響應面優化冷萃咖啡的烘焙工藝研究

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）

0 引言

云南小?？Х葘佘绮菘瓶Х葘僦参?，與可可、茶葉并稱為世界三大飲料，并且一直居于首位[1]?？Х戎饕L在熱帶、亞熱帶地區，成為云南的主要經濟作物[2]。近年來，隨著我國年輕消費群體的崛起，咖啡需求量逐年增加，帶動了云南咖啡產業的蓬勃發展[3]?？Х榷沟牟煌庸し绞綍纬刹煌目Х蕊L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逐漸往機械化、工業化發展[5]。以云南為例，因特有的地理環境和氣候條件，所產咖啡豆均為優質咖啡豆[6]?？Х茸匀欢怀蔀榱嗽颇现饕隹诋a品[7]，主產咖啡種類為阿拉比卡咖啡豆[8]，咖啡內含有很多物質，如咖啡因、綠原酸、脂肪等，有預防疾病的作用[9]，咖啡烘焙提取物對高血糖、高血脂具有抵抗作用[10]。

國內外對咖啡烘焙工藝有很多的研究，像利用太陽能烤爐研究咖啡豆的性質，經過試驗驗證，該方案具有一定商業化的可行性[11]。陳向文等人[12]對比了3 款烘焙爐常用的鋼材對咖啡豆的影響特性，為以后的烘焙設備開發提供借鑒。于菲等人[13]就咖啡烘焙速度對咖啡豆揮發性的影響研究，為烘焙工藝的改進提供參考。Lukas Macheiner 等人[14]通過分析烘焙咖啡豆的呋喃類物質，建立了測定烘焙程度的新型UHPLC 法。通過調控烘焙溫度、烘焙時間，對咖啡豆高F3-A 含量的測定，優化烘焙工藝[15]。國外對烘焙設備申請了很多專利，如流化床烘焙系統、處理烘焙設備產生的氣體和廢水工藝專利[16-17]，還有對滾筒式烘焙機進行改進，使其適合小型企業應用生產，并得到了最佳工藝[18]。

冷萃咖啡又被稱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間后所提取的具有烘焙香氣的液體[19]。冷萃咖啡是近年來才新起的產業，卻呈現爆發式的增長，尤其受到年輕群體的喜愛[20]。冷萃咖啡著重突出的是品質和健康，不斷受到消費者的青睞[21]。于婷[22]對冷萃咖啡的烘焙度、粉碎度、料水比等關鍵工藝對其品質的影響進行了深入的研究，并得出了結論。唐文瀟等人[23]通過烘焙度的不同對比熱萃和冷萃的揮發性成分和抗氧化力的差異，最后得出烘焙度對冷萃咖啡揮發性成分和抗氧化力的影響大于熱萃咖啡。陳仲娜等人[24]對冷萃和熱萃咖啡的香氣成分展開研究。Rao Ning Z等人[25]對冷萃咖啡的酸度和抗氧化性進行研究。大部分研究者都是對熱萃和冷萃的品質差異展開研究。

烘焙、研磨、萃取是影響咖啡品質的主要因素，蘇雨馨[26]對冷萃咖啡的萃取條件進行了詳細深入的研究。但是，烘焙工藝對冷萃咖啡的特性影響還有待進一步研究。以云南普洱阿拉比卡日曬豆為原料，對制備冷萃咖啡的烘焙工藝進行優化研究，利用單因素試驗和響應面試驗，得出最佳烘焙工藝參數，減少資源浪費，為冷萃咖啡后續的發展提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

云南普洱阿拉比卡日曬咖啡生豆。

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。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程

先將日曬豆放入烘焙機中進行烘焙，將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，將咖啡粉浸入到冷水中萃取16 h 后取出過濾，即得到冷萃咖啡。

1.2.2 冷萃咖啡感官評定

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

1.2.3 單因素試驗

（1）烘焙溫度的確定。將烘焙溫度設置為230，235，240，245，250 ℃，并控制烘焙時間為17 min，進料量為120 g。研究不同烘焙溫度下冷萃咖啡的品質，通過感官評分和萃取率的綜合評分進行測定。

（2）烘焙時間的確定。將烘焙時間設置為15，16，17，18，19 min，并控制烘焙溫度為240 ℃，進料量為120 g。研究不同烘焙時間下冷萃咖啡的品質，通過感官分值和萃取率的綜合評分進行測定。

（3）進料量的確定。將進料量設置為100，110，120，130，140 g，并控制烘焙溫度為240 ℃，烘焙時間為17 min。研究不同進料量下冷萃咖啡的品質，通過感官分值和萃取率的綜合評分進行測定。

1.2.4 響應面優化試驗

將單因素試驗結果作為基礎，選取冷萃咖啡感官評定分值和萃取率最優的三水平因數值，同樣將烘焙溫度（A）、烘焙時間（B）、進料量（C）作為考查因素，利用Design Expert 軟件，以感官評定分值和萃取率的綜合評分為響應值，進行Box-behnken響應面優化試驗設計，對試驗所得的結果進行分析，得到最優烘焙工藝參數，并對所得工藝參數進行試驗驗證。

響應面優化試驗因素與水平設計見表2。

表2 響應面優化試驗因素與水平設計

1.2.5 冷萃咖啡萃取率的計算

式中：W——咖啡液萃取率，%；

TDS——咖啡液質量濃度，mg/mL；

m1——咖啡液的體積，mL；

m2——咖啡粉的質量，g。

1.2.6 綜合評分的計算

式中：Y——綜合評分，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 權重賦值法[27]，感官評定分值和萃取率的權重系數分別賦為0.6 和0.4。

1.3 數據處理

對試驗所得數據利用Excel 和Design Expert 軟件進行數據處理。

2 結果與分析

2.1 單因素結果分析

2.1.1 烘焙溫度對冷萃咖啡品質的影響

烘焙溫度對冷萃咖啡品質的影響見表3。

表3 烘焙溫度對冷萃咖啡品質的影響

由表3 可知，隨著烘焙溫度的升高，感官評分和綜合評分逐漸降低，感官評分由63 分降為39 分，綜合評分從0.999 4 分降為0.755 8 分，但萃取率的變化波動不大。由此可知，冷萃咖啡更適合淺度烘焙，烘焙溫度對萃取率的影響不大，從綜合評分的變化可以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品質的影響

烘焙時間對冷萃咖啡品質的影響見表4。

表4 烘焙時間對冷萃咖啡品質的影響

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

2.1.3 進料量對冷萃咖啡品質的影響

進料量對冷萃咖啡品質的影響見表5。

表5 進料量對冷萃咖啡品質的影響

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

2.2 響應面試驗

2.2.1 Box-behnken 響應面試驗結果

根據單因素試驗結果，選取最優的三水平因素值，進行三因素三水平的響應面優化試驗。

響應面優化試驗結果見表6。

表6 響應面優化試驗結果

2.2.2 響應面回歸模型的建立

利用Design Expert 軟件，以烘焙溫度（A）、烘焙時間（B）、進料量（C）為因素，咖啡液綜合評分（Y）為響應值，得到三因素和響應值之間的關系方程：

響應面回歸模型方差分析見表7。

表7 響應面回歸模型方差分析

由表7 可知，模型結果具有顯著性，（p＜0.05），R2=88.95%，說明響應值硬度的變化有88.95%來源于烘焙溫度、烘焙時間、進料量，擬合程度好，誤差小。

2.2.3 響應面各因素交互作用

利用Design Expert 軟件處理響應面優化試驗的數據。

烘焙溫度與烘焙時間對綜合評分的響應面圖和等高線圖見圖1，烘焙溫度與進料量對綜合評分的響應面圖和等高線圖見圖2，烘焙時間與進料量對綜合評分的響應面圖和等高線圖見圖3。

圖1 烘焙溫度與烘焙時間對綜合評分的響應面圖和等高線圖

圖2 烘焙溫度與進料量對綜合評分的響應面圖和等高線圖

圖3 烘焙時間與進料量對綜合評分的響應面圖和等高線圖

響應面圖可以反映出響應面的坡度越大，代表該因素對響應值的影響越大，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，烘焙溫度對咖啡品質的影響最大，因為坡度最陡；烘焙時間和進料量對咖啡品質的影響不大，因為坡度較為平緩。通過Design Expert 分析計算得出最佳烘焙工藝為烘焙溫度234 ℃，烘焙時間15.5 min，進料量136 g。

2.3 驗證試驗

將單因素試驗和響應面試驗結果結合，確定了制備冷萃咖啡的最佳工藝參數為烘焙溫度為234 ℃，烘焙時間為15.5 min，進料量為136 g。此時，咖啡液萃取率為13.54%，感官評分為66 分，在咖啡液最佳理論值區間內。根據最優工藝參數進行3 次驗證試驗，3 次試驗所測得的咖啡液萃取率平均值為13.52%，感官評定分值為65 分，與響應面試驗值接近，說明該參數準確。

3 結論

以云南普洱阿拉比卡日曬咖啡豆為原料制備冷萃咖啡，主要是對其中的烘焙工藝參數進行優化研究，利用感官評分和綜合評分得出烘焙溫度、烘焙時間、進料量的最優三水平因素值，烘焙溫度選取230，235，240 ℃；烘焙時間選取15，16，18 min；進料量選取110，120，140 g。在單因素試驗的基礎上，通過Design Expert 響應面試驗優化烘焙工藝，得到最佳的烘焙工藝參數為烘焙溫度234 ℃，烘焙時間15.5 min，進料量136 g，咖啡液萃取率為13.54%，感官評分為66 分。根據最佳烘焙工藝參數進行驗證試驗，實際測得咖啡液萃取率平均值為13.52%，感官評分的平均值為65 分，與響應面試驗值接近，說明該參數準確。