA能在胃肠道中被吸收并进入全身循环，限制了其生物利用度（de Vasconcellos等人，2022年）。因此，开发富含绿原酸的产品是一种增强其健康益处的好方法。因此，开发能够最大化绿原酸回收量同时选择性降低咖啡因含量的提取和纯化过程对于获得具有增强功能特性的提取物至关重要。

已经探索了多种从咖啡副产品中提取生物活性化合物的技术（Strieder等人，2023年）。其中，高强度超声（HIUS）提取方法尤为吸引人。HIUS产生的声波（20–100 kHz）会在液体介质中引起快速的压缩和减压循环，导致空化泡的形成和破裂。空化过程中释放的能量增强了质量传递，促进了生物活性化合物从原材料向溶剂的释放，从而缩短了提取时间（Tiwari，2015年）。通过结合不同的溶剂与原料的比例（S/F）来评估HIUS处理时间，可以开发出快速、高效的方法，生产出目标化合物浓度更高的提取物，同时减少溶剂的使用，从而降低成本和下游溶剂去除所需的能量。与HIUS结合使用时，水被证明是一种非常有效的提取溶剂，因其性能优于其他溶剂，同时成本低、无毒且环保（de Aquino Cardoso Andrade等人，2026年）。虽然水提取率高，但它也会同时提取咖啡因和其他不需要的化合物，导致酚类化合物的选择性低于乙醇等有机溶剂。然而，在实践中，溶剂对绿原酸和咖啡因的选择性可能没有显著差异。例如，尽管增加乙醇在混合液中的比例理论上有利于提取酚类化合物而非咖啡因，但我们的先前研究只显示出了较小的选择性差异（Strieder等人，Bragagnolo等人，2024年）。因此，单独使用替代溶剂可能不足以选择性回收酚类化合物，这突显了后续纯化步骤的重要性。

在可用的下游纯化方法中，吸附法作为一种有前景的、可持续的方法被用于生物活性化合物的选择性分离。该过程基于质量传递现象，目标分子通过物理和化学相互作用保留在固体吸附剂表面（Seader等人，1998年）。使用填充吸附剂的固相提取（SPE）已成功应用于从农业工业副产品中分离酚类化合物和咖啡因（Bragagnolo等人，2025年；Strieder等人，Sanches和Rostagno，2024年）。然而，不使用柱子或高压系统的批次吸附过程仍然相对较少研究，尽管它们具有操作简单和处理成本较低的潜在优势（de Oliveira等人，2025年）。Arvianto等人（2025年）使用活性炭进行了咖啡提取物中咖啡因的吸附实验，结果显示咖啡因的去除率为23.7%。然而，吸附效率和选择性很大程度上取决于吸附剂的化学和结构特性，以及溶剂的极性和目标化合物的特性。因此，具有不同表面化学性质和孔结构的吸附剂对咖啡因和共提取化合物的吸附行为可能有所不同，从而影响吸附和分离效果。

从咖啡副产品中提取的化合物已成功应用于烘焙产品、乳制品和创新功能性饮料中，提高了它们的抗氧化活性和营养价值（Guglielmetti等人，2019年；Loukri等人，2020年；Osorio-Arias等人，2020年）。在乳制品系统中，由于绿原酸与蛋白质和其他基质成分的相互作用，它们在热处理过程中的稳定性得到了改善，这可以减少降解反应并帮助保持抗氧化活性（Chandimala和Ajtony，2025年；Chen等人，2025年）。然而，通过详细分析和量化来评估食品储存过程中单个绿原酸及其相关化合物稳定性的研究仍然很少。这一知识空白限制了对这些生物活性化合物在食品基质中命运的全面理解。因此，本研究旨在从咖啡副产品中提取酚类化合物，并通过去除部分咖啡因来脱咖啡因，然后评估它们在牛奶和杏仁基牛奶中的稳定性。通过评估个别酚类化合物在加工和储存过程中的行为，本研究旨在展示咖啡副产品提取物作为天然功能性食品成分的潜力。

章节片段

材料

阿拉伯ica咖啡副产品由Sítio Belo do Biri?a（巴西圣保罗州布拉干萨）提供，包括咖啡壳和缺陷咖啡豆的混合物。样品在60°C下干燥24小时，然后进行研磨。干燥和研磨后，通过使用Tyler筛网（16–80目；W.S. Tyler，惠灵顿，美国）测定Sauter平均直径来表征颗粒大小分布，并通过重量分析测定水分含量，结果分别为0.44±0.01毫米和10.11±0.05%。

HIUS提取的S/F比例选择

图1显示了不同S/F比例（10、20和30）对绝对提取产量（化合物毫克数，A）和按所用咖啡副产品质量归一化的提取效率（B）的影响。从咖啡副产品中提取了5-CQA、咖啡因、3-CQA、FQA以及三种未鉴定的化合物（C5、C6和C7），可能是二-O-咖啡酰奎宁酸（3,4, 3,5和4,5-diCQAs）（图S1）。这些化合物已在先前的研究中鉴定出来

结论

成功从咖啡副产品中提取了酚类化合物，并将其脱咖啡因后加入牛奶和杏仁基牛奶饮料中。S/F比例为20时提取效率最高，同时得到了更浓缩的液体提取物。使用6%（重量/重量）的Sepra C18-E吸附剂在去除咖啡因的同时，较好地保留了较高水平的酚类化合物，尤其是3-CQA和5-CQA。此外，扩大

CRediT作者贡献声明

Milena de Aquino Cardoso Andrade：撰写——原始草案、方法学、研究、数据分析。Mauricio Ariel Rostagno：撰写——审阅与编辑、可视化、资金获取。Monique Martins Strieder：撰写——审阅与编辑、监督、方法学、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究。

致谢

我们感谢圣保罗州研究基金会（资助编号：2023/12744-6、2021/12264-9、2025/20131-0和2019/13496-0）、国家科学技术发展委员会（CNPq）[资助编号：302610/2021-9]以及巴西高等教育人员培训协调委员会（CAPES）[资助代码：001]。

Milena de Aquino Cardoso Andrade|Mauricio Ariel Rostagno|Monique Martins Strieder

多学科食品与健康实验室（LabMAS），应用科学学院（FCA），坎皮纳斯州立大学（UNICAMP），Pedro Zaccaria街1300号，Limeira，SP CEP 13484-350，巴西