烘焙速度對咖啡理化性質及風味物質的影響

宋璐琦，石蕓琪，陳茂深

1. 梁溪區(qū)疾病預防控制中心（無錫 214000）；2. 無錫鼎加弘思飲品科技有限公司（無錫 214181）；3. 江南大學食品學院（無錫 214122）

咖啡的感官品質是決定咖啡經(jīng)濟價值的重要因素[1]，而咖啡的感官質量主要由基本化學成分及揮發(fā)性香氣物質決定，其化學成分與揮發(fā)性香氣物質又由咖啡品種及烘焙過程（烘焙程度和烘焙速度）決定[2]。咖啡豆中與風味形成相關的化學物質主要有油脂、蛋白質、生物堿類（咖啡因、葫蘆巴堿）[3]、酸類物質（綠原酸、檸檬酸、蘋果酸、乙酸、奎寧酸）等[4]。咖啡因是咖啡中的主要風味物質，主要形成咖啡風味強度及苦味[5]。研究表明，在烘焙過程中，綠原酸迅速降解，綠原酸及其降解產(chǎn)物等都是澀味的主要因素[6]。咖啡脂類包括三酸甘油脂、萜烯、生育酚類、甾醇類，從咖啡黏度、香氣持久性、香氣穩(wěn)定性、咖啡豆新鮮程度及expreso咖啡的泡沫層等多個方面影響咖啡感官特征[7-8]。

研究表明，烘焙過程中油脂含量稍有增加[9]，而蛋白質在烘焙程度中降解成為各種氨基酸，參與美拉德反應，但是胡雙芳等[10]研究表明，咖啡感官品質與蛋白質含量及蛋白質損失量并不相關。咖啡中的多糖[11]主要影響咖啡黏度；腐殖酸、類黑精是美拉德反應的最終產(chǎn)物，形成咖啡特征性顏色；咖啡中的礦物質，主要是鉀元素（占總礦物質的40%），會催化焙炒及存儲過程的酶促反應。

關于烘焙程度對咖啡品質的影響國內外研究較多[12]，而烘焙速度對基本成分及風味物質的影響尚不明確，還有待研究[13]。因此，探究烘焙速度對咖啡基本成分及風味物質的影響，為優(yōu)質咖啡的加工、進一步提高咖啡經(jīng)濟價值提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

羅布斯塔咖啡豆。

鹽酸、硫酸、磷酸、硫酸鉀、硫酸銅、硼酸、乙醇、甲基紅、亞甲基藍、石油醚（沸程30～60 ℃）、苯酚、氨基酸標準混合液、三氟乙酸、甲醇、氫氧化鉀、二硝基水楊酸（均購于國藥集團）；自封袋為美翔牌（通過ISO 9001國際質量管理體系認證）5號自封袋。

1.2 儀器與設備

ME104E型電子分析天平[梅特勒托利多國際貿(mào)易（上海）有限公司]；DHG-9140A型電熱鼓風干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司）；UltraScan Pro1166型高精度分光測色儀（美國Hunterlab公司）；JNL-12XB型馬弗爐（洛陽力宇窯爐有限公司）；HYP-320型消化爐（上海纖檢儀器有限公司）；KDN-103F型自動定氮儀（上海纖檢儀器有限公司）；EL20型pH計[梅特勒托利多國際貿(mào)易（上海）有限公司]；TU-1810型紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）；VORTEX Genius型漩渦振蕩儀[艾卡（廣州）儀器設備有限公司]；KQ5200DE型超聲波清洗機（昆山舒美超聲儀器有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 不同烘焙速度咖啡豆的烘焙與研磨

用慢速烘焙和快速烘焙2種方式對羅布斯塔生咖啡豆分別進行淺度、中度和深度烘焙。各烘焙曲線的入豆溫均為130 ℃，烘焙溫度均經(jīng)過一個短暫的下降后，在1 min左右達到回溫點，繼而開始升溫。烘焙速度較快的曲線在烘焙過程中的各個時間點溫度均較高，在12 min溫度即達到烘焙終點（205 ℃）；烘焙速度較慢的曲線在烘焙過程中的各個時間點溫度均較低，在19.75 min達到烘焙終點（206 ℃），比烘焙速度較快時慢7 min左右。使用Ditting研磨機6.875檔位對烘焙后的咖啡豆進行研磨。

1.3.2 咖啡豆粉的色度測定

稱取30 g咖啡豆樣品裝入自封袋中，使用黑、白板分別對高精度色度儀進行矯正，并對袋裝樣品的色度進行測定。稱取30 g咖啡豆樣品，使用家用超細干磨研磨迷你電動連續(xù)打粉機磨粉20 s，D50約為886.3 μm。將磨好的咖啡粉裝入自封袋中，對袋裝咖啡粉的色度使用高精度色度儀進行測定。

1.3.3 咖啡豆蛋白含量及氨基酸組成的測定

按照GB/T 5009.5—2016 《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》進行。

1.3.4 咖啡豆水分的測定

按照GB/T 5009.3—2016 《食品安全國家標準 食品中水分的測定》進行。

1.3.5 咖啡豆灰分含量的測定

按照GB/T 22510—2008 《食品安全國家標準 谷物、豆類及副產(chǎn)品—灰分含量的測定》進行。

1.3.6 咖啡中不揮發(fā)性成分測定

1.3.6.1 葫蘆巴堿、咖啡因和綠原酸的提取

準確稱取0.50 g咖啡樣品，置于50 mL離心管中，加入40 mL甲醇-0.03%磷酸水溶液（50∶50，V/V），室溫下超聲波（功率200 W，頻率40 kHz）提取10 min，靜置，放冷，轉移定容于100 mL容量瓶中；繼續(xù)加入40 mL甲醇-0.03%磷酸水溶液（20∶80，V/V）到50 mL離心管中，室溫下超聲（功率200 W、頻率40 kHz）提取10 min，靜置，放冷，合并濾液到100 mL容量瓶中，用甲醇-0.03%磷酸水溶液（50∶50，V/V）定容，過0.22 μm有機濾膜備用。

1.3.6.2 HPLC測定葫蘆巴堿、咖啡因和綠原酸的條件

流動相為甲醇-0.03%磷酸水溶液（50∶50，V/V）；柱溫35 ℃；流速0.5 mL/min；色譜柱Xbridge（Waters）C18。檢測波長：葫蘆巴堿254 nm、咖啡因276 nm、綠原酸320 nm。

1.3.7 頂空固相微萃取法測定咖啡揮發(fā)性成分

將萃取頭插入GC-MS進樣口，250 ℃老化30 min。準確稱取1.00 g咖啡粉樣品裝入20 mL頂空瓶，密閉封口，穿過瓶口頂端的橡膠蓋密封插入萃取裝置，調節(jié)萃取頭頂端距咖啡粉1 cm左右，在60 ℃時頂空萃取30 min后取出萃取頭，并迅速插入GC-MS進樣口解析3 min后，將SPME手柄與萃取頭一起取出。GC條件：DB-WAX毛細管柱（30 m×0.32 mm×1.0 μm）；解析時間3 min；進樣口溫度250 ℃；升溫程序為溫度由60 ℃（保持4 min）以6 ℃/min升溫速率升至300 ℃，保持4 min，不分流進樣。MS條件：EI離子源，電子能量70 eV，掃描范圍50～350，離子源溫度250 ℃。各組分質譜經(jīng)譜庫（NIST 11.0）檢索和資料分析鑒定。定量：每1 g咖啡粉中用微量進樣器加入10 μL 1.036 mg/mL二氯苯。

化學物質的相對含量=化學物質面積/內標物面積

1.3.8 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)用Origin 9.0軟件制圖，用SPSS 19.0軟件Duncan檢驗法進行差異顯著性分析（p＜0.05），數(shù)據(jù)處理后表示為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 烘焙速度對咖啡豆水分的影響

烘焙速度對咖啡豆水分的影響如表1所示。隨著烘焙程度加深，烘焙時間延長，水分逐漸降低。烘焙程度相同時，烘焙速度較快時水分蒸發(fā)較慢，水分較高，淺焙豆烘焙速度較慢時，水分為2.51%，而烘焙速度較快時，水分為2.16%。對快烘咖啡豆而言，由于水分蒸發(fā)得不完全，會造成一定程度上外層燒焦里面卻還沒熟的情況，導致沖出來的咖啡會有焦味和令人不快的酸臭味，所以淺焙和快烘不適宜結合進行。

表1 烘焙速度對咖啡豆水分的影響 單位：%

2.2 烘焙速度對咖啡粉色澤的影響

咖啡的顏色是評價咖啡品質高低的重要指標。烘焙咖啡的特征性棕褐色主要是烘焙過程中美拉德反應生成的腐殖酸和類黑精等高分子量物質所形成。L*表示顏色深淺，數(shù)值越大，顏色越淺；a*表示紅綠程度，數(shù)值越大，顏色越紅；b*表示黃藍程度，數(shù)值越大，表明顏色越黃。如表2所示，在烘焙過程中，由于非酶褐變反應和熱解反應，隨著烘焙時間延長，咖啡豆逐漸加深，L*、a*值和b*值逐漸減小，最小值均出現(xiàn)在深焙慢烘條件下，烘焙程度相同時，不同烘焙速度的咖啡色度差別不大。

表2 烘焙速度咖啡粉色澤的影響

2.3 烘焙速度對氨基酸含量的影響

烘焙速度對氨基酸含量的影響如表3所示。整體分析可以看出，氨基酸總量隨著烘焙程度的加深而逐漸降低，但烘焙速度對其影響并無規(guī)律。淺焙時，烘焙速度較快時氨基酸總量明顯較高，可能從側面反映了烘焙速度較快時，雖然已達到體系反應溫度，但反應進程較慢。其他烘焙程度時，烘焙速度對氨基酸總量基本沒有影響。羅布斯塔咖啡豆的絲氨酸和蘇氨酸含量隨烘焙程度的加深逐漸降低，且烘焙速度快時氨基酸含量較高，這與氨基酸總量的變化規(guī)律一致。

表3 烘焙速度對氨基酸含量的影響 單位：g/100 g

2.4 烘焙速度對葫蘆巴堿含量的影響

咖啡中的葫蘆巴堿是一種重要的風味前體物質，它本身具有1個吡啶環(huán)，加熱生成吡咯類、吡啶類化合物。采用HPLC法分析測定不同烘焙速度咖啡豆中葫蘆巴堿含量，結果如表4所示。咖啡豆烘焙后的葫蘆巴堿含量均下降，在1%～2%，烘焙速度較快時葫蘆巴堿含量較高。隨烘焙程度加深，葫蘆巴堿含量降低，這可能是因為葫蘆巴堿受熱分解生成吡啶、吡咯和煙酸甲酯等重要香味成分[14]。

表4 烘焙速度對葫蘆巴堿含量的影響

2.5 烘焙速度對咖啡因含量的影響

咖啡因是一種黃嘌呤生物堿化合物，形成沖煮咖啡的特征性苦味，因此被普遍認為是咖啡飲料的主要苦澀物質。采用HPLC法分析測定不同烘焙速度咖啡豆中咖啡因含量，結果如表5所示。羅布斯塔的咖啡因含量受烘焙程度和烘焙速度的共同影響：淺焙時，烘焙速度較慢的咖啡因含量明顯高于烘焙速度較快時；隨著烘焙程度加深，烘焙速度對咖啡因含量基本沒有影響。

表5 烘焙速度咖啡因含量的影響

2.6 烘焙速度對綠原酸含量的影響

生咖啡豆中次級代謝物綠原酸，是一種具有苦澀味的酚類物質，在烘焙過程中，部分降解形成咖啡酰奎寧酸、阿魏酰奎尼酸、二咖啡酰奎寧酸等，形成咖啡澀味。試驗采用HPLC法分析測定不同烘焙速度咖啡豆中綠原酸的含量。由表6可知，咖啡豆的綠原酸含量隨烘焙程度的加深而逐漸下降，同一烘焙程度，烘焙速度較快時綠原酸含量較高。

表6 烘焙速度對綠原酸含量的影響

2.7 烘焙速度對風味物質含量的影響

吡嗪類物質含量僅次于呋喃類，主要表現(xiàn)為烘烤味。咖啡中大多數(shù)烷基吡嗪類化合物由烘焙過程中通過美拉德反應形成[15]，如絲氨酸和蘇氨酸熱解可形成烷基吡嗪類化合物。烷基吡嗪類化合物能呈現(xiàn)誘人的咖啡或可可特有的香氣，因而對咖啡風味具有重要影響。如表7所示，同一烘焙程度下，烘焙速度較快的吡嗪類物質總量較高，其中含量較高的甲基吡嗪和2，5-二甲基吡嗪表現(xiàn)出相同的規(guī)律。

呋喃是咖啡焙烤過程中產(chǎn)生的主要揮發(fā)性香氣成分，該類化合物具有令人愉悅的烘焙香氣[12]。有研究表明，生咖啡豆中呋喃類化合物的濃度很低，但烘焙后其在咖啡中含量顯著增加[16]，是烘焙咖啡中含量最高的特征風味組分。呋喃產(chǎn)生于生咖啡豆的烘焙處理過程中，其形成的量和種類取決于咖啡豆的品種和烘焙條件[17]。如表7所示，除淺焙外，在同一烘焙程度下，烘焙速度較快的呋喃類物質總量較高。其中，含量較高的糠醛、5-甲基呋喃醛和糠醇表現(xiàn)出相同規(guī)律。

酸類物質如乙酸、3-甲基丁酸、3，3-二甲基丙烯酸主要影響咖啡的酸味。乙酸是咖啡的關鍵性香氣[5]，適量添加乙酸，其酸味會讓咖啡的香氣更豐富完美[18]。如表7所示，除淺焙外，同一烘焙程度下，烘焙速度較快的酸類物質總量較高，其中含量較高的乙酸表現(xiàn)出相同的規(guī)律。

酮類物質主要表現(xiàn)為奶油味和水果味，2，3-戊二酮對咖啡的焦糖味有較大貢獻[3]；Sunarharum等[4]認為2，3-戊二酮閾值很小且具有強烈的奶油甜香。如表7所示，同一烘焙程度下，烘焙速度較快的酮類物質總量較高。

酚類物質主要表現(xiàn)為煙味。有研究報道愈創(chuàng)木酚、對乙烯基愈創(chuàng)木酚、4-乙基愈創(chuàng)木酚等酚類物質是咖啡的主要風味物質[6]。愈創(chuàng)木酚、4-乙基愈創(chuàng)木酚與咖啡品質呈正相關，具有煙味、酚類刺激味[7]。如表7所示：淺焙時，烘焙速度較慢的酚類物質總量為3.24 μg/g，大于烘焙速度較快時的2.44 μg/g；在中焙和深焙條件下，則是烘焙速度較快的酚類物質總量較高。

吡啶類和吡咯類物質主要表現(xiàn)為煙熏味和燒焦味，但是由于這些化合物閾值較高，因而其對咖啡的香氣貢獻較小[8]。如表7所示：深焙條件下，烘焙速度較慢的吡咯類物質總量較高；烘焙速度較慢的酯類物質總量較高。

表7 烘焙速度對風味物質含量的影響 單位：μg/g

接表7

2.8 烘焙速度對基本味的影響

經(jīng)過描述性分析，不同烘焙速度咖啡豆基本味結果如表8所示。淺焙和深焙樣品慢烘澀味增加，酸味和苦味不受烘焙速度影響。

表8 不同烘焙速度咖啡豆基本味描述性分析

3 結論

隨烘焙程度增加，烘焙速度對咖啡豆色澤的影響逐漸增大，且慢烘比快烘對咖啡色澤加深的影響作用更大；在相同烘焙程度條件下，咖啡豆快烘的水分和葫蘆巴堿含量大于慢烘的水分和葫蘆巴堿含量，即快烘比慢烘對咖啡豆水分和葫蘆巴堿含量的減小作用更大；對多數(shù)咖啡豆而言，快烘時的氨基酸和綠原酸含量大于慢烘時的氨基酸和綠原酸含量；烘焙速度對3種咖啡豆咖啡因含量的影響無顯著規(guī)律；同一烘焙程度時，快烘的吡嗪類、呋喃類、酸類、酮類揮發(fā)性物質總量均大于慢烘的吡嗪類、呋喃類、酸類、酮類揮發(fā)性物質總量；吡啶類揮發(fā)性物質含量的變化趨勢相反，而吡咯類和酯類揮發(fā)性物質含量無顯著變化規(guī)律。