Введение. Кофе является одним из самых популярных напитков, потребляемых во всем мире, благодаря вкусовым качествам, тонизирующему эффекту и антиоксидантным свойствам. Наряду с фенольными соединениями [1, 2], токоферолами и фитостеролами [3] антиоксидантные свойства кофе формируют алкалоиды пуринового ряда (кофеин, теофиллин, теобромин) [4].
В технологической цепочке от переработки плодов кофе до приготовления напитка образуется значительное количество отходов, количество которых ежегодно составляет 6–8 млн т. Из них около 65 % приходится на кофейную гущу SCG (spent coffee ground), образующуюся при производстве растворимого кофе (производственные отходы) и приготовлении напитка из жареного кофе SECG (spent espresso coffee ground) (потребительские отходы), что приводит к проблемам с ее хранением и утилизацией [5].
Кожура и мякоть плодов кофе, серебряная кожица, образующаяся при обжарке кофейного зерна, сопоставимы по химическому составу с зерном кофе, и высокое содержание в них алкалоидов не позволяет утилизировать их в комбикорма или компост. Поэтому их предлагают использовать для производства биотоплива, биогаза, адсорбентов, а также получения химических веществ (пищевых волокон, протеинов, липидов и БАВ) [6–9]. Почти полное извлечение кофеина происходит при экстракции горячей водой при производстве растворимого кофе. В образующихся при этом промышленных отходах – кофейной гуще SCG – содержание кофеина не превышает 0,02 % [6, 10]. Более короткое время экстракции при приготовлении кофе в индустрии питания или домашних условиях позволяет экстрагировать только часть кофеина – 54–77 % [11], количество которого в SECG в большей степени подвержено зависимости от ботанического вида и места происхождения кофе [12]. В образующейся кофейной гуще SECG может содержаться кофеина 1,94–5,93 мг/г [12–15]. Существенны различия между SCG и SECG и в содержании фенольных соединений. В SCG их количество составляет не более 10–16 мг/г [16, 17], а в SECG – 17,1–35,5 мг/г, что повышает значения антиоксидантной активности последнего [11, 13–15, 18].
Кофейная гуща SCG считается недорогим источником природных антиоксидантов, для извлечения которых предлагают микроволновую и эультразвуковую экстракцию [18–20] водой или растворами этанола, метанола, [19], ацетона [21], β-циклодекстрина [22], автогидролиз при температуре 200 °С [23, 24] и др. Осуществление таких технологий возможно только в промышленных условиях, для чего необходим централизованный сбор кофейной гущи SECG из ресторанов и кафе, что повысит затраты и риски микробиологической порчи. Более эффективно разработать способы использования кофейной гущи непосредственно в индустрии питания, исключая централизованный сбор отходов SECG, что будет способствовать развитию экономики замкнутого цикла.
Цель исследования – изучение динамики извлечения кофеина и антиоксидантной активности при экстрагировании кофе в условиях индустрии питания.
Задачи: провести поэтапную экстракцию кофе в кофемашине и определить на разных этапах экстрагирования содержание растворимых сухих веществ (РСВ), кофеина и антиоксидантную активность (АОА) экстрактов.
Объекты и методы. Для получения экстрактов использовали Coffea Arabica: арабика-1
(А-1) – кофе в зернах «ROKKA», Бразилия; арабика-2 (А-2) – кофе молотый «Живой кофе», изготовитель ООО «ЖК ХОЛДИНГ», Россия; Coffea Canephora: Робуста-1 (Р-1) – кофе в зернах «PIAZZA DEL CAFFE», Вьетнам; Робуста-2 (Р-2) – кофе в зернах «Urban Platter», Индия.
Экстрагирование проводили 4 раза по 100 мл из 7 г образцов кофе под давлением 15 бар в капсульной кофемашине Nescafe Krups Dolse Gusto КР1А3В10, Индонезия. В экстрактах после предварительного фильтрования через бумажный фильтр определяли количество РСВ, кофеина и АОА.
РСВ определяли рефрактометрически по ГОСТ ISO 2173-2013. Содержание кофеина определяли на спектрофотометре «UNICO-2800», США, при длине волны 276 нм (поглощение кофеина) и 310 нм (фон). Для извлечения кофеина из экстракта его подщелачивали до pH 12,5–12,7 и экстрагировали двумя порциями по 10 мл хлороформа. Для измерений использовали органический слой, доведенный до объема 25 мл хлороформом [25]. Содержание кофеина рассчитывали по калибровочной кривой для чистого кофеина как разницу между оптической плотностью кофеина и фоном.
АОА фильтрованных экстрактов кофе определяли на кулонометре «Эксперт-006-антиоксиданты». Титрантом служил электрогенерированный бром, при постоянном токе 50,0 мА из водного 0,2 М раствора бромида калия в 0,1 М растворе серной кислоты с определением конца титрования по потенциометрической индикации. Время в секундах, затраченное на титрование объема аликвоты исследуемого экстракта, введенной в измерительную ячейку, пересчитывалось в количество электроэнергии в кулонах. Электролитическую ячейку кулонометра калибровали по рутину.
Экстрагирование кофе в кофемашине проводили в трехкратной повторности. Повторность опытов составляла 3–5 раз. Статистический анализ экспериментальных данных проводили с использованием MS Excel 2010.
Результаты и их обсуждение. Кофейные экстракты существенно отличались количеством РСВ только на первом этапе экстрагирования (табл. 1), существенно преобладая в Р-1. Похожие результаты количества РСВ в диапазоне 1–2 % были получены при приготовлении кофе разными методами [26].
Таблица 1
Количество РСВ в кофейных экстрактах, %
|
Этап экстрагирования |
Арабика |
Робуста |
||
|
А-1 |
А-2 |
Р-1 |
Р-2 |
|
|
I |
0,90 ± 0,02 |
0,84 ± 0,08 |
1,64 ± 0,08 |
1,04 ± 0,08 |
|
II |
0,32 ± 0,10 |
0,28 ± 0,10 |
0,40 ± 0,14 |
0,24 ± 0,08 |
|
III |
0,20 ± 0,00 |
0,16 ± 0,08 |
0,24 ± 0,08 |
0,20 ± 0,00 |
|
IV |
0,16 ± 0,08 |
0,16 ± 0,08 |
0,20 ± 0,00 |
0,16 ± 0,08 |
Дальнейшее экстрагирование привело к резкому снижению РСВ в 3–4 раза на втором этапе, а на третьем и четвертом этапах их количество не превышало 0,24 и 0,2 % соответственно.
Содержание кофеина в экстрактах на разных этапах экстрагирования было неравномерным. Наибольшее количество кофеина содержалось в экстрактах, полученных на I и II этапах, независимо от ботанического вида кофе (табл. 2). Причем на II этапе экстрагировалось кофеина больше, чем на I этапе: арабика – на 2,8 и 2,3 %, робуста – на 14 и 12 %. Первые 100 мл экстрактов (I этап) содержали от 36,1 до 37,4 % кофеина от общего экстрагированного количества, вторые 100 мл экстрактов (II этап) – 37,6–41,4 %.
Содержание кофеина в кофейных экстрактах, мг/100 мл
|
Этап экстрагирования |
Арабика |
Робуста |
||
|
А-1 |
А-2 |
Р-1 |
Р-2 |
|
|
24,47 ± 0,60 |
23,67 ± 0,50 |
23,54 ± 0,56 |
20,91 ± 0,46 |
|
|
II |
25,16 ± 0,48 |
24,21 ± 0,58 |
26,85 ± 0,30 |
23,44 ± 0,40 |
|
III |
11,32 ± 0,30 |
12,32 ± 0,22 |
10,2 ± 0,42 |
9,76 ± 0,40 |
|
4,45 ± 0,10 |
4,16 ± 0,12 |
4,25 ± 0,20 |
3,82 ± 0,16 |
|
В экстрактах, полученных на III этапе, содержание кофеина уменьшилось более чем в 2 раза по сравнению с I и II этапами экстрагирования и составляло уже 15,7–19,1 % от общего экстрагированного количества кофеина. Последние 100 мл (IV этап) характеризовались остаточным количеством кофеина, которое не превышало 4,45 мг/100 мл.
Всего за четыре этапа экстрагирования удалось извлечь от 57,93 до 65,4 мг/100 мл кофеина, что с учетом навески кофе, взятой для экстрагирования, составляло от 8,28 до 9,34 мг/г, или 0,83–0,93 %. Причем экстракт Р-2 содержал кофеина на 12,9 % меньше, чем экстракты А-1 и А-2. На это могли повлиять способы обжарки, продолжительность хранения, метод определения [1, 6, 9, 15, 25].
АОА экстрактов отражает в них суммарное содержание антиоксидантов, что определяют разными методами [1, 2, 9, 27]. В отличие от динамики извлечения кофеина максимальные значения АОА экстрактов были получены на I этапе, составляя 67–70 % от суммарных значений за все этапы экстрагирования (табл. 3). Причем кофе робуста демонстрировал более высокие значения АОА экстрактов. Многие авторы [20, 21] связывают АОА с фенольными соединениями, которые в своем большинстве экстрагируются в первые пять минут. Фактически первые 100 мл экстракта отражают АОА сваренной чашки кофе, которая составляет от 41,1 до 46,7 мг/г и близка к значениям, полученным амперометрическим методом [27].
На II этапе экстрагирования для всех образцов было характерно снижение АОА экстрактов в 2,3–2,8 раза. Аналогичная динамика была установлена [14, 17]. АОА кофейных экстрактов из SECG была в 2,5–3 раза меньше, чем в кофе эспрессо [14].
Антиоксидантная активность кофейных экстрактов, мг/100 мл
|
Этап экстрагирования |
Арабика |
Робуста |
||
|
А-1 |
А-2 |
Р-1 |
Р-2 |
|
|
I |
293,75 ± 5,20 |
287,76 ± 4,50 |
327,38 ± 5,60 |
299,67 ± 4,80 |
|
II |
104,88 ± 2,10 |
118,50 ± 2,00 |
139,82 ± 1,85 |
113,24 ± 1,00 |
|
III |
13,37 ± 0,54 |
13,00 ± 0,25 |
14,61 ± 0,30 |
12,82 ± 0,40 |
|
IV |
5,43 ± 0,16 |
2,24 ± 0,08 |
5,35 ± 0,05 |
4,25 ± 0,05 |
Экстракты, полученные на III и IV этапах, практически не содержали антиоксидантов, их АОА была минимальной, которая не превышала 3,2 и 1,3 % соответственно от ее суммарных значений, подтвердив результаты [17].
Заключение. Содержание кофеина и АОА экстрактов из кофе разных ботанических видов, полученных поэтапным экстрагированием водой с использованием капсульной кофемашины, имеют разную динамику. Максимальное извлечение кофеина происходит на первых двух этапах, а максимальной АОА обладают первые 100 мл экстрактов. Наибольшие изменения происходили на III этапе, уменьшив АОА кофейных экстрактов в 8–10 раз, содержание кофеина в 2–2,5 раза по сравнению с предыдущим этапом экстрагирования.
Экстракты, полученные на II этапе из уже использованного кофе (кофейная гуща SECG), содержат кофеин и антиоксиданты, что позволит их использовать для производства пищевых отходов с заданными свойствами, одновременно минимизируя воздействие на окружающую среду.
