基于主成分分析優化咖啡微水脫膠工藝

李雪瑞，嚴 靜，劉秀嶶，吳昕怡，楊態仙，潘 俊，朱志妍，田 浩，李 宏

（云南省農業科學院農產品加工研究所，云南昆明 650205）

云南咖啡種植面積、產量、農業產值均占全國的98%以上，咖啡豆產量在14 萬噸左右[1]，其中80%以上都是采取濕法加工的方式生產水洗咖啡，此工藝主要包括機械脫皮、浸泡自然發酵脫膠、大量用水清洗、曬場自然晾曬[2]。其中脫膠工藝在咖啡初加工過程中對咖啡豆品質具有重要影響[3]。最近，無水脫膠、微水脫膠成為應用熱點，無水脫膠主要以巴西Pinhalense 公司的生態型脫皮脫膠組合機為主，微水脫膠則以普洱富民農業裝備有限公司的WSX-5咖啡無水脫皮微水脫膠加工系統為主，這兩種方法的特點是一次性脫皮脫膠然后直接進入干燥環節，但是也存在脫膠不干凈導致果膠殘留量不同，是否增加再次水浸泡脫膠環節的爭議[4-5]。干燥過程影響咖啡加工的質量和效率，任何加工方法處理后都需使生豆的含水量達到10%～12%。傳統干燥采用自然晾曬干燥，人工勞動強度大，受天氣和人為因素影響大，干燥質量較難保證。機械烘干可以縮減干燥時間，并減少微生物污染的風險。目前，背壓式熱風干燥及熱泵干燥等技術研究成為熱點。但是研究者發現熱泵干燥在保持咖啡整體風味品質方面優于熱風干燥[6-7]。關于熱泵干燥的溫度，Borem 等[8]發現隨干燥溫度升高，咖啡豆的質膜和囊泡細胞完整性發生改變，至60℃時，細胞原生質發生泄漏，最佳的熱泵干燥工藝尚在摸索。

脂類、蛋白質是咖啡主要的香氣前體物，咖啡因、綠原酸、咖啡酸是咖啡滋味的主要呈味物質[9-10]，這些非揮發性前體物經咖啡的烘焙過程轉化為有氣味的分子[11]。同時生咖啡豆中含量豐富的揮發性物質，也對烘焙咖啡豆香氣形成至關重要。前人研究發現咖啡生豆中揮發性物質主要為酯類、醛類、醇類、酸類、烷烴類、酮類等，比如云南保山、德宏、臨滄和普洱4 個地區生咖啡豆中揮發性物質主要以酸類為主，相對含量占32.96%，其次為酮類、醇類、碳氫類、酯類及醛類[12-13]。脫膠工藝和干燥工藝影響著咖啡生豆中揮發性物質的含量。研究表明，濕法加工過程中用水脫膠的這個過程使得咖啡生豆的各種代謝活動得到保存[14]，其中果膠起主要作用[15]，咖啡鮮果初加工過程中微生物分解果膠，激活咖啡風味物質，使其透過羊皮紙進入咖啡生豆內[16]。Wang 等[17]關于咖啡的綜述也表明水洗工藝為咖啡帶來更好的品質與穩定的風味。干燥工藝對咖啡風味的影響，董文江等研究發現熱泵干燥溫度低于50 ℃時，與日曬樣品差異較小，高于50 ℃時，風味前提物及揮發性成分與日曬樣品存在顯著差異[18]。但是，關于脫膠工藝和干燥工藝對咖啡生豆品質及揮發性物質的具體影響鮮有研究，這對優化工藝尤為重要。

本研究利用手工脫皮的方式讓咖啡鮮果的果膠最大限度保留，設置了機械脫皮脫膠+曬干、機械脫皮脫膠+烘干、手工脫皮+帶膠烘干、機械脫皮脫膠+水洗脫膠+烘干、手工脫皮+水洗脫膠+烘干，5 個不同處理組，探究不同加工工藝對咖啡香氣前體物質蛋白質、粗脂肪，咖啡滋味呈味物質咖啡因、咖啡酸、綠原酸及咖啡生豆的揮發性物質含量的影響，從而優化微水脫膠工藝，為提高咖啡豆的精品率提供思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

咖啡鮮果 采自云南省保山市潞江壩，1500 m海拔的卡蒂姆品種。新鮮采摘的咖啡鮮果迅速運回至實驗室，每個加工處理20 kg。

AF-150-800 咖啡鮮果脫皮、脫膠一體機 云南奧福實業有限公司；DRC-2X 脫殼機 Pinhalense 公司；TF-KG01-Z/2 箱式熱泵烘干機 四川蜀冷冷暖設備有限公司；SMF2002（019-A7）磨粉機 浙江蘇泊有限公司；Pro-100 咖啡烘焙機 IKAWA 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品處理 參照濕法加工的方法[2]，結合生產實際及前期預實驗對樣品脫膠后果膠殘留量、干燥處理方法進行工藝改進，樣品處理試驗設置如表1所示。

表1 樣品處理試驗設置Table 1 Experiment setting for sample treatment

取10 g 生豆樣品經過磨粉機研磨過40 目篩，剩余樣品用同一烘焙曲線淺度烘焙，獲得5 組熟咖啡豆樣品，同樣經過研磨機研磨后過40 目篩，留樣檢測。

1.2.2 咖啡內含物檢測方法 蛋白質采用GB/T 5511-2008 標準測定[21]；粗脂肪按照GB/T 6433-2006 標準測定[22]；咖啡因采用GB/T 19182-2003 標準測定[23]；咖啡酸、綠原酸按照YC/T 202-2006 標準測定[24]。

1.2.3 揮發性風味物質測定 蒸餾萃取（SDE）的條件：樣品25 g，加入20 g 固體NaCl 和400 mL 去離子水，蒸餾萃取3 h，將提取液和40 mL 二氯甲烷混合物經無水硫酸鈉干燥，然后加入1 mL 混合內標（癸醇、乙酸苯乙酯、癸醇、煙酸甲酯），在旋轉蒸發儀40 ℃水浴中濃縮至1 mL 于進樣瓶中進行GC/MS分析。色譜條件：色譜柱：HP-5MS（Agilent19091S433:30 m×0.25 mm×0.25 mm）；進樣口溫度：260 ℃；進樣量和分流比：1 μl，20:1；接口溫度：280 ℃；升溫程序：60 ℃（2 min）以2 ℃/min 升至260 ℃（10 min）再以5 ℃/min 升至280 ℃（10 min）；載氣：氦氣；尾吹：氮氣；流速：1.2 ml/min；離子源溫度：230 ℃；四級桿溫度：150 ℃；掃描范圍：30～550 amu；譜庫：NIST 08；Agilent 化學工作站[25]。

1.3 數據處理

采用Excel 2010 軟件處理數據，SPSS 20.0 軟件進行標準差及差異顯著性分析（當P＜0.05 時，差異顯著），采用LSD、Duncan 多重比較的統計方法，SIMCA 14.1 軟件進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 不同加工工藝對咖啡生豆中蛋白質含量的影響

蛋白質作為咖啡烘焙過程美拉德反應氨基提供的前體物質，與含羧基的糖類化合物發生反應生成醛、酮等物質，對咖啡的色澤、香氣和滋味有巨大影響[26]。如圖1 所示，不同加工方式處理的生咖啡豆中粗蛋白含量均在12%以上，機械脫皮脫膠+烘干與手工脫皮+帶膠烘干處理組之間蛋白質含量有顯著性差異（P＜0.05），分別為13.42%、12.21%；機械脫皮脫膠+烘干與機械脫皮脫膠+水洗脫膠+烘干處理組之間蛋白質含量無顯著性差異（P＞0.05），含量分別為13.42%、13.71%；機械脫皮脫膠+曬干與機械脫皮脫膠+烘干處理組蛋白質含量之間無顯著性差異（P＞0.05），含量分別為13.25%、13.42%。實驗結果表明，改變果膠殘留量對生咖啡豆中的蛋白質含量具有顯著影響（P＜0.05），但增加水浸泡脫膠工藝、改變干燥方式對咖啡生豆中蛋白質含量無顯著影響（P＞0.05）。這可能是由于果膠殘留量高，帶膠烘干時蛋白質長期暴露在高溫下而變性，水浸泡脫膠時微生物分解蛋白質，且前者作用強于后者，因此其含量降低。

圖1 不同加工工藝咖啡生豆中蛋白質含量Fig.1 Protein contents of green coffee beans under different processing

2.2 不同加工工藝對咖啡生豆中粗脂肪含量的影響

脂肪是咖啡中的一種風味前體物質，在高溫下易被氧化分解，其氧化產物能夠作為替代物阻礙氨基酸斯特雷克爾降解產物參與丙烯酰胺的合成，其含量差異會對烘焙過程美拉德反應產生影響[27-28]。如圖2所示，生咖啡豆中，機械脫皮脫膠+烘干、手工脫皮+帶膠烘干處理組粗脂肪含量之間無顯著性差異（P＞0.05），分別為9.39%、9.02%；機械脫皮脫膠+曬干、機械脫皮脫膠+烘干處理組粗脂肪含量之間有顯著性差異（P＜0.05），分別為9.85%、9.39%；機械脫皮脫膠+水洗脫膠+烘干、機械脫皮脫膠+烘干處理組之間粗脂肪含量有顯著性差異（P＜0.05），分別為9.84%、9.39%。實驗結果表明，咖啡的粗脂肪含量與烘干前果膠含量的多少無關；機械脫皮后，烘干與曬干對咖啡的粗脂肪含量影響顯著（P＜0.05）；機械脫皮保持相同的果膠殘留量，水洗脫膠再烘干與直接烘干對咖啡生豆的粗脂肪含量有顯著影響（P＜0.05）。這可能是由于水洗脫膠過程中脂類化合物在酶的作用下發生水解生成游離脂肪酸，但烘干處理溫度較高，脂類的氧化速率增加，生成氫過氧化物，粗脂肪含量降低。

圖2 不同加工工藝咖啡生豆中粗脂肪含量Fig.2 Fat contents of green coffee beans under different processing

2.3 不同加工工藝對咖啡生豆中綠原酸含量的影響

綠原酸是由咖啡酸和奎寧酸縮合而成的羥基肉桂酸類化合物，其在生豆中含量豐富，烘焙后生成綠原酸內酯等物質，是咖啡中苦味物質的主要來源之一[26,29]。如圖3 所示，不同加工工藝處理后咖啡生豆中綠原酸含量之間差異顯著（P＜0.05），含量由低到高：機械脫皮脫膠+曬干（42.35 mg/g）＜機械脫皮脫膠+水洗脫膠+烘干（45.04 mg/g）＜機械脫皮脫膠+烘干（46.65 mg/g）＜手工脫皮+水洗脫膠+烘干（49.27 mg/g）＜手工脫皮+帶膠烘干（55.02 mg/g）。綠原酸的分子結構中有酯鍵、不飽和雙鍵及多元酚三個不穩定部分，易因溫度、pH 等外界環境因素的改變而發生水解或氧化[30]，不同處理間差異顯著可能是由于綠原酸水解及氧化程度不同，手工脫皮后，咖啡鮮果的營養物質得到最大程度的保留，直接烘干又避免了綠原酸等的流失，再度水浸泡脫膠過程中微生物活動使得環境pH 改變，綠原酸作為一種咖啡酸奎寧酸酯發生一定程度的水解，生豆中其含量降低。

圖3 不同加工工藝咖啡生豆中綠原酸含量Fig.3 Chlorogenic acid contents of green coffee beans under different processing

2.4 不同加工工藝對咖啡生豆中咖啡酸含量的影響

咖啡酸是綠原酸的水解產物，咖啡豆烘焙時發生的Strecker 降解反應使得綠原酸分解為咖啡酸，其是咖啡苦澀味的主要呈味化合物之一[31-32]。如圖4所示，機械脫皮脫膠+曬干、機械脫皮脫膠+烘干處理組咖啡酸含量有顯著性差異（P＜0.05），分別為0.12、0.17 mg/g；機械脫皮脫膠+烘干、手工脫皮+帶膠烘干處理組咖啡酸含量之間有顯著性差異（P＜0.05），分別為0.17、0.23 mg/g；機械脫皮脫膠+水洗脫膠+烘干、機械脫皮脫膠+烘干處理組之間咖啡酸含量有顯著性差異（P＜0.05），分別為0.17、0.22 mg/g。實驗結果表明，機械脫皮脫膠后，烘干與曬干對咖啡的咖啡酸含量影響顯著（P＜0.05）；烘干前果膠含量的多少對咖啡酸含量影響顯著（P＜0.05）；機械脫皮保持相同的果膠殘留量，水洗脫膠再烘干與直接烘干對咖啡豆的咖啡酸含量影響顯著（P＜0.05），這可能與咖啡酸自身的結構特點及不同加工工藝的影響相關，咖啡酸的分子結構中含有兩個羥基、碳碳雙鍵及羧基，易發生聚合、氧化及加成等反應而發生降解，曬干干燥時間長，組織呼吸消耗多，因此咖啡酸含量降低[33]。

圖4 不同加工工藝咖啡生豆中咖啡酸含量Fig.4 Caffeic acid contents of green coffee beans under different processing

2.5 不同加工工藝對咖啡生豆中咖啡因含量的影響

咖啡因是生物堿類物質，是咖啡苦味的主要呈味物質之一[32]。如圖5 所示，不同加工工藝處理的咖啡生豆中咖啡因含量均在0.15%左右，均接近平均值，雖然不同處理樣品間有顯著性差異（P＜0.05），但咖啡因結構穩定[34]，不同加工工藝處理后其含量相對穩定。機械脫皮脫膠+烘干處理的樣品咖啡因含量最高，為0.16%，手工脫皮+水洗脫膠+烘干處理組咖啡因含量最低，為0.15%。

圖5 不同加工工藝咖啡生豆中咖啡因含量Fig.5 Caffeine contents of green coffee beans under different processing

2.6 綜合評價

2.6.1 主成分分析 利用主成分分析方法討論5 種加工處理方式后咖啡品質指標，結果見下表，提取得到2 個主成分，貢獻率分別為60.054%、23.415%，累計貢獻率為83.469%。說明這2 個主成分能代表原數據83.469%的信息。結合表2～表3 可知，主成分1 的方差貢獻率為60.054%，蛋白質、粗脂肪、咖啡酸、綠原酸的載荷絕對值較高，其中蛋白質、粗脂肪對主成分1 正向影響較大，綠原酸對主成分1 負向影響較大，因此主成分1 可作為蛋白質、粗脂肪、綠原酸的代表；主成分2 的方差貢獻率為23.415%，其中咖啡因對主成分2 正向影響較大。PCA 是一種無監督模式識別方法，通過原始變量的線性組合進行降維處理，將原始變量信息壓縮至前幾個主成分的多元統計方法[35]。如圖6 所示，15 個樣品數據點均分布于95%置信區間內，不同加工工藝有很好的區別效果，且品質存在一定差異，機械脫皮+烘干、機械脫皮+水洗脫膠+烘干處于同一象限，其他處理分別處于得分圖的不同象限。機械脫皮+曬干與機械脫皮+烘干、機械脫皮+水洗脫膠+烘干對主成分1 的影響較一致，手工脫皮+水洗脫膠+烘干、手工脫皮+帶膠烘干在主成分1、2 上與其他處理距離均較遠，表明水洗脫膠及烘干時果膠含量太高均會導致咖啡品質與傳統處理產生較大差異。

圖6 不同加工工藝咖啡豆品質主成分分析圖Fig.6 Principal component analysis of quality of coffee beans under different processing

表2 主成分特征值及方差貢獻率Table 2 Eigenvalue and variance contribution rate of principal component

表3 主成分荷載矩陣Table 3 Principal component loading matrix

2.6.2 主要品質綜合評價 根據標準化后的品質指標及因子荷載矩陣計算，設主成分F1，F2，以特征向量為權重建立1 個主成分的表達式如下：

以主成分的方差貢獻率為權重，構建不同干燥工藝咖啡的綜合評價得分函數，公式為F 綜=0.6005F1+0.2342F2。根據綜合評價模型計算不同干燥工藝咖啡的得分并排名，結果如表4 所示。

表4 不同加工工藝咖啡生豆主成分分析綜合得分Table 4 Comprehensive score of principal component analysis of green coffee beans under different processing

F 值越大，表明該加工工藝咖啡的綜合品質越好。機械脫皮脫膠+水洗脫膠+烘干，其品質的綜合得分最高，綜合品質最好，其次是機械脫皮脫膠+烘干和機械脫皮脫膠+曬干，得分最低的是手工脫皮+帶膠烘干，可能由于烘干時果膠的存在使得咖啡鮮果過度發酵。

2.7 不同加工工藝生咖啡豆揮發性風味物質分析

通過與NIST 08 譜圖庫對照，從各處理組中共鑒定出30 種揮發性成分，對其進行定性定量分析得到表5，30 種揮發性風味物質中變異系數最大的是蒎烷的含量，達76.99%，最小的是正十六烷，僅為29.27%，表明這30 種揮發性風味物質變異較大。30 種揮發性風味物質中包含酮類4 種、烯類3 種、酚類2 種、烷烴10 種、醛類3 種、酯類7 種和酸類1 種，文獻報道咖啡豆揮發性化合物主要也是上述幾類，諸如愈木酚、吡啶、糠醛、正十八烷和β-大馬士革酮等[36]，此實驗中檢測到的大馬士酮被Wang 等[17]認為是對烘焙咖啡豆風味有主要貢獻的化合物之一，會產生花香、蜂蜜味，不同工藝加工咖啡后咖啡生豆中大馬士酮含量分別為0.37、0.59、1、0.94、1.85 μg/g。酮類化合物主要呈奶油味和水果味[37]，如圖7 所示，5 種處理中手工脫皮+水洗脫膠+烘干處理組酮類化合物相對含量較高，達29.39 μg/g，機械脫皮+水洗脫膠+烘干的酮類化合物相對含量最低，僅為7.70 μg/g，烷烴類化合物、酚類物質、烯類化合物相對含量也顯示相同的趨勢，5 種處理化合物相對含量由高到低為：手工脫皮+水洗脫膠+烘干＞手工脫皮+帶膠烘干＞機械脫皮+曬干＞機械脫皮+烘干＞機械脫皮+水洗脫膠+烘干。醛類化合物主要呈奶油味[37]，5 種處理化合物相對含量由高到低為：手工脫皮+帶膠烘干＞手工脫皮+水洗脫膠+烘干＞機械脫皮+曬干＞機械脫皮+水洗脫膠+烘干＞機械脫皮+烘干。酯類化合物呈現果香[37]，實驗結果顯示5 種不同工藝加工后，酯類化合物相對含量最高，風味化合物酯類對咖啡質量有很大影響[36]。不同處理酯類化合物含量由高到低為：機械脫皮+水洗脫膠+烘干（234.61 μg/g）＞手工脫皮+水洗脫膠+烘干（117.78 μg/g）＞手工脫皮+帶膠烘干（108.54 μg/g）＞機械脫皮+烘干（86.1 μg/g）＞機械脫皮+曬干（61.44 μg/g），說明水洗脫膠工藝處理后咖啡生豆中酯類物質含量較高；酸類化合物主要呈現酸味[28]，其中機械脫皮+水洗脫膠+烘干相對含量最高為11.22 μg/g，手工脫皮+帶膠烘干處理相對含量最低為4.12 μg/g。實驗結果顯示，保持高的果膠殘留量再烘干及保持高的果膠殘留量水洗脫膠后再烘干對咖啡生豆中烷烴類、酮類、烯類、酚類、醛類化合物均有較好的保持作用，曬干也能激發風味物質的產生，這可能是由于咖啡鮮果表面果膠含量高的樣品，在直接帶膠烘干、水洗脫膠、曬干過程中，微生物會產生一系列諸如酯、醛和酮等代謝產物，會擴散到咖啡豆使得化合物含量增加，這與Gilberto 等[19]的論述一致。

圖7 不同加工工藝生豆樣品中揮發性物質含量對比圖Fig.7 Comparison of volatile substances content in green beans samples under different processing

3 結論

本文圍繞著咖啡微水脫膠干燥工藝中脫皮后果膠殘留量、是否再次水浸泡脫膠及干燥方式這三個關鍵環節對咖啡品質的影響展開討論，研究結果顯示，5 種咖啡加工工藝對咖啡生豆的香氣前體物質蛋白質、粗脂肪及咖啡苦澀味的呈味物質咖啡酸、綠原酸、咖啡因含量影響顯著（P＜0.05），其中機械脫皮脫膠+水洗脫膠+烘干的微水脫膠工藝能得到綜合品質最佳的咖啡生豆，而手工脫皮+水洗脫膠+烘干、手工脫皮+帶膠烘干能得到風味豐富的咖啡生豆，這為云南發酵風味咖啡豆及精品咖啡豆的加工提供思路，下一步研究重點是不同工藝的關鍵控制點參數。