酶促发酵在咖啡初加工过程中的应用研究

程金焕， 何红艳， 李慧敏， 李贵平*， 黄 健, 武瑞瑞， 候 超, 周志伟

(1.云南省农业科学院热带亚热带经济作物研究所，云南保山 678000；2.诺维信中国投资有限公司，北京 100085)



酶促发酵在咖啡初加工过程中的应用研究

程金焕1， 何红艳1， 李慧敏1， 李贵平1*， 黄 健1, 武瑞瑞1， 候 超2, 周志伟2

(1.云南省农业科学院热带亚热带经济作物研究所，云南保山 678000；2.诺维信中国投资有限公司，北京 100085)

摘要[目的] 针对咖啡在初加工环节中存在的常规发酵脱胶费时、费力、费水和产品批次间质量不一，机械脱胶又存在破损率高等问题，为云南咖啡初加工寻找一种高效、快捷、稳定的加工方法。[方法] 以云南种植的咖啡品种卡蒂姆为原材料， 利用诺维信公司生产的Pectinex Ultra SP-L咖啡果胶酶，进行了脱皮、脱胶对比，研究咖啡酶对咖啡鲜果脱皮脱胶的影响。 [结果]试验表明，该酶能软化咖啡鲜果皮，使机械去皮效率提高3～4个百分点，酶能大大缩短脱胶时间、节省用水，根据用酶量的不同，甚至有可能使脱胶在2 h内彻底完成，而且不会造成任何破损，解决了普通加工和机械加工2种方法中存在的难题。[结论]通过对比研究，发现Pectinex Ultra SP-L咖啡果胶酶能软化咖啡鲜果皮，同时能加速果胶的分解，大大提升了果皮和果胶的脱净率。

关键词生物酶；咖啡；发酵脱胶

Application of Enzymosis on the Pretreating Process of Coffee

CHENG Jin-huan, HE Hong-yan, LI Hui-min,LI Gui-ping*et al

(Institute of Tropical and Sub-tropical Cash Crops, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Baoshan, Yunnan 678000)

Abstract[Objective] To find a rapid, stable and efficient method for the pretreating process of coffee, since degumming of conventional fermentation had the disadvantages of time-consuming, strenuosity, waste water in pretreating process of coffee, but mechanical degumming had the problems of high damage rate.[Method] With Catimor in Yunnan Province as the raw materials, Pectinex Ultra SP-L coffee pectinase was adopted, which was produced by Novozymes.Decrustation and degumming were compared to research the effects of enzymosis on decrustation and degumming of fresh pericarp of coffee.[Result] Coffeezyme could soften the fresh pericarp of coffee, enhanced the mechanical peeling efficiency by 3-4 percentage points, greatly shorten the degumming time, and saved water.According to the differences of enzyme dosage, degumming might be completed within 2 h without any damage, which solved the problems in conventional processing and mechanical processing.[Conclusion] Comparative research shows that Pectinex Ultra SP-L coffee pectinase can soften the fresh pericarp of coffee, accelerate the decomposition of pectin, and greatly enhance the threshing rate of pericarp and pectin.

Key wordsEnzyme; Coffee; Fermentation and degumming

咖啡为茜草科咖啡属常绿灌木或小乔木，与茶、可可并称为世界三大饮料作物[1-3]。云南是我国最大的咖啡产区，据咖啡协会统计，至2013年初，云南省咖啡种植面积达8.93万hm2，产量8.2万t，均占全国的99%以上。咖啡的初加工方法有湿法加工和干法加工2种，云南的咖啡主要采用湿法加工[1-2，4-8]，湿法加工又包括普通湿法加工和机械湿法加工，加工过程主要包括脱皮、脱胶、干燥、分级、包装等，其中脱胶过程最复杂，也最容易出现问题[8]，与商品豆的质量也密切相关。

目前咖啡脱胶主要有普通发酵脱胶和机械脱胶2种方式，普通发酵脱胶存在周期长，易受环境温度影响，发酵程度不好掌握，劳动强度和用水量大等问题[8]；机械脱胶存在破损率高、脱胶不完全、商品豆口感不佳等问题。生物酶是由活细胞产生的具有催化作用的有机物，大部分为蛋白质，具有高效、专一、无污染等特点，目前在麻类、茶叶等加工过程中广泛使用，特别是在麻类的脱胶工艺中应用最广[9-12]。近年来，国外开始将生物酶应用于咖啡发酵脱胶工艺中[10]。在国内，董红红等研究了咖啡湿法发酵过程中的微生物，分析鉴定了产生果胶酶的菌种[13-14]。笔者利用诺维信公司生产的Pectinex Ultra SP-L咖啡果胶酶，以云南种植面积最大的品种卡蒂姆的咖啡为原材料，进行了脱皮、脱胶对比，发现该酶能软化咖啡鲜果皮，同时能加速果胶的分解，大大提升了果皮和果胶的脱净率。通过对比研究，以期为云南咖啡初加工寻找一种高效、快捷、稳定的加工方法。

1材料与方法

1.1材料试验用酶为诺维信公司生产的Pectinex Ultra SP-L咖啡果胶酶；试验用咖啡鲜果来自保山市隆阳区潞江镇新寨村万亩咖啡示范园，采摘地海拔为950 m，品种为目前云南主栽的卡蒂姆。

1.2方法试验于2014年3月在云南省保山市隆阳区潞江镇云南省农业科学院热带亚热带经济作物研究所内进行。试验地海拔为776 m,试验当天气候条件为晴，有雾，最低温度4 ℃，最高温度19 ℃，试验当时的温度8～12 ℃。

1.2.1Pectinex Ultra SP-L咖啡果胶酶对咖啡鲜果脱皮的影响。取2 kg的咖啡鲜果3份，分别放进等量的清水以及加入Pectinex Ultra SP-L果胶酶0.10%和0.05%溶液中，放置24 h后，用脱皮机进行脱皮，并比较果皮脱净率、豆子破损率及对果胶的影响。

1.2.2酶促发酵脱胶对脱胶效率的影响。取2 kg的经脱皮后带胶咖啡豆3份，分别放进等量的清水以及加入Pectinex Ultra SP-L咖啡脱胶酶0.10%和0.05%的溶液中，每隔30 min观看一次物理变化，并用手搓感觉脱胶程度。

1.2.3酶促脱胶与机械脱胶对比。同一批鲜果，经脱皮后，加入自巴西Pinhalense公司引入的DFA-DMP型咖啡机械脱胶机中，对比机械脱胶与酶促发酵脱胶的脱净率、破损率及耗水量。

2结果与分析

2.1Pectinex Ultra SP-L咖啡果胶酶对咖啡脱皮的影响经Pectinex Ultra SP-L咖啡果胶酶浸泡过的咖啡鲜果的硬度有明显降低，且随着酶浓度的增加，硬度下降明显。加工完的带胶咖啡豆均比较黏滑，说明其对果皮内果胶无法起到催化发酵的作用。浸泡对咖啡鲜果脱皮的脱净率和破损的影响如表1所示，经果胶酶溶液浸泡的咖啡鲜果，果皮的脱净率有一定的提高，且随着果胶酶浓度的增加，果皮脱净率也有相应的提高；果胶酶对脱皮过程中的破损率无影响。

咖啡果胶酶可能对咖啡鲜果的后熟能起到一定的促进作用，所以咖啡鲜果的脱净率会有所提高，但破损率主要与咖啡豆大小和果壳硬度有关，所以果胶酶对破损率没有影响。

2.2酶促发酵脱胶对脱胶效率的影响如表2所示，脱皮后的带胶咖啡豆，在清水中浸泡36 h后才开始发酵，72 h基本结束；但在0.05%浓度的Pectinex Ultra SP-L咖啡果胶酶溶液中，0.5 h后即开始发酵，2 h脱胶完成；且随着Pectinex Ultra SP-L咖啡果胶酶浓度的增加，发酵的速度也加快。

表1Pectinex Ultra SP-L咖啡果胶酶对咖啡鲜果脱皮的影响

Table 1Effects of Pectinex Ultra SP-L coffee pectinase on peeling of coffee

%

表2　酶促反应对咖啡脱胶效率的影响

2.3机械脱胶与酶促发酵的效果比较如表3所示，机械脱胶脱净率为95.3%，破损率5.2%，而酶促发酵可达到100%的脱净率，又由于无外力挤压损伤，因此破损率为0。耗水量方面，酶促发酵后，咖啡豆外壳没有任何残留，因此用水量仅为浸泡发酵时用水，豆水比约1∶1.0，机械脱胶消耗豆水比约1∶2.6。

表3酶促发酵与机械发酵效果对比

Table 3Comparison of the effects between enzymosis and mechanical fermentation

项目Item脱净率Threshingrate∥%破损率Damagerate∥%耗水量Waterconsumption(豆水比)酶促发酵Enzymosis10001∶1.0机械脱胶Mechanicaldegumming95.35.21∶2.6

3讨论

3.1酶促发酵脱胶与自然发酵脱胶相比的优势

3.1.1极大地提高了加工的效率。自然发酵过程，一般需要12～72 h，在冬季气温较低环境下，需要的时间更长[6]。该试验结果显示，气温10 ℃条件下，在0.05%Pectinex Ultra SP-L咖啡果胶酶溶液中，30 min即开始发酵，2 h以内即可以完成发酵脱胶的全过程。

3.1.2减少了用水量和劳力。自然发酵过程，一般需要更换2～3次水，且需要不断地搅拌，每加工1 t咖啡，需要约8 t水和3个工人[6]；利用酶促发酵，因为时间短，不需要更换水，加工咖啡量与用水量比例为1∶1，不需要经常搅拌，发酵环节仅需1人即可。

3.1.3产品的质量稳定。自然发酵脱胶，容易受到气候的影响，且程度不好掌握，因此加工出来的咖啡豆，各批次间质量参差不齐，发酵过度也容易造成咖啡豆颜色变暗，很容易影响质量；利用酶促发酵，需要时间短，过程容易掌握，加工出来的咖啡豆质量更均匀一致。

3.2酶促发酵与机械脱胶相比的优势

3.2.1脱净率高而破损率为零。机械脱胶过程，主要靠物理摩擦进行，对成熟度差的带胶豆，很难完成脱胶，且容易造成破损，该试验用的巴西Pinhalense公司生产的DFA-DMP型咖啡机械脱胶机，脱胶率95.3%，破损率5.2%，即使国产经改造的脱胶机，破损率也有3%；利用酶促发酵，脱净率可达到100%，同时因没有物理摩擦损伤，因此破损率为零。

3.2.2提高咖啡品质。机械脱胶无法达到100%脱净率，带胶咖啡豆晾晒过程中容易产生霉变，从而影响咖啡质量；同时，机械脱胶会产生破损豆，也会影响咖啡质量。利用酶促

发酵，脱净率可达100%，同时不会产生破损豆，因此咖啡品质更高。

3.3试验存在的不足及待改进的方面因试验开始于咖啡鲜果成熟末期，试验鲜果数量有限，目前仅做了Pectinex Ultra SP-L咖啡果胶酶对发酵时间、果胶脱净率、破损率的影响等相关试验，对酶最佳活性的温度、浓度、pH的研究还有待验证。

决定咖啡品质的一个重要指标为咖啡杯品结果，虽然酶促反应具有专一性，不太可能对咖啡豆内含物产生影响，但确切的杯品结果才更具有说服力。

参考文献

[1] 黄家雄.小粒咖啡标准化生产技术[M].北京：金盾出版社，2009.

[2] 刘光华，张星灿.从深山走向世界的云南咖啡[M].昆明：云南人民出版社，2010.

[3] 王莉.我国咖啡生产及贸易发展状况[J].中国热带农业, 2009(2): 21-25.

[4] 毕晓菲，胡发广，李亚男，等.云南小粒咖啡不同初加工方法产出率的测定研究[J].农产品加工(学刊)，2013(7)：67-69.

[5] 文志华.生态型脱皮脱胶组合机用于咖啡初加工的若干技术问题[J].云南农业科技，2002(5)：45-47.

[6] 文志华,黄家雄.咖啡加工技术[M].昆明：云南科技出版社，2011.

[7] 何红艳，文志华，李国鹏.咖啡采后处理及初加工技术[J].广东农业科学，2008(12)：119-120.

[8] 武瑞瑞，李贵平，王雪松，等.咖啡湿法加工过程中影响品质的因素分析[J].热带农业工程，2012，10(5)：1-3.

[9] 张菊，薛永常.细菌果胶酶研究进展[J].生物技术通报，2011(2)：56-60.

[10] HOONDAL G S,TIWAR R P,TEWARI R.Microbial alkaline pectinases and their industrial applications:A review[J].Applied microbiology and biotechnology,2002,59:409-418.

[11] 晓静.苎麻生物酶脱胶技术应用与若干问题探讨[J].中国麻业科学，2010(3)：145-150.

[12] 邓皆德，刘让同，李玉玲，等.竺麻酶法脱胶新工艺的应用研究[J].纺织学报，2002(4)：66-68.

[13] 董红红，杨盼，吕杰，等.基于PCR-DGGE的咖啡湿法发酵酵母菌的分离鉴定[J].云南农业大学学报，2014,29(2)：251-257.

[14] 董红红.云南小粒咖啡湿法发酵中微生物的研究[D].北京:北京化工大学，2013:1-10.

中图分类号S 571.2

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)06-083-02

收稿日期2016-02-02

作者简介程金焕(1981- )，男，河南安阳人，助理研究员，硕士，从事咖啡种植与初加工研究。*通讯作者，副研究员，从事咖啡植保研究。

基金项目国家星火科技项目；云南省建立农科教相结合新型农业社会化服务体系试点项目。