咖啡烘焙技術研究進展

楊琪 吳傳宇 靳成 郭仕豪 朱杰威 田舒杰

摘要 從咖啡烘焙的方式和技術、烘焙過程中不同烘焙程度對咖啡風味品質的影響，以及咖啡烘焙產生的香氣成分與檢測等方面闡述國內外咖啡烘焙機裝備研究進展，重點分析半直火半熱風式烘焙工藝在咖啡烘焙生產中的優勢，通過對咖啡烘焙過程中揮發性物質的進一步分析，指出優化咖啡烘焙設備以提升咖啡豆風味品質的趨勢及應用前景。

關鍵詞 咖啡;烘焙;香氣成分;工藝;檢測

中圖分類號 TS 273? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2022）03-0026-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.03.007

Research Progress of Coffee Roasting Technology

YANG Qi，WU Chuan-yu，JIN Cheng et al

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian 350000）

Abstract Explain the research progress of coffee roasting machine equipment at home and abroad from the aspects of coffee roasting methods and technologies，the influence of different roasting degrees during the roasting process on coffee flavor quality，and the aroma components and detection of coffee roasting，focus on the advantages of semi-direct fire and semi-hot air baking technology in coffee baking production.Through further analysis of volatile substances in the process of coffee roasting，the trend and application prospect of optimizing coffee roasting equipment to improve the flavor quality of coffee beans were pointed out.

Key words Coffee;Roasting;Aroma components;Craft;Examine

基金項目 福建省教育廳中青年教師教育科研項目（JAT200104）;福建農林大學橫向研發項目（KH190078A）;福建農林大學科技發展基金項目（KFA20104A）。

作者簡介 楊琪 （1995—），女，甘肅慶陽人，碩士研究生，研究方向：農業機械化。通信作者，高級工程師，博士，從事農業裝備研究。

收稿日期 2021-09-26

咖啡屬于茜草科植物咖啡屬[1]，和茶、可可一起被稱為世界三大飲料[2]?？Х仍a地為埃塞俄比亞，集中分布在南、北回歸線之間[3]。就生產量和消費量而言，咖啡在世界三大飲料作物中處于第一位，成為繼石油之后，世界第二的原料型產品[4]。咖啡豆的三大品種分別是阿拉比卡、羅布斯特和利比里亞，以果實的大小區分，分別屬于小粒、中粒和大粒種咖啡，其中阿拉比卡和羅布斯特咖啡種植較為廣泛，并且最具有經濟價值[5]?？Х染哂袧夂耧枬M的風味，伴有健胃、醒神、利尿等功能效果[6]，含有的活性成分如咖啡因和綠原酸可以預防結腸癌、肝病、二型糖尿病、腎病和結腸癌等許多慢性病[7]。咖啡獨特風味的發展流行和全球吸引力，使其成為目前最受歡迎和消費人數較多的飲料之一。此外，咖啡也具有重要的歷史、文化、社會和經濟重要性和深遠影響[8]。

咖啡是全球最重要的熱帶商品，約占熱帶產品出口總額的一半。世界最大的咖啡進口組織是歐盟，占全球進口量的66%，其次是美國（24%）和日本（7%）[9]。我國的咖啡種植區域主要集中在云南、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[10]。近年來，我國咖啡消費量市場年增長速度為10%～15%。云南省的德宏、保山、臨滄、普洱為國內小粒種咖啡的主要種植區，種植面積和產量占全國98%以上[11]?？Х葘】涤泻芏嘁嫣帲S著大眾生活水平的不斷提高，咖啡已漸漸成為人們的日常飲品，人們對其風味品質的要求也越來越高[12]?？Х仍谖覈嬃鲜袌鲋锌焖籴绕?，“咖啡文化”已逐漸滲透到人們的日常生活，在許多工作和休閑場合，人們都可以品嘗咖啡帶來的味覺盛宴，咖啡已經逐漸與時尚、現代生活緊密聯系在一起[13]。

1 咖啡烘焙工藝分析

咖啡生豆必須經過烘焙才能產生出咖啡的色、香、味[14]?？Х鹊南銡狻L味、品味等品質指標絕大多數取決于咖啡的焙炒過程，焙炒過程是影響咖啡風味品質的決定性環節[15]。烘焙條件如烘焙溫度的高低和烘焙時間的長短等是咖啡的香氣、色澤和口感等品質的關鍵指標[16]。就目前而言，國內對咖啡烘焙技術的研究主要集中在烘焙過程中揮發性氣體成分的變化和溫度曲線變化規律。研究發現，云南小粒種咖啡豆在烘焙溫度為230 ℃的烘焙條件下，分別烘焙不同的時間長度，其咖啡因含量平均在1.45%左右，與烘焙時間長短相關性不大[17]。研究表明，咖啡烘焙過程中烘焙溫度以及烘焙時間是烘焙程度的決定性因素，對咖啡揮發性氣體成分的產生及變化規律進行研究，可以為提高咖啡烘焙工藝提供較高參考性[18]。

研究同時表明，影響咖啡烘焙溫度曲線的因素主要包括咖啡生豆的外形是圓豆或扁豆、尺寸的大小及含水率等，其中含水率的影響較大[19]。當然影響較大的因素是烘焙時間和烘焙溫度?？Х壬菇涍^烘焙，會釋放出咖啡中所含的特殊香氣成分，在烘焙過程中，生豆經過悶蒸、脫水、烘熟、淺焙、中焙到深焙，水分漸漸被釋放，重量減輕，體積慢慢膨脹鼓起，咖啡豆的顏色變深，最后芬芳的香氣物質逐漸釋放出來[20]?？Х群姹憾葹槊朗叫g語，而不同地區對烘焙程度也有著不同描述，表1為咖啡豆的8種烘焙程度和它們所呈現的風味[21]。

2 咖啡烘焙工藝與香氣成分

生咖啡豆本沒有香氣，咖啡豆在180～220 ℃進行烘焙后，生咖啡豆的顏色轉變為黃色，再變成淺褐色，最后變成油狀深棕色[22]。脂肪、蛋白質和游離氨基酸是咖啡質量的重要成分，它們通過關鍵的Strecker和Maillard反應在烘烤過程中形成咖啡香氣和風味的前體物質，同時有機酸和綠原酸等物質含量也會隨著咖啡的烘焙發生相應變化[23]。

經過烘焙后咖啡的香氣風味形成由兩部分組成，分別為揮發性氣體風味成分組和呈味成分組。揮發性氣體物質決定了咖啡的香氣成分，而非揮發性氣體物質決定咖啡特有的澀味、苦味和酸味等重要口感[24]。不同焙炒程度下咖啡豆揮發性物質的種類和含量均不相同[25]。研究不同的烘焙條件，如烘焙過程中的時間和溫度對咖啡烘焙揮發性氣體物質的影響，結果表明，可以利用咖啡揮發性香氣物質的變化規律反過來引導咖啡焙炒的過程，通過對咖啡揮發性氣體成分的分類及規律分析，可以對咖啡焙炒的程度進行判斷，同時研究得出云南小?？Х仍谥卸群姹簳r可以較完整地體現其特征[26]。研究發現，SPME- GC - MS結合電子鼻技術對不同烘焙程度咖啡的揮發性香氣成分進行檢測時[27]，烘焙溫度越高，咖啡中的香氣也隨之增多，歸納香氣成分、香氣表型和烘焙程度三者之間的相互關系，可作為咖啡烘焙程度的區分使用，為實現一些特定揮發性香氣咖啡的工藝提供了科學依據和技術支持[28]。

2.1 香氣提取方法

在分析咖啡烘焙程度不同對咖啡風味品質的影響時，一般采用熱脫附法、SPME和蒸餾萃取法（SDE）等方法提取香氣成分[29]，用頂空固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用（HS-SPME/GC-MS）等方法結合電子鼻對不同烘焙度咖啡豆的揮發性成分進行測定和分析[30];對于烘焙條件對咖啡豆蛋白質、淀粉、總糖、脂肪和灰分等成分的影響，可用凱氏定氮法、馬弗爐法、可見分光光度法、索氏抽提法和滴定管法等方法分析檢測[30]。

2.2 不同烘焙程度的香氣成分

提取咖啡香氣的熱脫附和SPME等提取方法對不同種類化合物的吸附能力是不同的，吸附到的揮發性成分的種類和含量也不同，可以相應地應用在不同的研究領域[31]。目前共檢測到咖啡香氣成分1 000余種，其中對咖啡風味品質有著比較明顯影響的約有20種。香氣成分中雜環類化合物約有300種，這其中包括吡嗪類、吡咯類、噻唑類、噻吩類、呋喃類和咪唑類化合物[32]。

咖啡烘焙程度大致分為淺度烘焙、中度烘焙和深度烘焙。3種焙炒程度的咖啡豆揮發性物質成分不同，含量不同[33]。在咖啡烘焙的過程中，咖啡豆揮發性物質中的吡啶類、嘧啶類、內酯類、類酸物質隨著烘焙程度的增加其含量不斷增加，吡嗪類、醛類、呋喃類、酮類物質隨著烘焙程度的增加其含量先增加后減少，但深度烘焙還是比淺度烘焙香氣成分含量多，酚類、醇類、烯類、吡唑類、酯類、其他類物質隨著烘焙程度的增加其含量先增加而后趨于穩定[34]。

淺度烘焙中吡嗪類、醇類、烯類和酮類含量較高;中度烘焙中呋喃類、酚類、吡咯類、含硫類含量較高;深度烘焙中醛類、酯類、吡啶類、雜環類含量較高[35]。其中深度烘焙的香氣成分含量最多，整體氣味濃厚焦苦;而中度次之，整體風味濃郁香醇;淺度烘焙最少，整體香氣較淡[36]。同時咖啡豆的內部結構也隨著烘焙強度的增強而發生變化，使其孔徑不斷增大，更有利于揮發性物質的揮發[37]。

2.3 咖啡焙炒程度對咖啡豆風味成分的影響

在焙炒過程中，隨著焙炒時間的逐漸增加，咖啡豆的質量反而逐漸減少。焙炒后的咖啡豆質量損失分別為美式7.05%、法式 15.7%、維也納式 12.34%、意式 21.8%以及西班牙式 24.27%[38]。隨著烘焙程度和烘焙溫度的增加，咖啡豆的蛋白質和淀粉含量先升高而后稍微下降、總糖含量有較為顯著的下降、脂肪和灰分的含量明顯升高。其中各風味成分的變化范圍：蛋白質含量 14.50%～17.20%、總糖含量 0.687%～4.340%、淀粉含量 16.30%～25.30%、脂肪含量 7.64%～12.50%，灰分含量 3.47%～5.23%[39]。

3 咖啡烘焙工藝

基于咖啡烘焙機導熱方式的差異性可以將烘焙工藝的方式分類為直火式烘焙、熱風式烘焙、半直火半熱風式烘焙、微波烘焙等。不同的烘焙技術對咖啡風味品質的影響不同。

3.1 直火式烘焙

直火式烘焙就是對咖啡豆使用火焰直接加熱，直火式中使用的火焰除了一般的火焰外，也包括紅外線和電熱管[40]。直火式烘焙時間較長，使得焦糖化反應比較充分，味道比較豐富。但同時烘焙桶內溫度調整難度大，烘焙過程易發生烘焙不均勻現象;較難控制烘焙過程中的火候，易使得咖啡豆燒焦產生焦苦味，在生產中較少使用。

3.2 熱風式烘焙

熱風式烘焙能夠在較短時間內將咖啡生豆烘焙成咖啡熟豆，相比于其他烘焙方式其耗能更少，對能源的利用率較高。在全熱風烘焙過程中，咖啡豆均虛浮在對流的熱風中，傳熱方便具有較高的均勻性，不容易發生咖啡豆過度烘焙或者破裂的現象[41]。其缺點就是不容易控制咖啡豆的烘焙程度，對于高品質的咖啡豆的烘焙來說，很難達到相應的要求。由于加熱的效率高，會導致溫度升高的速度較快，容易發生烘焙后咖啡豆夾生的情況，而且溫度升得過高，會使得烘焙過程中咖啡豆的焦糖化反應相對不夠充分，而且烘焙機需要充足的預熱時間。熱風式烘焙機機身相對較大，適合使用在工業化生產中[42]。

3.3 半直火半熱風式烘焙 半直火半熱風式烘焙兼備熱風式和直火式的優點，火力穩定，使得咖啡生豆內外部組織受熱均勻，不同烘焙程度的烘焙都可以實現，例如輕度烘焙、中度烘焙、深度烘焙等。其烘焙程度相較于其他烘焙機型更容易控制把握，即使是沒有烘焙經驗的咖啡烘焙者也可以烘焙出自己想要的咖啡風味[43]。半直火式烘焙機微調便利，機型的設計布局合理、結構緊湊，各種大小的機型都可以滿足，可以使得咖啡豆的回甘和醇厚度能最大程度地呈現，宜作為精品咖啡的烘焙。

3.4 微波烘焙 微波烘焙工藝加熱快速、節能環保[44]、烘焙均勻度好，避免了局部焦黑現象，與傳統電熱烘焙工藝技術相比具有烘焙效率較高、烘焙前無需預熱過程、時間成本低且耗能低的優勢[45]。微波烘焙主要是利用微波輻射對咖啡豆進行整體性加熱，在很短的時間就可以達到所需的烘焙溫度;同時在微波特有的加熱方式下，能較好地保留咖啡豆中的一些營養組分及所需的色香味，能夠減少咖啡豆收縮損失;微波技術也具有突出的節能效果。但是微波加熱的缺點是烘焙不均勻，易使得咖啡豆發生邊緣或局部焦化的現象，溫度過熱會導致咖啡豆產生焦糊味甚至香氣品質的進一步惡化，使得咖啡豆品質降低，咖啡豆的質量也因為加熱時的不均勻性而有所降低[46]。在微波加熱的過程中，咖啡豆的香氣風味也會出現某些變異，這是由于各種揮發性氣體成分的不均衡性揮發導致的，從而影響咖啡豆的風味品質[47]。

4 結論與展望

該研究歸納了咖啡烘焙技術中使用到的幾種典型方法，分析了咖啡不同烘焙程度對咖啡豆風味品質的影響，結果表明目前使用前景最廣闊的是半直火半熱風式烘焙技術。通過熱脫附法、SPME等方法對咖啡香氣成分進行提取，使用頂空固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用（HS-SPME-GC-MS）等方法進行測定和分析，發現烘焙程度不同時咖啡所含主要香氣成分不同，進而導致咖啡豆風味品質不同。隨著咖啡的普及和工藝的發展，在對現有的咖啡烘焙工藝技術的掌握和思考的基礎上，可以通過優化咖啡烘焙工藝（如半直火半熱風式烘焙等技術），更好地改善咖啡烘焙機的性能，從而提高咖啡豆的烘焙質量，也可以通過精準把控烘焙時間、溫度等條件使咖啡的風味品質得到進一步的提升。

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