響應(yīng)面優(yōu)化冷萃咖啡的烘焙工藝研究

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(jī)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）

0 引言

云南小粒咖啡屬茜草科咖啡屬植物，與可可、茶葉并稱(chēng)為世界三大飲料，并且一直居于首位[1]。咖啡主要生長(zhǎng)在熱帶、亞熱帶地區(qū)，成為云南的主要經(jīng)濟(jì)作物[2]。近年來(lái)，隨著我國(guó)年輕消費(fèi)群體的崛起，咖啡需求量逐年增加，帶動(dòng)了云南咖啡產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展[3]。咖啡豆的不同加工方式會(huì)形成不同的咖啡風(fēng)味，加工方式主要分為水洗、日曬、蜜處理[4]。如今咖啡的初加工已經(jīng)逐漸往機(jī)械化、工業(yè)化發(fā)展[5]。以云南為例，因特有的地理環(huán)境和氣候條件，所產(chǎn)咖啡豆均為優(yōu)質(zhì)咖啡豆[6]。咖啡自然而然成為了云南主要出口產(chǎn)品[7]，主產(chǎn)咖啡種類(lèi)為阿拉比卡咖啡豆[8]，咖啡內(nèi)含有很多物質(zhì)，如咖啡因、綠原酸、脂肪等，有預(yù)防疾病的作用[9]，咖啡烘焙提取物對(duì)高血糖、高血脂具有抵抗作用[10]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)咖啡烘焙工藝有很多的研究，像利用太陽(yáng)能烤爐研究咖啡豆的性質(zhì)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該方案具有一定商業(yè)化的可行性[11]。陳向文等人[12]對(duì)比了3 款烘焙爐常用的鋼材對(duì)咖啡豆的影響特性，為以后的烘焙設(shè)備開(kāi)發(fā)提供借鑒。于菲等人[13]就咖啡烘焙速度對(duì)咖啡豆揮發(fā)性的影響研究，為烘焙工藝的改進(jìn)提供參考。Lukas Macheiner 等人[14]通過(guò)分析烘焙咖啡豆的呋喃類(lèi)物質(zhì)，建立了測(cè)定烘焙程度的新型UHPLC 法。通過(guò)調(diào)控烘焙溫度、烘焙時(shí)間，對(duì)咖啡豆高F3-A 含量的測(cè)定，優(yōu)化烘焙工藝[15]。國(guó)外對(duì)烘焙設(shè)備申請(qǐng)了很多專(zhuān)利，如流化床烘焙系統(tǒng)、處理烘焙設(shè)備產(chǎn)生的氣體和廢水工藝專(zhuān)利[16-17]，還有對(duì)滾筒式烘焙機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，使其適合小型企業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)，并得到了最佳工藝[18]。

冷萃咖啡又被稱(chēng)為荷蘭咖啡或者冷水萃取咖啡，顧名思義，就是用冷水將咖啡粉浸泡一段時(shí)間后所提取的具有烘焙香氣的液體[19]。冷萃咖啡是近年來(lái)才新起的產(chǎn)業(yè)，卻呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長(zhǎng)，尤其受到年輕群體的喜愛(ài)[20]。冷萃咖啡著重突出的是品質(zhì)和健康，不斷受到消費(fèi)者的青睞[21]。于婷[22]對(duì)冷萃咖啡的烘焙度、粉碎度、料水比等關(guān)鍵工藝對(duì)其品質(zhì)的影響進(jìn)行了深入的研究，并得出了結(jié)論。唐文瀟等人[23]通過(guò)烘焙度的不同對(duì)比熱萃和冷萃的揮發(fā)性成分和抗氧化力的差異，最后得出烘焙度對(duì)冷萃咖啡揮發(fā)性成分和抗氧化力的影響大于熱萃咖啡。陳仲娜等人[24]對(duì)冷萃和熱萃咖啡的香氣成分展開(kāi)研究。Rao Ning Z等人[25]對(duì)冷萃咖啡的酸度和抗氧化性進(jìn)行研究。大部分研究者都是對(duì)熱萃和冷萃的品質(zhì)差異展開(kāi)研究。

烘焙、研磨、萃取是影響咖啡品質(zhì)的主要因素，蘇雨馨[26]對(duì)冷萃咖啡的萃取條件進(jìn)行了詳細(xì)深入的研究。但是，烘焙工藝對(duì)冷萃咖啡的特性影響還有待進(jìn)一步研究。以云南普洱阿拉比卡日曬豆為原料，對(duì)制備冷萃咖啡的烘焙工藝進(jìn)行優(yōu)化研究，利用單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)，得出最佳烘焙工藝參數(shù)，減少資源浪費(fèi)，為冷萃咖啡后續(xù)的發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

云南普洱阿拉比卡日曬咖啡生豆。

CBR-101 型熱風(fēng)式咖啡生豆烘焙機(jī)，韓國(guó)GENESIS 公司產(chǎn)品；KCG-17 型磨豆機(jī)，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(jī)，蘇州睿德電器有限公司產(chǎn)品；PAL-COFFEE（TDS）型咖啡濃度儀，愛(ài)宕科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 工藝流程

先將日曬豆放入烘焙機(jī)中進(jìn)行烘焙，將烘焙好的咖啡豆取出，放入研磨機(jī)中進(jìn)行研磨，按照料液比1∶12，將咖啡粉浸入到冷水中萃取16 h 后取出過(guò)濾，即得到冷萃咖啡。

1.2.2 冷萃咖啡感官評(píng)定

感官指標(biāo)評(píng)定：根據(jù)美國(guó)精品咖啡協(xié)會(huì)（SCAA）所制定的咖啡杯測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，由3～5 名杯測(cè)員組成感官評(píng)價(jià)小組，分別對(duì)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(diǎn)進(jìn)行評(píng)分，最后根據(jù)綜合評(píng)分判定咖啡的品質(zhì)。

杯測(cè)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 杯測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

1.2.3 單因素試驗(yàn)

（1）烘焙溫度的確定。將烘焙溫度設(shè)置為230，235，240，245，250 ℃，并控制烘焙時(shí)間為17 min，進(jìn)料量為120 g。研究不同烘焙溫度下冷萃咖啡的品質(zhì)，通過(guò)感官評(píng)分和萃取率的綜合評(píng)分進(jìn)行測(cè)定。

（2）烘焙時(shí)間的確定。將烘焙時(shí)間設(shè)置為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(shí)間下冷萃咖啡的品質(zhì)，通過(guò)感官分值和萃取率的綜合評(píng)分進(jìn)行測(cè)定。

（3）進(jìn)料量的確定。將進(jìn)料量設(shè)置為100，110，120，130，140 g，并控制烘焙溫度為240 ℃，烘焙時(shí)間為17 min。研究不同進(jìn)料量下冷萃咖啡的品質(zhì)，通過(guò)感官分值和萃取率的綜合評(píng)分進(jìn)行測(cè)定。

1.2.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

將單因素試驗(yàn)結(jié)果作為基礎(chǔ)，選取冷萃咖啡感官評(píng)定分值和萃取率最優(yōu)的三水平因數(shù)值，同樣將烘焙溫度（A）、烘焙時(shí)間（B）、進(jìn)料量（C）作為考查因素，利用Design Expert 軟件，以感官評(píng)定分值和萃取率的綜合評(píng)分為響應(yīng)值，進(jìn)行Box-behnken響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)試驗(yàn)所得的結(jié)果進(jìn)行分析，得到最優(yōu)烘焙工藝參數(shù)，并對(duì)所得工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

1.2.5 冷萃咖啡萃取率的計(jì)算

式中：W——咖啡液萃取率，%；

TDS——咖啡液質(zhì)量濃度，mg/mL；

m1——咖啡液的體積，mL；

m2——咖啡粉的質(zhì)量，g。

1.2.6 綜合評(píng)分的計(jì)算

式中：Y——綜合評(píng)分，分；

W1——感官分值，分；

W2——萃取率，%；

Wmax1——感官分值的最大值，分；

Wmax2——萃取率的最大值，%。

采用CRITIC 權(quán)重賦值法[27]，感官評(píng)定分值和萃取率的權(quán)重系數(shù)分別賦為0.6 和0.4。

1.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)利用Excel 和Design Expert 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素結(jié)果分析

2.1.1 烘焙溫度對(duì)冷萃咖啡品質(zhì)的影響

烘焙溫度對(duì)冷萃咖啡品質(zhì)的影響見(jiàn)表3。

表3 烘焙溫度對(duì)冷萃咖啡品質(zhì)的影響

由表3 可知，隨著烘焙溫度的升高，感官評(píng)分和綜合評(píng)分逐漸降低，感官評(píng)分由63 分降為39 分，綜合評(píng)分從0.999 4 分降為0.755 8 分，但萃取率的變化波動(dòng)不大。由此可知，冷萃咖啡更適合淺度烘焙，烘焙溫度對(duì)萃取率的影響不大，從綜合評(píng)分的變化可以得出最優(yōu)的三水平因素值為230，235，240 ℃。

2.1.2 烘焙時(shí)間對(duì)冷萃咖啡品質(zhì)的影響

烘焙時(shí)間對(duì)冷萃咖啡品質(zhì)的影響見(jiàn)表4。

表4 烘焙時(shí)間對(duì)冷萃咖啡品質(zhì)的影響

由表4 可知，隨著烘焙時(shí)間的延長(zhǎng)，感官評(píng)分和綜合評(píng)分先逐漸減小再增加，可能是由于烘焙的過(guò)程中時(shí)間把握不好，變化不規(guī)律，萃取率的變化波動(dòng)不大。由此可以得出，烘焙時(shí)間對(duì)萃取率的影響不大，從綜合評(píng)分的變化可以得出最優(yōu)的三水平因素值為15，16，18 min。

2.1.3 進(jìn)料量對(duì)冷萃咖啡品質(zhì)的影響

進(jìn)料量對(duì)冷萃咖啡品質(zhì)的影響見(jiàn)表5。

表5 進(jìn)料量對(duì)冷萃咖啡品質(zhì)的影響

由表5 可知，隨著烘焙量的增加，感官評(píng)分和綜合評(píng)分逐漸提高，但是萃取率的變化波動(dòng)不大。由此可以得出，進(jìn)料量對(duì)萃取率的影響不大，從綜合評(píng)分的變化可以得出最優(yōu)的三水平因素值為110，120，140 g。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

2.2.1 Box-behnken 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取最優(yōu)的三水平因素值，進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 響應(yīng)面回歸模型的建立

利用Design Expert 軟件，以烘焙溫度（A）、烘焙時(shí)間（B）、進(jìn)料量（C）為因素，咖啡液綜合評(píng)分（Y）為響應(yīng)值，得到三因素和響應(yīng)值之間的關(guān)系方程：

響應(yīng)面回歸模型方差分析見(jiàn)表7。

表7 響應(yīng)面回歸模型方差分析

由表7 可知，模型結(jié)果具有顯著性，（p＜0.05），R2=88.95%，說(shuō)明響應(yīng)值硬度的變化有88.95%來(lái)源于烘焙溫度、烘焙時(shí)間、進(jìn)料量，擬合程度好，誤差小。

2.2.3 響應(yīng)面各因素交互作用

利用Design Expert 軟件處理響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

烘焙溫度與烘焙時(shí)間對(duì)綜合評(píng)分的響應(yīng)面圖和等高線圖見(jiàn)圖1，烘焙溫度與進(jìn)料量對(duì)綜合評(píng)分的響應(yīng)面圖和等高線圖見(jiàn)圖2，烘焙時(shí)間與進(jìn)料量對(duì)綜合評(píng)分的響應(yīng)面圖和等高線圖見(jiàn)圖3。

圖1 烘焙溫度與烘焙時(shí)間對(duì)綜合評(píng)分的響應(yīng)面圖和等高線圖

圖2 烘焙溫度與進(jìn)料量對(duì)綜合評(píng)分的響應(yīng)面圖和等高線圖

圖3 烘焙時(shí)間與進(jìn)料量對(duì)綜合評(píng)分的響應(yīng)面圖和等高線圖

響應(yīng)面圖可以反映出響應(yīng)面的坡度越大，代表該因素對(duì)響應(yīng)值的影響越大，等高線圖可以反映出兩變量的交互作用是否顯著，圓形代表兩交互作用不顯著，橢圓形代表兩交互作用顯著[28]。由圖1～圖3 可知，烘焙溫度對(duì)咖啡品質(zhì)的影響最大，因?yàn)槠露茸疃福缓姹簳r(shí)間和進(jìn)料量對(duì)咖啡品質(zhì)的影響不大，因?yàn)槠露容^為平緩。通過(guò)Design Expert 分析計(jì)算得出最佳烘焙工藝為烘焙溫度234 ℃，烘焙時(shí)間15.5 min，進(jìn)料量136 g。

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

將單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合，確定了制備冷萃咖啡的最佳工藝參數(shù)為烘焙溫度為234 ℃，烘焙時(shí)間為15.5 min，進(jìn)料量為136 g。此時(shí)，咖啡液萃取率為13.54%，感官評(píng)分為66 分，在咖啡液最佳理論值區(qū)間內(nèi)。根據(jù)最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行3 次驗(yàn)證試驗(yàn)，3 次試驗(yàn)所測(cè)得的咖啡液萃取率平均值為13.52%，感官評(píng)定分值為65 分，與響應(yīng)面試驗(yàn)值接近，說(shuō)明該參數(shù)準(zhǔn)確。

3 結(jié)論

以云南普洱阿拉比卡日曬咖啡豆為原料制備冷萃咖啡，主要是對(duì)其中的烘焙工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，利用感官評(píng)分和綜合評(píng)分得出烘焙溫度、烘焙時(shí)間、進(jìn)料量的最優(yōu)三水平因素值，烘焙溫度選取230，235，240 ℃；烘焙時(shí)間選取15，16，18 min；進(jìn)料量選取110，120，140 g。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)Design Expert 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化烘焙工藝，得到最佳的烘焙工藝參數(shù)為烘焙溫度234 ℃，烘焙時(shí)間15.5 min，進(jìn)料量136 g，咖啡液萃取率為13.54%，感官評(píng)分為66 分。根據(jù)最佳烘焙工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，實(shí)際測(cè)得咖啡液萃取率平均值為13.52%，感官評(píng)分的平均值為65 分，與響應(yīng)面試驗(yàn)值接近，說(shuō)明該參數(shù)準(zhǔn)確。