小粒咖啡微波烘焙工艺优化及破裂力分析

张付杰 王 璐 杨 薇 李梦丽 李丽霞 蒋快乐 李小青

(1. 昆明理工大学现代农业工程学院，云南 昆明 650500； 2. 云南农业大学热带作物学院，云南 普洱 665000; 3. 中国人民解放军69223部，新疆 阿克苏 842300)

小粒咖啡自1902年引进至今，已成为云南省第三大出口农产品[1-2]。新鲜成熟的咖啡浆果呈鲜红色，经水洗、脱皮、发酵、晾晒、脱壳等处理[3]后可得到供加工和出口的咖啡生豆。要得到可研磨冲泡的咖啡熟豆，需对生豆进行高温烘焙。当咖啡豆被加热至表面温度达到170 ℃ 以上，豆内风味物质开始发生化学反应，经一系列烘焙程序逐渐形成其特征风味物质[4]。咖啡的传统烘焙方式由最原始的锅炒式，逐步发展为直火式、电热式、液化气式等。

微波因快捷环保、高效低耗的技术优势[5]，在农产品加工中的应用研究一直备受关注。微波焙烤无需热传递过程，产生的高温可瞬时深入物料内部，直接达到改善物料风味和结构的加工目的[5]。目前国内外对微波焙烤的应用已有研究。李雨露等[6]研究了微波加工五香花生米的工艺技术，确定了微波焙烤花生米的最佳工艺。Uysal等[7]以红外微波炉焙烤榛子，发现微波烘焙的成品与常规烤制样品品质相当。Behera等[8]研究发现在最佳条件下微波焙烤的小茴香种子比常规焙烤含有更多特征性风味化合物，推荐微波焙烤作为替代焙烤方法。Bolek等[9]研究分析了微波焙烤和烘烤时间对黄木莲豆的各项物理特性的影响。中国对咖啡的研究多集中于常规烘焙对其化学成分的影响：周斌等[10-11]研究了烘焙程度对云南小粒咖啡香气成分的影响;张宗玲等[12]研究了咖啡豆的烘焙条件对其成分含量的影响；蔡瑞玲等[13]分析了焙烤过程中咖啡抽提液成分的变化以及对咖啡香气的影响。但目前尚未见将微波技术应用于咖啡烘焙工艺的研究。

本试验拟使用本实验室研发的微波热风耦合烘焙装置[14]，以微波功率密度、烘焙时间、滚轴转速、风速为试验因素，以咖啡豆的物理指标——堆积密度、烘焙色度值作为评价指标，探索咖啡微波烘焙工艺的可行性，优化出适合咖啡微波烘焙的最佳工艺参数，拟建立微波烘焙的小粒咖啡豆破裂力的预测模型，为咖啡深加工研究和设备设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 仪器与设备

微波热风耦合烘焙装置(如图1)：微波功率600～2 500 W，滚轴转速0～100 r/min，风速0～3 m/s(此为鼓风机吹至金属网上方腔体内的平均风速)，参数均可通过设备的控制面板调控，由于试验需求不同，温湿度传感器、电热管、热风温度传感器等部件在本次试验中未使用，本实验室自制；

1. 温湿度传感器 2. 外腔体 3. 料筒 4. 微波馈口 5. 滚轴 6. 金属网 7. 热风温度传感器 8. 电热管 9. 换热器 10. 传动皮带 11. 驱动电机 12. 离心式鼓风机 13. 水槽 14. 支架

图1 微波热风耦合烘焙装置示意图

Figure 1 Schematic diagram of the microwave hot-air coupled baking device

咖啡烘焙程度分析仪：RoAmi ROAST ANALYZER TRA-3000型，韩国Truesystems公司；

食品物性分析仪：TMS-PRO型，美国 FTC公司；

电子天平：BL310型，德国Sartoriu科学仪器有限公司；

游标卡尺：B3型，精度0.02 mm，成都成量工具有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 试验材料及样品准备 选用产自云南保山的小粒种咖啡生豆。分别称取3组各20 g咖啡生豆，采取105 ℃ 恒温法(按GB 5009.3—2010执行)测得试验样品豆的初始湿基含水率为10.58%～11.32%。

烘焙前对咖啡生豆进行手选[15]，将其中的杂质和瑕疵豆手工去除，留取饱满完好的生豆。手选后将生豆过SCR标准咖啡筛14号筛网，筛除较小颗粒的咖啡生豆以减少试验误差。

每次试验称取200 g筛选后的生豆放入料筒，按试验方案调节相应参数后进行烘焙。咖啡豆烘焙完成后，用电子天平称重，用量筒量取体积，计算其堆积密度，测定色度值及烘焙程度。

1.2.2 咖啡微波烘焙单因素试验方案 以微波功率密度、烘焙时间、滚轴转速、风速为影响因素，堆积密度、烘焙色度值为试验指标，进行咖啡微波烘焙单因素试验。

(1) 微波功率密度：固定烘焙时间8 min，滚轴转速60 r/min，风速0.0 m/s，考察微波功率密度(6，7，8，9 W/g)对烘焙咖啡豆的堆积密度和烘焙色度值的影响。

(2) 烘焙时间：固定微波功率密度8 W/g、滚轴转速60 r/min、风速为0.0 m/s，考察烘焙时间(8，12，16，20 min)对烘焙咖啡豆的堆积密度和烘焙色度值的影响。

(3) 滚轴转速：固定微波功率密度8 W/g、烘焙时间8 min、风速为0.0 m/s，考察滚轴转速(60，70，80，90 r/min)对烘焙咖啡豆的堆积密度和烘焙色度值的影响。

(4) 风速：固定微波功率密度8 W/g、滚轴转速60 r/min、烘焙时间8 min，考察风速(0.0，1.0，2.0，3.0 m/s)对烘焙咖啡豆的堆积密度和烘焙色度值的影响。

1.2.3 微波烘焙咖啡正交试验方案 在单因素试验的基础上，以微波功率密度、烘焙时间、滚轴转速、风速为影响因素，以堆积密度、烘焙色度值为试验指标，利用正交表设计四因素四水平正交试验，对咖啡微波烘焙的工艺参数进行优化。

1.2.4 咖啡豆破裂力试验 为研究破裂力与堆积密度、烘焙色度值之间的关系，本试验拟在咖啡豆粒破裂力与其堆积密度、烘焙色度值之间建立回归模型。在优化工艺的基础上，再次对小粒咖啡进行微波烘焙试验。选取16组较优烘焙样品，按烘焙程度由浅至深排序，每组样品随机选5粒咖啡豆进行压缩试验。

1.2.5 试验指标检测

(1) 堆积密度：将咖啡豆倒入量筒，轻振，读取咖啡豆的体积V；使用电子天平称量咖啡豆的质量M，根据式(1)计算其堆积密度ρb。

(1)

式中：

ρb——堆积密度，g/mL；

M——咖啡豆质量，g；

V——咖啡豆体积，mL。

(2) 烘焙色度值及烘焙程度：烘焙色度值通过咖啡烘焙程度分析仪测定。测量结果显示为色度数值及相应烘焙程度。每组试验结果随机取3组样品测量，取平均值作为该组烘焙色度值结果，记为C。表1为SCAA(Specialty Coffee Association of America，美国精品咖啡协会)标准中烘焙色度值及其对应的烘焙程度。咖啡豆常规烘焙的色度值范围为30≤C≤80，本试验以此数值范围为参考。

(3) 破裂力F：将单粒豆置于食品物性分析仪的工作台上，用圆形平板压头对其进行压缩试验。当压头接触咖啡豆试样后，以1 mm/min的恒速下降，记录试样的变形位移与压力值。当曲线上的压力值达到某一峰值随后突然下降，表示咖啡豆试样已破裂，记该数值为咖啡豆的破裂力F。

(4) 综合评分的计算：将堆积密度、烘焙色度值2个指标用隶属度的综合加权评分法对咖啡微波烘焙工艺进行综合评分。堆积密度越小代表失重和膨化程度越大，烘焙色度值越低代表烘焙程度越深。故常规烘焙色度值范围内，综合评分越低，烘焙效果越好。隶属度按式(2)计算：

表1 烘焙色度值对照表

(2)

式中：

Ai——指标值；

Amin——指标最小值；

Amax——指标最大值。

综合评分按式(3)计算：

S=a×Px+b×Py，

(3)

式中：

Px、Py——分别为堆积密度、烘焙色度值的隶属度；

a、b——分别为2个指标的权重，考虑2个指标对于衡量咖啡烘焙结果的重要性同样重要，取a=0.5，b=0.5。

1.2.6 数据处理 采用IBM SPSS Statistics 19.0统计分析软件对数据进行处理、分析。

2 结果与分析

2.1 咖啡微波烘焙工艺优化

2.1.1 微波功率密度对烘焙的影响 由图2可知，随微波功率密度增加，咖啡豆的堆积密度和烘焙色度值均呈负相关变化，堆积密度从0.581 g/mL逐渐降至0.267 g/mL，烘焙色度值由98.2降至16.8，对应烘焙程度越来越深，颗粒膨化程度越大。微波功率密度为6 W/g时，所得咖啡豆的烘焙色度值为98.2，超出咖啡豆常规烘焙色度值范围(30≤C≤80)，烘焙程度极浅，咖啡豆偏生，堆积密度为0.581 g/mL，膨化程度较差。微波功率密度上升至9 W/g时，由于功率密度偏大，加热温度过高，使咖啡豆的烘焙色度值仅为16.8，烘焙程度极深，豆体表面呈焦黑色。根据柱状图趋势，参考咖啡豆常规烘焙色度值范围，选取7.0～8.5 W/g作为正交试验的水平范围。

2.1.2 滚轴转速对烘焙的影响 由图3可知，随着滚轴转速的增加，其堆积密度和烘焙色度值均随之增加。咖啡豆的堆积密度从0.335 g/mL逐渐增至0.433 g/mL；烘焙色度值由45增至81，相应烘焙程度由中深焙逐渐降至非常浅焙。滚轴转速达90 r/min以上时，烘焙程度已达极浅焙。综合考虑热能利用率及烘焙效果，选取滚轴转速65～80 r/min作为正交试验水平范围。

图2 微波功率密度对烘焙的影响

图3 滚轴转速对烘焙的影响

2.1.3 烘焙时间对烘焙的影响 由图4可知，随着烘焙时间的延长，咖啡豆烘焙色度值由49.0降至16.7，烘焙程度从中焙逐渐变为极深焙；堆积密度由0.355 g/mL降至0.282 g/mL。烘焙8 min的咖啡豆烘焙程度为中焙，堆积密度却与其他组的接近，局部咖啡豆烘焙程度较浅，可见短时间烘焙存在烘焙不均现象；烘焙20 min的咖啡豆的烘焙色度值<30，烘焙程度极深，接近焦化。因此选取烘焙时间10～16 min作为正交试验的水平范围。

图4 烘焙时间对烘焙的影响

2.1.4 风速对烘焙的影响 由图5可知，随烘焙过程中风速的增加，咖啡豆的堆积密度由0.355 g/mL逐渐增至0.490 g/mL，烘焙色度值从49.0增至83.4。风速逐渐增大时，咖啡烘焙程度渐浅；当风速达到2 m/s以上时，烘焙程度极浅，咖啡豆偏生。故选取风速0.0～1.5 m/s作为正交试验的水平范围。

2.1.5 正交试验 根据单因素试验结果，按正交表进行四因素四水平正交试验，其试验方案及结果见表2。

以堆积密度和烘焙色度值为试验指标，对二者进行综合加权评分，以综合加权评分法对试验结果进行极差分析，得出各因素的优水平及最优组合，结果见表3。

图5 风速对烘焙的影响

编号A微波功率密度/(W·g-1)B烘焙时间/minC滚轴转速/(r·min-1)D风速/(m·s-1)17.010650.027.512700.538.014751.048.516801.5

由表3得出，影响微咖啡波烘焙效果的因素顺序为A>B>D>C，即：微波功率密度>烘焙时间>风速>滚轴转速，最优组合为A4B2C3D4，即：微波功率密度8 W/g，烘焙时间12 min，滚轴转速75 r/min，风速1.5 m/s。空白列的极差值R不大于其他因素的极差值，说明各因素之间没有不容忽视的交互作用，故本试验中暂不考虑交互作用。

极差分析所得的最优组合A4B2C3D4不在正交试验列表中，需对其结果进行验证。在温湿度等外在条件均一致的前提下，选取200 g小粒咖啡生豆，按微波功率密度8 W/g、烘焙时间12 min、滚轴转速75 r/min、风速1.5 m/s 设定各项参数，进行烘焙。

验证实验所得咖啡豆的堆积密度为0.286 g/mL，测得烘焙色度值为32.1，烘焙程度为深焙，综合评分为0.15，优于正交试验中的结果，且烘焙均匀度更好，避免了局部焦黑现象。根据该工艺参数烘焙得到的咖啡豆品质是所有已得试验成品中最好的，证明了该工艺参数优化的合理性。根据传统的咖啡电热烘焙机所得的深焙最佳工艺参数为12 min(需提前预热至250 ℃)，160 g[16]。此微波烘焙优化工艺可以在无预热、12 min、 200 g烘焙量的情况下达到深焙的要求。由此可见，咖啡微波烘焙工艺是具备其优势的。

表3 正交试验结果及极差分析表

2.2 微波烘焙咖啡的破裂力

2.2.1 破裂力试验结果 对微波烘焙的咖啡豆的破裂力试验结果见表4。

2.2.2 回归模型的建立与显著性分析 采用SPSS统计分析软件，对破裂力试验结果进行多元回归分析，得到模型如下：

F=155.172 10.007 4C2+1 525.716 1ρb25.214ρb×C+1.280 4C995.040 5ρb，

(4)

式中：

F——破裂力，N；

C——烘焙色度值；

ρb——堆积密度，g/mL。

回归模型的决定系数为R2=0.990，修正后的决定系数为0.988，即该模型能解释98.8%,与实际情况拟合较好；对该回归方程进行F检验，尾概率P为4.177 1×10-12，显著水平<0.000 1，因此破裂力F与堆积密度ρb、烘焙色度值C之间的二次回归关系非常显著。

为验证回归方程的有效性，对微波烘焙小粒咖啡破裂力的回归模型进行方差分析，分析结果见表5。由表5可见，模型概率值P<0.000 1，回归模型极显著，故用该模型对微波烘焙的小粒咖啡的破裂力进行预测和分析是可靠的。

F=155.172 10.007 4C2+1 525.7165C。

(5)

3 结论

(1) 本研究提出一种以微波加热为技术基础的咖啡微波烘焙新工艺，并通过试验证明了以微波方式烘焙咖啡的可行性，优化分析得到适合微波烘焙咖啡的最佳工艺参数：微波功率密度8 W/g，烘焙时间12 min，滚轴转速75 r/min，风速1.5 m/s。通过实验验证，该工艺参数下所得咖啡豆优于正交试验中的试验结果，且烘焙均匀度更好，避免了局部焦黑现象。与传统电热烘焙工艺的对比亦证明了咖啡微波烘焙工艺具有烘焙效率高、烘焙时无需预热过程、可降低时间成本和能耗的优势。

(2) 本试验建立的微波烘焙小粒咖啡破裂力模型可根据咖啡豆的烘焙色度值、堆积密度较好地对破裂力值进行预测，不仅能够在咖啡豆的运输贮藏过程中根据预测的破裂力值避免压力破损，以最大限度地保留咖啡豆的风味物质，保障咖啡豆在运输、贮藏中的品质需求；适当的研磨力度可最大程度地保留咖啡豆的风味物质，破裂力模型亦可在咖啡的后续粉碎加工中提供力学数据参考，根据需求不同的烘焙程度预先设定粉碎机的粉碎力度，实现咖啡研磨加工的自动化工艺。

表4 微波烘焙小粒咖啡破裂力试验结果

表5 回归模型方差分析†

† **代表差异极显著(P<0.01)。