Characterization of Bioactive and Flavor Compounds Recovered from Coffee Bean using Sub and Supercritical Fluids = 아임계 및 초임계 유체를 이용하여 커피에서 회수된 생리활성 물질과 향기성분의 특성

국문 초록 (Abstract)

커피는 석유 다음으로 전 세계에서 많이 거래되는 상품이다. 특유의 청량한 향이나 맛 외에도 커피는 인체에 유익한 영향을 주는 생리활성물질들을 포함하고 있다. 다양한 역학연구에서는 커피의 소비는 심장혈관계 질병, 발암, 파킨슨병, 알츠하이머 등의 만성질환의 위험을 감소시키는 것을 보여주었다. 커피의 인체 유익한 효과는 클로로겐산 및 커피산 등의 페놀산, 카페인, 트리고넬린 및 로스팅 과정에서 생성되는 갈색의 색소 등을 포함하는 생리활성물질과 관련되어 있다. 이러한 생리활성물질은 사용된 커피음료를 만든 이후 생성되는 커피찌꺼기에서도 구할 수 있다. 본 연구에서는 아임계 및 초임계 유체를 기반으로 한 청정공정기술을 이용하여 이러한 화합물을 회수하였다.
첫 번째 연구에서, 로스팅 된 Coffea arabica (Yrigachefe, Ethiopia)로부터 초임계 이산화탄소를 이용하여 오일을 회수한 후 향의 손실과 산화방지를 위해, 추출한 오일을 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol)을 담체로 선정하여 particles from gas-saturated solutions (PGSS) 공정을 이용하여 캡슐화하였다. 캡슐화 실험은 다양한 온도(40-50°C)와 압력(200-300 bar), 담체와 오일의 비율(5:1-10:1 w/w)을 변수로 수행하였다. 표면반응방법론을 캡슐화 효율에 영향을 미치는 공정 매개 변수를 최적화하기 위해 사용하였다. 커피오일의 최적 캡슐화 조건은 79.78 %의 최대 캡슐화 효율를 나타낸 온도 40.0℃, 압력 260.14 bar 및 비율 6.57 : 1g / g 조건 인것으로 밝혀졌다. 캡슐화 된 오일은 저장 12 주 후에 과산화물 가가 4.56 meq / kg로 나타났으며, 캡슐화 후 지방산 조성의 손실은 2 % 미만인 것으로 관찰되었다. 또한 최적 조건을 사용하여 얻어진 입자의 향미 제품은 향미 보존상태가 매우 양호하게 나타났다. 이러한 결과는 PGSS 공정을 이용한 마이크로 캡슐화가 열에 민감한 물질의 캡슐화 및 자유롭게 유동하는 분말 입자의 제조에 사용될 수 있고 식품 및 관련 산업에서 사용할 수 있음을 보여주었다.
두 번째 연구에서는 커피 원두 원료에 존재하는 풍부한 생물 활성 화합물을 수용성 커피 추출물로 전환시켜 회수하는데 있어서 아임계 가수분해(SCWH)가 미치는 영향을 조사하였다. 본 연구를 진행함에 있어 커피 원료는 서로 다른 지리적 조건에서 얻은 5 가지 유형의 원두를 사용하여 수행되었다. SCWH는 180-220°C의 온도와 30-60 bar의 압력에서 수행되었다. 추출물의 총 페놀 함량 (TPC), 총 플라보노이드 함량 (TFC), 개별 페놀산 함량을 측정하였으며, 생물학적 활성인 항산화능, 항균능 및 항고혈압능을 측정하였다. 커피 추출물의 TPC 및 TFC는 각각 120.4 - 144.4 mg gallic acid / g 및 15 - 43 mg catechin/ g 로 나타났으며, 각각의 조건에서 회수된 샘플에서 우세한 페놀산은 클로로겐산인 것으로 나타났다. 추출물은 높은 항산화 및 항균 활성을 나타냈다. 또한, 동결 건조 된 커피추출물의 1.989 - 2.562 mg / mL 범위의 IC50 값을 갖는 체외 항고혈압제 활성이 우수한 것으로 나타났다. Coffea canephora의 CE는 모든 시험 분석에서 Coffea arabica보다 우수한 생체 기능을 보였다.
세 번째 연구에서는 커피찌꺼기로부터 고부가가치 물질을 생산하기 위해 마이크로파 및 초음파와 같은 전처리 방법과 질소 및 이산화탄소와 같은 보조 가스가 아임계 수에 용해됨에 따른 영향을 조사했다. 아임계 수 처리는 다양한 온도 (180-240°C) 및 압력 (20-60 bar)에서 수행되었으며, 회수한 가수 분해물의 총 페놀 함량 (TPC), 총 플라보노이드 함량 (TFC), 환원당 (RS), 단백질 함량, 항산화 및 항균 작용에 대해 연구하였다. 추출물의 TPC 값은 33.1 ± 1.89 mg gallic acid /g에서 51.2 ± 1.87 mg gallic acid/g 사이이고 TFC 값은 각각 15.13 ± 1.73 mg catechin/g 에서 25.51 ± 1.55 mg catechin/g 범위에 있음을 보여주었다. 환원당 함량은 8.88 ± 1.19에서 37.9 ± 4.21 g/100g 의 범위로, 단백질 함량은 20.05 ± 2.33에서 47.38 ± 4.41 mg/g범위로 나타났다. 항산화 활성 중 DPPH 라디칼 소거능은 0.36 ± 0.03 에서 0.51 ± 0.08 mmol trolox/g로 나타났으며, ABTS 라디칼 소거능은 0.39 ± 0.04 에서 0.76 ± 0.01 mmol trolox/g 로 나타났다. 추출물은 동결건조 하였을 때 널리 알려진 식중독 균인 황색포도상구균에 대해 최소 억제 농도 5 mg/ml로 우수한 항균활성을 나타내었다. 본 연구는 전 처리와 조건인자가 커피찌꺼기의 severity 지수를 감소시킴으로써 추출물의 액화 및 추출물의 조성을 증가시킬 수 있음을 보여주었다.
네 번째 연구에서, 천연 커피 다당류의 분자 변형은 아임계 수를 처리함으로써 수행되었다. 아임계 수 처리는 180 ~ 220 ℃의 온도 및 30 ~ 60 bar의 압력에서 사용되었으며, 다당류의 분자 및 구조 변형은 FT-IR, UV 분광법, XRD 및 TGA와 같은 여러 기술을 이용하여 확인되었다. 변형된 다당류의 항산화 활성을 여러 화학적 및 Saccharomyces cerevisiae 기반의 고 처리량 분석방법을 사용하여 평가하였다. 변형된 다당류는 시험된 모든 분석법에서 높은 항산화 활성을 보였으며, 높은 DNA 보호 활성을 나타냈다. 본 연구의 결과는 아임계 수가 다당류의 분자 변형을 위한 녹색 용매로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.

목차 (Table of Contents)

• CONTENTS I
• List of Fig.s VIII
• List of Tables XI
• Abstract XIII
• Chapter 1 1
• General Introduction 1
• 1.1. Background of coffee 1
• 1.2. History and origin of coffee 5
• 1.3. World Coffee production 7
• 1.4. Chemical compositions of coffee bean 10
• 1.5. Changes on coffee bean as result of roasting 19
• 1.6. Melanoidins (Maillard reaction products) 20
• 1.7. Spent coffee ground 24
• 1.8. Supercritical fluid extraction (SFE) 25
• 1.9. Encapsulation techniques 31
• 1.10. Encapsulation techniques using supercritical fluids 32
• 1.10.1 Classification of particle formation methods using supercritical fluids 33
• 1.11. Particles from Gas Saturated Solutions (PGSS) 34
• 1.11.1. Principle of particle formation in PGSS 36
• 1.12. Coating materials in PGSS process 37
• 1.13. Subcritical water extraction 38
• 1.13.1. Subcritical water (SCW) extraction: properties and benefits 38
• 1.14. Severity factor 43
• 1.15. Objectives of the thesis 43
• 1.16. References 45
• Chapter 2 56
• Optimization of coffee oil flavor encapsulation using response surface methodology 56
• 2.1. Introduction 56
• 2.2. Materials and methods 58
• 2.2.1. Materials 58
• 2.2.2. Sample Preparation 58
• 2.2.3. Oil extraction 59
• 2.2.4. Microencapsulation process 59
• 2.2.5. Encapsulation efficiency 62
• 2.2.6. Fatty acid analysis 63
• 2.2.7. Volatile compounds analysis 63
• 2.2.8. Oxidative stability 64
• 2.2.9. Characterization of particles 64
• 2.2.10. Experimental design and statistical analysis 66
• 2.3. Result and discussion 69
• 2.3.1 Encapsulation efficiency 69
• 2.3.2. Fatty acid composition 71
• 2.3.4. Volatile compounds analysis 73
• 2.3.5. Oxidative stability 73
• 2.3.6. Characterization of particles 76
• 2.3.7. Model fitting and response surface analysis 80
• 2.3.8. Effect of process variables on the EE 83
• 2.3.9. Diagnostics of model adequacy 86
• 2.3.10. Optimization and verification of the model 88
• 2.4. Conclusion 88
• 2.5 References 90
• Chapter 3 96
• Influence of hydrothermal process on bioactive compounds extraction from green coffee bean 96
• 3.1. Introduction 96
• 3.2. Materials and methods 98
• 3.2.1. Materials 98
• 3.2.2. Sample preparation 99
• 3.2.3. Subcritical water hydrolysis (SCWH) 99
• 3.2.4. Total phenolic content (TPC) 100
• 3.2.5. Total flavonoid content (TFC) 100
• 3.2.6. HPLC analysis of phenolic compounds and caffeine 100
• 3.2.7. Antioxidant activity assessment 102
• 3.2.8. Maillard reaction products (MRPs) 103
• 3.2.9. Antimicrobial activity 103
• 3.2.10. Determination of angiotensin I-converting enzyme (ACE)-inhibitory activity 104
• 3.2.11. Statistical Analysis 104
• 3.3. Result and discussion 104
• 3.3.1. Total phenolic content (TPC) 104
• 3.3.2. Total flavonoid content (TFC) 107
• 3.3.4. HPLC analysis of phenolic compounds and caffeine 107
• 3.3.5. Antioxidant activity measurement 109
• 3.3.6. Maillard reaction products (MRPs) 114
• 3.3.7. Antimicrobial activity 116
• 3.3.8. Determination of angiotensin I-converting enzyme (ACE)-inhibitory activity 121
• 3.4. Conclusion 123
• 3.5. References 124
• Chapter 4 132
• Influence of pretreatment and modifiers on subcritical water liquefaction of spent coffee grounds: A green waste valorization approach 132
• 4.1. Introduction 132
• 4.2. Materials and methods 134
• 4.2.1. Modifier gases 134
• 4.2.2. Pretreatment methods 135
• 4.2.3. SCW hydrolysis 137
• 4.2.4. Severity factor 138
• 4.2.5. Color measurement 139
• 4.2.6. pH measurement 139
• 4.2.7. Total phenolic content (TPC) 139
• 4.2.8. Total flavonoid content (TFC) 140
• 4.2.9. Analysis of protein 140
• 4.2.10. Analysis of reducing sugar (RS) 140
• 4.2.11. Maillard reaction products (MRPs) 141
• 4.2.12. DPPH• Scavenging antioxidant activities 141
• 4.2.13. ABTS•+ Scavenging antioxidant activity 142
• 4.2.14. Minimum inhibitory concentration (MIC) determination 142
• 4.2.15. Statistical analysis 143
• 4.3. Results and discussion 143
• 4.3.1. Color measurement 143
• 4.3.2. pH values of the extracts 144
• 4.3.3. TPC and TFC 147
• 4.3.4. Protein content 151
• 4.3.5. RS content 153
• 4.3.6. MRPs 155
• 4.3.7. Antioxidant activities 157
• 4.3.8. Antimicrobial activity (MIC) 160
• 4.3.9. Influence of the extraction parameters 163
• 4.5. Conclusion 166
• 4.6. References 168
• Chapter 5 177
• Molecular modification of native coffee polysaccharide using subcritical water treatment: Structural characterization, antioxidant, and DNA protecting activities 177
• 5.1. Introduction 177
• 5.2. Materials and methods 180
• 5.2.1. Materials 180
• 5.2.2. Sample preparation 180
• 5.2.3. Isolation of coffee polysaccharide (mannan) 181
• 5.2.4. Molecular modification using SCW 181
• 5.2.5. Antioxidant activity measurements 181
• 5.2.6. DNA Nicking assay 185
• 5.2.7. Characterization of the polysaccharides 185
• 5.3. Result and discussion 187
• 5.3.1 Antioxidant activities 187
• 5.3.2. DNA Nicking assay 194
• 5.3.3. Structural characterization 197
• 5.4. Conclusion 204
• 5.5. References 205
• Summary 212
• Abstract (In Korean) 214
• Acknowledgement 218