冷萃咖啡烘焙工藝優化及滋味成分的測定

李發彩，李晨曦，李 龍，譚先朝，蔡宗壽

（1. 云南農業大學機電工程學院，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]，在我國的進出口貿易中具有重要地位[3]?？Х榷咕哂泻芨叩慕洕鷥r值，現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，該地區降水量豐富，所產咖啡豆均為優質的小?？Х萚5]?？Х壬钩墒旌蟊货r紅的果皮包裹著，經過采摘、脫皮、發酵、脫膠、干燥、脫皮等一系列的加工之后得到成品咖啡豆[6]?？Х榷箻O易吸收水分，水分過多將導致咖啡豆發酵或引發霉菌的生長，霉菌會影響烘焙咖啡的膨化性與脆性[7]?？Х榷乖诤姹哼^程中，主要發生三大反應：美拉德反應、焦糖化反應和熱解反應，在此過程中，綠原酸部分會被降解，使咖啡豆的顏色、滋味等發生變化[8]。

咖啡含有很多的成分物質，如多糖、脂肪、蛋白質等，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 光譜進行反向檢測?？Х鹊牧餍芯鶃碜杂诟泄?，而感官特性來源于烘焙過程的結果，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，結果表明沒有太大的影響，猜測可能與樣本量太小有關。宋璐琪等人[12]研究了烘焙速度對咖啡理化性質的影響，結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味，控制好烘焙速度可有效提高咖啡的品質。劉莉萍等人[14]研究烘焙方式對咖啡豆氨基酸的影響，結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具有重要的影響。

隨著時代的發展和生活水平的提高，人們對咖啡品質的要求也逐漸提高，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]對冷萃咖啡的品質影響因素進行分析，得出烘焙度、研磨度、萃取條件均是影響冷萃咖啡品質的關鍵因素。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]優化傳統的冷萃提取方式，為縮短提取時間進行了研究。國內外對冷萃咖啡的研究較少，主要是針對咖啡品質、香氣成分。烘焙是產生香氣的主要手段，但是沒有人對烘焙工藝進行優化研究，針對烘焙工藝對冷萃咖啡品質進行優化研究，并對冷萃咖啡的滋味成分進行分析，為以后的烘焙工藝提供理論指導和試驗依據。

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、葫蘆巴堿標準品，成都彼斯特生物科技有限公司提供。

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

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行烘焙，烘焙好的咖啡豆取出放入研磨機中進行研磨，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 試驗指標檢測

（1） 感官指標評定。根據美國精品咖啡協會（SCAA） 所制定的咖啡杯測標準，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、風味、回味、酸度、醇厚度、平衡性、一致性、干凈度、甜度及缺點進行評分，最后根據綜合評分判定咖啡的品質。

杯測標準見表1。

表1 杯測標準

（2） 咖啡液質量濃度（TDS）。利用濃度測量儀，即可得出咖啡液質量濃度。

式中：W——咖啡液萃取率，%；

TDS——咖啡液質量濃度，mg/mL；

m1——咖啡液的質量，g；

m2——咖啡粉的質量，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 權重賦值法[21]，感官評定評分和萃取率的權重系數分別賦為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，進料量為120 g。研究不同烘焙溫度對所制備冷萃咖啡品質的影響，通過對感官評分、萃取率進行統計分析。

（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 ℃，進料量為120 g。研究不同烘焙時間對所制備冷萃咖啡品質的影響，通過對感官評分、萃取率進行統計分析。

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

1.2.4 正交試驗方案

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

正交試驗因素與水平設計見表2。

表2 正交試驗因素與水平設計

1.2.5 驗證試驗

根據正交試驗所得的最優烘焙工藝，按照1.2.1進行3 次咖啡冷萃試驗，測定感官評分、萃取率，驗證試驗結果。

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《食品安全國家標準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 ℃，進樣量10 μL，檢測波長260 nm。

1.3.2 咖啡因、綠原酸、葫蘆巴堿標準液的配制

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

（2） 綠原酸標準液的配制。A 綠原酸標準儲備液（2.0 mg/mL）：稱取綠原酸標準品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 綠原酸標準使用液（200 μg/mL）：準確稱取1.00 mL 綠原酸標準儲備液于100 mL 容量瓶中，用流動相稀釋至刻度，混勻；C 綠原酸標準工作液：分別吸取綠原酸標準使用液0.1，0.5，1.0，2.0，4.0 mL 至10 mL 容量瓶中，用流動相稀釋，容量瓶中定容的質量濃度分別為2.0，10.0，20.0，40.0，80.0 μg/mL。

（3） 葫蘆巴堿標準液的配制。A 葫蘆巴堿標準儲備溶液：稱取葫蘆巴堿標準品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，配制成質量濃度為2 000 mg/L 標準儲備液；B 葫蘆巴堿標準工作液：分別吸取葫蘆巴堿標準使用液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——試樣中咖啡因的質量濃度，μg/mL；

V——被測試樣體積，mL；

m——稱取試樣的質量，g；

1 000——換算系數。

（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量濃度，μg/mL；

V——試樣定容體積，mL；

m——稱取試樣的質量，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——標準溶液質量濃度，mg/L；

V1——試樣溶液定容體積，mL；

V2——標準溶液進樣體積，μL；

V3——試樣進液體積，μL；

A1——標準溶液峰面積；

A2——試樣溶液峰面積；

m——稱取試樣的質量，g；

1 000——換算系數。

1.4 數據分析

試驗數據利用Excel 軟件和SPSS 軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 烘焙工藝參數對冷萃咖啡的影響

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，以至于變化不太規律。由此可知，烘焙時間對冷萃咖啡的質量影響不大，從綜合評分的變化可得出最優的三水平因素值為16，17，19 min。

2.1.3 進料量對冷萃咖啡的影響進料量對綜合評分的影響見表5。

表5 進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，進料量對冷萃咖啡的品質影響也不大，從綜合評分的變化可得出最優的三水平因素值為110，130，140 g。

2.1.4 正交試驗

正交試驗設計與結果見表6。

表6 正交試驗設計與結果

由表6 極差R可知，影響冷萃咖啡質量的因素大小為烘焙溫度＞進料量＞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，進料量為130 g，根據咖啡萃取率和SCAA 標準可知，此條件下冷萃咖啡的品質為最佳。

方差分析見表7。

表7 方差分析

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

驗證試驗見表8。

表8 驗證試驗

根據最優工藝參數進行3 次驗證試驗，即烘焙溫度為235 ℃，烘焙時間為17 min，進料量為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 標準曲線分析

根據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） 和質量濃度（X）做標準曲線、線性方程、相關系數。

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

根據標準曲線，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。根據咖啡的滋味成分含量，不同的消費者根據自身的喜好選擇不同方式萃取的咖啡。

3 結論

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為烘焙溫度235 ℃，烘焙時間17 min，進料量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，為冷萃咖啡的標準化生產提供科學依據和提論指導。