咖啡豆紅外噴動床干燥對其粉末物性品質、干燥能耗及揮發性成分的影響

余祖艷,任廣躍,2*,許韓山,段續,2,李琳琳,岳燕霞,樊小靜,王喆

1(河南科技大學 食品與生物工程學院,河南 洛陽,471000)2(糧食儲藏安全河南省協同創新中心,河南 鄭州,450001) 3(杭州市臨平區質量計量監測中心,浙江 杭州,311199)4(漯河食品職業學院 食品工程系,河南 漯河,462300)

咖啡為茜草科、熱帶或亞熱帶植物,主要產地為巴西、哥倫比亞、埃塞俄比亞等,是世界三大暢銷飲料之一[1]?？Х染哂歇毺卮己竦南阄?富含脂肪、蛋白質、氨基酸、咖啡因、葫蘆巴堿、綠原酸等多種成分[2],飲用咖啡具有提神醒腦、解酒利尿、抗菌抗癌抗氧化、提高機體免疫力、延緩衰老、預防心血管疾病等功效[3-4],因此受到廣大消費者的追捧與喜愛?？Х瓤僧a生近1 000種揮發性化合物,其風味形成極其復雜,研究表明影響咖啡風味的香氣化合物主要有20余種。

新鮮采摘的咖啡豆含水量高,極易發酵、腐敗變質,嚴重影響風味品質及商業價值,干燥能很好地解決這一問題,并延長咖啡豆的貯藏時間,因此探究咖啡豆的干燥方法尤為重要。目前,咖啡豆常用的干燥方式有日曬干燥、熱風干燥(hot-air drying, HD)、紅外干燥(infrared drying, ID)、熱泵干燥、微波干燥以及聯合干燥技術等。DONZELES等[5]研發出一種將固定床干燥、自然對流干燥和太陽能干燥相結合的新型干燥系統,結果表明,與其他傳統干燥方式相比,此新型干燥方式能源效率高,干燥時間縮短,可被應用于咖啡加工生產中。陳治華等[6]利用機械熱風對咖啡豆進行干燥,發現此干燥方式具有效率高、成本低等優勢,但也存在能耗高、品質無法保證的局限性。董文江等[7]研究了熱泵干燥溫度對咖啡豆活性成分及揮發性成分的影響,結果表明,脂肪含量在55 ℃時最高,溫度升高咖啡因含量增加而葫蘆巴堿含量不變,并檢測出61種揮發性化合物。胡榮鎖等[8]基于電子舌技術和統計學分析研究半熱風半自然干燥、HD、日曬干燥對咖啡風味的影響,發現半熱風半自然干燥和自然干燥下的咖啡風味相近,而HD對咖啡風味影響較大。然而,目前咖啡豆的干燥仍采用單一的干燥方式居多,聯合干燥方式較少,紅外噴動床干燥咖啡豆更是鮮有研究。

紅外輻射干燥因具有熱效應好、干燥效率高、產品質量佳等優點被廣泛用于糧油、果蔬等農產品的干燥,但該技術存在成本高、多層物料干燥不均勻等缺點。噴動床干燥可以在物料顆粒干燥過程中提供氣動攪拌,這種攪動通過在顆粒表面重建邊界層來促進熱量傳遞,同時使物料在床體內做噴泉式往復運動,實現了物料與熱空氣在床體內有規律的間歇接觸[9]。噴動床干燥設備結構簡單易操作、干燥均勻性好、傳熱傳質速率高[10]。將二者相結合即紅外噴動床干燥(infrared assisted spouted bed drying,IR-SBD),不僅解決了成本高、干燥不均勻等問題,還有利于縮短干燥時間,降低能耗,保持產品品質[11],是一種具有廣闊前景的食品干燥技術。ALIZEHI等[12]采用紅外輻射和噴動床聯合干燥胡蘿卜,使得胡蘿卜具有比普通干燥方法更好的感官特性,熱空氣和紅外輻射的結合產生了協同效應,產生比單獨ID或對流更有效的干燥。段續等[13]研究了IR-SBD進口溫度和風速對玫瑰花瓣干燥特性的影響,結果表明干燥速率和干燥時間受進口溫度和風速的影響較大,為IR-SBD的應用提供了參考。LI等[14]利用IR-SBD對山藥進行干燥并確定最佳干燥條件為干燥溫度40 ℃,流速22 m/s,發現提高干燥溫度和流速有利于縮短干燥時間。

目前國內外對咖啡豆的研究主要集中在咖啡烘焙豆的風味成分和活性物質方面,對咖啡豆的干燥方面研究較少,使用IR-SBD對咖啡豆進行干燥的研究尚未見報道。本文采用新鮮咖啡漿果,通過濕法加工[15]處理,得到新鮮的咖啡豆,利用IR-SBD進行干燥,探討不同進口溫度和進口風速對咖啡粉色澤、堆積密度、休止角、得粉率、持水能力和水溶性指數、干燥能耗、微觀結構及揮發性成分的影響,以節能保質為目標,開發咖啡豆干燥最佳工藝參數,提高咖啡豆的商用價值,為相關研究提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

咖啡鮮果采摘于云南普洱市大開河村林潤咖啡莊園,屬于小粒種卡蒂姆咖啡。紅外噴動床干燥前咖啡豆的初始含水率為(59.78±0.13)%(以濕基計)。2-辛醇、正構烷烴標準品,上海阿拉丁生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

試驗用紅外噴動床由實驗室自制,設備原理如圖1所示。BCD-565WT/B型電冰箱,北京海信電器有限公司;JA2003N型電子分析天平,上海佑科儀器儀表有限公司;HH-S4型電熱恒溫水浴鍋,北京科偉永興儀器有限公司;TG16-WS型高速離心機,湖南湘儀離心機儀器有限公司;101型電熱恒溫鼓風干燥箱,北京市永光明醫療器械公司;XT-I5 D-110型色差儀,美國愛色麗公司;TM3030Plus型臺式掃描電鏡,日本日立高新技術公司;OX-C949型不銹鋼高速多功能粉碎機,武義海納電器有限公司;TSQ9000型氣相色譜-三重四級桿串聯質譜儀,賽默飛世爾科技公司;2 cm-50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭、固相微萃取手動進樣柄,美國Supelco公司。

1-旋風分離器;2-噴動床干燥箱;3-風速傳感器;4-出料口; 5-加熱罐;6-風機;7-控制系統;8-溫度傳感器; 9-紅外輻射板;10-觀察窗

1.3 試驗方法

1.3.1 干燥處理

1)樣品前處理:挑選紅潤、無霉爛、無蟲害、大小均勻的咖啡鮮果,采用濕法加工方式進行處理,具體工藝如下:

鮮果→除雜→分級→青果分離→脫皮→脫膠→清洗→浸泡→濾水

2)IR-SBD:干燥開始前,通過控制系統調節紅外輻射板溫度,使噴動床內部達到設定試驗溫度。每組取200 g咖啡豆,打開噴動倉頂蓋將咖啡豆放入噴動床內,調節變頻器,使風速達到設定試驗值。將咖啡豆放入紅外噴動床中開始計時,每隔20 min從噴動床下方的出料口取出快速稱量后放回,記錄此數據,干燥至其含水量在(11±1)%時停止試驗。每組試驗平行重復3次。在前期預實驗的基礎上,將干燥過程中進口溫度設定為45、55、65、75、85 ℃,進口風速通過調節變頻風機頻率,分別調節為7.5、8.5、9.5 m/s(表1)。

表1 試驗設計及參數Table 1 Design and parameters of experiments

3)磨粉:在溫度為25 ℃,濕度為51%的實驗室環境下,利用高速多功能粉碎機將干燥好的咖啡豆進行粉碎,粉碎功率為1 200 W,粉碎頻率為50 Hz,粉碎總時長為6 min(共粉碎4次,每次1.5 min,中間間隔10 min),粉碎溫度為28 ℃,過40目篩,置于錫箔紙袋中,密封,低溫保存備用。

1.3.2 水分含量的測定

咖啡豆的水分含量采用GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》進行測定。干燥過程中水分含量都用濕基表示,重復3次取平均值。按公式(1)計算:

(1)

式中:ωt,任意干燥t時刻樣品濕基含水率,%;ω,樣品初始濕基含水率, %;mt,任意干燥t時刻的質量,g;m,樣品初始質量,g。

1.3.3 色澤的測定

利用色差儀進行測定,以儀器白板為標準,測量咖啡粉的色澤(L*為明暗指數;a*為紅綠值;b*為黃藍值),每組隨機測3次取平均值。

1.3.4 堆積密度的測定

參考符群等[16]的方法,將咖啡粉裝于10 mL干燥潔凈的量筒內,填充至10 mL刻度處,振實。稱量咖啡粉的質量,重復3次取平均值。堆積密度按公式(2)計算:

(2)

式中:ρb,堆積密度,g/mL;m1,咖啡粉和量筒的總質量,g;m0,量筒的質量,g。

1.3.5 休止角的測定

參考ZHANG等[17]的方法并加以改動,將坐標紙平鋪在桌面上,鐵架臺放在坐標紙內,鐵架臺上的漏斗末端與坐標紙距離2 cm,咖啡粉經漏斗自由落下形成圓錐體,直至圓錐錐尖與漏斗口接觸,測定坐標紙上圓錐體的高度(H)和半徑(R),用反切函數計算圓錐體表面和水平面的夾角即為休止角,重復3次取平均值。休止角(α)按公式(3)計算:

(3)

1.3.6 得粉率的測定

參考張麗華等[18]的方法,咖啡豆干燥前的質量(m0)與粉碎后的質量(m1)的比率作為計算依據,重復3次取平均值。得粉率按公式(4)計算:

(4)

式中:W,得粉率,%;m0,干燥前的質量,g;m1,干燥粉碎后的質量,g。

1.3.7 持水能力和水溶性指數的測定

1)持水能力:參考ZHANG等[17]的方法并加以改動。稱取0.05 g咖啡粉放入干燥潔凈的離心管中,先加入5 mL的蒸餾水搖勻,再加入5 mL蒸餾水使其充分溶解,然后將其置于80 ℃恒溫水浴鍋中水浴20 min,取出冷卻至室溫,于5 000 r/min下離心30 min,倒出上清液備用,稱量離心管和沉淀物的質量并記錄此數據,重復3次取平均值。持水能力按公式(5)計算:

(5)

式中:Q,持水能力,g/g;m2,離心管和沉淀物的質量,g;m1,離心管質量,g;m,咖啡粉的質量,g。

2)水溶性指數:取備用的上清液放入預先稱量好恒重的培養皿中,并將其放入105 ℃熱風干燥箱烘干至恒重,稱量培養皿及殘渣的質量并記錄此數據,重復3次取平均值。水溶性指數按公式(6)計算:

(6)

式中:N,水溶性指數,%;X2,培養皿及殘渣的質量,g;X1,培養皿的質量,g;m,咖啡粉的質量,g。

1.3.8 干燥能耗的測定

以干燥結束與干燥開始電表的讀數差作為干燥過程所消耗的電量,耗電量通過紅外噴動床電表直接讀取,單位為kW·h。干燥能耗以1 g水分的能耗(kJ)計算,干燥過程的總脫水量和干燥能耗參考張迎敏等[19]的方法,按公式(7)、公式(8)計算:

(7)

(8)

式中:m1,脫水質量,g;m0,干燥終點樣品質量,g;C1,初始濕基水分含量,%;C2,最終濕基水分含量,%;W,干燥能耗,kJ/g;P,功率,kW;t,時間,h。

1.3.9 微觀結構的測定

為了更清楚地觀察咖啡粉的形態結構,先將咖啡粉進行10 nm厚度的噴金處理,然后將咖啡粉粘到樣品臺的導電膠上,放入掃描電鏡下觀察其形態結構,放大倍數為5 000倍。

1.3.10 揮發性成分的測定

采用頂空固相微萃取-氣相色譜質譜聯用(headspace solid-phase microextraction coupled to gas chromatography-mass spectrometry,HS-SPME/GC-MS)對揮發性成分進行測定,參考張豐等[20]的方法,并稍作改動。

HS-SPME條件:首先稱取1.5 g咖啡樣品放入20 mL頂空瓶中,加入50 μL 100 mg/L的2-辛醇溶液作為內標,用螺旋蓋密封頂空瓶并將其置于60 ℃恒溫水浴鍋中平衡30 min,待平衡完成后,再將老化完全的固相萃取纖維頭插入頂空瓶內萃取30 min,最后取出固相萃取頭立即插入GC-MS進樣口(250 ℃)中解析5 min進樣分析,每組樣品測3次。

色譜條件:色譜柱為HP-5毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);升溫程序:設置初始柱溫40 ℃,保持2 min,然后以3 ℃/min升至130 ℃,保持2 min,最后以4 ℃/min升至250 ℃,保持5 min;載氣為氦氣,流速為1 ml/min。

質譜條件:離子源、MS傳輸線溫度為250 ℃且采用不分流模式;掃描范圍35～500 amu。

1.4 數據處理

采用Excel 2021進行試驗數據處理,Origin 2021進行繪圖,SPSS 20.0進行顯著性分析(P<0.05)。通過與質譜庫(NIST11)對照,選擇匹配度大于80%的化合物,并根據正構烷烴標準品的保留時間計算保留指數,同時與文獻對比[21-22]進行定性分析,基于2-辛醇內標含量對樣品中揮發性化合物含量換算進行定量分析,每組樣品測3次取平均值。

2 結果與分析

2.1 色澤

色澤是樣品外觀品質的直觀反映,影響食品的商業價值和消費者的接受度,是干燥工藝優化的重要評價指標[23]。酶促褐變、非酶促褐變及物料本身色素降解是引起干燥色變的主要原因[24]。不同干燥條件對咖啡粉色澤影響如表2所示,不同進口溫度及進口風速下的L*、a*、b*值均存在顯著性差異(P<0.05)。當進口溫度為65 ℃,進口風速為7.5 m/s時L*值最大,分別為105.96和106.59,色澤最明亮;L*值隨進口溫度升高先減小后增大,隨進口風速升高而減小,與鮮樣的L*值差別較大;a*、b*值隨進口溫度升高先減小后增大,隨進口風速升高而增大。說明進口溫度的升高促使咖啡豆表面升溫較快、色澤加深?？赡苁巧匚镔|降解、美拉德反應及焦糖化反應引起的褐變導致的。程可等[24]發現微波功率越大,咖啡豆表面升溫越快,從而導致色澤逐漸加深,與本試驗結果一致。

表2 不同干燥條件下咖啡粉的色澤Table 2 Color of coffee beans powder under different drying conditions

2.2 堆積密度、休止角和得粉率

堆積密度對咖啡豆包裝與運輸成本具有重大影響,堆積密度越大包裝運輸成本越小。由表3可知,不同進口溫度及進口風速下堆積密度從大到小依次為:75 ℃>65 ℃>55 ℃>85 ℃>45 ℃;9.5 m/s>8.5 m/s>7.5 m/s。對于同一種物質,堆積密度越大,說明顆粒與顆粒間的空隙越小。當進口溫度為75 ℃,進口風速為9.5 m/s時,堆積密度達到最大值分別為0.65、0.63 g/mL,在此干燥條件下咖啡豆的包裝運輸成本較低?？赡苁沁M口溫度、進口風速越大造成物料粒徑越小,從而使顆粒間的空隙減小,進而促使堆積密度變大。

粉末的流動性通常用休止角來進行表征,休止角越小,流動性越好。分析表3中結果可知,不同進口溫度及進口風速下休止角從大到小依次為:45 ℃>65 ℃>55 ℃>75 ℃>85 ℃;9.5 m/s>7.5 m/s>8.5 m/s。當進口溫度為75、85 ℃時休止角差異不顯著(P>0.05),且達到較小值分別為36.87°和36.5°;當進口風速為7.5、8.5 m/s時休止角差異不顯著(P>0.05),且達到較小值分別為39.01°和38.07°。休止角隨進口溫度的升高而減小,隨進口風速的升高先減小后增大,說明進口溫度越高粉末流動性越好,而適中的進口風速有利于提高咖啡粉末的流動性。這可能是由于不同干燥條件及物料顆粒間的作用力不同而導致的,溫度越高,水分散失越快,咖啡豆的組織結構發生形變,粉碎后的顆粒較小,流動性越好,而休止角越小。ZHANG等[17]研究發現,顆粒越小,香菇粉末的流動性越好;任愛清等[25]研究發現,不同干燥方式加工所得黑木耳粉平均粒徑大小依次為:熱風>熱泵>真空微波>真空冷凍,流動性與粒徑呈相反趨勢。本試驗結果與ZHANG等[17]、任愛清等[25]研究結果一致。

表3中不同進口溫度及進口風速下得粉率從大到小依次為:75 ℃>85 ℃>65 ℃>55 ℃>45 ℃;7.5 m/s>9.5 m/s>8.5 m/s。當進口溫度為75、85 ℃時得粉率差異不顯著(P>0.05),且達到較大值分別為43.43%和43.28%;當進口風速為7.5 m/s時得粉率最高,為40.39%。得粉率隨進口溫度的升高而增加,隨進口風速的升高而降低?？赡苁沁M口溫度越低,干燥速率越慢,干燥時間越長,導致水分及揮發性物質分離較為徹底,咖啡豆得粉率較低。符群等[16]發現不同干燥方式處理的黑果腺肋花楸果實得粉率有所不同,利用噴霧干燥處理的果粉得率遠低于真空冷凍干燥和HD處理的果粉得率,判斷其原因是噴霧干燥蒸發量大導致水分及揮發性物質分離較為徹底,進而得粉率較低,與本試驗結果一致。

表3 不同干燥條件下咖啡粉的物理特性Table 3 Physical properties of coffee beans powder under different drying conditions

2.3 持水能力和水溶性指數

不同干燥條件下咖啡粉的持水能力和水溶性指數如表4所示,不同進口溫度及進口風速下咖啡粉持水能力無顯著性差異(P>0.05)。

表4 不同干燥條件下咖啡粉的持水能力和水溶性指數Table 4 Water holding capacity and water solubility index of coffee beans powder under different drying conditions

進口溫度為45 ℃時水溶性指數最高,為50.27%,而85 ℃時水溶性指數最低,為30.8%,表明低溫干燥有利于提升咖啡粉的水溶性。不同進口風速對咖啡粉水溶性指數影響顯著(P<0.05)。進口風速為7.5 m/s時水溶性指數最高,為41.27%,而9.5 m/s時水溶性指數最低,為25.73%。

持水能力和水溶性指數的大小與咖啡粉顆粒內部結構狀態有關,且隨進口溫度及進口風速的升高而降低,低進口溫度和低進口風速對咖啡豆內部結構破壞較小,形成的多孔結構使咖啡粉顆粒遇水時其內部羥基與水分子結合緊密,能更好地固定水分子,因而吸附水能力及水溶性較好。而當進口溫度、進口風速較高時,咖啡豆表面急劇脫水,組織結構遭到破壞,表面凹凸不平有裂紋,吸附水能力及水溶性較差。

2.4 干燥能耗

干燥作為工業生產中的高耗能環節之一,約占工業總耗能的7%～15%,而綠色節能的干燥方式不僅節約了生產成本,更能滿足市場的需求,因此在評價干燥工藝時,將能耗作為最重要的參考指標顯得尤為重要。不同干燥條件下的干燥能耗如圖2所示。

a-進口溫度;b-進口風速

不同進口溫度及進口風速下干燥能耗從大到小依次為:45 ℃>55 ℃>65 ℃>75 ℃>85 ℃;7.5 m/s>8.5 m/s>9.5 m/s。在進口溫度為85 ℃時干燥能耗取得最小值327.36 kJ/g,且與75 ℃(336.53 kJ/g)干燥能耗差異不顯著(P>0.05);在進口風速為9.5 m/s時干燥能耗最小,為363.09 kJ/g。干燥能耗隨進口溫度、進口風速的升高而逐漸降低,因為進口溫度升高,干燥用時縮短,促使干燥能耗降低;進口風速升高,咖啡豆在干燥箱內噴動更加劇烈,干燥速率提升,干燥能耗降低。徐一銘等[26]利用IR-SBD對香菇進行干燥,發現提高進口溫度和進口風速能加快干燥速率、縮短干燥時間、降低單位能耗,得出在最佳工藝(進口溫度 55 ℃、進口風速 8.0 m/s)下能耗最小值為98.74 kJ/g。ZHU等[27]采用HD、ID及IR-SBD對帶殼花生進行干燥處理,發現HD 能耗為13.3 kW·h,ID能耗為11.5 kW·h,而IR-SBD能耗最低,僅為7.2 kW·h。由此得出,IR-SBD是一種高效節能的干燥方式,使用其干燥物料時,可通過提高進口溫度及進口風速來降低能耗,增加產品經濟效益。

2.5 微觀結構

不同干燥條件下咖啡粉微觀結構如圖3所示。微觀結構受進口溫度和進口風速的影響較大。在進口溫度為45 ℃和55 ℃時細胞結構比較明顯,且孔隙小、數量少,細胞壁面比較平整,當進口溫度由65 ℃上升至85 ℃時結構發生變形,其表面出現了不均勻的顆粒,細胞結構遭到一定的破壞,表面孔隙增大、數量增多,壁面凹凸不平;進口風速為7.5 m/s的細胞壁表面比較平滑,細胞結構保存較為完整,孔隙較少,隨著進口風速的增加,8.5 m/s與9.5 m/s的細胞壁表面凹凸不平?？赡苁沁M口溫度越高,進口風速越大,水分蒸發速率越快,細胞結構變形且破壞嚴重,導致細胞內部形成較多疏松的孔隙結構。程可等[24]利用微波真空對咖啡豆進行干燥,發現不同的微波功率對咖啡豆微觀結構影響差異顯著,功率越大,咖啡豆結構破碎越嚴重,孔隙大且數量多。ZHU等[27]采用HD、ID和IR-SBD對帶殼花生進行干燥,發現當水分含量達到0.3 g/g時,ID處理的帶殼花生網絡結構完全變形,IR-SBD處理的帶殼花生網絡結構仍然存在且在干燥后期出現了明顯的孔隙,進而提高了帶殼花生的干燥速率,由此得出IR-SBD優于ID和HD。

a-45 ℃;b-55 ℃;c-65 ℃;d-75 ℃;e-85 ℃;f-7.5 m/s;g-8.5 m/s;h-9.5 m/s

2.6 揮發性成分

不同干燥條件下咖啡豆揮發性成分種類與含量如圖4、圖5所示。不同進口溫度及進口風速檢測出7大類揮發性化合物,分別為酸類、酯類、醛類、醇類、酮類、雜環類及其他類。由圖4可知,鮮樣檢測出的揮發性成分種類最少,為32種,不同進口溫度及進口風速下揮發性成分種類由多到少依次為:45 ℃(92種)>85 ℃(53種)>75 ℃(46種)>65 ℃(44種)>55 ℃(43種);8.5 m/s(73種)>7.5 m/s(70種)>9.5 m/s(48種)。由圖5可知,鮮樣檢測出的揮發性成分含量(以干基計)最少,為12 229.625 18 ng/g,不同進口溫度及進口風速下揮發性成分含量由多到少依次為:85 ℃(159 276.649 2 ng/g)>55 ℃(106 417.228 3 ng/g)>65 ℃(79 007.501 31 ng/g)>45 ℃(51 433.021 6 ng/g)>75 ℃(35 565.956 86 ng/g);9.5 m/s(85 271.160 39 ng/g)>7.5 m/s(38 487.028 49 ng/g)>8.5 m/s(26 561.927 94 ng/g)。

a-進口溫度;b-進口風速

a-進口溫度;b-進口風速

不同干燥條件下揮發性成分種類和含量有所差別,但均以酸類(發酵香、水果酸香;脂味、腐臭味、酸澀味)、酯類(花果香、堅果香;椰香味、芳香味)、醇類(花香、清香、木香、脂肪香、發酵果香;酸敗味、芳香味)、雜環類(烤焦香、焦苦香、堅果香、咖啡香;焦糖味、烘烤味、煙熏味)4類化合物為主且含量較高,而醛類(花果香;奶油味、脂肪氣味、刺激性氣味)化合物種類及含量最少。酸類化合物種類及含量隨進口溫度和進口風速的升高整體呈下降趨勢;酯類化合物種類及含量隨進口溫度升高先減少后增加,隨進口風速升高而增加;醇類化合物種類及含量隨進口溫度升高先減少后增加,隨進口風速升高而減少;雜環類化合物種類隨進口溫度和進口風速的升高基本保持不變,其含量隨進口溫度升高整體呈減少趨勢,隨進口風速的升高整體呈增加趨勢。綜上得出,與鮮樣對比,干燥可以增加咖啡豆揮發性成分種類和含量,酸類化合物大多呈現不愉快的風味且對咖啡的酸度影響較大,增加進口溫度和進口風速可以減少咖啡酸度;酯類化合物對咖啡風味起著極其重要的作用,增加進口溫度和進口風速易促進脂肪酸和其他酸類物質與乙醇的酯化[28],從而增加咖啡風味;醇類化合物是咖啡重要的特征風味化合物,增加進口溫度和進口風速可以促進脂質氧化進而增加碳鏈產生清香、木香和脂肪香[7];雜環類化合物(呋喃、吡嗪、吡咯、吡啶等)作為主要揮發性成分對咖啡的風味影響重大,增加進口溫度和進口風速可以促進碳水化合物、美拉德、氨基酸、糖的反應及脂質的熱氧化形成焦糖味、烘烤味、魚腥味及煙熏味。當進口溫度為85 ℃、進口風速為9.5 m/s時檢測出的揮發性成分含量達到最大值,分別為159 276.649 2 ng/g和85 271.160 39 ng/g,說明在此條件下咖啡豆已經開始散發芳香氣味,即IR-SBD進口溫度和進口風速過高易導致咖啡豆變質,從而影響咖啡豆品質,降低其質量和價格。因此在咖啡豆干燥加工環節,應選用適宜的溫度和風速。

3 結論

研究表明,提高進口溫度和進口風速可以加快干燥速率,縮短干燥時間,降低干燥能耗,進口溫度由45 ℃提升到85 ℃,干燥時間及干燥能耗分別降低了37.5%和22.93%;進口風速由7.5 m/s提升到9.5 m/s,干燥時間及干燥能耗分別降低了21.43%和8.36%。隨著進口溫度升高L*值先減小后增大,堆積密度先增大后減小,休止角減小,得粉率增加,持水能力和水溶性指數逐漸減小且差異不顯著,干燥能耗降低,微觀結構變化較大且孔隙增大、數量增多;隨著進口風速升高L*值逐漸減小,堆積密度增大,休止角先減小后增大,得粉率減少,持水能力和水溶性指數逐漸減小,干燥能耗降低,細胞結構變形且破壞嚴重。不同進口溫度和進口風速下檢測到的主要揮發性成分均為酸類、酯類、醇類、雜環類且含量較高,與鮮樣對比,干燥可以增加咖啡豆揮發性成分種類和含量。

研發新型高效節能環保的干燥設備對食品工業的發展至關重要,本文采用IR-SBD對咖啡豆進行干燥,通過咖啡粉色澤、堆積密度、休止角、得粉率及干燥能耗綜合對比得出最佳干燥條件為進口溫度75 ℃,進口風速7.5 m/s。在此條件下,L*值(106.59)、堆積密度(0.65 g/mL)、得粉率(43.43%)、持水能力(5.4 g/g)和水溶性指數(41.27%)、揮發性成分種類(70種)和含量(38 487.028 49 ng/g)均取得最大值,休止角(36.87°)和干燥能耗(336.53 kJ/g)取得最小值,細胞結構保存完整,微觀結構維持較好,咖啡豆的品質最佳,耗能最低,為創新咖啡豆干燥工藝及技術提供了有力支撐。在未來的研究中,可以將 IR-SBD投入到根莖塊及堅果類物料的干燥研究方法中去,此外,IR-SBD是否適用于其他果蔬及糧食的干燥還有待于進一步研究。