小粒咖啡微波烘焙工藝優化及破裂力分析

張付杰 王 璐 楊 薇 李夢麗 李麗霞 蔣快樂 李小青

(1. 昆明理工大學現代農業工程學院，云南 昆明 650500； 2. 云南農業大學熱帶作物學院，云南 普洱 665000; 3. 中國人民解放軍69223部，新疆 阿克蘇 842300)

小粒咖啡自1902年引進至今，已成為云南省第三大出口農產品[1-2]。新鮮成熟的咖啡漿果呈鮮紅色，經水洗、脫皮、發酵、晾曬、脫殼等處理[3]后可得到供加工和出口的咖啡生豆。要得到可研磨沖泡的咖啡熟豆，需對生豆進行高溫烘焙。當咖啡豆被加熱至表面溫度達到170 ℃ 以上，豆內風味物質開始發生化學反應，經一系列烘焙程序逐漸形成其特征風味物質[4]。咖啡的傳統烘焙方式由最原始的鍋炒式，逐步發展為直火式、電熱式、液化氣式等。

微波因快捷環保、高效低耗的技術優勢[5]，在農產品加工中的應用研究一直備受關注。微波焙烤無需熱傳遞過程，產生的高溫可瞬時深入物料內部，直接達到改善物料風味和結構的加工目的[5]。目前國內外對微波焙烤的應用已有研究。李雨露等[6]研究了微波加工五香花生米的工藝技術，確定了微波焙烤花生米的最佳工藝。Uysal等[7]以紅外微波爐焙烤榛子，發現微波烘焙的成品與常規烤制樣品品質相當。Behera等[8]研究發現在最佳條件下微波焙烤的小茴香種子比常規焙烤含有更多特征性風味化合物，推薦微波焙烤作為替代焙烤方法。Bolek等[9]研究分析了微波焙烤和烘烤時間對黃木蓮豆的各項物理特性的影響。中國對咖啡的研究多集中于常規烘焙對其化學成分的影響：周斌等[10-11]研究了烘焙程度對云南小粒咖啡香氣成分的影響;張宗玲等[12]研究了咖啡豆的烘焙條件對其成分含量的影響；蔡瑞玲等[13]分析了焙烤過程中咖啡抽提液成分的變化以及對咖啡香氣的影響。但目前尚未見將微波技術應用于咖啡烘焙工藝的研究。

本試驗擬使用本實驗室研發的微波熱風耦合烘焙裝置[14]，以微波功率密度、烘焙時間、滾軸轉速、風速為試驗因素，以咖啡豆的物理指標——堆積密度、烘焙色度值作為評價指標，探索咖啡微波烘焙工藝的可行性，優化出適合咖啡微波烘焙的最佳工藝參數，擬建立微波烘焙的小粒咖啡豆破裂力的預測模型，為咖啡深加工研究和設備設計提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器與設備

微波熱風耦合烘焙裝置(如圖1)：微波功率600～2 500 W，滾軸轉速0～100 r/min，風速0～3 m/s(此為鼓風機吹至金屬網上方腔體內的平均風速)，參數均可通過設備的控制面板調控，由于試驗需求不同，溫濕度傳感器、電熱管、熱風溫度傳感器等部件在本次試驗中未使用，本實驗室自制；

1. 溫濕度傳感器 2. 外腔體 3. 料筒 4. 微波饋口 5. 滾軸 6. 金屬網 7. 熱風溫度傳感器 8. 電熱管 9. 換熱器 10. 傳動皮帶 11. 驅動電機 12. 離心式鼓風機 13. 水槽 14. 支架

圖1 微波熱風耦合烘焙裝置示意圖

Figure 1 Schematic diagram of the microwave hot-air coupled baking device

咖啡烘焙程度分析儀：RoAmi ROAST ANALYZER TRA-3000型，韓國Truesystems公司；

食品物性分析儀：TMS-PRO型，美國 FTC公司；

電子天平：BL310型，德國Sartoriu科學儀器有限公司；

游標卡尺：B3型，精度0.02 mm，成都成量工具有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗材料及樣品準備 選用產自云南保山的小粒種咖啡生豆。分別稱取3組各20 g咖啡生豆，采取105 ℃ 恒溫法(按GB 5009.3—2010執行)測得試驗樣品豆的初始濕基含水率為10.58%～11.32%。

烘焙前對咖啡生豆進行手選[15]，將其中的雜質和瑕疵豆手工去除，留取飽滿完好的生豆。手選后將生豆過SCR標準咖啡篩14號篩網，篩除較小顆粒的咖啡生豆以減少試驗誤差。

每次試驗稱取200 g篩選后的生豆放入料筒，按試驗方案調節相應參數后進行烘焙。咖啡豆烘焙完成后，用電子天平稱重，用量筒量取體積，計算其堆積密度，測定色度值及烘焙程度。

1.2.2 咖啡微波烘焙單因素試驗方案 以微波功率密度、烘焙時間、滾軸轉速、風速為影響因素，堆積密度、烘焙色度值為試驗指標，進行咖啡微波烘焙單因素試驗。

(1) 微波功率密度：固定烘焙時間8 min，滾軸轉速60 r/min，風速0.0 m/s，考察微波功率密度(6，7，8，9 W/g)對烘焙咖啡豆的堆積密度和烘焙色度值的影響。

(2) 烘焙時間：固定微波功率密度8 W/g、滾軸轉速60 r/min、風速為0.0 m/s，考察烘焙時間(8，12，16，20 min)對烘焙咖啡豆的堆積密度和烘焙色度值的影響。

(3) 滾軸轉速：固定微波功率密度8 W/g、烘焙時間8 min、風速為0.0 m/s，考察滾軸轉速(60，70，80，90 r/min)對烘焙咖啡豆的堆積密度和烘焙色度值的影響。

(4) 風速：固定微波功率密度8 W/g、滾軸轉速60 r/min、烘焙時間8 min，考察風速(0.0，1.0，2.0，3.0 m/s)對烘焙咖啡豆的堆積密度和烘焙色度值的影響。

1.2.3 微波烘焙咖啡正交試驗方案 在單因素試驗的基礎上，以微波功率密度、烘焙時間、滾軸轉速、風速為影響因素，以堆積密度、烘焙色度值為試驗指標，利用正交表設計四因素四水平正交試驗，對咖啡微波烘焙的工藝參數進行優化。

1.2.4 咖啡豆破裂力試驗 為研究破裂力與堆積密度、烘焙色度值之間的關系，本試驗擬在咖啡豆粒破裂力與其堆積密度、烘焙色度值之間建立回歸模型。在優化工藝的基礎上，再次對小粒咖啡進行微波烘焙試驗。選取16組較優烘焙樣品，按烘焙程度由淺至深排序，每組樣品隨機選5粒咖啡豆進行壓縮試驗。

1.2.5 試驗指標檢測

(1) 堆積密度：將咖啡豆倒入量筒，輕振，讀取咖啡豆的體積V；使用電子天平稱量咖啡豆的質量M，根據式(1)計算其堆積密度ρb。

(1)

式中：

ρb——堆積密度，g/mL；

M——咖啡豆質量，g；

V——咖啡豆體積，mL。

(2) 烘焙色度值及烘焙程度：烘焙色度值通過咖啡烘焙程度分析儀測定。測量結果顯示為色度數值及相應烘焙程度。每組試驗結果隨機取3組樣品測量，取平均值作為該組烘焙色度值結果，記為C。表1為SCAA(Specialty Coffee Association of America，美國精品咖啡協會)標準中烘焙色度值及其對應的烘焙程度。咖啡豆常規烘焙的色度值范圍為30≤C≤80，本試驗以此數值范圍為參考。

(3) 破裂力F：將單粒豆置于食品物性分析儀的工作臺上，用圓形平板壓頭對其進行壓縮試驗。當壓頭接觸咖啡豆試樣后，以1 mm/min的恒速下降，記錄試樣的變形位移與壓力值。當曲線上的壓力值達到某一峰值隨后突然下降，表示咖啡豆試樣已破裂，記該數值為咖啡豆的破裂力F。

(4) 綜合評分的計算：將堆積密度、烘焙色度值2個指標用隸屬度的綜合加權評分法對咖啡微波烘焙工藝進行綜合評分。堆積密度越小代表失重和膨化程度越大，烘焙色度值越低代表烘焙程度越深。故常規烘焙色度值范圍內，綜合評分越低，烘焙效果越好。隸屬度按式(2)計算：

表1 烘焙色度值對照表

(2)

式中：

Ai——指標值；

Amin——指標最小值；

Amax——指標最大值。

綜合評分按式(3)計算：

S=a×Px+b×Py，

(3)

式中：

Px、Py——分別為堆積密度、烘焙色度值的隸屬度；

a、b——分別為2個指標的權重，考慮2個指標對于衡量咖啡烘焙結果的重要性同樣重要，取a=0.5，b=0.5。

1.2.6 數據處理 采用IBM SPSS Statistics 19.0統計分析軟件對數據進行處理、分析。

2 結果與分析

2.1 咖啡微波烘焙工藝優化

2.1.1 微波功率密度對烘焙的影響 由圖2可知，隨微波功率密度增加，咖啡豆的堆積密度和烘焙色度值均呈負相關變化，堆積密度從0.581 g/mL逐漸降至0.267 g/mL，烘焙色度值由98.2降至16.8，對應烘焙程度越來越深，顆粒膨化程度越大。微波功率密度為6 W/g時，所得咖啡豆的烘焙色度值為98.2，超出咖啡豆常規烘焙色度值范圍(30≤C≤80)，烘焙程度極淺，咖啡豆偏生，堆積密度為0.581 g/mL，膨化程度較差。微波功率密度上升至9 W/g時，由于功率密度偏大，加熱溫度過高，使咖啡豆的烘焙色度值僅為16.8，烘焙程度極深，豆體表面呈焦黑色。根據柱狀圖趨勢，參考咖啡豆常規烘焙色度值范圍，選取7.0～8.5 W/g作為正交試驗的水平范圍。

2.1.2 滾軸轉速對烘焙的影響 由圖3可知，隨著滾軸轉速的增加，其堆積密度和烘焙色度值均隨之增加。咖啡豆的堆積密度從0.335 g/mL逐漸增至0.433 g/mL；烘焙色度值由45增至81，相應烘焙程度由中深焙逐漸降至非常淺焙。滾軸轉速達90 r/min以上時，烘焙程度已達極淺焙。綜合考慮熱能利用率及烘焙效果，選取滾軸轉速65～80 r/min作為正交試驗水平范圍。

圖2 微波功率密度對烘焙的影響

圖3 滾軸轉速對烘焙的影響

2.1.3 烘焙時間對烘焙的影響 由圖4可知，隨著烘焙時間的延長，咖啡豆烘焙色度值由49.0降至16.7，烘焙程度從中焙逐漸變為極深焙；堆積密度由0.355 g/mL降至0.282 g/mL。烘焙8 min的咖啡豆烘焙程度為中焙，堆積密度卻與其他組的接近，局部咖啡豆烘焙程度較淺，可見短時間烘焙存在烘焙不均現象；烘焙20 min的咖啡豆的烘焙色度值<30，烘焙程度極深，接近焦化。因此選取烘焙時間10～16 min作為正交試驗的水平范圍。

圖4 烘焙時間對烘焙的影響

2.1.4 風速對烘焙的影響 由圖5可知，隨烘焙過程中風速的增加，咖啡豆的堆積密度由0.355 g/mL逐漸增至0.490 g/mL，烘焙色度值從49.0增至83.4。風速逐漸增大時，咖啡烘焙程度漸淺；當風速達到2 m/s以上時，烘焙程度極淺，咖啡豆偏生。故選取風速0.0～1.5 m/s作為正交試驗的水平范圍。

2.1.5 正交試驗 根據單因素試驗結果，按正交表進行四因素四水平正交試驗，其試驗方案及結果見表2。

以堆積密度和烘焙色度值為試驗指標，對二者進行綜合加權評分，以綜合加權評分法對試驗結果進行極差分析，得出各因素的優水平及最優組合，結果見表3。

圖5 風速對烘焙的影響

編號A微波功率密度/(W·g-1)B烘焙時間/minC滾軸轉速/(r·min-1)D風速/(m·s-1)17.010650.027.512700.538.014751.048.516801.5

由表3得出，影響微咖啡波烘焙效果的因素順序為A>B>D>C，即：微波功率密度>烘焙時間>風速>滾軸轉速，最優組合為A4B2C3D4，即：微波功率密度8 W/g，烘焙時間12 min，滾軸轉速75 r/min，風速1.5 m/s。空白列的極差值R不大于其他因素的極差值，說明各因素之間沒有不容忽視的交互作用，故本試驗中暫不考慮交互作用。

極差分析所得的最優組合A4B2C3D4不在正交試驗列表中，需對其結果進行驗證。在溫濕度等外在條件均一致的前提下，選取200 g小粒咖啡生豆，按微波功率密度8 W/g、烘焙時間12 min、滾軸轉速75 r/min、風速1.5 m/s 設定各項參數，進行烘焙。

驗證實驗所得咖啡豆的堆積密度為0.286 g/mL，測得烘焙色度值為32.1，烘焙程度為深焙，綜合評分為0.15，優于正交試驗中的結果，且烘焙均勻度更好，避免了局部焦黑現象。根據該工藝參數烘焙得到的咖啡豆品質是所有已得試驗成品中最好的，證明了該工藝參數優化的合理性。根據傳統的咖啡電熱烘焙機所得的深焙最佳工藝參數為12 min(需提前預熱至250 ℃)，160 g[16]。此微波烘焙優化工藝可以在無預熱、12 min、 200 g烘焙量的情況下達到深焙的要求。由此可見，咖啡微波烘焙工藝是具備其優勢的。

表3 正交試驗結果及極差分析表

2.2 微波烘焙咖啡的破裂力

2.2.1 破裂力試驗結果 對微波烘焙的咖啡豆的破裂力試驗結果見表4。

2.2.2 回歸模型的建立與顯著性分析 采用SPSS統計分析軟件，對破裂力試驗結果進行多元回歸分析，得到模型如下：

F=155.172 10.007 4C2+1 525.716 1ρb25.214ρb×C+1.280 4C995.040 5ρb，

(4)

式中：

F——破裂力，N；

C——烘焙色度值；

ρb——堆積密度，g/mL。

回歸模型的決定系數為R2=0.990，修正后的決定系數為0.988，即該模型能解釋98.8%,與實際情況擬合較好；對該回歸方程進行F檢驗，尾概率P為4.177 1×10-12，顯著水平<0.000 1，因此破裂力F與堆積密度ρb、烘焙色度值C之間的二次回歸關系非常顯著。

為驗證回歸方程的有效性，對微波烘焙小粒咖啡破裂力的回歸模型進行方差分析，分析結果見表5。由表5可見，模型概率值P<0.000 1，回歸模型極顯著，故用該模型對微波烘焙的小粒咖啡的破裂力進行預測和分析是可靠的。

F=155.172 10.007 4C2+1 525.7165C。

(5)

3 結論

(1) 本研究提出一種以微波加熱為技術基礎的咖啡微波烘焙新工藝，并通過試驗證明了以微波方式烘焙咖啡的可行性，優化分析得到適合微波烘焙咖啡的最佳工藝參數：微波功率密度8 W/g，烘焙時間12 min，滾軸轉速75 r/min，風速1.5 m/s。通過實驗驗證，該工藝參數下所得咖啡豆優于正交試驗中的試驗結果，且烘焙均勻度更好，避免了局部焦黑現象。與傳統電熱烘焙工藝的對比亦證明了咖啡微波烘焙工藝具有烘焙效率高、烘焙時無需預熱過程、可降低時間成本和能耗的優勢。

(2) 本試驗建立的微波烘焙小粒咖啡破裂力模型可根據咖啡豆的烘焙色度值、堆積密度較好地對破裂力值進行預測，不僅能夠在咖啡豆的運輸貯藏過程中根據預測的破裂力值避免壓力破損，以最大限度地保留咖啡豆的風味物質，保障咖啡豆在運輸、貯藏中的品質需求；適當的研磨力度可最大程度地保留咖啡豆的風味物質，破裂力模型亦可在咖啡的后續粉碎加工中提供力學數據參考，根據需求不同的烘焙程度預先設定粉碎機的粉碎力度，實現咖啡研磨加工的自動化工藝。

表4 微波烘焙小粒咖啡破裂力試驗結果

表5 回歸模型方差分析?

? **代表差異極顯著(P<0.01)。