乌干达产阿拉比卡与罗布斯塔咖啡及其咖啡渣的比较研究：提取物生物活性成分作为循环资源的评价

《International Journal of Molecular Sciences》：Comparative Study on Coffee and Spent Coffee Grounds of Arabica and Robusta Varieties of Ugandan Origin: Bioactive Properties of Extracts as Circular Resources

　　

咖啡消费量逐年增长，作为副产物的咖啡渣数量亦随之增加，而咖啡渣中仍含有生物活性化合物。本研究旨在评价乌干达产两个品种（阿拉比卡与罗布斯塔）的焙炒咖啡渣（RCG）及相应咖啡渣（SCG）经极性相反溶剂提取所得的脂质组分（LFs）与多酚组分（PFs）。采用GC-FID、¹H-NMR、Folin–Ciocalteu、HPLC-PDA、DPPH及抗菌活性方法对提取物进行定性与定量分析。研究人员可从乌干达阿拉比卡品种SCG中获得高品质脂质组分即咖啡油（91.82 g三酰甘油/100 g LF，49.85 mol%饱和脂肪酸链与50.15 mol%不饱和脂肪酸链，8.98 mg GAE/g LF，20.91% DPPH抑制率），且提取产率高（10.34 g/100 g SCG）。此外，乌干达阿拉比卡与罗布斯塔两品种的SCG均为回收高品质PF（分别为12.30与7.85 mg GAE/g PF，0.684与0.837 mg/g PF绿原酸，85.17%与73.95% DPPH抑制率）的潜在资源，提取产率良好（9.35与5.63 g/100 g SCG），且咖啡冲泡步骤后仍保留抗菌活性。上述结果凸显乌干达产地SCG作为生物活性化合物进一步增值利用资源的潜力。

咖啡为全球消费量最大的饮料之首，亦为仅次于原油的第二大贸易商品，咖啡消费量逐年稳步增长，随之而来的是咖啡冲泡过程产生的固体副产物咖啡渣数量持续上升。每加工1吨生咖啡豆约产生650 kg咖啡渣副产物，全球年产量达600–800万吨。该副产物含水率高（50–65%），通常被视为废弃物，但其仍是含有重要生物活性化合物（冲泡后残留）的可再生资源，具有增值利用潜力。咖啡渣在工业层面属于开发不足的材料，尤其在非极性化合物方面，因咖啡冲泡主要去除水溶性化合物。咖啡渣含35–57%碳水化合物、19–33.6%木质素、2–25%脂质、4–17.5%蛋白质、1–3%酚类化合物、2–9%膳食纤维及0.7–4%矿物质。咖啡油以脂肪酸、甾醇和生育酚为主要成分，多酚类为微量成分；其特征脂肪酸谱为高含量亚油酸C18:2（36–42%）与棕榈酸C16:0（32%），低含量油酸C18:1（10–12%）与硬脂酸C18:0（7–10%），富含多不饱和脂肪酸（PUFAs）与饱和脂肪酸（SFAs），不同于常见食用植物油。咖啡油PUFA/SFA比值>1，具有显著健康益处，适用于营养保健品与膳食补充剂；其生育酚水平显著高于多数商业油。多酚方面，咖啡渣提取物含大量酚酸（绿原酸、咖啡酸、阿魏酸、奎宁酸、单宁酸、鞣花酸）、黄酮类（槲皮素、儿茶素、表儿茶素、芦丁、山奈酚）、二萜类（咖啡醇、咖啡豆醇）、类黑精及少量生物碱（咖啡因、葫芦巴碱），具有抗氧化、抗炎、抗过敏、抗菌、抗衰老、抗癌及抗糖化等生物活性。咖啡渣脂质与多酚组分提取物的生物活性谱等于甚至高于咖啡饮料，使该副产物具有功能竞争力。咖啡渣组成因品种、地理产地、加工条件（烘焙程度、研磨粒度）或冲泡方式而异。在上述条件下，咖啡渣通常被焚烧、用作低值肥料或弃置于填埋场，导致不受控分解产生甲烷和二氧化碳等温室气体，且其中某些生物活性化合物（咖啡因、绿原酸）对水土具有毒性，造成负面环境影响。近期研究凸显咖啡渣因残留生物活性化合物（多酚、脂质、蛋白质、矿物质）而日益受到增值利用关注，其作为可持续功能配料在食品科学、化妆品、生物燃料及可生物降解包装中具有应用前景。在商业重要咖啡品种中，阿拉比卡（Coffea arabica）与罗布斯塔（Coffea canephora）在化学组成与感官特征上存在差异：阿拉比卡通常品质更优，风味更温和芳香；罗布斯塔则味感更强、苦味与涩感增加。阿拉比卡咖啡脂质含量约17%，罗布斯塔通常较低，至多10%；但罗布斯塔绿原酸、咖啡因及总酚含量倾向于高于阿拉比卡。据报，乌干达咖啡依产地不同，两品种均具有最高浓度的绿原酸和饱和脂肪酸链。乌干达为非洲第二大、全球第六大咖啡生产国，且在非洲产咖国中独具特色，同时种植阿拉比卡与罗布斯塔：阿拉比卡占23%，分布于高海拔凉爽、排水良好地区；罗布斯塔占77%，分布于低海拔地区。相关研究表明，乌干达咖啡豆因其独特植物化学谱而具抗氧化与抗糖尿病特性，原生罗布斯塔富含咖啡因、绿原酸与游离氨基酸，阿拉比卡则含脂质、糖类与挥发性芳香化合物。本研究拟通过比较分析乌干达产地阿拉比卡与罗布斯塔两品种生物活性化合物含量，探讨利用食品工业副产物即已知产地咖啡渣的增值潜力。研究人员采用已知产地的新鲜焙炒咖啡渣及其经水脉冲提取所得咖啡渣，以极性与非极性溶剂提取。多数研究使用咖啡拼配或无控产地咖啡渣，极少考虑不同极性溶剂对咖啡及其所得咖啡渣生物活性化合物提取行为的影响。总之，本研究通过不同有机溶剂（己烷与乙醇）提取，考察乌干达两种原生品种（阿拉比卡与罗布斯塔）咖啡渣相较焙炒咖啡渣的增值潜力，旨在评价溶剂极性、咖啡基质类型与咖啡品种对生物活性化合物提取产率的影响，并比较其在多酚与脂质组分组成及效应方面的提取效率。提取物的分析表征包括总酚含量、多酚与脂质组分组成、抗氧化活性、抗菌活性测定，从而实现乌干达产地阿拉比卡与罗布斯塔焙炒咖啡渣与咖啡渣的比较评价。用于提取生物活性化合物的咖啡渣产地受控，可确保提取物浓度稳定，并为有意在化妆品与食品工业中利用者提供明确信息。

研究人员采用Soxhlet提取法从焙炒咖啡渣（RCG）与咖啡渣（SCG）两种咖啡基质中分离脂质组分与多酚组分，己烷为非极性溶剂分离LFs，乙醇为极性溶剂回收PFs；两品种RCG烘焙度值分别为105与103，属中浅烘焙（Tonino标度100–115）。提取产率随品种、基质类型与溶剂而异，范围为4.09–12.74 g提取物/100 g咖啡样品；阿拉比卡产率高于罗布斯塔（RCG中LFs>75%、PFs>36%；SCG中LFs>150%、PFs>66%）。SCG产率较RCG显著降低，罗布斯塔尤为明显：阿拉比卡SCG的LF为10.34 g/100 g、罗布斯塔SCG为4.09 g/100 g；阿拉比卡SCG的PF为9.35 g/100 g、罗布斯塔SCG为5.63 g/100 g。乙醇提取产率较己烷增加30–40%（罗布斯塔）与10–11%（阿拉比卡）。采用GC-FID鉴定LF中酰基甘油酯，主要化合物为三酰甘油（91.82–92.41 g/100 g LF）、二酰甘油（3.08–3.15 g/100 g LF）、极少量单酰甘油及4.21–4.80 g/100 g LF游离脂肪酸；各LF样品三酰甘油比例相近，因该组分在冲泡水提取中不被提取。研究人员指出连接甘油分子的脂肪酸链类型影响咖啡油理化特性，故需鉴定化合物及其比例。采用¹H-NMR表征LF脂肪酸酰基链组成：约0.85 ppm（B）为末端甲基，1.24 ppm（C）为内部亚甲基，1.64与2.26 ppm（D、F）分别为酯羰基β位与α位亚甲基质子，2.02、2.76、5.29 ppm（E、G、J）分别为烯丙基、双烯丙基与烯烃质子，4.19 ppm（H，sn-1/sn-3亚甲基质子）与5.15 ppm（I，sn-2次甲基质子）为甘油骨架信号。己烷提取LF含大量饱和（46.96–52.74 mol%）与双不饱和（31.96–44.14 mol%）脂肪酸酰基链，单不饱和链占8.90–15.64 mol%；双不饱和部分（主要为亚油酸）沿A-RCG-H至R-SCG-H序列下降（RCG较高），饱和部分总体上升（SCG较高）；单不饱和部分（主要为油酸）由A-RCG-H的8.90 mol%升至R-RCG-H的15.64 mol%，R-SCG-H相近（15.31 mol%）。A-RCG-H双不饱和贡献最高，R-SCG-H饱和贡献最高。总体组成符合咖啡豆油亚油酸–棕榈酸特征谱。A-RCG-H与A-SCG-H中约0.96 ppm处极弱共振与n-3脂肪酸酰基链（最可能为α-亚麻酸C18:3）的微量贡献一致，因强度过低未能可靠积分，仅作定性解释；R-RCG-H与R-SCG-H未检出相应分辨共振，但未检出不能确立C18:3完全缺失。碘值74.03–77.07 g I₂/100 g LF，A-RCG-H最高，与其较高双不饱和贡献一致；皂化值202.81–208.39 mg KOH/g LF。谱图与计算指标支持咖啡油富含饱和与亚油酸型链、伴随较少单不饱和贡献，且A-RCG-H与A-SCG-H具与微量n-3成分（C18:3）一致的弱特征。采用Folin–Ciocalteu法以四种参考酚类化合物（没食子酸、咖啡酸、阿魏酸、单宁酸）测定TPC，四种标准品均呈RCG高、SCG低的相同趋势，阿魏酸与咖啡酸当量值较高；以GAE表示时，两品种RCG乙醇提取物（13.86–14.23 mg GAE/g）与SCG乙醇提取物（7.85–12.30 mg GAE/g）的较高TPC主要见于分离的PFs，归因于乙醇极性利于酚类溶解；乌干达咖啡提取物最高TPC值12.65–14.23 mg GAE/g见于阿拉比卡品种的LF与PF。HPLC-PDA分析显示，自27种标准品中至多鉴定出11种化合物，分属三类：羟基肉桂酸（新绿原酸、咖啡酰酒石酸、绿原酸、咖啡酸、对香豆酸、反式阿魏酸、菊苣酸）、黄酮类（(-)-表儿茶素、槲皮素）与酚酸（没食子酸、原儿茶酸）；RCG提取物多酚含量高于相应SCG，与TPC结果一致。所有提取物中均鉴定出绿原酸（RCG 0.776–2.210 mg/g PF，SCG 0.514–0.519 mg/g PF）、新绿原酸（RCG 0.386–0.971 mg/g PF，SCG 0.170–0.318 mg/g PF）及较少量的咖啡酰酒石酸、咖啡酸与菊苣酸；没食子酸与表儿茶素仅见于A-RCG-E，对香豆酸仅见于A-RCG-E与A-SCG-E，槲皮素仅见于A-SCG-E，原儿茶酸见于除R-SCG-E外的所有乙醇提取物。因缺乏咖啡因标准品未能定量，但乙醇提取物中14.4 min处峰可能对应咖啡因。DPPH法测定抗氧化活性：两品种RCG中PFs与LFs的DPPH比值较高（2:1与5:1），SCG提取物中LFs的DPPH比值较高（两品种均为4:1）；抗氧化活性主要见于乙醇提取物，与非极性提取物活性与脂肪酸和生育酚相关；抗氧化活性与TPC结果一致。抗菌活性以大肠杆菌（E. coli，革兰阴性）与枯草芽孢杆菌斯皮兹泽尼氏亚种Nakamura（B. subtilis，革兰阳性）评价，以抑菌圈（IZ，mm，半径）表示：RCG提取物中阿拉比卡PFs显示明显抗菌活性，罗布斯塔PFs仅对革兰阳性菌显著；两品种RCG与SCG的LFs对E. coli活性弱，对B. subtilis活性明显更强，尤以阿拉比卡组分为著。SCG提取物中，PFs与LFs对B. subtilis均有明显活性，阿拉比卡IZ略高；对E. coli活性低，但罗布斯塔PFs对该革兰阴性菌显示显著活性。PFs抗菌活性与文献一致，有效抑菌圈值不超过5 mm；SCG提取物的抗菌效应亦明显，表明该废弃物适于进一步增值利用。

讨论部分指出，研究结果符合本工作目标，即确定使用已知产地RCG所得SCG可获优质提取物。为详细分析决定SCG回收化合物变异的因素，选用全球种植与消费最广的阿拉比卡与罗布斯塔品种；选择乌干达品种因其脂质、糖类与挥发性芳香化合物（阿拉比卡）及咖啡因、绿原酸与游离氨基酸（罗布斯塔）含量受地理位置与气候条件影响。其SCG用于为废弃物增值，生产富含绿原酸与三酰甘油的提取物，供化妆品、制药或食品工业进一步使用。提取所用咖啡亦经分析并作为参照，以确定废弃物丢弃时目标化合物的损失百分比；绿咖啡豆加工方法（烘焙、研磨、冲泡、SCG干燥）保持一致。定量分析显示提取产率随RCG品种（阿拉比卡11.09–12.74 g/100 g vs 罗布斯塔6.31–9.30 g/100 g）、咖啡基质类型（RCG 6.31–12.74 g/100 g vs SCG 4.09–10.34 g/100 g）及提取溶剂极性而异；阿拉比卡样品PFs与LFs产率均高于罗布斯塔，因罗布斯塔含更多在加压冲泡中被提取的可溶性化合物。SCG的废弃物属性及其可观的LFs与PFs含量凸显乌干达阿拉比卡品种残渣作为回收大量咖啡油与多酚提取物来源的潜力。乌干达阿拉比卡品种SCG提取物的定性分析表明，该残渣在加压冲泡后于脂质与酚类含量及抗氧化、抗菌活性方面品质显著。脂质组分分析表明，两品种LFs酰基甘油组成高，主要为三酰甘油（>90 g/100 g LF），含较少二酰甘油、单酰甘油及游离脂肪酸（4.21–4.80 g/100 g LF）；¹H-NMR显示大量饱和（46.96–52.74 mol%，主要为C16:0+C18:0）与双不饱和（31.94–44.14 mol%，主要为C18:2）脂肪酸酰基链及较少单不饱和链（8.90–15.64 mol%，C18:1），与碘值74.03–77.07 g I₂/100 g LF一致；阿拉比卡LFs不饱和脂肪酸含量高于罗布斯塔，且阿拉比卡SCG的LF不饱和脂肪酸含量甚至高于罗布斯塔RCG的LFs，使该副产物具有价值而非可弃；罗布斯塔略倾向脂肪酸饱和且油酸百分比较高；因饱和与不饱和链比例均衡，乌干达咖啡品种提取的脂质组分应是有前景的脂质来源。由于己烷分离的RCG与SCG的LFs组成可比（咖啡制备针对亲水性多酚），其活性本应更接近，但TPC存在差异（阿拉比卡8.98–12.65 mg GAE/g LF，罗布斯塔0.85–4.61 mg GAE/g LF）；酚类集中于乙醇分离的PF，LF中酚类应减少，但脂肪酸与生育酚等生物活性脂质化合物可保护酚类免受提取过程中降解；阿拉比卡含脂质高于罗布斯塔，较高脂质含量使阿拉比卡较罗布斯塔更能保护酚类免受降解；乌干达阿拉比卡LFs的DPPH抑制率为20.91–34.63%，归因于不饱和脂肪酸链与生育酚的抗氧化活性，与TPC结果一致。抗菌方面，两品种RCG与SCG的LFs对E. coli弱、对B. subtilis明显更强，尤以阿拉比卡为著；对革兰阳性B. subtilis，阿拉比卡LF的IZ变异很小（RCG-H-BS为2.5 mm，SCG-H-BS为2.67 mm），罗布斯塔LF则SCG来源活性更高（SCG-H-BS为2.00 mm vs RCG-H-BS为0.67 mm）；阿拉比卡SCG的LF（A-SCG-H）碘值高于罗布斯塔相应组分（R-SCG-H），表明多不饱和脂肪酸更丰富，其穿透细菌细胞包膜能力更强；革兰阳性菌对这些化合物最敏感，因其缺乏革兰阴性菌所具有的保护性外脂多糖膜；两品种SCG中多不饱和脂肪酸的存在（碘值相近）亦表现为显著更高的抗菌活性。多酚组分分析表明，SCG回收的PF富集具重要健康活性的极性多酚生物活性化合物，与RCG提取物相当；HPLC-PDA鉴定出三类化合物；RCG中含量高于SCG；绿原酸与新绿原酸在所有提取物中占主导（RCG 1.162–3.181 mg/g PF），SCG提取物中仍存显著量（0.684–0.837 mg/g PF），显示其抗氧化特性；阿拉比卡SCG的PF的TPC为12.30 mg GAE/g PF，罗布斯塔为7.85 mg GAE/g PF；RCG提取物TPC在两品种间相近；RCG-E提取物酚含量高于SCG-E，因部分酚类在咖啡制备阶段被去除；A-SCG-E酚含量高于R-SCG-E；抗氧化活性方面，阿拉比卡SCG分离的PF活性高于罗布斯塔（85.17% vs 73.95% DPPH抑制率），罗布斯塔SCG的抗氧化活性为RCG样品的86%；阿拉比卡在PF提取物中活性更高、生物活性化合物量更大。抗菌方面，阿拉比卡RCG来源PF对E. coli的活性显著高于SCG相应组分（约四倍）；两品种RCG的PF对E. coli结果矛盾（A-RCG-E-EC，IZ=4.40 mm；R-RCG-E-EC，IZ=0.33 mm），HPLC-PDA显示两者绿原酸水平均高，实验数据表明罗布斯塔RCG乙醇提取物中其他化合物的存在屏蔽了绿原酸效应；罗布斯塔含更多咖啡因，对E. coli膜通透性竞争更大，故罗布斯塔RCG的PF抗菌活性显著低于阿拉比卡；革兰阳性菌（如B. subtilis）对绿原酸更敏感，因其缺乏保护性外脂多糖膜，绿原酸的亲水性使其更易穿过细胞壁肽聚糖层的多孔结构；罗布斯塔SCG的PF对E. coli显示显著抗菌活性（R-SCG-E-EC，IZ=4.92 mm），因咖啡冲泡提取咖啡因后，剩余SCG含足够浓度的多酚抑制细菌生长，而阿拉比卡品种未见此结果。

材料与方法方面，研究人员所用阿拉比卡与罗布斯塔绿咖啡豆由Zaniat Com SRL从乌干达进口：阿拉比卡样品（批号103932）为2025/2026收获季水洗Bugisu AA咖啡，产自乌干达东部近肯尼亚边境的埃尔贡山山坡，海拔1200–2300 m，含SL 14与SL 24品种，精品咖啡协会评分80.5；罗布斯塔样品（批号103996）产自乌干达中部/东部，海拔约900–1500 m，主要采用自然日晒法加工。绿咖啡豆以120 kg批次于202–258 °C（阿拉比卡）与221–265 °C（罗布斯塔）烘焙15 min，经电磨研磨6.9 s；RCG烘焙度以Tonino色度计评价；RCG经9 bar、92–94 °C水脉冲提取25–30 s（约9 g粉制备一杯饮料）；剩余SCG于50 °C干燥48 h至恒重，RCG与SCG于?20 °C储存至分析。采用Soxhlet法以己烷与乙醇提取，每实验10 g样品与300 mL溶剂，共8组独立提取实验，每组三重复，提取物经旋转蒸发去除溶剂后称重，结果以提取产率表示。GC-FID依EN 141052003标准及既往方法测定甘油酯含量，LF溶于正庚烷，以C18:1油酸链标准品定量；¹H-NMR于600.12 MHz、25 °C采集，LF溶于CDCl₃，以δ 7.26 ppm残存CDCl₃信号定标，按Chira等与Ivanova等计算饱和、单不饱和与双不饱和脂肪酸酰基比例及碘值、皂化值；TPC以Folin–Ciocalteu法、四种参考酚类化合物测定，765 nm比色；HPLC-PDA于250–600 nm、0.4 mL/min梯度洗脱分析，依保留时间与光谱相似性对照标准品鉴定，结果以mg酚类化合物/g提取物表示；抗氧化活性以DPPH自由基清除法、Trolox为参考标准测定，517 nm比色，结果以抑制率表示；抗菌活性以纸片扩散法测定，纸片直径6±0.2 mm、厚0.2±0.05 mm，UV 254 nm灭菌30 min，Mueller–Hinton琼脂培养基121 °C灭菌20 min，菌悬液调整至0.5麦氏浊度标准，每片加样6 μL，37 °C培养24 h；统计分析中Soxhlet提取及甘油酯组成、TPC、抗氧化与抗菌活性测定均三重复，HPLC-PDA双重复，结果以均值±标准差表示，采用单因素方差分析与Duncan多重极差检验，¹H-NMR每个LF样品仅采集一张谱图，故所报积分值与NMR衍生参数为单次测定而非重复均值，样品间比较为描述性，未对NMR衍生结果作统计学显著性声明。

结论部分译为：本研究对乌干达两个咖啡品种（阿拉比卡与罗布斯塔）两种基质类型（RCG与SCG）的脂质与多酚组分的抗氧化与抗菌特性进行了全面比较分析。SCG所得提取物在脂质与多酚化合物含量方面与RCG提取物相当。可从乌干达阿拉比卡品种SCG中以高提取产率（10.34 g/100 g SCG）回收高品质LF即咖啡油（91.82 g三酰甘油/100 g LF，49.15 mol%饱和脂肪酸链与50.15 mol%不饱和脂肪酸链，8.98 mg GAE/g LF，20.91% DPPH抑制率）。此外，乌干达阿拉比卡与罗布斯塔两品种的SCG均为回收高品质PF即多酚提取物（12.30与7.85 mg GAE/g PF，0.684与0.837 mg/g PF绿原酸，85.17%与73.95% DPPH抑制率）的潜在资源，提取产率良好（9.35与5.63 g/100 g SCG），且咖啡冲泡步骤后仍保留抗菌活性。咖啡油与多酚提取物可便捷地从SCG获得，本研究结果表明该废弃物适于进一步增值利用；因此，上述结果凸显乌干达产地SCG作为可分离生物活性化合物并评估其在特定行业中应用的有前景来源。

主要关键技术方法概括（不超过250字）：研究人员以乌干达产地阿拉比卡（批号103932，Bugisu AA，SL 14/SL 24，SCA评分80.5）与罗布斯塔（批号103996）绿咖啡豆为原料，经烘焙、研磨、9 bar热水脉冲冲泡制得SCG，采用Soxhlet法以己烷与乙醇分别提取脂质与多酚组分；以GC-FID测定酰基甘油组成，以¹H-NMR计算脂肪酸酰基类别比例及碘值、皂化值，以Folin–Ciocalteu法测定总酚含量，以HPLC-PDA鉴定多酚组成，以DPPH法评价抗氧化活性，以纸片扩散法评价对E. coli与B. subtilis的抗菌活性，并采用单因素方差分析与Duncan检验进行统计比较。