废咖啡渣作为牛肉饼抗氧化膳食纤维的应用：氧化稳定性、质构特性及分子对接研究揭示其分子机制与健康潜力

本文系统探讨了利用废咖啡渣（SCG）作为功能性成分（抗氧化剂和膳食纤维）在牛肉饼中的应用价值。研究通过理化分析（pH、水分活度、色泽、蒸煮损失、直径缩减、膳食纤维含量及氧化稳定性）、质构和感官评价，结合ADMET（吸收、分布、代谢、排泄和毒性）分析和分子对接（靶点：2FLU Kelch-Neh2复合物）技术，证实SCG显著提升产品膳食纤维含量（p<0.05）、降低TBARS值（第7天最低），并改善风味（土耳其和过滤咖啡渣组感官评分更高）。分子对接显示绿原酸（chlorogenic acid）结合亲和力最强（-9.3 kcal/mol, Ki: 0.152 μM），为SCG在肉制品中的天然抗氧化和功能化应用提供了理论依据，兼具经济环保效益。

1 引言

肉类产品作为优质蛋白质、脂肪、维生素（尤其是B族维生素）和矿物质（如铁、锌、硒、磷）的重要来源，在全球饮食中占据重要地位。然而，大量摄入红肉和加工肉制品与心血管疾病、癌症、全因死亡率和2型糖尿病风险升高存在显著关联。这些健康风险与高饱和脂肪和胆固醇含量、防腐剂（如亚硝酸盐和硝酸盐）、烹饪过程中形成的致癌物（如杂环胺和多环芳烃）、高盐和低纤维含量等因素有关。近年来，研究重点逐渐转向通过创新方法改善肉制品的生产技术，提高产品质量、安全性和贮藏稳定性，同时关注资源有效利用和废弃物管理的可持续性解决方案。

咖啡作为一种古老饮品，富含多种生物活性成分，包括酚类化合物、二萜类、甲基黄嘌呤、烟酸和葫芦巴碱等。咖啡的生物活性成分有助于降低2型糖尿病、抑郁、自杀倾向、癌症、肝损伤、肝硬化和神经心血管疾病等多种疾病的风险。咖啡消费的不断增加导致其副产物（如废咖啡渣、缺陷豆、银皮、咖啡果肉和咖啡壳）产量增加，若不能有效利用，将对环境造成重大压力。废咖啡渣（SCG）作为咖啡制备过程中的副产物，富含碳水化合物、维生素、蛋白质、矿物质、膳食纤维、脂质以及多酚等功能性物质，具有很高的营养价值和应用潜力。

2 材料与方法

2.1 近似成分

采用AOAC标准方法测定碎牛肉的水分、总蛋白、总脂肪、总灰分和pH值。

2.2 SCG的多酚含量

通过HPLC方法测定土耳其、意式和过滤SCG提取物的酚类含量。使用Eclipse XDB-C18色谱柱，以甲醇和3%乙酸为流动相，进行梯度洗脱。

2.3 SCG的抗氧化特性

采用Folin-Ciocalteu法测定总酚含量（TPC），以没食子酸当量（GAE）表示；采用紫外-可见分光光度法测定总黄酮含量（TFC），以儿茶素当量（CE）表示；通过DPPH法测定自由基清除活性。

2.4 选定植物化学物的ADMET分析

利用在线ADME预测工具（如SWISSADME）评估四种选定植物化学物的药代动力学特性和安全性，包括摩尔折射率、拓扑极性表面积（TPSA）、共识Log Po/w、胃肠道（GI）吸收、血脑屏障（BBB）渗透性、P-糖蛋白（P-gp）底物潜力、细胞色素P450酶抑制谱、皮肤渗透系数（Log Kp）、生物利用度评分和合成可及性。

2.5 分子对接分析

使用AutoDock Vina进行分子对接模拟，评估选定化合物与靶蛋白2FLU（Kelch-Neh2复合物）的结合相互作用。对接结果基于结合能、配体效率（LE）、拟合质量（FQ）、pIC50和估计抑制常数（Ki）等关键参数进行分析。

2.6 样品制备与烹饪程序

按照标准方法制备牛肉饼样品，分为四组：对照组（C，不添加SCG）、T1组（添加土耳其咖啡渣）、T2组（添加意式咖啡渣）和T3组（添加过滤咖啡渣）。每组样品随机分为生样和熟样两组，用于后续分析。样品在200°C下用空气炸锅烹饪5分钟，冷却至室温后进行分析。

2.7 样品的物理分析

使用色度计测定样品的亮度（L）、红度（a）和黄度（b*）；使用pH计测定pH值；使用水分活度系统测定水分活度；使用数字卡尺测量直径变化，计算直径缩减百分比；通过称重计算蒸煮损失百分比。

2.8 样品的TBARS值

采用Tarladgis等方法，通过分光光度计在530 nm处测定TBARS值，以丙二醛（MA）当量表示脂质氧化程度。

2.9 样品的膳食纤维组成

使用膳食纤维测定试剂盒（Megazyme）通过酶消化法测定总膳食纤维含量，包括可溶性和不溶性膳食纤维。

2.10 样品的质构特性

使用质构分析仪（TA.XT-Plus）测定熟牛肉饼的硬度、弹性、内聚性、胶黏性、咀嚼性和回复性。

2.11 样品的感官特性

由20名半培训的感官评价员进行感官评价，评估气味、质地等感官参数。

2.12 统计分析

采用完全随机因子设计，使用广义线性混合模型进行方差分析（ANOVA），并通过Tukey多重比较检验在5%显著性水平上确定均值差异。

3 结果与讨论

3.1 碎牛肉的近似成分

碎牛肉的pH、总蛋白、总脂肪、水分和总灰分值分别为5.69、17.90%、21.49%、59.76%和3.18%。与文献报道相比，这些差异可能源于饲养条件、年龄、饮食、品种、性别和取样部位等因素。

3.2 SCG的总酚含量和抗氧化特性

土耳其、意式和过滤SCG的DPPH自由基清除活性分别为26.38%、36.94%和13.70%；总酚含量（TPC）分别为114.95、240.96和79.41 mg GAE/100 mL；总黄酮含量（TFC）分别为41.16、40.46和31.67 mg CE/100 mL。意式咖啡渣表现出最高的抗氧化活性和总酚含量，而过滤咖啡渣最低。酚类成分分析显示，绿原酸、咖啡酸和丁香酸在意式和土耳其咖啡渣中含量较高，而过滤咖啡渣中这些成分低于报告限。咖啡因含量在意式咖啡渣中最高（181.5 mg/100 g），过滤咖啡渣最低（6.8 mg/100 g）。

3.3 ADMET结果

药代动力学和安全性评估显示，绿原酸具有较低的GI吸收和生物利用度评分（0.11），而咖啡酸、丁香酸和咖啡因具有高GI吸收。所有化合物均不能透过血脑屏障（BBB），也不是P-gp底物或细胞色素P450酶抑制剂。皮肤渗透系数（Log Kp）值表明这些化合物经皮吸收能力较低。合成可及性评分显示丁香酸最易合成（1.70），绿原酸最难（4.16）。

3.4 选定化合物与2FLU靶蛋白的结合相互作用

分子对接结果显示，绿原酸与2FLU的结合能最低（-9.3 kcal/mol），表明其结合亲和力最强，其次是咖啡酸（-7.0 kcal/mol）、丁香酸（-6.6 kcal/mol）和咖啡因（-6.5 kcal/mol）。绿原酸与Gly367、Arg415、Val465、Val512、Val606、Val418和Ile559形成常规氢键，距离在1.58至2.53 Å之间，同时还存在Pi-烷基相互作用。这些发现表明绿原酸作为2FLU抑制剂的潜力最大。

3.5 样品的物理分析

水分活度值在0.978至0.989之间，SCG的添加显著提高了水分活度（p<0.05）。蒸煮损失方面，T2组在第1天最高（23.13%），对照组在第3天最低（9.95%）。直径缩减在各组间无显著差异（p>0.05）。色泽分析表明，对照组具有最高的L、a和b*值，SCG的添加使样品颜色变深，这与咖啡渣的深色特性一致。pH值方面，SCG的添加导致pH升高，这可能源于美拉德反应产物（如类黑精）的缓冲能力或矿物质含量的影响。

3.6 样品的TBARS值

TBARS值测定显示，SCG的添加显著降低了脂质氧化程度（p<0.05）。在第7天，对照组的TBARS值最高（2.17 mg MA/kg），而各处理组（T1、T2、T3）的TBARS值均低于感官阈值（1 mg/kg），表明SCG能有效抑制氧化反应。这种抗氧化活性与SCG中丰富的酚类化合物（如绿原酸）密切相关。

3.7 样品的膳食纤维含量

SCG的添加显著提高了牛肉饼的膳食纤维含量（p<0.05）。对照组的膳食纤维含量为7.18%，而T1、T2和T3组分别为10.13%、12.05%和10.43%。SCG本身含有45-51 g/100 g的总膳食纤维，其中不溶性纤维占35-48 g/100 g，可溶性纤维占2-8 g/100 g，是一种优质的膳食纤维来源。

3.8 样品的质构特性

质构分析表明，SCG的添加对硬度、弹性、内聚性、胶黏性、咀嚼性和回复性有显著影响（p<0.05）。意式和过滤咖啡渣的添加导致硬度增加，而土耳其咖啡渣使硬度降低。内聚性在T3组第7天最高，对照组第7天最低。这些变化与SCG的纤维结构和持水能力有关。

3.9 样品的感官特性

感官评价显示，SCG的添加对气味有积极影响（p<0.05），尤其是土耳其和过滤咖啡渣能改善整体接受度。然而，SCG对质地有负面影响（p<0.05），源于其纤维和多孔结构导致的结合不均匀和持水能力较低。总体而言，土耳其和过滤咖啡渣组的整体接受度高于对照组。

4 结论

废咖啡渣（SCG）作为一种富含营养和生物活性成分的副产物，在牛肉饼中作为抗氧化剂和膳食纤维来源具有显著应用潜力。研究证实，SCG的添加能提高产品的膳食纤维含量，增强氧化稳定性，改善感官特性（尤其是气味），并通过分子对接揭示了绿原酸等成分与2FLU靶蛋白的强相互作用。此外，SCG的利用符合可持续发展和循环经济原则，有助于减少环境污染并提升经济价值。未来研究可进一步优化SCG在肉制品中的添加水平和处理方式，以最大化其健康益处和消费者接受度。