Establishment of optimal processing conditions to maximize antioxidant activity of coffee bean

Abstract

The objective of this study was to clarify the optimal processing condition that can increase the antioxidant ability of coffee beans. Coffee beans are known to have antioxidant ability, and various bioactive compounds are thought to contribute to the antioxidant activity of coffee. The physicochemical properties of coffee bean powder and antioxidant ability were investigated according to the origin of coffee beans (Arabica and Robusta species), degree of roasting (green bean, light, medium and dark), grinding temperature (ambient and cryogenic), and extraction method (solvent and microwave-assisted extraction). The particles were visualized by Scanning electron microscope (SEM), and the shape of the particles of cryogenic grinding samples was more spherical. To quantify the amount of CGAs in coffee beans, 3-CQA, 4-CQA and 5-CQA, isomers of CGAs, were quantified by High-Performance Liquid Chromatography (HPLC). As a result, the total amount of CGAs and 5-CQA decreased with roasting, but 3-CQA and 4-CQA increase. Therefore, it can be suggested that isomerization of CGAs proceeds during thermal processing. And, according to the results of DPPH and ABTS assay, the degree of roasting and antioxidant activity were not proportional. It is thought that the antioxidant activity was increased by the various bioactive compounds converted or newly produced from CGAs during the roasting process. After the additional filtering of samples, the antioxidant activity of the low molecular compounds (below 10 kDa) was higher than that of the high molecular compounds (above 10 kDa). In addition, the antioxidant activity of caffeic acid, which is one of the decomposed products of CGAs, was higher than that of CGAs. Therefore, the antioxidant activity of free-form phenolic acid formed by decomposition of bound-form polyphenol (CGAs), is thought to play more decisive role in the antioxidant capacity of coffee beans. The aim of this study is as follows: 1) to identify bioactive compounds that play a decisive role of antioxidant activity of coffee beans, and 2) to establish processing conditions to maximize antioxidant ability (roasting, grinding and extraction). In this study, the microwave-assisted extraction (MAE) method was used to increase the antioxidant capacity by 2.82 % (DPPH) and 23.06 % (ABTS) compared with the general hot water extraction. This study can provide further insight into the nature of the health benefits of compounds which is formed during the roasting process.;본 연구의 목적은 커피 원두의 항산화능을 향상시킬 수 있는 최적의 가공 조건을 규명하는 것이다. 커피 원두는 항산화능을 가지고 있으며, 폴리페놀인 클로로겐산 (Chlorogenic acid)을 비롯하여 다양한 생리 활성 화합물이 항산화 작용에 기여한다고 알려져 있다. 원산지 (아라비카, 로부스타), 배전 정도 (생두, 저배전, 중배전, 강배전), 분쇄 온도 (상온, 저온) 및 추출 방법 (용매 추출, 마이크로파 추출)에 따라 커피 분말의 물리 화학적 특성과 항산화능을 분석하였다. 가공 방법에 따른 입자 특성을 확인하기 위해 주사 전자 현미경 (SEM)으로 가시화한 결과, 극저온 분쇄한 시료는 상온 분쇄한 경우보다 균일한 구형의 입자로 나타났다. 커피 원두에서 클로로겐산을 정량화하기 위해 3가지 이성질체인 3-CQA, 4-CQA 및 5-CQA를 고성능 액체 크로마토그래피 (HPLC)로 분석했다. 그 결과, 클로로겐산 총량과 5-CQA의 양은 배전 시 감소했지만, 3-CQA와 4-CQA는 저배전 시 증가했다. 또한 DPPH 및 ABTS 결과에 따르면, 배전 정도와 항산화능은 비례하지 않았다. 이는 커피 내 다량 존재하는 폴리페놀인 클로로겐산이 적절한 열 가공에 의해 분해 또는 새로운 화합물이 생성되어 항산화능이 증가된 것으로 생각된다. 또한 저분자 화합물 (10 kDa 미만)의 항산화능은 고분자 화합물 (10 kDa 이상)의 항산화능보다 높았으며, 대표적인 클로로겐산의 분해 산물인 카페산 (Caffeic acid)이 클로로겐산보다 항산화 활성이 높은 것으로 나타났다. 따라서 결합 형태의 폴리페놀의 분해에 의해 유리 형태의 페놀산이 형성되며, 이러한 분해 산물이 커피의 항산화능에 결정적인 역할을 하는 것으로 생각된다. 본 연구에서는 일반적인 열수 추출법과 더불어, 마이크로파 보조 추출법 (Microwave-assisted extraction, MAE)을 사용하여 항산화능을 2.82 % (DPPH) 및 23.06 % (ABTS) 향상시켰다. 본 연구의 목적은 커피의 항산화능을 극대화하기 위한 가공 조건 (배전, 분쇄 및 추출)을 확립하고, 이에 결정적인 역할을 하는 생리 활성 물질을 규명하는 것이다. 본 연구를 통해 커피는 적절한 열 가공으로 생성된 물질에 의해 항산화능이 증진됨을 확인하였다. 추후 가공 과정에 따라 형성되는 화합물에 대한 규명 및 각 물질의 생체 활성에 대한 더욱 깊은 연구가 필요하다고 사료된다.