,, , ,

(昆明理工大学现代农业工程学院,云南昆明 650500)

咖啡是世界三大饮料之一,世界咖啡生产国有60多个,中国的咖啡种植主要集中在云南、海南和台湾。云南省因其独特的纬度、海拔、光热等条件,已成为我国最大的小粒咖啡种植基地[1]。云南小粒咖啡具有颗粒小、面匀称、醇香浓郁、口感丰富等特点,且以“浓而不苦、香而不烈、略带果酸味”闻名[2]。

咖啡生豆是没有香味的,咖啡80%的味道取决于烘焙。咖啡在烘焙过程中会发生美拉德、焦糖化等一系列的化学反应,产生500～700种新化合物[3]。李妙清等[4]分析了哥伦比亚咖啡豆不同焙炒程度下的香气成分,发现咖啡豆所含的香气种类及含量均不同。王晓娜等[5]研究了不同烘焙程度下云南小粒咖啡类黑精中挥发性成分,发现类黑精的含量随着烘焙程度的增加而增加。吕文等[6]发现烘焙温度及烘焙时间决定了咖啡的烘焙程度,并对咖啡风味物质的产生及变化产生重要影响,为掌握精品咖啡烘焙工艺提供了科学参考。何余勤等[7]对不同焙烤程度咖啡的特征性香气进行检测,发现随着焙烤温度的上升,咖啡中的挥发性化合物不断增加,运用SPME-GC-MS结合电子鼻技术实现咖啡挥发性组分、香气表型和焙烤程度三者之间结合,用于对咖啡焙烤程度的区别,为生产某些特定香气咖啡的工艺提供科学依据和技术支持。Dorfner等[8]采用共振增强多光子离子化和飞行时间质谱联用对咖啡豆烘焙过程中酚类化合物的形成,进行了实时在线监测。Baggenstoss等[9]研究了咖啡豆烘焙过程中时间-温度对芳香性成分形成的影响。Frauendorfer等[10]对烘焙前后咖啡豆中的芳香性成分进行了比较分析。目前国内外对于咖啡的研究主要侧重烘焙过程中物质的变化。对于云南小粒咖啡,其烘焙工艺尚未见有关相关研究。云南小粒咖啡的烘焙主要凭经验完成,而此操作不利于咖啡品质的控制、工厂化、规模化、和标准化的生产。

本文以云南小粒咖啡豆为研究对象,以色度值、膨化率、失重率、感官评分值的大小作为评价指标,对影响咖啡品质、风味的主要因素进行单因素和正交试验优化,采用综合加权评分法对数据进行分析。色度值越大表示烘焙程度越浅,膨化率的值越大表示在烘焙过程中咖啡豆的体积膨胀越大,感官评分值越大代表咖啡豆品质越好,因此,先通过色度值区分咖啡豆的烘焙程度,再由综合评分值的高低进行咖啡豆的品质评价,从而获得咖啡豆浅、中、深烘焙工艺的较优组合,由此可以为烘焙不同程度的咖啡豆提供理论指导,为咖啡的标准化生产奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

云南小粒咖啡生豆 云南省普洱市的咖啡加工厂(颗粒饱满、无瑕疵)。

TP.09咖啡烘焙机 巴西产;联想yoga3型计算机 联想控股有限公司;Pt100温度传感器 余姚市长江温度仪表厂;咖啡烘焙色度检测仪 韩国truesystem公司;TU-1901型紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司;TD5A-WS型自动平衡离心机 湖南赛特湘仪离心机仪器有限公司;BL310型电子分析天平 德国塞多利斯集团;500 mL量筒、10 mL容量瓶、250 mL容量瓶 宁波群安实验仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 烘焙工艺流程 咖啡生豆→挑出优质豆(无破裂、虫害,颗粒饱满)→称重量、测体积→放入滚筒烘焙→记录温度变化→倒出咖啡豆→冷却→称重量、测体积→包装→贮存[11]。

通过滚筒内Pt100温度传感器及Lab VIEW软件,记录烘焙过程中咖啡豆在滚筒内的温度变化。咖啡在烘焙之后,一定要立即冷却,迅速停止高温裂解作用,将风味锁住。否则,豆内的高温如果仍在继续发生作用,将会烧掉芳香的物质[12]。

1.2.2 单因素实验设计

1.2.2.1 初始温度的确定 根据前期预实验,本实验将初始温度设置为190、210、230、250、270 ℃,同时控制每一组的时间为12 min、烘焙量为200 g,风门开合度为0 mm,研究不同的初始温度对咖啡品质的影响,通过综合加权评分及烘焙温度进行评价。

1.2.2.2 烘焙时间的确定 本实验控制咖啡的烘焙时间为6、8、10、12、14 min,同时控制每一组的初始温度为250 ℃,烘焙量为200 g,风门开合度为0 mm。研究不同的烘焙时间下对咖啡品质的影响,通过综合加权评分及烘焙温度进行评价。

1.2.2.3 烘焙量的确定 本实验根据实验室的烘焙装置(滚筒容积1000 mL),选择烘焙量分别为50、100、150、200、250 g,同时控制每一组的烘焙初始温度为250 ℃、烘焙时间为12 min,风门开合度为0 mm。研究不同烘焙量下对咖啡品质的影响,通过综合加权评分及烘焙温度进行评价。

1.2.2.4 风门开合大小的确定 本实验将烘焙设备的风门开合度设定为0、10、20、30、40 mm(最大开度),同时控制每一组的烘焙初始温度为250 ℃、烘焙时间为12 min,烘焙量为200 g,研究在不同的风速条件下对咖啡品质的影响,通过综合加权评分及烘焙温度进行评价。

1.2.3 正交试验设计 在单因素实验基础上,选出对咖啡品质影响较大的初始温度、烘焙时间、烘焙量、风门开合度四个因素,进行四因素四水平L16(44)的正交试验(见表1)。通过对色泽、形态、风味、口感等感官指标进行综合评价,确定出烘焙优质咖啡的最优组合。

表1 正交实验因素水平表Table 1 Factors and levels in orthogonal array design

1.2.4 烘焙咖啡的评价指标

1.2.4.1 理化指标测定 失重率:其测定方法是使用电子分析天平,分别称量每组咖啡生豆和烘焙咖啡豆的重量[13],计算公式见式(1)。膨化率:测定方法是用量筒分别测咖啡生豆和烘焙咖啡豆的体积[14],计算公式见式(2)。

式(1)

式(2)

式中:y1为失重率,%;m0为烘焙前咖啡生豆的重量,g;m1为烘焙后咖啡豆的重量,g;y2为膨化率,%;v1为烘焙后咖啡豆的体积,mL;v0为烘焙前咖啡生豆的体积,mL。

咖啡烘焙色度的测定:使用咖啡烘焙色度检测仪对烘焙好的过60目筛的咖啡粉末进行测量、读数。当样品测出色度值后,可根据表2进行烘焙程度的划分。

表2 SCAA色度值标准表Table 2 SCAA chroma standard table

1.2.4.2 感官指标评定 由受过培训的食品专业的咖啡爱好者组成10人评分小组,根据感官指标(表3)打分,以10人感官平均分为各项指标及综合评分的最终评分评判产品的品质。具体评分标准如表3所示[15]。

表3 感官评价标准Table 3 Sensory evaluation standard

1.2.5 综合加权评分法

1.2.5.1 各指标权重系数的确定 由熵值法确定各指标权重系数[16],求得感官评分、失重率、膨化率的权重依次为0.42、0.29、0.29。

1.2.5.2 计算综合加权评分值 每次实验的综合加权评分值可由下列公式(3)计算得出[17]:

Yj=0.42W1/W1max+0.29W2/W2max+0.29W3/W3max

式(3)

式中:j=1,2，…,16,Yj为第号试验的综合加权评分值,W1、W2、W3分别为每组的感官评分、失重率、膨化率对应的数值,W1max、W2max、W3max为每一列感官评分、失重率、膨化率对应的最大值。

1.2.6 总糖含量的测定方法 精密吸取葡萄糖标准液(1 mg/mL)0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL,分别置于10 mL试管中,加入蒸馏水定容至2.0 mL,然后加入5%的苯酚溶液1.0 mL及浓硫酸5.0 mL,混匀,在室温放置30 min,以加入葡萄糖标准液0.0 mL组为试剂空白,于波长490 nm处测定吸光度值。以吸光度值为纵坐标,葡萄糖浓度为横坐标绘制标准曲线[18]得到标准曲线方程为y=52.56x+0.0302,R2=0.9989。

用高速粉碎机把待测咖啡豆样品粉碎,过60目筛,称量0.5 g咖啡粉末,定容至10 mL。吸取均一混合液转移至10 mL的离心管中,室温3000 r/min离心分离15 min。取上清液2 mL定容到250 mL。取2 mL放入试管中,加入1 mL苯酚及5 mL的98%浓度的硫酸,冷却30 min后,在490 nm测定其吸光度。

1.3 数据统计分析

实验数据采用Excel 2007统计数据,SPSS 20.0进行统计学分析,显著性分析p=0.05。

2 结果与分析

2.1 烘焙单因素实验结果

2.1.1 初始温度对咖啡烘焙品质的影响 烘焙温度是影响咖啡品质的一个重要因素。由图1可知,在不同初始温度下,烘焙温度整体都呈现先降低后升高的趋势。因为在放入咖啡生豆的瞬间,生豆表面的温度比滚筒腔内的温度低,生豆开始吸热,腔内温度降低,随着烘焙时间的增加,在240 s左右温度降到最低,此时咖啡豆由吸热转为放热,温度开始持续升高,直到烘焙结束[19]。初始温度越高,烘焙过程中的温度相对也高,结束时的温度就会越高,烘焙出的咖啡豆的品质就会呈现明显的变化。

图1 不同初始温度下的烘焙温度变化Fig.1 Baking temperature changes at different initial temperatures

由表4可知,随着初始温度的增加,综合评分值先升高后降低。当烘焙初始温度较低时,咖啡豆的失水量较低,膨化度较差,咖啡豆表面的银皮无法脱落,所含的芳香物质无法释放,影响咖啡的口感。随着初始温度的升高,咖啡豆表面的银皮开始脱落,豆内的芳香性物质被完全释放,失水率从9.36%变化至22.05%,膨化率由1.70%变化至89.65%。当初始温度达到270 ℃时,从烘焙初期开始,烘箱内的温度一直处于较高点,高温造成咖啡内部裂解,咖啡豆由褐色转成深褐色,进入重烘焙阶段,结果造成咖啡豆的焦化,严重影响咖啡的口感,而初始温度为250 ℃时,咖啡豆的色泽、膨化、口感都达到最优,所以综合评分最高。综上,初始温度选为250 ℃较为合适,则在正交试验设计中将初始温度定为230、240、250、260 ℃。

表4 初始温度对综合加权评分值的影响Table 4 Effects of initial temperature on the comprehensive weighted score

2.1.2 烘焙时间对咖啡品质的影响 由图2可知,烘焙咖啡豆温度变化曲线呈现先降低后升高的趋势,烘焙时间不同,烘焙完成时的温度也不同,烘焙时间过短,咖啡豆无法完成吸热放热的过程,会导致烘焙结束时的温度过低,随着烘焙时间的增加,烘焙过程中的温度也在发生着变化,因初始温度、烘焙量、开合度相同,只有烘焙时间发生变化,故温度变化的趋势相同,烘培时间定为6、8、10、12、14 min时,其对应的烘箱温度在逐渐升高,当烘焙时间为14 min时结束温度达到最大为215 ℃,且周斌等[20]研究得出,烘焙6 min时,有81个化合物检出;烘焙8 min时,有74个;10 min时,有110个;12 min时,有96个;14 min时,有124个。不同的烘焙时间对温度的影响不同,释放出的化合物也会不同,最终使咖啡的品质产生较大的差别。在烘焙的初期,咖啡生豆开始吸热,内部的水分逐渐蒸发,颜色渐渐由绿转为黄色或浅褐色,并且银膜开始脱落,可闻到淡淡的草香味道。当烘焙温度到190 ℃左右时,豆内的水分会蒸发为气体,迁移到咖啡豆的表面,生豆的内部由吸热转为放热,出现第一次爆裂声之后,又会转为吸热,这时咖啡豆内部的压力极高,高温与压力开始解构原有的组织,形成新的化合物,造就咖啡的口感与味道;当烘焙温度到200 ℃左右,吸热与放热的转换再度发生。高温裂解作用仍持续发生,咖啡豆由褐色转成深褐色,渐渐进入意式烘焙的阶段[21]。

图2 不同烘焙时间下的烘焙温度变化Fig.2 Baking temperature changes at different roasting time

由表5可知,综合评分随烘焙时间的增长呈现先升高会降低的趋势,烘焙时间为12 min时,综合评分最高,达到0.9007,此条件下烘焙出的咖啡豆色泽均匀有光泽,咖啡香味浓郁醇厚,酸甜苦平衡,口感丰富。烘焙时间为6 min时,因为烘焙时间过短,咖啡烘焙过程中的温度偏低,烘焙完成时的温度只有182 ℃,造成烘焙出的咖啡豆颜色过浅,失水量、膨化度较小,香味较弱,酸甜不平衡,口感差。图2中烘焙时间为14 min时,滚筒腔内的温度降到181.5 ℃开始持续升高,烘焙结束时温度达到215 ℃,因烘焙时间过长温度过高导致咖啡豆炭化,并产生异味,影响口感。综上,烘焙时间选为12 min较为合适,则在正交试验设计中将烘焙时间定为10、11、12、13 min。

表5 烘焙时间对综合加权评分值的影响Table 5 Effects of baking time on the comprehensive weighted score

2.1.3 烘焙量对咖啡品质的影响 由图3可知,不同的烘焙量造成烘焙温度呈现先降低后上升的趋势,在初始温度相同的情况下,随着烘焙量的不同造成烘焙过程中的温度不同,当滚筒容量为50 g时,因为咖啡豆较少,滚筒内的温度在120 s就降到最低点210.9 ℃,随后温度就持续升高,在烘焙结束时温度达到277.5 ℃,造成咖啡豆严重炭化,咖啡香味被焦糊味完全覆盖;当滚筒容量为250 g时,温度在240 s后才降到181 ℃,但是后期上升过程的趋势变化不大,因为咖啡豆烘焙量较大,咖啡生豆表面的温度降低了滚筒内的温度,造成温度下降的趋势明显,当降到181 ℃开始上升时,因为滚筒腔内的空间有限,容量又较大,就会导致咖啡豆放热慢从而使温度上升的慢。因为容量的不同对烘焙过程中温度的变化影响较大,造成非挥发性化合物和挥发性化合物的含量不同,对咖啡风味物质的产生及变化产生重要影响[22]。

图3 不同烘焙容量下的烘焙温度变化Fig.3 Baking temperature changes at different baking capacities

由表6可知,随着烘焙量的增加,综合评分先降低后增加再降低,主要原因(图3)是,当烘焙量为50 g时,因为重量太少,温度在90 s的时候就降到了最低点,结束时温度达到277.5 ℃,温度太高,造成了咖啡豆的炭化,虽然膨化度为89%、失水率为46.84%都达到最大值,但是咖啡豆的颜色呈现焦黑,有轻微臭味,口感很差,当烘焙量为100 g时,温度较50 g时较低,膨化度和失水率相较50 g时较小,咖啡香味较弱,无果香味,口感单薄,综合评分最低,当烘焙量为200 g时,温度较合适,烘焙出的咖啡香味浓郁,膨化度较好,酸甜口感均衡,回甘。综上,烘焙量选为200 g较为合适,则在正交试验设计中将烘焙量定为160、180、200、220 g。

表6 烘焙量对综合加权评分值的影响Table 6 Effects of roasting capacity on the comprehensive weighted score

2.1.4 风门开合大小对咖啡品质的影响 在烘焙过程中,通过调节风门的开合大小,直接影响滚筒内的进风量,从而导致温度的上升和下降,进而影响咖啡的品质。由图4可知,风门开合度为0 mm时,风门处于全关闭的状态,滚筒内的热量不会随风被抽走,温度上升较快,烘焙结束时的温度能达到227.7 ℃;当风门开合度为40 mm时,风门处于完全打开的状态,在烘焙过程中,风不断的通过风门进入滚筒内,使滚筒内的温度无法快速升高,在5 min的时候才降到最低点165 ℃,烘焙完成时的温度只有199.1 ℃。不同的风门开度对温度的影响很大,导致咖啡的烘焙程度不同,对蛋白质、总糖、淀粉、和灰分等基本营养成分和绿原酸、咖啡因、葫芦巴碱等活性成分的含量产生影响,使美拉德、斯特克降解、焦糖化等系列化学反应不完全,造成咖啡特征风味不一,影响最终的咖啡品质[23]。

图4 不同风门开合度下的烘焙温度变化Fig.4 Baking temperature changes at different wind door opening degree

由表7可知,综合评分随开合度的大小呈现先升高后降低的趋势,当风门开合度为0 mm时,风门处于全关闭的状态,滚筒内温度上升较快,结束时温度达到227.7 ℃(图4),烘焙出的咖啡呈深色,微微有点焦味。风门开合度为10 mm时,会有少量的风进来,使温度上升的稍慢,结束时温度为204 ℃,此条件下烘焙出的咖啡豆色泽均匀,膨化度较好,香味浓郁,综合评分值最高,风门开合度为40 mm时,风门处于完全打开的状态,在烘焙过程中,滚筒内有风持续进入,在5 min时才降到最低点165 ℃,使滚筒内的温度无法快速升高,因此,烘焙出的咖啡豆呈浅色,且膨化度很差,咖啡香味较弱。综上,风门开合度选为10 mm较为合适,则在正交试验设计中将风门开合度定为0、7、14、21 mm。

表7 风门开合度对综合加权评分值的影响Table 7 Effects of wind door opening degree on the comprehensive weighted score

2.2 正交试验结果与分析

由表8正交试验极差R可知,影响咖啡综合加权评分的因素大小为:烘焙时间>初始温度>烘焙量>风门开合度,且因素之间无交互作用,各因素最佳组合为:A2B4C1D4,即初始温度240 ℃、烘焙时间13 min、烘焙量160 g、风门开合度为21 mm,根据咖啡烘焙色度检测仪所测色度值及表2中的SCAA标准可知此条件下得到浅深焙咖啡豆。

在正交试验结果表8的基础上对其做方差分析,由表9可知,初始温度、烘焙时间对咖啡品质的影响极显著,烘焙量对咖啡品质的影响显著(p<0.05),风门开合度对咖啡品质的影响不显著(p>0.05)。

表9 方差分析表Table 9 Variance analysis table

表8 咖啡烘焙工艺正交实验结果Table 8 Orthogonal test results of coffee baking process

基于表8中正交试验16个实验组，根据色度值和综合加权评分值的高低,获得浅焙的较优工艺条件:初始温度240 ℃、烘焙时间10 min、烘焙量180 g、风门开合度14 mm;中焙的较优工艺条件:初始温度240 ℃、烘焙时间12 min、烘焙量220 g、风门开合度0 mm;深焙的较优工艺条件:初始温度250 ℃、烘焙时间12 min、烘焙量160 g、风门开合度7 mm。在16组正交实验中,每一组的烘焙条件都各不相同,所烘焙出来的咖啡口感也会存在差异,通过清楚的划分浅焙、中焙、深焙,可以使人们更清楚的了解在此条件下的咖啡处于什么状态。

2.3 验证实验

采用以上得出的咖啡烘焙最佳工艺条件,即初始温度240 ℃、烘焙时间13 min、烘焙量160 g、风门开合度为21 mm进行验证实验。测得失重率为21.92%,膨化率为91.11%,感官评分36分,综合评分为0.9144分。

2.4 不同烘焙程度对总糖含量的影响

根据紫外可见分光光度计测出的1～16实验号的总糖含量见图5。

图5 不同烘焙程度对总糖含量的影响Fig.5 The effect of different baking degrees on total sugar content

由图5可得,浅焙的总糖含量平均值为31.86 mg/g,中焙的总糖含量平均值为24.12 mg/g,深焙的总糖含量平均值为21.04 mg/g,随着烘焙程度的加深,总糖含量逐渐减少。根据不同烘焙程度的总糖含量,不同身体状况的人们可以根据自身的情况及喜好选择不同甜度及不同烘焙程度的咖啡。

3 结论

本文通过单因素和正交试验,得出云南小粒咖啡烘焙工艺优化条件为初始温度240 ℃、烘焙时间13 min、烘焙量160 g、风门开合度为21 mm，此时得到的咖啡豆为浅深焙咖啡豆，其失重率为21.92%，膨化率为91.11%，感官评分36分，综合评分为0.9144分。根据色度值及综合加权评分值的大小,获得咖啡豆浅焙、中焙、深焙的较优工艺条件,即浅焙的较优工艺条件:初始温度240 ℃、烘焙时间10 min、烘焙量180 g、风门开合度14 mm;中焙的较优工艺条件:初始温度240 ℃、烘焙时间12 min、烘焙量220 g、风门开合度0 mm;深焙的较优工艺条件:初始温度250 ℃、烘焙时间12 min、烘焙量160 g、风门开合度7 mm。由总糖含量的测定实验可得浅焙的总糖含量平均值为31.86 mg/g,中焙的总糖含量平均值为24.12 mg/g,深焙的总糖含量平均值为21.04 mg/g,说明总糖含量随着烘焙程度的加深逐渐减少，为烘焙出不同风味的咖啡提供理论指导,为消费者提供更多的选择性,为咖啡的标准化生产提供科学参考。