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(shù)、烘焙過(guò)程中不同烘焙程度對(duì)咖啡風(fēng)味品質(zhì)的影響，以及咖啡烘焙產(chǎn)生的香氣成分與檢測(cè)等方面闡述國(guó)內(nèi)外咖啡烘焙機(jī)裝備研究進(jìn)展，重點(diǎn)分析半直火半熱風(fēng)式烘焙工藝在咖啡烘焙生產(chǎn)中的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)對(duì)咖啡烘焙過(guò)程中揮發(fā)性物質(zhì)的進(jìn)一步分析，指出優(yōu)化咖啡烘焙設(shè)備以提升咖啡豆風(fēng)味品質(zhì)的趨勢(shì)及應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 咖啡;烘焙;香氣成分;工藝;檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào) TS 273? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 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，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 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(xiàng)目 福建省教育廳中青年教師教育科研項(xiàng)目（JAT200104）;福建農(nóng)林大學(xué)橫向研發(fā)項(xiàng)目（KH190078A）;福建農(nóng)林大學(xué)科技發(fā)展基金項(xiàng)目（KFA20104A）。

作者簡(jiǎn)介 楊琪 （1995—），女，甘肅慶陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化。通信作者，高級(jí)工程師，博士，從事農(nóng)業(yè)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(chēng)為世界三大飲料[2]?？Х仍a(chǎn)地為埃塞俄比亞，集中分布在南、北回歸線之間[3]。就生產(chǎn)量和消費(fèi)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(chǎn)品[4]?？Х榷沟娜笃贩N分別是阿拉比卡、羅布斯特和利比里亞，以果實(shí)的大小區(qū)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(jīng)濟(jì)價(jià)值[5]?？Х染哂袧夂耧枬M的風(fēng)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(yù)防結(jié)腸癌、肝病、二型糖尿病、腎病和結(jié)腸癌等許多慢性病[7]。咖啡獨(dú)特風(fēng)味的發(fā)展流行和全球吸引力，使其成為目前最受歡迎和消費(fèi)人數(shù)較多的飲料之一。此外，咖啡也具有重要的歷史、文化、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)重要性和深遠(yuǎn)影響[8]。

咖啡是全球最重要的熱帶商品，約占熱帶產(chǎn)品出口總額的一半。世界最大的咖啡進(jìn)口組織是歐盟，占全球進(jìn)口量的66%，其次是美國(guó)（24%）和日本（7%）[9]。我國(guó)的咖啡種植區(qū)域主要集中在云南、海南和臺(tái)灣。云南省因其獨(dú)特的緯度、海拔、光熱等條件，已成為我國(guó)最大的小粒咖啡種植基地[10]。近年來(lái)，我國(guó)咖啡消費(fèi)量市場(chǎng)年增長(zhǎng)速度為10%～15%。云南省的德宏、保山、臨滄、普洱為國(guó)內(nèi)小粒種咖啡的主要種植區(qū)，種植面積和產(chǎn)量占全國(guó)98%以上[11]?？Х葘?duì)健康有很多益處，隨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(duì)其風(fēng)味品質(zhì)的要求也越來(lái)越高[12]?？Х仍谖覈?guó)飲料市場(chǎng)中快速崛起，“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(chǎng)合，人們都可以品嘗咖啡帶來(lái)的味覺(jué)盛宴，咖啡已經(jīng)逐漸與時(shí)尚、現(xiàn)代生活緊密聯(lián)系在一起[13]。

1 咖啡烘焙工藝分析

咖啡生豆必須經(jīng)過(guò)烘焙才能產(chǎn)生出咖啡的色、香、味[14]。咖啡的香氣、風(fēng)味、品味等品質(zhì)指標(biāo)絕大多數(shù)取決于咖啡的焙炒過(guò)程，焙炒過(guò)程是影響咖啡風(fēng)味品質(zhì)的決定性環(huán)節(jié)[15]。烘焙條件如烘焙溫度的高低和烘焙時(shí)間的長(zhǎng)短等是咖啡的香氣、色澤和口感等品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)[16]。就目前而言，國(guó)內(nèi)對(duì)咖啡烘焙技術(shù)的研究主要集中在烘焙過(guò)程中揮發(fā)性氣體成分的變化和溫度曲線變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，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(shí)間長(zhǎng)度，其咖啡因含量平均在1.45%左右，與烘焙時(shí)間長(zhǎng)短相關(guān)性不大[17]。研究表明，咖啡烘焙過(guò)程中烘焙溫度以及烘焙時(shí)間是烘焙程度的決定性因素，對(duì)咖啡揮發(fā)性氣體成分的產(chǎn)生及變化規(guī)律進(jìn)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(shí)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(dāng)然影響較大的因素是烘焙時(shí)間和烘焙溫度?？Х壬菇?jīng)過(guò)烘焙，會(huì)釋放出咖啡中所含的特殊香氣成分，在烘焙過(guò)程中，生豆經(jīng)過(guò)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(zhì)逐漸釋放出來(lái)[20]?？Х群姹憾葹槊朗叫g(shù)語(yǔ)，而不同地區(qū)對(duì)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(xiàn)的風(fēng)味[21]。

2 咖啡烘焙工藝與香氣成分

生咖啡豆本沒(méi)有香氣，咖啡豆在180～220 ℃進(jìn)行烘焙后，生咖啡豆的顏色轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色，再變成淺褐色，最后變成油狀深棕色[22]。脂肪、蛋白質(zhì)和游離氨基酸是咖啡質(zhì)量的重要成分，它們通過(guò)關(guān)鍵的Strecker和Maillard反應(yīng)在烘烤過(guò)程中形成咖啡香氣和風(fēng)味的前體物質(zhì)，同時(shí)有機(jī)酸和綠原酸等物質(zhì)含量也會(huì)隨著咖啡的烘焙發(fā)生相應(yīng)變化[23]。

經(jīng)過(guò)烘焙后咖啡的香氣風(fēng)味形成由兩部分組成，分別為揮發(fā)性氣體風(fēng)味成分組和呈味成分組。揮發(fā)性氣體物質(zhì)決定了咖啡的香氣成分，而非揮發(fā)性氣體物質(zhì)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(fā)性物質(zhì)的種類(lèi)和含量均不相同[25]。研究不同的烘焙條件，如烘焙過(guò)程中的時(shí)間和溫度對(duì)咖啡烘焙揮發(fā)性氣體物質(zhì)的影響，結(jié)果表明，可以利用咖啡揮發(fā)性香氣物質(zhì)的變化規(guī)律反過(guò)來(lái)引導(dǎo)咖啡焙炒的過(guò)程，通過(guò)對(duì)咖啡揮發(fā)性氣體成分的分類(lèi)及規(guī)律分析，可以對(duì)咖啡焙炒的程度進(jìn)行判斷，同時(shí)研究得出云南小?？Х仍谥卸群姹簳r(shí)可以較完整地體現(xiàn)其特征[26]。研究發(fā)現(xiàn)，SPME- GC - MS結(jié)合電子鼻技術(shù)對(duì)不同烘焙程度咖啡的揮發(fā)性香氣成分進(jìn)行檢測(cè)時(shí)[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(guān)系，可作為咖啡烘焙程度的區(qū)分使用，為實(shí)現(xiàn)一些特定揮發(fā)性香氣咖啡的工藝提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持[28]。

2.1 香氣提取方法

在分析咖啡烘焙程度不同對(duì)咖啡風(fēng)味品質(zhì)的影響時(shí)，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(zhì)譜聯(lián)用（HS-SPME/GC-MS）等方法結(jié)合電子鼻對(duì)不同烘焙度咖啡豆的揮發(fā)性成分進(jìn)行測(cè)定和分析[30];對(duì)于烘焙條件對(duì)咖啡豆蛋白質(zhì)、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(jiàn)分光光度法、索氏抽提法和滴定管法等方法分析檢測(cè)[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(duì)不同種類(lèi)化合物的吸附能力是不同的，吸附到的揮發(fā)性成分的種類(lèi)和含量也不同，可以相應(yīng)地應(yīng)用在不同的研究領(lǐng)域[31]。目前共檢測(cè)到咖啡香氣成分1 000余種，其中對(duì)咖啡風(fēng)味品質(zhì)有著比較明顯影響的約有20種。香氣成分中雜環(huán)類(lèi)化合物約有300種，這其中包括吡嗪類(lèi)、吡咯類(lèi)、噻唑類(lèi)、噻吩類(lèi)、呋喃類(lèi)和咪唑類(lèi)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(fā)性物質(zhì)成分不同，含量不同[33]。在咖啡烘焙的過(guò)程中，咖啡豆揮發(fā)性物質(zhì)中的吡啶類(lèi)、嘧啶類(lèi)、內(nèi)酯類(lèi)、類(lèi)酸物質(zhì)隨著烘焙程度的增加其含量不斷增加，吡嗪類(lèi)、醛類(lèi)、呋喃類(lèi)、酮類(lèi)物質(zhì)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(lèi)、醇類(lèi)、烯類(lèi)、吡唑類(lèi)、酯類(lèi)、其他類(lèi)物質(zhì)隨著烘焙程度的增加其含量先增加而后趨于穩(wěn)定[34]。

淺度烘焙中吡嗪類(lèi)、醇類(lèi)、烯類(lèi)和酮類(lèi)含量較高;中度烘焙中呋喃類(lèi)、酚類(lèi)、吡咯類(lèi)、含硫類(lèi)含量較高;深度烘焙中醛類(lèi)、酯類(lèi)、吡啶類(lèi)、雜環(huán)類(lèi)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(fēng)味濃郁香醇;淺度烘焙最少，整體香氣較淡[36]。同時(shí)咖啡豆的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也隨著烘焙強(qiáng)度的增強(qiáng)而發(fā)生變化，使其孔徑不斷增大，更有利于揮發(fā)性物質(zhì)的揮發(fā)[37]。

2.3 咖啡焙炒程度對(duì)咖啡豆風(fēng)味成分的影響

在焙炒過(guò)程中，隨著焙炒時(shí)間的逐漸增加，咖啡豆的質(zhì)量反而逐漸減少。焙炒后的咖啡豆質(zhì)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(zhì)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(fēng)味成分的變化范圍：蛋白質(zhì)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(jī)導(dǎo)熱方式的差異性可以將烘焙工藝的方式分類(lèi)為直火式烘焙、熱風(fēng)式烘焙、半直火半熱風(fēng)式烘焙、微波烘焙等。不同的烘焙技術(shù)對(duì)咖啡風(fēng)味品質(zhì)的影響不同。

3.1 直火式烘焙

直火式烘焙就是對(duì)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(shí)間較長(zhǎng)，使得焦糖化反應(yīng)比較充分，味道比較豐富。但同時(shí)烘焙桶內(nèi)溫度調(diào)整難度大，烘焙過(guò)程易發(fā)生烘焙不均勻現(xiàn)象;較難控制烘焙過(guò)程中的火候，易使得咖啡豆燒焦產(chǎn)生焦苦味，在生產(chǎn)中較少使用。

3.2 熱風(fēng)式烘焙

熱風(fēng)式烘焙能夠在較短時(shí)間內(nèi)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(duì)能源的利用率較高。在全熱風(fēng)烘焙過(guò)程中，咖啡豆均虛浮在對(duì)流的熱風(fēng)中，傳熱方便具有較高的均勻性，不容易發(fā)生咖啡豆過(guò)度烘焙或者破裂的現(xiàn)象[41]。其缺點(diǎn)就是不容易控制咖啡豆的烘焙程度，對(duì)于高品質(zhì)的咖啡豆的烘焙來(lái)說(shuō)，很難達(dá)到相應(yīng)的要求。由于加熱的效率高，會(huì)導(dǎo)致溫度升高的速度較快，容易發(fā)生烘焙后咖啡豆夾生的情況，而且溫度升得過(guò)高，會(huì)使得烘焙過(guò)程中咖啡豆的焦糖化反應(yīng)相對(duì)不夠充分，而且烘焙機(jī)需要充足的預(yù)熱時(shí)間。熱風(fēng)式烘焙機(jī)機(jī)身相對(duì)較大，適合使用在工業(yè)化生產(chǎn)中[42]。

3.3 半直火半熱風(fēng)式烘焙 半直火半熱風(fēng)式烘焙兼?zhèn)錈犸L(fēng)式和直火式的優(yōu)點(diǎn)，火力穩(wěn)定，使得咖啡生豆內(nèi)外部組織受熱均勻，不同烘焙程度的烘焙都可以實(shí)現(xiàn)，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(jī)型更容易控制把握，即使是沒(méi)有烘焙經(jīng)驗(yàn)的咖啡烘焙者也可以烘焙出自己想要的咖啡風(fēng)味[43]。半直火式烘焙機(jī)微調(diào)便利，機(jī)型的設(shè)計(jì)布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊，各種大小的機(jī)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(xiàn)，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(jié)能環(huán)保[44]、烘焙均勻度好，避免了局部焦黑現(xiàn)象，與傳統(tǒng)電熱烘焙工藝技術(shù)相比具有烘焙效率較高、烘焙前無(wú)需預(yù)熱過(guò)程、時(shí)間成本低且耗能低的優(yōu)勢(shì)[45]。微波烘焙主要是利用微波輻射對(duì)咖啡豆進(jìn)行整體性加熱，在很短的時(shí)間就可以達(dá)到所需的烘焙溫度;同時(shí)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(yíng)養(yǎng)組分及所需的色香味，能夠減少咖啡豆收縮損失;微波技術(shù)也具有突出的節(jié)能效果。但是微波加熱的缺點(diǎn)是烘焙不均勻，易使得咖啡豆發(fā)生邊緣或局部焦化的現(xiàn)象，溫度過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致咖啡豆產(chǎn)生焦糊味甚至香氣品質(zhì)的進(jìn)一步惡化，使得咖啡豆品質(zhì)降低，咖啡豆的質(zhì)量也因?yàn)榧訜釙r(shí)的不均勻性而有所降低[46]。在微波加熱的過(guò)程中，咖啡豆的香氣風(fēng)味也會(huì)出現(xiàn)某些變異，這是由于各種揮發(fā)性氣體成分的不均衡性揮發(fā)導(dǎo)致的，從而影響咖啡豆的風(fēng)味品質(zhì)[47]。

4 結(jié)論與展望

該研究歸納了咖啡烘焙技術(shù)中使用到的幾種典型方法，分析了咖啡不同烘焙程度對(duì)咖啡豆風(fēng)味品質(zhì)的影響，結(jié)果表明目前使用前景最廣闊的是半直火半熱風(fēng)式烘焙技術(shù)。通過(guò)熱脫附法、SPME等方法對(duì)咖啡香氣成分進(jìn)行提取，使用頂空固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（HS-SPME-GC-MS）等方法進(jìn)行測(cè)定和分析，發(fā)現(xiàn)烘焙程度不同時(shí)咖啡所含主要香氣成分不同，進(jìn)而導(dǎo)致咖啡豆風(fēng)味品質(zhì)不同。隨著咖啡的普及和工藝的發(fā)展，在對(duì)現(xiàn)有的咖啡烘焙工藝技術(shù)的掌握和思考的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)優(yōu)化咖啡烘焙工藝（如半直火半熱風(fēng)式烘焙等技術(shù)），更好地改善咖啡烘焙機(jī)的性能，從而提高咖啡豆的烘焙質(zhì)量，也可以通過(guò)精準(zhǔn)把控烘焙時(shí)間、溫度等條件使咖啡的風(fēng)味品質(zhì)得到進(jìn)一步的提升。

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