冷萃咖啡烘焙工藝優(yōu)化及滋味成分的測定

李發(fā)彩，李晨曦，李 龍，譚先朝，蔡宗壽

（1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，云南昆明 650000；2. 云南冷萃科技有限公司，云南昆明 650000）

咖啡屬茜草科，常綠灌木或小喬木[1]，與茶葉、可可并稱為世界三大飲料，是我國的第二大出口商品[2]，在我國的進(jìn)出口貿(mào)易中具有重要地位[3]。咖啡豆具有很高的經(jīng)濟價值，現(xiàn)有的三大品種分別是阿拉比卡、羅布斯特、利比里亞；按咖啡豆的粒度分類，可分為小粒、中粒、大粒種咖啡[4]。目前，我國的咖啡種植主要分布在普洱、保山、臨滄、西雙版納等熱帶亞熱帶地區(qū)，該地區(qū)降水量豐富，所產(chǎn)咖啡豆均為優(yōu)質(zhì)的小粒咖啡[5]。咖啡生豆成熟后被鮮紅的果皮包裹著，經(jīng)過采摘、脫皮、發(fā)酵、脫膠、干燥、脫皮等一系列的加工之后得到成品咖啡豆[6]。咖啡豆極易吸收水分，水分過多將導(dǎo)致咖啡豆發(fā)酵或引發(fā)霉菌的生長，霉菌會影響烘焙咖啡的膨化性與脆性[7]。咖啡豆在烘焙過程中，主要發(fā)生三大反應(yīng)：美拉德反應(yīng)、焦糖化反應(yīng)和熱解反應(yīng)，在此過程中，綠原酸部分會被降解，使咖啡豆的顏色、滋味等發(fā)生變化[8]。

咖啡含有很多的成分物質(zhì)，如多糖、脂肪、蛋白質(zhì)等，其中咖啡油的功效甚至超越了咖啡豆本身，Kathryn Williamson 等人[9]研究了用超臨界二氧化碳的方法來提取咖啡油，并用NMR 光譜進(jìn)行反向檢測。咖啡的流行均來自于感官，而感官特性來源于烘焙過程的結(jié)果，烘焙改變了咖啡豆的生物活性與咖啡豆的成分[10]。Rakvaagl Elin 等人[11]研究了淺焙咖啡和重焙咖啡中葡萄糖的耐糖性，結(jié)果表明沒有太大的影響，猜測可能與樣本量太小有關(guān)。宋璐琪等人[12]研究了烘焙速度對咖啡理化性質(zhì)的影響，結(jié)果表明隨著烘焙速度的加快，水分、氨基酸含量、綠原酸含量，色度值逐漸降低，但是咖啡因含量則沒有很大的影響。于菲等人[13]的研究表明，烘焙速度可以改變咖啡的香氣和風(fēng)味，控制好烘焙速度可有效提高咖啡的品質(zhì)。劉莉萍等人[14]研究烘焙方式對咖啡豆氨基酸的影響，結(jié)果顯示烘焙溫度越高、時間越長，對氨基酸的影響越大。張付杰等人[15]用微波烘焙代替常規(guī)烘焙，得出最佳微波烘焙咖啡豆的工藝。從以上研究看，烘焙工藝對咖啡品質(zhì)具有重要的影響。

隨著時代的發(fā)展和生活水平的提高，人們對咖啡品質(zhì)的要求也逐漸提高，熱萃咖啡苦味較重，于量開始追求苦味較少、甜味較多的冷萃咖啡，近年來對冷萃咖啡的研究正在興起。冷萃咖啡是指用冷水浸泡12 h 以上，提取的具有烘焙咖啡渣香氣和味道的液體[16]。蘇雨馨[17]對冷萃咖啡的品質(zhì)影響因素進(jìn)行分析，得出烘焙度、研磨度、萃取條件均是影響冷萃咖啡品質(zhì)的關(guān)鍵因素。國外的研究者對冷萃咖啡也展開了研究，Casta?eda Rodríguez Rey 等人[18]對沖泡溫度和顆粒大小對冷萃咖啡的品質(zhì)影響展開敘述。Bellumori Maria 等人[19]針對冷萃咖啡中的微生物，對延長冷萃咖啡貨架期展開研究。Kyroglou Smaro 等人[20]優(yōu)化傳統(tǒng)的冷萃提取方式，為縮短提取時間進(jìn)行了研究。國內(nèi)外對冷萃咖啡的研究較少，主要是針對咖啡品質(zhì)、香氣成分。烘焙是產(chǎn)生香氣的主要手段，但是沒有人對烘焙工藝進(jìn)行優(yōu)化研究，針對烘焙工藝對冷萃咖啡品質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化研究，并對冷萃咖啡的滋味成分進(jìn)行分析，為以后的烘焙工藝提供理論指導(dǎo)和試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

阿拉比卡水洗豆，云南普洱愛伲莊園提供；咖啡因、綠原酸、葫蘆巴堿標(biāo)準(zhǔn)品，成都彼斯特生物科技有限公司提供。

CBR-101 型熱風(fēng)式咖啡生豆烘焙機，韓國GENESIS 公司產(chǎn)品；KCG-17 型磨豆機，日本kalita 公司產(chǎn)品；JCS-11002C 型電子天平，上海然浩電子有限公司產(chǎn)品；SL118 型商用酸奶機，蘇州睿德電器有限公司產(chǎn)品；PAL-COFFEE（TDS） 型咖啡濃度儀，愛宕科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；BSA124S-CW 型微量天平，賽多麗斯科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；H3-18K 型臺式高速離心機，湖南可成儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品；安捷倫1200 型高效液相色譜儀，上海萊瑞科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；PS-20A 型超聲波清洗機，東莞市潔康超聲波設(shè)備有限公司產(chǎn)品；循環(huán)水式真空泵，北京中興偉業(yè)儀器有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗方法

1.2.1 冷萃咖啡制備工藝

先將咖啡水洗生豆放入烘焙機中進(jìn)行烘焙，烘焙好的咖啡豆取出放入研磨機中進(jìn)行研磨，按照料液比1∶12 配制要求將咖啡粉浸入到冷水中萃取16 h，取出過濾后即得到冷萃咖啡。

1.2.2 試驗指標(biāo)檢測

（1） 感官指標(biāo)評定。根據(jù)美國精品咖啡協(xié)會（SCAA） 所制定的咖啡杯測標(biāo)準(zhǔn)，由3～5 名杯測員組成感官評價小組，分別對冷萃咖啡的干香/濕香、風(fēng)味、回味、酸度、醇厚度、平衡性、一致性、干凈度、甜度及缺點進(jìn)行評分，最后根據(jù)綜合評分判定咖啡的品質(zhì)。

杯測標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 杯測標(biāo)準(zhǔn)

（2） 咖啡液質(zhì)量濃度（TDS）。利用濃度測量儀，即可得出咖啡液質(zhì)量濃度。

式中：W——咖啡液萃取率，%；

TDS——咖啡液質(zhì)量濃度，mg/mL；

m1——咖啡液的質(zhì)量，g；

m2——咖啡粉的質(zhì)量，g。

（3） 綜合評分。

式中：Y——綜合評分；

W1——感官評分，分；

W2——萃取率，%；

Wmax1——感官評分的最大值；

Wmax2——萃取率的最大值。

采用CRITIC 權(quán)重賦值法[21]，感官評定評分和萃取率的權(quán)重系數(shù)分別賦為0.6 和0.4。

1.2.3 單因素試驗

（1） 烘焙溫度的確定。將烘焙溫度定為230，235，240，245，250 ℃，并控制烘焙時間為17 min，進(jìn)料量為120 g。研究不同烘焙溫度對所制備冷萃咖啡品質(zhì)的影響，通過對感官評分、萃取率進(jìn)行統(tǒng)計分析。

（2） 烘焙時間的確定。將烘焙時間定為15，16，17，18，19 min，并控制烘焙溫度為240 ℃，進(jìn)料量為120 g。研究不同烘焙時間對所制備冷萃咖啡品質(zhì)的影響，通過對感官評分、萃取率進(jìn)行統(tǒng)計分析。

（3） 進(jìn)料量的確定。將進(jìn)料量定為100，110，120，130，140 g，并控制烘焙溫度為240 ℃，烘焙時間為17 min。研究不同進(jìn)料量對所制備冷萃咖啡品質(zhì)的影響，通過對感官評分、萃取率進(jìn)行統(tǒng)計分析。

1.2.4 正交試驗方案

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選擇對冷萃咖啡影響較大的烘焙溫度、烘焙時間、進(jìn)料量3 個因素，進(jìn)行三因素三水平L9（34）的正交試驗。將感官評分、萃取率作為考查指標(biāo)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到影響冷萃咖啡品質(zhì)的主要烘焙參數(shù)和制備冷萃咖啡的最優(yōu)烘焙工藝參數(shù)。

正交試驗因素與水平設(shè)計見表2。

表2 正交試驗因素與水平設(shè)計

1.2.5 驗證試驗

根據(jù)正交試驗所得的最優(yōu)烘焙工藝，按照1.2.1進(jìn)行3 次咖啡冷萃試驗，測定感官評分、萃取率，驗證試驗結(jié)果。

1.3 滋味成分的檢測

1.3.1 咖啡因、綠原酸、葫蘆巴堿含量測定

（1） 咖啡因含量的測定。參照GB 5009.139—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)飲料中咖啡因的測定》[22]，采用HPLC 法。色譜柱C18柱（粒徑5 μm，柱長150 mm×直徑3.9 mm），流動相：甲醇+ 水=24+76，流速1.0 mL/min，柱溫25 ℃，進(jìn)樣量10 μL，檢測波長272 nm。

（2） 綠原酸含量的測定。參照GB/T 22250—2008《保健食品中綠原酸的測定》[23]，采用HPLC法。色譜柱C18柱（粒徑5 μm，柱長250 mm×直徑4.6 mm），流動相：0.5%乙酸溶液+ 乙腈= 85+15，流速1.0 mL/min，柱溫35 ℃，進(jìn)樣量10 μL，檢測波長327 nm。

（3） 葫蘆巴堿含量的測定。參照NY/T3012—2016《咖啡及制品中葫蘆巴堿的測定》[24]，采用HPLC法。色譜柱：氨基柱（粒徑5 μm，柱長250 mm×直徑4.6 mm），流動相：甲醇+ 水= 88+12，流速0.80 mL/min，柱溫30 ℃，進(jìn)樣量10 μL，檢測波長260 nm。

1.3.2 咖啡因、綠原酸、葫蘆巴堿標(biāo)準(zhǔn)液的配制

（1） 咖啡因標(biāo)準(zhǔn)液的配制。A 咖啡因標(biāo)準(zhǔn)儲備液（2.0 mg/mL）：準(zhǔn)確稱取咖啡因標(biāo)準(zhǔn)品20 mg（精確至0.1 mg） 于10 mL 容量瓶中，用甲醇溶解定容；B 咖啡因標(biāo)準(zhǔn)中間液（200 μg/mL）：準(zhǔn)確吸取5.0 mL咖啡因標(biāo)準(zhǔn)儲備液于50 mL 容量瓶中，用水定容；C咖啡因標(biāo)準(zhǔn)工作液：分別吸取咖啡因標(biāo)準(zhǔn)中間液0.5，1.0，2.0，5.0，10.0 mL 至10 mL 容量瓶中，用水定容。該標(biāo)準(zhǔn)系列質(zhì)量濃度分別為10.0，20.0，40.0，100.0，200.0 μg/mL。

（2） 綠原酸標(biāo)準(zhǔn)液的配制。A 綠原酸標(biāo)準(zhǔn)儲備液（2.0 mg/mL）：稱取綠原酸標(biāo)準(zhǔn)品0.02 g（精確到0.000 1 g） 于10.0 mL 容量瓶中，加流動相溶解并定容至刻度，混勻；B 綠原酸標(biāo)準(zhǔn)使用液（200 μg/mL）：準(zhǔn)確稱取1.00 mL 綠原酸標(biāo)準(zhǔn)儲備液于100 mL 容量瓶中，用流動相稀釋至刻度，混勻；C 綠原酸標(biāo)準(zhǔn)工作液：分別吸取綠原酸標(biāo)準(zhǔn)使用液0.1，0.5，1.0，2.0，4.0 mL 至10 mL 容量瓶中，用流動相稀釋，容量瓶中定容的質(zhì)量濃度分別為2.0，10.0，20.0，40.0，80.0 μg/mL。

（3） 葫蘆巴堿標(biāo)準(zhǔn)液的配制。A 葫蘆巴堿標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液：稱取葫蘆巴堿標(biāo)準(zhǔn)品20 mg（精確至0.1 mg），置于10 mL 燒杯中，水溶解后移至10 mL 容量瓶中定容至刻度，配制成質(zhì)量濃度為2 000 mg/L 標(biāo)準(zhǔn)儲備液；B 葫蘆巴堿標(biāo)準(zhǔn)工作液：分別吸取葫蘆巴堿標(biāo)準(zhǔn)使用液0.10，0.25，0.50，1.00，2.50 mL 至100 mL容量瓶中，用水稀釋質(zhì)量濃度分別為2.0，5.0，10.0，20.0，50.0 mg/L。

1.3.3 咖啡因、綠原酸、葫蘆巴堿樣液的配制

（1） 咖啡因樣液的配制。稱取1 g 樣品，加入三氯乙酸溶液定容至10 mL，搖勻，靜置，沉降蛋白，取上清液經(jīng)微孔濾膜過濾。

（2） 綠原酸樣液的配制。稱取2 g 試樣于25.0 mL離心試管中，以轉(zhuǎn)速3 000 r/min 離心10 min 后，過微孔濾膜過濾。

（3） 葫蘆巴堿樣液的配制。稱取試樣0.5 g 于100 mL 燒杯中，加入80 mL 沸水。蓋表面皿，置于電熱板上煮沸提取30 min，冷卻至室溫，轉(zhuǎn)移到100 mL容量瓶中，加入磺基水楊酸溶液1 mL，搖勻，水定容至刻度。上清液經(jīng)微孔濾膜過濾。

1.3.4 咖啡因、綠原酸、葫蘆巴堿的含量（1） 咖啡因含量。

式中：X——試樣中咖啡因含量，mg/kg；

C——試樣中咖啡因的質(zhì)量濃度，μg/mL；

V——被測試樣體積，mL；

m——稱取試樣的質(zhì)量，g；

1 000——換算系數(shù)。

（2） 綠原酸含量。

式中：X——試樣中綠原酸含量，g/L；

C——試樣中綠原酸酸的質(zhì)量濃度，μg/mL；

V——試樣定容體積，mL；

m——稱取試樣的質(zhì)量，g。

（3） 葫蘆巴堿的含量。

式中：W——試樣中葫蘆巴堿的含量，g/100 g；

C1——標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度，mg/L；

V1——試樣溶液定容體積，mL；

V2——標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)樣體積，μL；

V3——試樣進(jìn)液體積，μL；

A1——標(biāo)準(zhǔn)溶液峰面積；

A2——試樣溶液峰面積；

m——稱取試樣的質(zhì)量，g；

1 000——換算系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)利用Excel 軟件和SPSS 軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 烘焙工藝參數(shù)對冷萃咖啡的影響

2.1.1 烘焙溫度對冷萃咖啡的影響烘焙溫度對綜合評分的影響見表3。

表3 烘焙溫度對綜合評分的影響

由表3 可知，隨著烘焙溫度的升高，萃取率逐漸增加，感官評分和綜合評分逐漸減小，萃取率由10.92%增為12.76%，感官評分由55 分降為44 分，綜合評分從0.935 7 分降為0.872 3 分。由此可知，冷萃咖啡更適合淺度烘焙，從綜合評分的變化可得出最優(yōu)的三水平因素值為230，235，240 ℃。

2.1.2 烘焙時間對冷萃咖啡的影響

烘焙時間對綜合評分的影響見表4。

表4 烘焙時間對綜合評分的影響

由表4 可知，隨著烘焙時間的延長，萃取率逐漸減小，感官評分和綜合評分先逐漸增加再減小，可能是由于烘焙的過程中時間沒有把握好，以至于變化不太規(guī)律。由此可知，烘焙時間對冷萃咖啡的質(zhì)量影響不大，從綜合評分的變化可得出最優(yōu)的三水平因素值為16，17，19 min。

2.1.3 進(jìn)料量對冷萃咖啡的影響進(jìn)料量對綜合評分的影響見表5。

表5 進(jìn)料量對綜合評分的影響

由表5 可知，隨著烘焙量的增加，萃取率逐漸減小，感官評分和綜合評分逐漸增加，但是變化波動不大。由此可知，進(jìn)料量對冷萃咖啡的品質(zhì)影響也不大，從綜合評分的變化可得出最優(yōu)的三水平因素值為110，130，140 g。

2.1.4 正交試驗

正交試驗設(shè)計與結(jié)果見表6。

表6 正交試驗設(shè)計與結(jié)果

由表6 極差R可知，影響冷萃咖啡質(zhì)量的因素大小為烘焙溫度＞進(jìn)料量＞烘焙時間，且因素之間沒有交互作用，因素最佳組合為A2B2C2，即烘焙溫度為235 ℃，烘焙時間為17 min，進(jìn)料量為130 g，根據(jù)咖啡萃取率和SCAA 標(biāo)準(zhǔn)可知，此條件下冷萃咖啡的品質(zhì)為最佳。

方差分析見表7。

表7 方差分析

在正交試驗表6 的基礎(chǔ)上做方差分析，由表7可知烘焙溫度（A） 對冷萃咖啡品質(zhì)的影響顯著（p＜0.05），烘焙時間（B） 和進(jìn)料量（C） 對冷萃咖啡品質(zhì)的影響不顯著（p＞0.05）。

驗證試驗見表8。

表8 驗證試驗

根據(jù)最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行3 次驗證試驗，即烘焙溫度為235 ℃，烘焙時間為17 min，進(jìn)料量為130 g，3 次試驗所測得的咖啡液萃取率平均值為12.67%，感官評分為61.7 分，綜合評分為0.952 7 分。

2.2 滋味成分檢測分析

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線分析

根據(jù)高效液相色譜儀測出冷萃咖啡的滋味成分，葫蘆巴堿、綠原酸、咖啡因的出峰時間分別為2.161，5.919，1.595 min，以峰面積（Y） 和質(zhì)量濃度（X）做標(biāo)準(zhǔn)曲線、線性方程、相關(guān)系數(shù)。

滋味成分的線性方程見表9。

表9 滋味成分的線性方程

2.2.2 滋味成分對冷萃咖啡的影響

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線，計算得出冷萃咖啡中葫蘆巴堿、綠原酸、咖啡因的含量。

不同滋味成分含量見圖1。

圖1 不同滋味成分含量

由圖1 可知，冷萃咖啡中葫蘆巴堿的含量最多，綠原酸含量較少，而咖啡的苦味主要來自于綠原酸，由此可以得出冷萃咖啡相比于熱萃咖啡[25]，苦味成分更少。根據(jù)咖啡的滋味成分含量，不同的消費者根據(jù)自身的喜好選擇不同方式萃取的咖啡。

3 結(jié)論

以云南普洱阿拉比卡水洗咖啡豆為原料制備冷萃咖啡，通過單因素試驗和正交試驗，得到最佳的烘焙工藝參數(shù)為烘焙溫度235 ℃，烘焙時間17 min，進(jìn)料量130 g，此時得到咖啡液萃取率為12.67%，感官評分為62 分，綜合評分為0.952 7 分。利用高效液相色譜儀檢測出最優(yōu)烘焙工藝下冷萃咖啡中葫蘆巴堿的含量為1.054 g/kg，綠原酸含量為0.122 g/kg，咖啡因含量為0.418 g/kg，說明冷萃咖啡相比于熱萃咖啡，苦味成分更少，更容易被大眾所接受，為冷萃咖啡的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)和提論指導(dǎo)。