咖啡是全球最受欢迎的饮料之一,随着咖啡产量和消费量逐年稳步增长,咖啡行业产生的副产品数量也随之增加[1],咖啡在制备成最终烘焙豆的过程中会产生多种副产品,包括外壳、果肉、黏液、羊皮纸、银皮和咖啡渣。用过的咖啡渣(spend coffee grounds, SCG)是咖啡行业的最终副产品,也是咖啡生物废物的最大来源。全球每年产生超过600万t废咖啡渣,且随着咖啡消费的增长,这一数字仍在持续增加[2],目前,巨量SCG的主流处理方式仍以填埋或焚烧为主。然而,这种粗放的处理模式产生了显著的环境负面效应。填埋处置不仅占用了宝贵的土地资源,SCG在厌氧分解过程中会释放大量甲烷,其温室效应潜能值是CO2的25～30倍,成为重要的温室气体排放源之一。同时,SCG渗滤液中含有咖啡因、多酚、单宁等生物活性物质及有机酸,若渗入土壤或地下水体,可能会对生态系统构成潜在风险。焚烧处理虽可回收部分能量,但需消耗额外能源进行干燥,且不完全燃烧可能产生二噁英等有害物质,并排放CO2、氮氧化物和颗粒物,造成空气污染。显然,将SCG视为普通固体废物处置,不仅会带来巨大的环境压力,更造成了其蕴含的宝贵资源的严重浪费[3]。
从图1可知,SCG含有多酚、多糖、蛋白质等多种生物活性物质,其中绝大多数有利于环境的改善和人类的健康,具有相当大的回收利用价值。目前SCG的用途已有最新报告和评论,包括用于建筑材料制造[4]、化妆品[5-6]、生物活性物质回收[7]、生物聚合物和生物催化剂[8-9]、食品包装[10]、材料和能源[11]及生物精炼方法的多种用途[12-14]。然而,在食品工业中的应用,作为最直接、最贴近人类健康的循环路径,其研究深度和广度仍有巨大提升空间,且具有独特的优势和吸引力。因此,本文总结了SCG的主要成分及其目前在食品工业方面的热点和研究进展,有助于增加对SCG的了解,并促进利用这些营养素的新应用和开发有价值的副产品。
图1 SCG的主要成分
Fig.1 Main components of SCG
1 SCG的组成及潜在应用
1.1 碳水化合物和纤维成分
SCG作为一种富含碳水化合物的生物质资源,其开发利用具有重要意义。烘焙咖啡粉中存在的大部分(超过80%)多糖在咖啡制备过程中不会被提取出来,而是作为水不溶性物质保留在SCG中。因此,所得的SCG基质富含聚合糖,主要形成半乳甘露聚糖(甘露糖和半乳糖)、纤维素(葡萄糖)和半纤维素(阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖)结构。这些几乎相当于SCG材料的一半(45.3%,质量分数)[15]。但由于咖啡生产中咖啡豆品种、烘焙程度和冲泡工艺的差异,SCG中糖类的含量和比例存在显著差异。表1列出了不同条件下SCG的碳水化合物组成和含量。大多数多糖与SCG紧密结合,形成不溶性物质[16]。在烘烤过程中,溶胀作用使得细胞壁结构松弛并分解多糖,从而增加了阿拉伯半乳聚糖和甘露聚糖的溶解度。这2种多糖具有广泛的应用前景,其中半乳甘露聚糖作为优良的强化剂和乳化稳定剂,无毒且适用于食品工业领域。然而,甘露聚糖作为SCG中的主要多糖,其高黏度对速溶咖啡的生产产生负面影响,如过滤困难和胶体形成导致其他物质沉淀。当甘露聚糖水解时,可以生成D-甘露糖,随后将其还原为甘露醇,在食品工业中用作甜味剂或调味剂。此外,低聚糖能有效减少人体内脂肪的堆积,对健康有益。半乳甘露聚糖和阿拉伯半乳聚糖由于聚合度低且不易消化,具有免疫刺激活性,能够改善肠道菌群。BATISTA等[17]利用SCG中的膳食纤维开发新型食品,并发现释放的生物活性化合物对α-葡萄糖苷酶活性具有抑制作用,这对糖尿病患者具有潜在益处。PÉREZ-BURILLO等[18]研究表明,从SCG中提取的甘露寡糖能够刺激有益细菌的生长并对肠道微生物群产生积极影响。GU等[19]通过水解和酶解SCG生产甘露聚糖,发现其具有优异的自由基清除能力,被视为潜在的免疫原,能够促进益生菌的生长和巨噬细胞的增殖。这些特性使得SCG多糖在食品、医药和日化等领域具有广泛的应用前景。同时,SCG中的多糖因其黏性和稳定性,非常适合用作可生物降解薄膜或包装涂层的原料。此类薄膜具有良好的气阻性、柔韧性和高机械强度,使得它们在食品领域作为添加剂和封装聚合物发挥重要作用[20]。
表1 咖啡渣中糖组成及含量
Table 1 Composition and content of sugar in coffee grounds
排序化学成分SCG/%参考文献1甘露糖50.16半乳糖36.30葡萄糖1.76阿拉伯糖11.76[17]2甘露糖22.3 半乳糖14.5葡萄糖12.4阿拉伯糖2.8木质素41.5[25]3甘露糖20.8 半乳糖13.30葡萄糖23.9[26]4半乳甘露聚糖49.90甘露聚糖34.30木质素31.30半乳聚糖15.60葡聚糖9.40[27]6葡聚糖9.55半乳甘露聚糖43.47阿拉伯聚糖4.33[28]7葡萄糖64.13半乳甘露聚糖29.82甘露糖3.33半乳糖2.33[29]
SCG中含有由葡萄糖(20%)和阿拉伯糖(7%)组成的多糖,是纤维素、半纤维素和阿拉伯半乳聚糖降解的产物。咖啡经冲泡后,只有总葡萄糖中不溶于水的部分作为纤维素和半纤维素或其他不溶性多糖结构的一部分保留在SCG中[21]。关于纤维含量,SCG含有43%的总纤维(可溶性和不可溶性纤维分别为8%和35%)。此外,在美拉德反应中,糖和氨基酸的结合形成了类黑素。类黑素是在非酶高温过程中在低水分活度食品基质中产生的棕色高分子质量异质聚合物[22]。在咖啡饮料中,类黑素估计占干物质的29%(质量分数)左右,使咖啡成为人类饮食中类黑素的主要来源之一。这些分子的摄入与一些健康益处相关,例如抗菌活性、结肠细菌群调节、抗炎、抗高血压和抗糖化作用[23-24]。SCG含有大量木质素23.90%(质量分数),一种非多糖膳食纤维。SCG中最重要的木质素成分是绿原酸、咖啡酸和香豆酸,这些物质对健康有重大影响。
1.2 含氮化合物
在SCG中,总氮化合物的含量介于8.5%～13.6%,且在不同SCG中也相对稳定[30]。这些氮化合物涵盖了蛋白质、氨基酸、肽类以及咖啡因等多种成分。浓缩咖啡渣中粗蛋白的含量范围为12.8%～16.9%[31]。在速溶咖啡的制备过程中,SCG的平均蛋白质含量可达13.6%[32]。现有蛋白提取方法(如溶剂法、酶解法)存在效率低、成本高或环境风险等问题,需开发高效环保的提取工艺。KIM等[33]通过响应面法优化了SCG的蛋白提取工艺。用酸提-碱沉法在pH 5、0.05 mol/L HCl-NaCl、6 h条件下获最高蛋白含量(105.17%,以干重计),而pH 9、0.2 mol/L HCl-NaCl、24 h时蛋白回收率最佳(1.84 g/100 g);碱提-酸沉法在pH 12、0.4 mol/L Na3PO4、1.5 h时蛋白含量达18.00%,pH 12、1.0 mol/L Na3PO4、0.5 h时回收率最高(15.3 g/100 g)。回归模型(R2>0.75)证实提取时间为核心影响因素,且脱脂预处理反而降低得率。在咖啡豆的加工过程中,由于受到温度和压力的影响,蛋白质部分发生变性,转化为较小分子质量的多肽。在还原糖与多肽的相互作用下,会发生缩合反应,进而形成黑色素。从SCG中提取的蛋白质,其结构单元组成中,约一半为人体必需氨基酸,其中亮氨酸、缬氨酸、异亮氨酸和苯丙氨酸的含量尤为突出,前3种必需氨基酸的含量是豆粕的2倍以上。从SCG中提取的咖啡11S球蛋白展现出显著的抗高血压和抗氧化特性,可作为预防或控制由代谢紊乱引起的氧化损伤的潜在物质[20]。VALDÉS等[34]开发了一种高效的尿素缓冲液提取法,其蛋白质得率(2.89 mg/100 mg)较传统Tris法提升超10倍,并证明意式浓缩SCG的蛋白含量最高。系统评价了烘焙程度和酶解工艺(alcalase vs thermolysin)对SCG蛋白水解物活性的影响,发现中/深度烘焙SCG经thermolysin水解后具有优异的血管紧张素转化酶(angiotensin converting enzyme, ACE)抑制活性(>80%)。通过反相高效液相色谱-电喷雾电离-四极杆飞行时间质谱法成功鉴定出35种来源蛋白的活性肽,并揭示了多酚去除对提升ACE抑制活性的积极作用。此外,SCG蛋白水解物亦表现出一定的抗氧化活性以及体外血管紧张素转换酶抑制特性。SCG中含非蛋白含氮化合物咖啡因,其含量为1%～2%,虽低于咖啡豆,但作为一种中枢神经系统兴奋剂,不仅具有抗氧化特性,还在食品工业中被广泛用作添加剂[16]。
1.3 脂肪
咖啡饮料的脂肪含量一般较低,因为它不能被水溶液有效提取,脂质黏附在SCG上被过滤掉。SCG中脂肪物质的成分也因来源而异,约为18%～20%,主要是甘油酯(80%～90%),其余为萜烯、甾醇和生育酚。VEIT
A-DE-ARMAS等[35]采用绿色溶剂(丙酸乙酯、乙酸乙酯等)替代正己烷对SCG进行油脂提取,在优化条件(40 ℃,0.3 mm粒径)下提取率达16.4%。提取油脂经两步法酯化-酯交换转化,生物柴油产率达96%,且酸值、黏度等指标符合ASTM标准。该工艺不仅验证了绿色溶剂的提取效能与环保优势,更为废弃生物质资源化提供了可持续技术路径。RATHNAKUMAR等[27]利用叔胺萃取法从SCG中获得脂肪酸,包括肉豆蔻酸、十五烷酸、棕榈酸、棕榈油酸、十七烷酸、硬脂酸、油酸、顺式十八烯酸、亚油酸、α-亚麻酸、十八碳四烯酸、花生酸、二十碳烯酸二十碳烷酸、山萮酸、二十三烷酸、二十四烷酸。SCG脂肪和油中含有343.4～1 146.3 mg/kg的植物甾醇,与谷物中的含量相当,约占总脂质的5.4%[36]。谷甾醇、豆甾醇和菜油甾醇等甾醇是最丰富的甾醇,占SCG或烘焙咖啡油中甾醇总量的88%～92%,在高等植物和典型饮食中占主导地位[37]。同时甾醇具有抗癌、抗炎、保肝等功效,在食品和生物医学领域具有巨大的潜力。此外,IRIONDO-DEHOND等[38]系统评估了SCG作为食品成分的安全性及脂质代谢效应:SCG霉菌毒素含量符合欧盟标准,急性毒性实验显示无安全风险;体外消化表明77%不饱和脂肪酸可释放,但二萜类物质因膳食纤维吸附而降低生物可及性(咖啡醇13.4%、咖啡豆醇11.0%)。大鼠实验证实,SCG长期摄入[1 g/(kg·d),28 d]可减少肝脏脂肪沉积,促进脂质粪便排泄,并短暂加速胃肠转运。揭示了SCG通过纤维介导的“脂肪截留”作用调控脂质代谢的潜力,为其作为预防脂肪肝的安全功能性食品原料提供科学依据。
1.4 酚类化合物
咖啡豆中高含量的多酚不仅提升了咖啡的品质,而且增加了其营养价值。通常,生长于高海拔、气候温暖、阳光充足的环境中的咖啡豆,在烘焙和干燥过程中受到的热处理程度较轻,从而能更大程度地保留咖啡中的酚类化合物。烘焙过程和其他加工手段能够形成多种化合物,包括抗氧化剂和维生素。例如,在烘焙过程中,咖啡豆内的绿原酸(chlorogenic acid, CGA)在热作用下分解,进而产生咖啡酸。近年来,科研人员对于SCG提取物所含的酚类化合物展开了深入的研究,表2总结了从SCG中提取的酚类化合物的种类。SOLOMAKOU等[39]系统优化了SCG多酚的绿色提取工艺,微波提取(microwave extraction, MAE)在液固比60∶1(mL∶g)、功率600 W、68%乙醇(体积分数)条件下效率最优(31.79 mg没食子酸/g),显著高于超声波辅助提取(ultrasound-assisted extraction, UAE)和β-环糊精法。该工作确立了MAE为短时(5 min)、低耗的SCG多酚回收方案,为工业化放大提供了关键参数。MARTNEZ-INDA等[40]针对SCG的高值化利用,研究了乙醇体积分数(0%～100%)对生物活性成分提取效率的影响。75%乙醇(体积分数)对SCG的提取效果最优,获得高总酚(13.5 mmol没食子酸/g)和类黑精(244.4 mg/g)含量,且防晒因子(SPF=8.5)达化妆品应用标准。研究首次在SCG中鉴定出香豆素类,并揭示类黑精与酚类物质的协同增效机制。为食品行业开发天然抗氧化剂提供了绿色提取策略。SCG富含多种酚类化合物,如绿原酸、咖啡酸、阿魏酸、对香豆酸、没食子酸、原儿茶酸、芦丁等。与低等级生咖啡豆中的酚类化合物相比,SCG中的酚类化合物在保护细胞免受氧化损伤方面表现出更显著的抗肿瘤活性,并能有效抑制组胺释放,具有抗过敏活性[41]。主要活性化合物包括绿原酸、原儿茶酸和黄酮类化合物,它们可作为具有重要生物功能(如抗氧化、保肝、降血糖、抗过敏和抗菌特性)的天然添加剂。绿原酸的抗氧化作用对于预防结肠癌和调节肠道菌群具有潜在价值。它摄入后可直接被吸收,或被肠道菌群转化为咖啡酸和奎宁酸,对神经具有营养和保护作用,因此是功能性食品、膳食补充剂和药品的理想添加剂[42]。DIAS等[43]针对咖啡残渣的资源化利用,对比了低温真空(low temperature vacuum, LTV)-酶辅助提取与传统醇提的效能。LTV结合双研磨与单宁酶处理可显著提升酚类物质(尤其是绿原酸)的回收率,所得提取物的抗氧化与抗糖化活性接近传统醇提物,且在无有机溶剂条件下实现高效提取。该工艺通过物理粉碎与酶解协同作用释放结合态酚类,为咖啡残渣高值化利用提供了绿色技术路径,并证实绿原酸为抗糖化活性的关键组分。
表2 SCG中酚类化合物的应用现状
Table 2 Application status of phenolic compounds in SCG
排序酚类组成试验模型结果参考文献1没食子酸;原儿茶酸;羟基苯甲酸;龙胆酸;绿原酸;咖啡酸;香草酸;芥子酸;阿魏酸;水杨酸;肉桂酸;儿茶素;表儿茶素;芦丁;柚皮苷;槲皮素;山柰酚体外该提取物具有细胞毒性、抗真菌和抗真菌产毒活性[44]2绿原酸体外它具有抗氧化活性(DPPH、ABTS),氧自由基吸收能力,抗肿瘤和抗过敏活性,使其成为天然抗氧化剂[45]3咖啡酸;肉桂酸;绿原酸;阿魏酸;香豆酸;山柰酚;异槲皮苷体内/体外不同焙烧水平的SCGs酚类提取物具有抗炎和抗氧化活性。体外/体内抗氧化活性与抗炎活性的相关性以金黄色烘烤条件下最好。中等烘烤条件对微生物具有较高的抑菌活性。体内抗氧化活性与主要化合物绿原酸的含量成正比。提取物的抗增殖能力决定了其对肿瘤细胞的抑制作用[46]4绿原酸;绿原酸衍生物体外良好的生物相容性,抗自由基能力强,在角蛋白形成细胞NCTC 2544上得到生物学验证[30]5没食子酸;3,4-二羟基苯甲酸;绿原酸;芦丁;柚皮苷;槲皮素;山柰酚体外具有抗氧化活性和清除自由基的能力[47]6酚类(未明确指明具体类别)体外具有抗氧化、促进益生菌生长、抗治疗(对大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、蜡样芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌有抑制作用)的特点[48]7没食子酸;3-咖啡酰奎宁酸;咖啡酸体外天然深共晶溶剂提取法得到的提取物的抑菌活性比常规乙醇和水提取物高10倍,生物活性增强[37]
1.5 生物碱
咖啡豆主要含有咖啡因和葫芦巴碱2种生物碱。咖啡因由黄嘌呤合成,属于甲基黄嘌呤类。它是世界上为数不多的合法生物碱之一,它是一种精神活性和中枢神经系统兴奋剂,广泛用作精神药物,似乎对长期记忆有积极作用,降低神经退行性疾病的风险,例如阿尔茨海默病和帕金森病[49]。SCG中的咖啡因含量差异很大,从0.7～40 g/mg[50]。咖啡因含量的差异不仅与品种有关(罗布斯塔咖啡因含量是阿拉比卡咖啡因含量的2倍),还与提取条件和所用溶剂类型有关。使用常用于脱咖啡因的溶剂(二氯甲烷、水和二氧化碳)可获得较高的咖啡因含量,这些溶剂被证实是该化合物的良好萃取剂[51]。HASSAN等[52]通过系统优化固液萃取参数,实现了废咖啡渣中咖啡因的高效回收。研究发现碱性条件(pH=9)使纯水提取的咖啡因质量浓度提升至2 478 mg/L;而80%(体积分数)乙醇溶剂在pH=7时提取率进一步提高至2 368 mg/L,表明pH与有机溶剂具有协同增效作用。BOUHZAM等[53]针对SCG中咖啡因的回收难题,首次系统比较了3种1 min快速提取法(超分子溶剂、涡旋水提、超声水提)的效率与环境绩效。超声辅助水提法在室温下提取效率最优(0.972 mg咖啡因/g),且延长提取时间可进一步提升产量。此外,水提法环境负担显著低于超分子溶剂法。葫芦巴碱是一种具有生物活性的吡啶生物碱,天然存在于咖啡(高达7.2 g/kg)和SCG(高达62.6 g/kg)[54]。BEVILACQUA等[55]通过HPLC-MS定量分析了热萃与冷萃咖啡饮料及其SCG中葫芦巴碱的含量差异。热萃咖啡饮料的活性成分显著高于冷萃(葫芦巴碱高104%),而SCG中仍残留可检测量的生物活性物质,且冷萃SCG的葫芦巴碱含量更高(P<0.05)。尽管SCG中活性成分浓度低于咖啡饮料,其作为可持续来源的功能性食品原料具有潜在价值。
2 SCG在食品加工中的应用
SCG在食品工业中的增值方式在于其功能组分的定向转化与基质特性协同利用,SCG的高值化利用已从单一组分提取转向多元化路径协同发展,SCG通过其丰富的生物活性组分(如多酚、膳食纤维、蛋白质)赋予食品功能强化特性,在食品加工领域展现出显著的高值化潜力。由图2可知,SCG在食品加工中的应用包括肉制品、饮料制品、烘焙制品、乳制品、食用菌和食品包装材料6个方面。这种多元化应用模式基于SCG组分的构效关系,实现了从废弃物到功能性资源的转化,契合食品工业循环生物经济发展原则。
图2 SCG在食品加工中的应用
Fig.2 Application of SCG in food processing
2.1 肉制品
在肉类工业中,通常在肉类制品中添加合成抗氧化剂以防止脂质氧化和褪色。然而,近年来,随着食品市场需求的提升,天然物质替代这些合成抗氧化剂成为发展趋势。最近的研究表明来自植物基质、废物和副产品的天然抗氧化剂是合成物质的一种有前途的替代品,因为它们含有大量的多酚和其他生物活性化合物,可有效保持肉的红色并减少形成氧化危险产物。然而天然物质的颜色和风味影响肉类感官品质,并且溶解度不足,从而在最终产品中产生令人不快的斑点[56]。
近年来SCG的高值化利用针对特定高值组分进行靶向分离,SCG中的提取物如咖啡因、绿原酸和酚酸是抗氧化剂的丰富来源,它们可作为合成抗氧化剂的替代品,用于肉制品加工,包括抑制脂质氧化、延长保质期。CHONGSRIMSIRISAKHOL等[57]对冷萃SCG采用超声辅助提取,获得的多酚粗提物具有抗氧化活性,在低脂猪肉香肠中添加多酚粗提物(1.00%质量分数)可以降低储存期间的硫代巴比妥酸值,表明多酚粗提物可以减少储存期间肉制品中的脂质氧化,从而延长食品的保质期和质量产品。KIM等[58]对SCG乙醇和热水提取物进行了评估发现,乙醇和热水SCG提取物都表现出很高的抗氧化活性和DPPH自由基清除能力。加热乙醇提取法(80 ℃,1 h)是提取抗氧化剂和防止油乳液和生肉系统中的脂质氧化最有效的方法。但该方法仍无法抑制熟肉在透氧包装袋中贮藏3 d以上所发生的氧化劣变。尽管如此,SCG提取物在抑制肉制品脂质氧化方面的潜力已经得到验证,通过优化提取工艺和抗氧化剂递送方法,可提高其抗氧化效果。
2.2 饮料制品
SCG富含丰富的碳水化合物、蛋白质和高水平的酚类化合物,且仍具有烘焙咖啡豆残留的香气成分,是生产新型饮料的潜在原料。SAMPAIO等[59]采用三步工艺用SCG生产烈酒。步骤为:热液处理将添加蔗糖的所得提取物发酵成乙醇并蒸馏。根据香气分析,咖啡是最具代表性的香气,感官评价结果表明,生产的饮料具有宜人的风味,既有咖啡的味道,又有咖啡的气味。MASINO等[60]将SCG与无水乙醇混合制成提取物,并与水、焦糖和葡萄糖浆混合制备咖啡味酒混合物,发现该水醇溶液可作为咖啡提取物或调味剂的替代品,用于配制咖啡味酒。
MACHADO等[61]开发了一种工艺,该工艺基于微波辅助水提取SCG,然后将添加蔗糖的所得提取物用酿酒酵母发酵,然后蒸馏发酵液。获得了发酵饮料和蒸馏饮料,发酵饮料和蒸馏饮料的乙醇含量分别约为10%～40%。利用GC-MS技术对所生产饮料的香气和风味影响物质进行表征,鉴定出近60种挥发性成分。发酵饮料的特点是含有高级醇(包括异丁醇和异戊醇)和对饮料香气有积极贡献的酯类。蒸馏饮料中主要化合物为醇,次要化合物为挥发性酸和酯,为饮料带来了果香和花香。总体而言,蒸馏饮料的感官品质更佳,不过作者认为,基于SCG提取物获得的发酵饮料和蒸馏饮料均具有可接受的感官品质。LIU等[62]评估了使用非酿酒酵母(即Torulaspora delbrueckii和Pichia kluyveri)发酵SCG提取物生产饮料的潜力。首先采用顺序酸性/酶水解法制备SCG水解物,然后进行巴氏灭菌和接种非酿酒酵母发酵。结果表明,发酵促进了乙醇的产生,同时显著降低了SCG水解产物中的绿原酸和咖啡酸的含量,该研究揭示了开发新型发酵SCG产品的潜力。LIU等[63]对比了酵母菌单独发酵和酵母菌乳酸菌共发酵SCG水解液,与单独发酵相比,酵母乳酸菌共发酵产生了更多的生物活性化合物尤其是芳香和支链氨基酸衍生物,表明发酵SCG水解酒精饮料具有潜在健康功效。
2.3 烘焙制品
SCG含有约51%的粗膳食纤维,被归类为抗氧化膳食纤维,可以作为开发富含膳食纤维的强化食品的创新来源。CASTALDO等[42]在饼干配方中添加SCG,发现SCG饼干的总酚类化合物含量显著高于对照样品,抗氧化活性显著增加(P<0.05)。MARTINEZ-SAEZ等[64]评估了SCG作为饼干食品成分的使用情况。结果证实SCG是抗氧化不溶性纤维和必需氨基酸的天然来源。将SCG与低热量甜味剂和低聚果糖一起添加到饼干配方中。结果表明,SCG可直接用作饼干的食品成分(高达4%,质量分数),而不会影响产品的最终营养或感官质量。SCG及其油含量超临界萃取后获得的残渣(SCG residue, SCGR)被用于制备饼干[65]。从质地特性、生物活性、益生元活性和感官分析方面对SCG和SCGR进行了比较。2种饼干的益生菌活力计数没有显著差异,表明多糖谱没有随着油提取而发生显著变化。感官分析结果表明,SCGR或SCG含量高达7%(质量分数)的饼干可接受性合理(得分7分,满分10分),而对照组样品的总体可接受性为9分。使用较高浓度的SCGR会增加饼干的苦味,并对质地和整体可接受性产生不利影响。尽管如此,这项研究证实了SCG作为烘焙原料的潜力。
SCG也被评估为海绵蛋糕中的一种功能性成分。HUSSEIN等[66]评估了SCG作为功能性食品成分在海绵蛋糕中的应用,研究发现,以质量分数为2%、4%和6%的SCG替代面粉,可有效降低褐变程度,与对照样品相比,添加SCG的海绵蛋糕在体积、重量和比容方面均表现出显著优势。质构分析结果表明,SCG的添加降低了产品的硬度、弹性、黏结性、胶黏性和咀嚼性。添加 SCG 会对感官特性产生不利影响,但添加2%和4% SCG的蛋糕的感官评分明显高于添加6% SCG的蛋糕。此外,从SCG中提取的油富含多酚类化合物,表现出温和的抗菌活性,因此,其在食品工业中作为功能性成分具有潜在应用价值。AZUAN等[67]和MEERASRI等[68]通过用SCG提取的油替代饼干中的黄油,实现了饼干总酚含量和抗氧化性能的提升,同时使饼干质地更加柔软。此外,添加SCG的饼干可增加饱腹感,减少总体能量消耗。
2.4 乳制品
乳制品消费率逐年增加,例如酸奶、牛奶和奶酪等,进一步强化这些产品将有效减少或预防与营养缺乏相关的疾病。现有文献表明,通过不同固体的创造性组合进行强化为奶制品发展提供了新的策略。OSORIO-ARIAS等[69]使用干酪乳清废咖啡粉(cheese whey-spent coffee ground, CW-SCG)开发希腊酸奶,微观结构分析发现,SCG破坏了蛋白质的网络结构,CW-SCG中相对含量较高的绿原酸可能会诱导蛋白质-多酚复合物的形成从而导致酸奶产生的凝胶硬度较弱,降低剪切稀化行为。OSORIO-ARIAS等[70]对通过喷雾干燥技术从SCG与浓缩乳清混合物中制备的粉末产品进行了形态学和热力学特性的评估。结果表明,乳清对SCG颗粒具有保护作用,从而可以保存高价值的化合物。乳清-SCG粉在密度、水分、水分活度和持油力方面具有良好的加工性能。
咖啡渣含有约3%～4%的酚类化合物,其中CGA作为主要的一类酚类化合物,多项研究表明CGA具有有益的健康特性,例如抗氧化、抗病毒、抗菌、抗癌和抗炎活性。KLANGPETCH[71]用常规固液法,以乙醇为溶剂,体积分数为0～100%。60%乙醇提取物的总酚含量最高,为146.78 mg没食子酸/g提取物,抗氧化活性为2.83 mg/mL。提取物对大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、蜡样芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度为12.5 mg/mL。相比之下,提取物对常见的益生菌,乳杆菌和双歧杆菌没有表现出抑制作用。因此,废咖啡渣可以回收利用,应用于发酵乳制品。此外,将SCG中提取的CGA直接添加到豆浆中,提高了豆浆中淀粉和蛋白质的消化率,比未强化豆浆的消化率提高了17.9%,添加CGA对味道产生积极影响[72]。
2.5 食用菌
作为腐生菌,蘑菇生长在死木和其他木质纤维素基质上。它是一种初级分解者,通过农工业废物的生物转化而生长。因此,它有助于回收及再利用废弃材料,并减少其对环境的负面影响。蘑菇的品质取决于其栽培基质的营养成分。许多研究已经证明了蘑菇从使用过的基质中吸收化合物的能力以及蘑菇和基质化学成分之间的相关性[73]。
SCG 富含营养物质很容易被微生物分解利用,因此利用SCG作为培养基来培养微生物更加快速有效。目前,主要利用SCG培养食用菌。ALSANAD等[74]研究了不同比例SCG/麦杆混合物对平菇产量、营养成分的影响,发现SCG的使用可以增加平菇碳水化合物含量、降低钠含量和脂肪含量,研究建议使用SCG作为商业小麦秸秆的营养补充剂。NGUYEN等[75]在纸板和SCG基质上对杏鲍菇的菌丝体进行了实验评估,研究发现与单独使用纸板或 SCG作为基质相比,纸板和SCG以质量比30∶70比例组合可增加菌丝体的生长和杏鲍菇原始形成的数量。
2.6 食品包装材料
SCG富含多糖及多酚类化合物,通过绿色加工技术可转化为功能性食品包装材料,在食品工业中直接应用可延长货架期。一些研究集中于使用富含多糖的 SCG 作为前体材料生产生物聚合物薄膜,使用经过碱和酶处理的SCG生产主要由半乳甘露聚糖组成的生物膜[17,76]。碱性过氧化氢处理用于去除木质素和酚类物质,随后的酶处理用于部分去除纤维素。观察到膜基质多糖之间的相互作用对膜性能有直接影响。纤维素在膜的制备过程中发挥着重要作用,因为它会影响交联,尽管酶处理与未酶处理样品的膜拉伸强度值相似,但去除纤维素后膜的杨氏模量和断裂伸长率均会明显提升。机械测试期间的膜损坏归因于聚集体的存在,可能是由绿原酸介导的多糖。尽管如此,结果表明,开发的生物膜不仅在食品工业中,而且在整个工程领域都具有广泛的应用潜力。ORHOTOHWO等[77]利用咖啡渣提取物(spent coffee ground extract, SCGE)增强壳聚糖-海藻酸钠可食膜的功能性。通过响应面法优化配方(壳聚糖1.49%、海藻酸钠1.12%、甘油1.53%、SCGE 9.69%),所得薄膜拉伸强度达6.33 MPa,水接触角78.31°,并具显著抗氧化活性(DPPH自由基清除率87.52%)。FTIR分析证实SCGE多酚与聚合物基质通过分子相互作用提升结构稳定性。应用于鲜切猕猴桃保鲜时,涂膜处理使失重率降低37.5%,有效延缓腐败并维持感官品质至10 d冷藏期,为农业废弃物高值化与活性包装开发提供新策略。
3 结论
咖啡是世界上最受欢迎的饮料之一,因此产生大量的SCG。SCG因其成分丰富而具有很高的再利用潜力,可作为脂质、酚类生物活性化合物和碳水化合物的可再生来源,被视为食品工业的潜在功能成分。本研究讨论了SCG的组成、生物活性化合物的使用和在食品工业中的可能增值方法。考虑到咖啡工业在世界市场上的地位和产生的废物量还在不断增长,处理和使用废咖啡渣工艺需求不断增长。随着从咖啡渣中提取、分馏和纯化化合物的创新技术(例如超声波、微波等)的开发和使用,可以预见SCG衍生产品的应用范围会更加广泛。文献中考虑了许多不同的SCG增值方法。然而,已发表的文献主要集中在单一成分上。未来的研究应该更加关注SCG的彻底收集和SCG的分馏和产品的纯化,例如SCG化合物的解毒和随后的水解,从而使用多种生物技术工艺将SCG转化为食品级成分,满足实际农产品和食品工业的需要。
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