《Food Chemistry》：Spent coffee grounds-derived water-in-oil-in water double emulsions for edible coffee oil aroma preservation: A sustainable approach
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本研究针对废弃咖啡渣(SCG)资源化利用和食用咖啡油(SCO)易氧化、香气易逸散的问题，开展了一项关于利用SCG提取的多糖构建水-油-水(W1/O/W2)双相乳液以保护SCO香气的研究。结果表明，该乳液能有效维持SCO中呋喃等理想香气成分，同时抑制醛类等脂质氧化标志物的释放，为开发可持续食品级风味输送系统提供了新策略。
咖啡，作为全球最受欢迎的饮品之一，其工业生产每年产生约600万吨（湿重）的废弃咖啡渣(Spent Coffee Grounds, SCG)。这些看似无用的废料实则蕴藏着宝藏，含有未被充分利用的生物分子，如多糖、脂质、二萜、类黑精和绿原酸等，在可持续食品应用方面展现出巨大潜力。其中，废弃咖啡油(Spent Coffee Oil, SCO)作为一种可食用油脂，具有由烘焙过程塑造的独特香气 profile，使其成为咖啡饮料和其他食品中有吸引力的风味配料。然而，SCO中不饱和甘油三酯占主导，虽然营养上有益，却使其极易发生脂质氧化，导致产生与不良风味和香气降解相关的醛类和酮类化合物。此外，SCO中的挥发性化合物在储存期间容易挥发，这为其融入食品基质带来了挑战。
为了克服这些局限性，微胶囊化等封装技术已成为保护敏感化合物（如食用油脂中的成分）的有前景策略。然而，传统的微胶囊系统通常无法在单一系统内同时包埋亲水性和亲脂性化合物，限制了其在复杂食品配方中的多功能性。相比之下，双相乳液(Double Emulsions, DE)，特别是水包油包水(Water-in-Oil-in-Water, W1/O/W2)体系，因其能够在单一结构内实现亲脂和亲水化合物的共封装而受到关注。它们由分散在油滴内的内部水相液滴组成，而这些油滴本身又分散在外部水相中，为风味稳定和脂肪减少策略提供了理想载体。
在此背景下，来自葡萄牙阿威罗大学的研究团队在《Food Chemistry》上发表了一项研究，他们提出了一种创新的可持续方法：利用从SCG中提取的富含多糖的水提物，来构建用于保护SCO香气的W1/O/W2双相乳液。这项研究不仅为SCG的高值化利用开辟了新途径，也为开发清洁标签、可持续的食品风味保护系统提供了新思路。
为了开展这项研究，研究人员主要运用了几项关键技术。他们首先通过索氏提取法分别使用正己烷和乙醇从干燥SCG中回收SCO，并对油的得率、脂肪酸组成、密度、总酚含量和抗氧化活性进行了表征。接着，他们利用微波辅助提取(Microwave-Assisted Extraction, MAE)技术，对脱脂后的SCG进行水提，分别在150°C和180°C下获得两种水溶性提取物(MW1_Sn和MW2_Sn)，并分析了它们的碳水化合物组成、蛋白质含量、绿原酸(Chlorogenic Acids, CGA)含量和结构特征。然后，研究团队采用一种简化的两步乳化工艺，使用实验室涡旋混合器，以SCO为油相，MW提取物结合食品级乳化剂（卵磷脂和Tween-80）为水相，制备W1/O/W2双相乳液，并通过光学显微镜和图像分析软件对乳液的液滴形态、尺寸分布和稳定性进行了评估。最后，他们利用顶空-固相微萃取/气相色谱-质谱联用(Headspace-Solid Phase Microextraction/Gas Chromatography–Mass Spectrometry, HS-SPME/GC–MS)技术，系统分析了游离SCO以及封装在双相乳液中的SCO在经过1小时、7天和37天日光照射后的挥发性成分变化，以评估乳液的保护效果。
3.1. 回收的SCO的得率和表征
研究人员首先比较了使用正己烷(SCO_nHex)和乙醇(SCO_EtOH)两种溶剂通过索氏提取法回收SCO的效果。结果表明，SCO_nHex的干重得率(13.2%)显著高于SCO_EtOH(9.9%)，但两者均与文献报道范围相符。尽管两种方法获得的SCO其酯化脂肪酸 profile 相似，均以亚油酸(C18:2)和棕榈酸(C16:0)为主，但SCO_EtOH的总酚含量(49.8 μg GAE/mg SCO)远高于SCO_nHex(10.0 μg GAE/mg SCO)，其抗氧化活性（清除DPPH自由基的IC50值）也高出约5倍。傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)分析进一步证实，SCO_EtOH中含有更多酚类化合物。这些结果突出了乙醇作为绿色溶剂在提取具有更高抗氧化潜力SCO方面的优势，因此后续研究选择SCO_EtOH用于乳液构建。
3.2. SCG及所得MW衍生提取物的化学组成
对原始SCG的分析显示其碳水化合物含量丰富（约71%干重），富含甘露糖(Man)、半乳糖(Gal)和葡萄糖(Glc)，蛋白质含量约为13%。对脱脂SCG_EtOH进行微波水提，第一轮(MW1, 150°C)获得的提取物MW1_Sn得率为16.5%，第二轮(MW2, 180°C)对第一轮残渣进行提取，获得MW2_Sn，得率更高(24.5%)。两种提取物(MW1_Sn和MW2_Sn)的单糖 profile 相似，均富含Man和Gal，表明含有半乳甘露聚糖和阿拉伯半乳聚糖，且蛋白质含量相近（约13%和12%）。然而，HPLC分析显示MW1_Sn的绿原酸(CGA)含量(32 mg CGA/g)显著高于MW2_Sn(1 mg CGA/g)，而MW2_Sn的类黑精褐变指数(Melanoidin Browning Index, MBI)更高，暗示其含有更多复杂结构的褐色化合物。FTIR光谱也揭示了提取物中碳水化合物、蛋白质和酚类化合物的特征吸收峰。
3.3. W1/O/W2双相乳液(DE)
研究人员采用简化的两步乳化法成功构建了W1/O/W2双相乳液。研究发现，仅使用MW提取物而不用乳化剂无法形成乳液；同时使用卵磷脂（油相乳化剂）和Tween-80（水相乳化剂）是形成乳液的关键。当在含有卵磷脂和Tween-80的体系中加入MW1_Sn时，形成的乳液(DE_MW1_Sn)液滴密度高、尺寸分布均匀（平均直径0.88 μm，Span值0.8），且在37天储存期内未出现油层分离，表现出良好的稳定性。而使用MW2_Sn形成的乳液(DE_MW2_Sn)则出现两相分离，稳定性较差，这可能与更高温度提取导致生物聚合物分子量变小、乳化能力下降有关。这表明提取条件对天然聚合物在复杂乳液体系中的性能有重要影响。
3.4. 通过HS-SPME/GC–MS分析SCO挥发性组分从W1/O/W2双相乳液中的释放行为
挥发性成分分析显示，SCO_EtOH含有36种挥发性化合物，包括呋喃、醛类、酮类、吡咯、吡嗪和挥发性酚类等，其中呋喃类化合物（特别是2-呋喃甲醇）占总GC峰面积的约66%，贡献了焦糖和烘烤香气。相比之下，SCO_nHex仅检出2种呋喃类物质，凸显了乙醇在提取SCO完整香气 profile 方面的优势。
在37天的日光照射实验中，游离的SCO_EtOH发生了显著变化：呋喃类化合物大幅减少（7天后降至约12%），而醛类、酮类和吡咯类等脂质氧化产物显著增加，表明油脂发生了光氧化。然而，当SCO被封装在双相乳液（DE_MW1_Sn和DE_MW2_Sn）中后，情况截然不同。即使经过37天照射，乳液中释放的醛类、酮类和吡咯类氧化产物含量极低（相对保留效率仅4-6%），而呋喃类和挥发性酚类等理想香气成分则得到了较好的保留（相对保留效率超过100%，表明其损失速率远低于游离油）。热图和主成分分析(PCA)结果清晰地表明，封装在双相乳液中的SCO其挥发性 profile 与照射仅1小时的样品更为接近，而与照射37天的游离SCO差异巨大，证明了双相乳液结构能有效抑制SCO的光氧化，并延缓理想香气成分的逸散。
本研究成功开发了一种利用废弃咖啡渣(SCG)可持续地制备W1/O/W2双相乳液的新方法，用于保护食用咖啡油(SCO)的香气。研究证实，以SCG微波水提物（富含半乳甘露聚糖/阿拉伯半乳聚糖和蛋白质）结合食品级乳化剂（卵磷脂和Tween-80）构建的双相乳液，能够形成结构稳定、液滴均匀的体系。最重要的是，该乳液体系能有效抑制SCO在日光照射下的脂质氧化，显著减少醛、酮等不良氧化产物的生成和释放，同时较好地保留呋喃、吡嗪等理想香气成分。这种保护作用归因于双相乳液的多层结构物理屏障作用，以及MW提取物中生物大分子与SCO挥发性化合物之间可能的分子相互作用（如氢键和疏水结合）。该研究不仅为SCG的高值化利用提供了创新途径，也为开发清洁标签、可持续的食品风味保护和输送系统奠定了坚实基础，支持了食品工业向“变废为宝”创新的转型。未来研究可进一步探索乳液界面的动态过程、理化稳定性参数以及具体的封装机制，以优化乳液的稳健性并将此方法拓展至其他食用油脂的保护中。
