云南小粒咖啡烘焙工藝優化及總糖含量的測定

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(昆明理工大學現代農業工程學院,云南昆明 650500)

咖啡是世界三大飲料之一,世界咖啡生產國有60多個,中國的咖啡種植主要集中在云南、海南和臺灣。云南省因其獨特的緯度、海拔、光熱等條件,已成為我國最大的小粒咖啡種植基地[1]。云南小粒咖啡具有顆粒小、面勻稱、醇香濃郁、口感豐富等特點,且以“濃而不苦、香而不烈、略帶果酸味”聞名[2]。

咖啡生豆是沒有香味的,咖啡80%的味道取決于烘焙。咖啡在烘焙過程中會發生美拉德、焦糖化等一系列的化學反應,產生500～700種新化合物[3]。李妙清等[4]分析了哥倫比亞咖啡豆不同焙炒程度下的香氣成分,發現咖啡豆所含的香氣種類及含量均不同。王曉娜等[5]研究了不同烘焙程度下云南小粒咖啡類黑精中揮發性成分,發現類黑精的含量隨著烘焙程度的增加而增加。呂文等[6]發現烘焙溫度及烘焙時間決定了咖啡的烘焙程度,并對咖啡風味物質的產生及變化產生重要影響,為掌握精品咖啡烘焙工藝提供了科學參考。何余勤等[7]對不同焙烤程度咖啡的特征性香氣進行檢測,發現隨著焙烤溫度的上升,咖啡中的揮發性化合物不斷增加,運用SPME-GC-MS結合電子鼻技術實現咖啡揮發性組分、香氣表型和焙烤程度三者之間結合,用于對咖啡焙烤程度的區別,為生產某些特定香氣咖啡的工藝提供科學依據和技術支持。Dorfner等[8]采用共振增強多光子離子化和飛行時間質譜聯用對咖啡豆烘焙過程中酚類化合物的形成,進行了實時在線監測。Baggenstoss等[9]研究了咖啡豆烘焙過程中時間-溫度對芳香性成分形成的影響。Frauendorfer等[10]對烘焙前后咖啡豆中的芳香性成分進行了比較分析。目前國內外對于咖啡的研究主要側重烘焙過程中物質的變化。對于云南小粒咖啡,其烘焙工藝尚未見有關相關研究。云南小粒咖啡的烘焙主要憑經驗完成,而此操作不利于咖啡品質的控制、工廠化、規模化、和標準化的生產。

本文以云南小粒咖啡豆為研究對象,以色度值、膨化率、失重率、感官評分值的大小作為評價指標,對影響咖啡品質、風味的主要因素進行單因素和正交試驗優化,采用綜合加權評分法對數據進行分析。色度值越大表示烘焙程度越淺,膨化率的值越大表示在烘焙過程中咖啡豆的體積膨脹越大,感官評分值越大代表咖啡豆品質越好,因此,先通過色度值區分咖啡豆的烘焙程度,再由綜合評分值的高低進行咖啡豆的品質評價,從而獲得咖啡豆淺、中、深烘焙工藝的較優組合,由此可以為烘焙不同程度的咖啡豆提供理論指導,為咖啡的標準化生產奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

云南小粒咖啡生豆 云南省普洱市的咖啡加工廠(顆粒飽滿、無瑕疵)。

TP.09咖啡烘焙機 巴西產;聯想yoga3型計算機 聯想控股有限公司;Pt100溫度傳感器 余姚市長江溫度儀表廠;咖啡烘焙色度檢測儀 韓國truesystem公司;TU-1901型紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司;TD5A-WS型自動平衡離心機 湖南賽特湘儀離心機儀器有限公司;BL310型電子分析天平 德國塞多利斯集團;500 mL量筒、10 mL容量瓶、250 mL容量瓶 寧波群安實驗儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 烘焙工藝流程 咖啡生豆→挑出優質豆(無破裂、蟲害,顆粒飽滿)→稱重量、測體積→放入滾筒烘焙→記錄溫度變化→倒出咖啡豆→冷卻→稱重量、測體積→包裝→貯存[11]。

通過滾筒內Pt100溫度傳感器及Lab VIEW軟件,記錄烘焙過程中咖啡豆在滾筒內的溫度變化。咖啡在烘焙之后,一定要立即冷卻,迅速停止高溫裂解作用,將風味鎖住。否則,豆內的高溫如果仍在繼續發生作用,將會燒掉芳香的物質[12]。

1.2.2 單因素實驗設計

1.2.2.1 初始溫度的確定 根據前期預實驗,本實驗將初始溫度設置為190、210、230、250、270 ℃,同時控制每一組的時間為12 min、烘焙量為200 g,風門開合度為0 mm,研究不同的初始溫度對咖啡品質的影響,通過綜合加權評分及烘焙溫度進行評價。

1.2.2.2 烘焙時間的確定 本實驗控制咖啡的烘焙時間為6、8、10、12、14 min,同時控制每一組的初始溫度為250 ℃,烘焙量為200 g,風門開合度為0 mm。研究不同的烘焙時間下對咖啡品質的影響,通過綜合加權評分及烘焙溫度進行評價。

1.2.2.3 烘焙量的確定 本實驗根據實驗室的烘焙裝置(滾筒容積1000 mL),選擇烘焙量分別為50、100、150、200、250 g,同時控制每一組的烘焙初始溫度為250 ℃、烘焙時間為12 min,風門開合度為0 mm。研究不同烘焙量下對咖啡品質的影響,通過綜合加權評分及烘焙溫度進行評價。

1.2.2.4 風門開合大小的確定 本實驗將烘焙設備的風門開合度設定為0、10、20、30、40 mm(最大開度),同時控制每一組的烘焙初始溫度為250 ℃、烘焙時間為12 min,烘焙量為200 g,研究在不同的風速條件下對咖啡品質的影響,通過綜合加權評分及烘焙溫度進行評價。

1.2.3 正交試驗設計 在單因素實驗基礎上,選出對咖啡品質影響較大的初始溫度、烘焙時間、烘焙量、風門開合度四個因素,進行四因素四水平L16(44)的正交試驗(見表1)。通過對色澤、形態、風味、口感等感官指標進行綜合評價,確定出烘焙優質咖啡的最優組合。

表1 正交實驗因素水平表Table 1 Factors and levels in orthogonal array design

1.2.4 烘焙咖啡的評價指標

1.2.4.1 理化指標測定 失重率:其測定方法是使用電子分析天平,分別稱量每組咖啡生豆和烘焙咖啡豆的重量[13],計算公式見式(1)。膨化率:測定方法是用量筒分別測咖啡生豆和烘焙咖啡豆的體積[14],計算公式見式(2)。

式(1)

式(2)

式中:y1為失重率,%;m0為烘焙前咖啡生豆的重量,g;m1為烘焙后咖啡豆的重量,g;y2為膨化率,%;v1為烘焙后咖啡豆的體積,mL;v0為烘焙前咖啡生豆的體積,mL。

咖啡烘焙色度的測定:使用咖啡烘焙色度檢測儀對烘焙好的過60目篩的咖啡粉末進行測量、讀數。當樣品測出色度值后,可根據表2進行烘焙程度的劃分。

表2 SCAA色度值標準表Table 2 SCAA chroma standard table

1.2.4.2 感官指標評定 由受過培訓的食品專業的咖啡愛好者組成10人評分小組,根據感官指標(表3)打分,以10人感官平均分為各項指標及綜合評分的最終評分評判產品的品質。具體評分標準如表3所示[15]。

表3 感官評價標準Table 3 Sensory evaluation standard

1.2.5 綜合加權評分法

1.2.5.1 各指標權重系數的確定 由熵值法確定各指標權重系數[16],求得感官評分、失重率、膨化率的權重依次為0.42、0.29、0.29。

1.2.5.2 計算綜合加權評分值 每次實驗的綜合加權評分值可由下列公式(3)計算得出[17]:

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

式(3)

式中:j=1,2，…,16,Yj為第號試驗的綜合加權評分值,W1、W2、W3分別為每組的感官評分、失重率、膨化率對應的數值,W1max、W2max、W3max為每一列感官評分、失重率、膨化率對應的最大值。

1.2.6 總糖含量的測定方法 精密吸取葡萄糖標準液(1 mg/mL)0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL,分別置于10 mL試管中,加入蒸餾水定容至2.0 mL,然后加入5%的苯酚溶液1.0 mL及濃硫酸5.0 mL,混勻,在室溫放置30 min,以加入葡萄糖標準液0.0 mL組為試劑空白,于波長490 nm處測定吸光度值。以吸光度值為縱坐標,葡萄糖濃度為橫坐標繪制標準曲線[18]得到標準曲線方程為y=52.56x+0.0302,R2=0.9989。

用高速粉碎機把待測咖啡豆樣品粉碎,過60目篩,稱量0.5 g咖啡粉末,定容至10 mL。吸取均一混合液轉移至10 mL的離心管中,室溫3000 r/min離心分離15 min。取上清液2 mL定容到250 mL。取2 mL放入試管中,加入1 mL苯酚及5 mL的98%濃度的硫酸,冷卻30 min后,在490 nm測定其吸光度。

1.3 數據統計分析

實驗數據采用Excel 2007統計數據,SPSS 20.0進行統計學分析,顯著性分析p=0.05。

2 結果與分析

2.1 烘焙單因素實驗結果

2.1.1 初始溫度對咖啡烘焙品質的影響 烘焙溫度是影響咖啡品質的一個重要因素。由圖1可知,在不同初始溫度下,烘焙溫度整體都呈現先降低后升高的趨勢。因為在放入咖啡生豆的瞬間,生豆表面的溫度比滾筒腔內的溫度低,生豆開始吸熱,腔內溫度降低,隨著烘焙時間的增加,在240 s左右溫度降到最低,此時咖啡豆由吸熱轉為放熱,溫度開始持續升高,直到烘焙結束[19]。初始溫度越高,烘焙過程中的溫度相對也高,結束時的溫度就會越高,烘焙出的咖啡豆的品質就會呈現明顯的變化。

圖1 不同初始溫度下的烘焙溫度變化Fig.1 Baking temperature changes at different initial temperatures

由表4可知,隨著初始溫度的增加,綜合評分值先升高后降低。當烘焙初始溫度較低時,咖啡豆的失水量較低,膨化度較差,咖啡豆表面的銀皮無法脫落,所含的芳香物質無法釋放,影響咖啡的口感。隨著初始溫度的升高,咖啡豆表面的銀皮開始脫落,豆內的芳香性物質被完全釋放,失水率從9.36%變化至22.05%,膨化率由1.70%變化至89.65%。當初始溫度達到270 ℃時,從烘焙初期開始,烘箱內的溫度一直處于較高點,高溫造成咖啡內部裂解,咖啡豆由褐色轉成深褐色,進入重烘焙階段,結果造成咖啡豆的焦化,嚴重影響咖啡的口感,而初始溫度為250 ℃時,咖啡豆的色澤、膨化、口感都達到最優,所以綜合評分最高。綜上,初始溫度選為250 ℃較為合適,則在正交試驗設計中將初始溫度定為230、240、250、260 ℃。

表4 初始溫度對綜合加權評分值的影響Table 4 Effects of initial temperature on the comprehensive weighted score

2.1.2 烘焙時間對咖啡品質的影響 由圖2可知,烘焙咖啡豆溫度變化曲線呈現先降低后升高的趨勢,烘焙時間不同,烘焙完成時的溫度也不同,烘焙時間過短,咖啡豆無法完成吸熱放熱的過程,會導致烘焙結束時的溫度過低,隨著烘焙時間的增加,烘焙過程中的溫度也在發生著變化,因初始溫度、烘焙量、開合度相同,只有烘焙時間發生變化,故溫度變化的趨勢相同,烘培時間定為6、8、10、12、14 min時,其對應的烘箱溫度在逐漸升高,當烘焙時間為14 min時結束溫度達到最大為215 ℃,且周斌等[20]研究得出,烘焙6 min時,有81個化合物檢出;烘焙8 min時,有74個;10 min時,有110個;12 min時,有96個;14 min時,有124個。不同的烘焙時間對溫度的影響不同,釋放出的化合物也會不同,最終使咖啡的品質產生較大的差別。在烘焙的初期,咖啡生豆開始吸熱,內部的水分逐漸蒸發,顏色漸漸由綠轉為黃色或淺褐色,并且銀膜開始脫落,可聞到淡淡的草香味道。當烘焙溫度到190 ℃左右時,豆內的水分會蒸發為氣體,遷移到咖啡豆的表面,生豆的內部由吸熱轉為放熱,出現第一次爆裂聲之后,又會轉為吸熱,這時咖啡豆內部的壓力極高,高溫與壓力開始解構原有的組織,形成新的化合物,造就咖啡的口感與味道;當烘焙溫度到200 ℃左右,吸熱與放熱的轉換再度發生。高溫裂解作用仍持續發生,咖啡豆由褐色轉成深褐色,漸漸進入意式烘焙的階段[21]。

圖2 不同烘焙時間下的烘焙溫度變化Fig.2 Baking temperature changes at different roasting time

由表5可知,綜合評分隨烘焙時間的增長呈現先升高會降低的趨勢,烘焙時間為12 min時,綜合評分最高,達到0.9007,此條件下烘焙出的咖啡豆色澤均勻有光澤,咖啡香味濃郁醇厚,酸甜苦平衡,口感豐富。烘焙時間為6 min時,因為烘焙時間過短,咖啡烘焙過程中的溫度偏低,烘焙完成時的溫度只有182 ℃,造成烘焙出的咖啡豆顏色過淺,失水量、膨化度較小,香味較弱,酸甜不平衡,口感差。圖2中烘焙時間為14 min時,滾筒腔內的溫度降到181.5 ℃開始持續升高,烘焙結束時溫度達到215 ℃,因烘焙時間過長溫度過高導致咖啡豆炭化,并產生異味,影響口感。綜上,烘焙時間選為12 min較為合適,則在正交試驗設計中將烘焙時間定為10、11、12、13 min。

表5 烘焙時間對綜合加權評分值的影響Table 5 Effects of baking time on the comprehensive weighted score

2.1.3 烘焙量對咖啡品質的影響 由圖3可知,不同的烘焙量造成烘焙溫度呈現先降低后上升的趨勢,在初始溫度相同的情況下,隨著烘焙量的不同造成烘焙過程中的溫度不同,當滾筒容量為50 g時,因為咖啡豆較少,滾筒內的溫度在120 s就降到最低點210.9 ℃,隨后溫度就持續升高,在烘焙結束時溫度達到277.5 ℃,造成咖啡豆嚴重炭化,咖啡香味被焦糊味完全覆蓋;當滾筒容量為250 g時,溫度在240 s后才降到181 ℃,但是后期上升過程的趨勢變化不大,因為咖啡豆烘焙量較大,咖啡生豆表面的溫度降低了滾筒內的溫度,造成溫度下降的趨勢明顯,當降到181 ℃開始上升時,因為滾筒腔內的空間有限,容量又較大,就會導致咖啡豆放熱慢從而使溫度上升的慢。因為容量的不同對烘焙過程中溫度的變化影響較大,造成非揮發性化合物和揮發性化合物的含量不同,對咖啡風味物質的產生及變化產生重要影響[22]。

圖3 不同烘焙容量下的烘焙溫度變化Fig.3 Baking temperature changes at different baking capacities

由表6可知,隨著烘焙量的增加,綜合評分先降低后增加再降低,主要原因(圖3)是,當烘焙量為50 g時,因為重量太少,溫度在90 s的時候就降到了最低點,結束時溫度達到277.5 ℃,溫度太高,造成了咖啡豆的炭化,雖然膨化度為89%、失水率為46.84%都達到最大值,但是咖啡豆的顏色呈現焦黑,有輕微臭味,口感很差,當烘焙量為100 g時,溫度較50 g時較低,膨化度和失水率相較50 g時較小,咖啡香味較弱,無果香味,口感單薄,綜合評分最低,當烘焙量為200 g時,溫度較合適,烘焙出的咖啡香味濃郁,膨化度較好,酸甜口感均衡,回甘。綜上,烘焙量選為200 g較為合適,則在正交試驗設計中將烘焙量定為160、180、200、220 g。

表6 烘焙量對綜合加權評分值的影響Table 6 Effects of roasting capacity on the comprehensive weighted score

2.1.4 風門開合大小對咖啡品質的影響 在烘焙過程中,通過調節風門的開合大小,直接影響滾筒內的進風量,從而導致溫度的上升和下降,進而影響咖啡的品質。由圖4可知,風門開合度為0 mm時,風門處于全關閉的狀態,滾筒內的熱量不會隨風被抽走,溫度上升較快,烘焙結束時的溫度能達到227.7 ℃;當風門開合度為40 mm時,風門處于完全打開的狀態,在烘焙過程中,風不斷的通過風門進入滾筒內,使滾筒內的溫度無法快速升高,在5 min的時候才降到最低點165 ℃,烘焙完成時的溫度只有199.1 ℃。不同的風門開度對溫度的影響很大,導致咖啡的烘焙程度不同,對蛋白質、總糖、淀粉、和灰分等基本營養成分和綠原酸、咖啡因、葫蘆巴堿等活性成分的含量產生影響,使美拉德、斯特克降解、焦糖化等系列化學反應不完全,造成咖啡特征風味不一,影響最終的咖啡品質[23]。

圖4 不同風門開合度下的烘焙溫度變化Fig.4 Baking temperature changes at different wind door opening degree

由表7可知,綜合評分隨開合度的大小呈現先升高后降低的趨勢,當風門開合度為0 mm時,風門處于全關閉的狀態,滾筒內溫度上升較快,結束時溫度達到227.7 ℃(圖4),烘焙出的咖啡呈深色,微微有點焦味。風門開合度為10 mm時,會有少量的風進來,使溫度上升的稍慢,結束時溫度為204 ℃,此條件下烘焙出的咖啡豆色澤均勻,膨化度較好,香味濃郁,綜合評分值最高,風門開合度為40 mm時,風門處于完全打開的狀態,在烘焙過程中,滾筒內有風持續進入,在5 min時才降到最低點165 ℃,使滾筒內的溫度無法快速升高,因此,烘焙出的咖啡豆呈淺色,且膨化度很差,咖啡香味較弱。綜上,風門開合度選為10 mm較為合適,則在正交試驗設計中將風門開合度定為0、7、14、21 mm。

表7 風門開合度對綜合加權評分值的影響Table 7 Effects of wind door opening degree on the comprehensive weighted score

2.2 正交試驗結果與分析

由表8正交試驗極差R可知,影響咖啡綜合加權評分的因素大小為:烘焙時間>初始溫度>烘焙量>風門開合度,且因素之間無交互作用,各因素最佳組合為:A2B4C1D4,即初始溫度240 ℃、烘焙時間13 min、烘焙量160 g、風門開合度為21 mm,根據咖啡烘焙色度檢測儀所測色度值及表2中的SCAA標準可知此條件下得到淺深焙咖啡豆。

在正交試驗結果表8的基礎上對其做方差分析,由表9可知,初始溫度、烘焙時間對咖啡品質的影響極顯著,烘焙量對咖啡品質的影響顯著(p<0.05),風門開合度對咖啡品質的影響不顯著(p>0.05)。

表9 方差分析表Table 9 Variance analysis table

表8 咖啡烘焙工藝正交實驗結果Table 8 Orthogonal test results of coffee baking process

基于表8中正交試驗16個實驗組，根據色度值和綜合加權評分值的高低,獲得淺焙的較優工藝條件:初始溫度240 ℃、烘焙時間10 min、烘焙量180 g、風門開合度14 mm;中焙的較優工藝條件:初始溫度240 ℃、烘焙時間12 min、烘焙量220 g、風門開合度0 mm;深焙的較優工藝條件:初始溫度250 ℃、烘焙時間12 min、烘焙量160 g、風門開合度7 mm。在16組正交實驗中,每一組的烘焙條件都各不相同,所烘焙出來的咖啡口感也會存在差異,通過清楚的劃分淺焙、中焙、深焙,可以使人們更清楚的了解在此條件下的咖啡處于什么狀態。

2.3 驗證實驗

采用以上得出的咖啡烘焙最佳工藝條件,即初始溫度240 ℃、烘焙時間13 min、烘焙量160 g、風門開合度為21 mm進行驗證實驗。測得失重率為21.92%,膨化率為91.11%,感官評分36分,綜合評分為0.9144分。

2.4 不同烘焙程度對總糖含量的影響

根據紫外可見分光光度計測出的1～16實驗號的總糖含量見圖5。

圖5 不同烘焙程度對總糖含量的影響Fig.5 The effect of different baking degrees on total sugar content

由圖5可得,淺焙的總糖含量平均值為31.86 mg/g,中焙的總糖含量平均值為24.12 mg/g,深焙的總糖含量平均值為21.04 mg/g,隨著烘焙程度的加深,總糖含量逐漸減少。根據不同烘焙程度的總糖含量,不同身體狀況的人們可以根據自身的情況及喜好選擇不同甜度及不同烘焙程度的咖啡。

3 結論

本文通過單因素和正交試驗,得出云南小粒咖啡烘焙工藝優化條件為初始溫度240 ℃、烘焙時間13 min、烘焙量160 g、風門開合度為21 mm，此時得到的咖啡豆為淺深焙咖啡豆，其失重率為21.92%，膨化率為91.11%，感官評分36分，綜合評分為0.9144分。根據色度值及綜合加權評分值的大小,獲得咖啡豆淺焙、中焙、深焙的較優工藝條件,即淺焙的較優工藝條件:初始溫度240 ℃、烘焙時間10 min、烘焙量180 g、風門開合度14 mm;中焙的較優工藝條件:初始溫度240 ℃、烘焙時間12 min、烘焙量220 g、風門開合度0 mm;深焙的較優工藝條件:初始溫度250 ℃、烘焙時間12 min、烘焙量160 g、風門開合度7 mm。由總糖含量的測定實驗可得淺焙的總糖含量平均值為31.86 mg/g,中焙的總糖含量平均值為24.12 mg/g,深焙的總糖含量平均值為21.04 mg/g,說明總糖含量隨著烘焙程度的加深逐漸減少，為烘焙出不同風味的咖啡提供理論指導,為消費者提供更多的選擇性,為咖啡的標準化生產提供科學參考。