咖啡产品的加工技术研究进展

刘铖珺,黄晓燕,刘丽敏,方 婷,2,*

(1.福建农林大学食品科学学院,福建福州 350002; 2.闽台特色海洋食品加工及营养健康教育部工程研究中心(教育部),福建福州 350002)

咖啡树是属茜草科常乔木,原产于非洲埃塞俄比亚西南部高原地区[1]。咖啡树果实中的果仁经过烘培得到的咖啡豆,配合不同的烹煮工具能够制作出一种深受世界各地消费者喜爱的饮料——咖啡[2],咖啡已经成为世界范围内最为普遍的饮品之一。Ciaramelli等[3]研究发现,有75%的常规软饮料消费都来自于咖啡。咖啡中含有大量具有抗氧化性的化合物,因此被视为一种功能性食品[4]。Arendash等[5]指出,咖啡中的咖啡因可以有效治疗阿尔兹海默症,Jia等[6]研究证明咖啡中多种成分能够预防2型糖尿病(type 2 Diabetes Mellitus,T2D),通过合理控制咖啡的摄入量可以有效预防T2D,以及作为饮食干预手段干预肥胖管理。咖啡作为全世界消费最广泛的食品产品之一,对生产和出口咖啡的国家的经济至关重要,咖啡产业在世界范围内产值每年可以达到1000亿美元[7]。二十一世纪以来,由于新式产品和饮料配方、新型咖啡机和街道上咖啡店的推动,全球咖啡消费持续增长[8]。

雀巢基于中国咖啡市场和消费者进行长时间的观察,对速溶、即饮、实体店等所有细分品类的数据进行分析统计,2019年中国国内咖啡年人均饮用量仅6杯,远低于欧美、日本年人均300杯[9]。随着我国人民生活水平的提高以及咖啡文化的日益盛行,将会不断刺激咖啡消费[10]。随着时代的变化,为了满足消费者的需求,咖啡产品的形态越来越丰富,不只局限于现磨咖啡,市面上出现了瓶装或者罐装的即饮咖啡饮料,产生了速溶咖啡如冻干咖啡粉以及冷萃咖啡液,以及需要自行过滤冲泡但风味最贴近现磨咖啡的挂滤咖啡,这些产品的加工方式大有不同。

2018年速溶咖啡仍在中国咖啡市场中占比最大,可以达到68.5%;其次为现磨咖啡,占18.1%;而罐装或瓶装即饮咖啡占有10.1%的市场;剩下的市场则是被咖啡豆、胶囊咖啡、挂耳咖啡等小众的咖啡消费方式所占据[11]。由此可见,未来中国各式咖啡产品均具有巨大的市场潜力,但速溶咖啡仍然是中国咖啡市场的主导部分[12-13]。而影响速溶咖啡粉品质的关键是其干燥技术,在干燥阶段,存在许多关键变量，如干燥时间、温度、气流、与颗粒接触的干燥剂的理化特性、干燥层的厚度等[14],探究速溶咖啡的优质干燥技术显得尤为关键。且速溶咖啡粉的干燥技术仍处于不断改进、突破的过程中。

本文通过对现有不同类型的咖啡产品加工技术进行介绍,并对占市场比重最大的速溶咖啡粉干燥技术进行总结,旨在为中国未来的咖啡市场发展提供借鉴和理论支持。

1 咖啡产品

1.1 挂滤咖啡

挂滤咖啡,也称挂耳咖啡,是由咖啡豆经过烘培与研磨后,被装入具有孔隙的无纺布或尼龙材质的滤袋中,在密封于独立包装之前充入氮气进行保鲜的一种便携式咖啡产品。在饮用时,将滤袋两边的“挂耳”挂在杯子两边,匀速加入热水(90～95 ℃最佳)[15],热水渗过咖啡粉将咖啡液及香气提取出来,消费者根据喜好加入糖包或奶包搅匀即可饮用。

挂滤咖啡使用的无纺布滤袋是可生物降解的,减少了对环境的污染[16]。充入氮气的具体操作为对独立包装内部抽真空,再充入氮气以达到气压平衡。基于氮气为惰性气体、对人体无害的原理,可以有效防止袋外氧气进入,降低袋内氧化作用,杜绝咖啡香气挥发,起到保鲜作用。

挂滤咖啡在烘焙研磨阶段进行的加工与咖啡店现磨现冲咖啡的制作工艺基本一致。由于食用时无需经过复杂的加工手段,充氮包装很大程度上可保持研磨咖啡的香气,以及便利、环保型包装等特点深受消费者喜爱。

1.2 即饮咖啡

即饮咖啡(ready-to-drink coffee,RTD coffee),又称瓶装或罐装咖啡,是现代普遍的咖啡饮料,通常以速溶咖啡或者咖啡浓缩液为基础,添加牛奶、奶粉、炼乳或者奶精,以及香精等配料灌装而成。牛奶、奶粉、炼乳抑或是奶精的选择会对此类咖啡饮料的品质、风味、成本造成较大的影响[17]。

罐装咖啡饮料的制作工艺为:先将烘焙并且研磨好的咖啡粉状物加入热水或者冷水萃取(产品风味不同)[18],得到咖啡萃取物通入过滤器,过滤掉咖啡渣等杂质,再加入牛奶、香精、糖等配料进行调制以获得良好的风味,将得到的咖啡饮料转移至容器中,最后经过灭菌设备进行杀菌,以避免微生物污染的风险并获得足够的货架期[19]。在即饮咖啡生产中会经过超高温瞬时杀菌和无菌冷灌装技术,即在2～8 s内将咖啡饮料加热到指定温度范围内(135～150 ℃),杀死咖啡饮料中的微生物和细菌,再迅速冷却至30～40 ℃[20]。为避免再次受到污染,工业上运用无菌冷灌装技术进行灌装[21]。基于咖啡饮料从加热到冷却经历时间短,咖啡饮料中的化学变化小,咖啡饮料能够保持原有风味。

罐装咖啡也能够通过巴氏灭菌法实现灭菌[22]。巴氏灭菌法采用较低的杀菌温度,能够保留溶液中微量营养物质,在杀死致病菌的同时减少咖啡饮料风味的损失。Alongi等[23]使用不同温度下的巴氏灭菌法发现苹果汁中总酚含量随热处理强度的增加而增加,而酚类物质正是提供咖啡风味的重要物质。Matsumiya等[24]发现乳状液层中的蛋白量与乳液稳定性的成正比,κ-酪蛋白和β-乳球蛋白对乳状液的稳定性起着重要作用,可保持罐装牛奶或咖啡的稳定性。Borland等[25]通过蒸汽摄取研磨后咖啡的香气,从蒸汽中去除低挥发性咖啡香气化合物,回收高挥发性香气化合物,再添加到咖啡提取物中。这种方法生产的即饮咖啡可使消费者在打开罐装拉环后立刻感受到释放出的咖啡香气,而且不会影响咖啡原有的风味。

尽管即饮咖啡被人戏谑称为咖啡味的糖水,抑或是被重度咖啡爱好者所排斥,也不影响其逐渐扩大的市场潜力。为了提高咖啡饮料的风味以及稳定产品的质量,会加入食品添加剂如乳化剂、增稠剂等,也开发了合适的杀菌技术。虽然更新鲜的咖啡被现代所推崇,但不可否认的是,即开即饮的生活方式正在潜移默化地改变我们的生活。

1.3 冷萃咖啡液

冷萃咖啡液是通过将烘焙且研磨好的咖啡粉与水在低温环境浸泡12 h以上,再经过过滤萃取而成。在48 h内,浸泡时间越长,味道更醇厚。冷萃有效地抑制了咖啡中的单宁在高温条件下分解产生的焦梧酸带来的苦涩感[26],更能体现咖啡自身的风味。对比热萃咖啡,如现冲咖啡和挂滤咖啡,在85～95 ℃之间经5 min以内萃取,最快的意式浓缩咖啡只需18～23 s,远低于冷萃咖啡所花时间[27]。

冷萃咖啡液经独立条型包装(每条约20 mL),经冷链运输售卖,兑水或者加入牛奶即可饮用。在夏天,热萃咖啡中加入冰块使之成为冰咖啡,相对于冷萃工艺下的咖啡更加酸涩,研究表明冷萃咖啡中的酸性物质会比热萃咖啡低67%[28-29]。另外,咖啡粉在低温水中长时间浸泡,只有小分子风味物质被萃取,使得冷萃咖啡喝起来口感更顺滑、馥郁、层次分明,且回甘明显[30]。将挂滤咖啡的咖啡包长时间浸泡于冷水得到的萃取液也类似于冷萃咖啡液。独立包装的便携冷萃咖啡液在0～10 ℃下能够保藏90～180 d,在常温下能保存48 h,全程低温萃取和冷链运输可以很好地保证其香气不因高温而损失,口感甘甜滑顺。

1.4 速溶咖啡粉

速溶咖啡粉,又称可溶性咖啡粉的工序或冻干咖啡粉,由烘焙并且磨碎的咖啡豆经过过滤,产生浓缩的咖啡萃取物。然后将萃取物烘干使其蒸发多余的水分获得干燥的咖啡提取物,制成最后的咖啡混合物。速溶咖啡粉具有独特的口感和咖啡因的刺激作用,因其能迅速溶解于热水,在储运过程中更易储存,所占空间体积小,而受广大消费者青睐。

速溶咖啡粉通常为罐装销售,胶囊咖啡与之相似,但在加工和饮用方面有所不同。胶囊咖啡产品类型为粉状,使用特殊材质的胶囊状容器包装并通入惰性气体保鲜,咖啡胶囊小巧便利,但是需要专用胶囊咖啡机将高压热水注入胶囊才能萃取出咖啡浓缩液。胶囊咖啡与胶囊咖啡机需要一定的兼容性,胶囊咖啡成本较高,且胶囊材质环保性较差不利于回收再利用,因此胶囊咖啡具有局限性。本文主要针对罐装速溶咖啡粉的干燥技术进行讨论。

Stokes等[31]通过随机选择40名经常喝咖啡的受试者,年龄在20～52岁之间(55%的男性,45%的女性),接受速溶咖啡粉与过滤咖啡的感官测试评估,得出结论,偏好过滤咖啡人数与其整体接受度呈正相关。速溶咖啡粉与新鲜过滤咖啡在质量与口感上存在一定差异,又因其缺乏过滤咖啡所具有的独特风味,整体接受度偏低。影响速溶咖啡粉质量的因素很多,除了咖啡品种会带来显著差异,还与咖啡豆种植环境的土壤成分、海拔和气候条件相关,烘焙和干燥也是决定速溶咖啡粉的感官性能质量的关键阶段。而在干燥阶段,干燥时间、温度、气流、与颗粒接触的干燥剂的理化特性、干燥层的厚度等都是关键变量[14]。由此可见,速溶咖啡的优质干燥技术显得尤为关键。目前,在速溶咖啡粉生产中,将咖啡萃取物转化为咖啡粉末有两种常用的脱水工艺,即喷雾干燥和冷冻干燥。

2 咖啡粉干燥技术

2.1 喷雾干燥技术

喷雾干燥是将液体食品转化为粉末的技术。其原理是使用喷雾雾化器在原料中产生液滴喷雾。这些液滴中包含固体组分,通过加热的气流的相互作用,液体组分挥发留下干燥粒子,再进行惯性分离或过滤步骤将其筛选分离出来[32]。喷雾干燥通常产生近球形团聚体,因此具有良好的流动性[33]。在干燥咖啡液的过程中,流动性随着液体浓度增加而变差,喷雾过程容易堵塞喷嘴;若浓度过低,粘度变低,表面张力增加,不利于干燥颗粒的形成,所以咖啡液固形物含量应控制在30%～40%[34-35]。

干燥技术已经逐渐成熟且被广泛应用于生产食品粉末,运用喷雾干燥技术干燥橄榄叶提取物,回收率最大可达到70%,粉状植物提取物相对于液态提取物,具有稳定性好、贮运成本低、能达到较高的浓度等优点,干燥所得的提取物可有效作为营养食品的功能性成分[36]。

喷雾干燥技术成本低,可实现规模化生产,但基于其严格的干燥条件,必须建立干燥工艺优化模型。Kalkan等[37]测定喷雾干燥法后的榛子油微胶囊化粉末的经济成本,得出喷雾干燥是最经济的生产微胶囊材料的方法,成本远小于冷冻干燥(30～50倍)。在操作喷雾干燥机前,需要调整适当的工艺参数。针对喷雾干燥技术干燥水果汁和蔬菜汁,Tontul等[38]研究表明要提前对喷雾干燥参数进行优化,才可以获得生产效率高、品质优良的粉末。Uscategui等[39]描述了一种用甘蔗汁转化为粉末状产品的喷雾干燥技术,喷雾干燥条件对粉状产品的工艺性能和质量性能的影响很大,必须建立喷雾干燥工艺的优化模型,通过最大限度地提高有效产率、溶解度、容重和粒径,同时最小化附着在干燥器壁上的固体颗粒、水分含量和水活度,确定最佳条件,保证产品的质量。

运用喷雾干燥技术,干燥过程中的高温处理会破坏敏感化合物导致产品风味丧失。Alaalvar等[40]描述了基于喷雾干燥技术(进口温度160 ℃空气流量600 L/h进料流量8 mL/min)干燥以鼠尾草和椴树作为原料提取出的酚类物质,研制速溶冰茶的方法。由于高温,喷雾干燥过程中提取的萃取物总酚类物质含量TPC降低,造成酚类物质的损失。

另外,喷雾干燥技术的产品稳定性较差。Zotarelli等[41]研究了在不添加麦芽糖糊精的情况下,采用喷雾干燥法和胶带干燥法生产芒果粉,对比了两种干燥方法作用下的芒果粉末的水分、颗粒密度、孔隙度等,绘制出状态图表明喷雾干燥法下制备的芒果粉的稳定性略低于用胶带干燥法制备的芒果粉。

喷雾干燥技术已被应用于制药工业,目前主要应用于制造溶解度低的小分子药物,也可应用于大型生物分子和生物药物的加工。虽然喷雾干燥技术存在局限性,但是在食品、制药以及各种类型的原料方面扮演了一个重要的角色。在干燥过程中,运用喷雾干燥所产生的粉末质量不会产生太大的改变,具有很强的可控性[42]。喷雾干燥技术具有适用性广泛、可节省时间(干燥过程约10～50 s[43])、成本的优点[44]。

然而,喷雾干燥技术生产的咖啡粉通常被认为是质量较差的咖啡粉末,高温处理会导致咖啡挥发物的损失,失去或减少其特有的风味及品质[45]。Bedade等[46]研究发现,在喷雾干燥过程中生成较高含量的丙烯酰胺等对人体有潜在负面影响的物质。宋美云[35]提出在生产喷雾干燥咖啡过程中可以添加β-环糊精等具有包裹能力的物质,回收干燥过程中咖啡挥发的香气、减少其风味损失,证明了可以加入特殊物质保证咖啡产品质量的可行性。相比之下,用于速溶咖啡粉的另一种干燥方法,即冷冻干燥,基于低温和升华,可以保留更多咖啡本身的挥发性香气。

2.2 冷冻干燥技术

冷冻干燥技术多用于干燥含有热敏物质和易被氧化化合物的食物。基本原理是冷冻的食品产品在极低温度和压力下通过升华脱水达到干燥的目的。

工业生产脱水食品的最佳干燥方法是冷冻干燥。冷冻干燥与其他干燥方法相比,可以生产出高质量的产品,在冷冻干燥过程中由于缺乏液相水,加上真空状态下缺氧以及低温条件,微生物反应减缓,变质反应受阻以及减缓,有利于保持最大的生物活性。Araya-Farias等[47]研究了热风干燥和冷冻干燥方法对沙棘果粉中生物活性化合物的影响,得出沙棘在冷冻干燥工艺下的动力学远快于普通空气干燥,生物活性化合物保留率也更高。这要得益于冷冻干燥过程处于缺氧的状态(与氧气接触少)。

在质量方面,冷冻干燥能保持产物的复水性,这得益于冷冻干燥获得开放微观结构[48]。在医药制造业,固态药物比其液体溶液状态时的稳定性更高,因此,冷冻干燥法在药物生产过程中是一个关键步骤[49]。制药领域中,抗生素、疫苗、多肽和蛋白质等物质因为水的存在而处于不稳定的状态,需要在干燥的条件下储存[50]。

Shishir等[51]通过比较冷冻干燥技术和喷雾干燥技术对于保存果蔬汁粉末的效果,得出结论,喷雾干燥广泛应用于食品制造行业,但容易破坏其敏感化合物,且热效率相对较低,虽然冷冻干燥的是公认的最有效的营养粉产品的保护,喷雾干燥性价比(成本较低,干燥时间较短,可以实现较大规模的经济生产)仍是果蔬汁粉体加工的关键技术。

Rajkumar等[52]研究采用固相微萃取-气相色谱-质谱(solid phase microextraction-gas chromatography-mass,SPME-GC-MS)测定比较卷心菜片在热风干燥和冷冻干燥条件下挥发性化合物成分以及感官品质,以及分析样品颜色、复水率等物理性质。结果表明,冷冻干燥对卷心菜的理化性质和挥发性物质影响较小,很好的保留了花青素的特征并产生积极的感官效果,大众整体接受度提高。并且,低温状态下的冷冻干燥有助于提高品质。但是将冷冻干燥技术用于蔬菜干燥具有成本高、蔬菜产品自身价值低的问题,没有很好的发展前景。

冷冻干燥普遍被认为是制造干燥产品较为昂贵的方法。从运行成本和能源消耗来看,这是一个昂贵的操作。冷冻干燥的生产成本是喷雾干燥的4倍,是热风干燥的8倍,消耗的能量更能达到普通热风干燥的4～10倍,这种高成本限制了这种技术仅用于高价值产品[53]。目前,冷冻干燥局限于香料草药、航天食品、军事或极限运动食品以及咖啡或婴儿速溶配方等特色食品的生产。对于干燥咖啡、香料等高价值的产品,冷冻干燥技术显得十分重要。Ghirian等[54]分别对喷雾干燥法和冷冻干燥法得到的咖啡粉进行含水量的测定,冻干咖啡是一种质量更高、克服了风味和香气损失的产品。

使用冷冻干燥技术干燥咖啡,原料通常选用含40%固形物的咖啡浓缩提取物。为了防止芳香类物质的挥发、减少烘干机过载,初级冷冻阶段中的咖啡浓缩物处于0～3 ℃的低温条件。在冷冻阶段,咖啡提取液由液体迅速变为固体。进入破碎和过筛阶段,冷冻过程中形成的冰块首先被破碎成小块,对颗粒大小进行筛选。冷冻的咖啡颗粒被送入干燥室。冰晶中的水分在所需温度和真空条件下会升华。在此过程中,冷凝器收集升华的水蒸气,保持干燥室内的恒定真空。最后产生冻干的咖啡颗粒[55]。冷冻干燥破碎阶段需要进行机械磨碎得到咖啡粉末,然而研磨过程产生的热量会对咖啡粉末品质造成影响,且得到的颗粒大小不均匀,流动性较差[43]。

近年来,消费者对加工程度低、质量高的食品存在较大需求,冻干食品的市场在不断扩大,并逐渐多元化发展。随着人们对咖啡产品需求的日益增长,速溶咖啡市场具有良好前景。Ratti等[56]指出,应对新型市场必须对冷冻干燥技术提出新的需求以及工艺改进创新技术,使产品产生附加值。想要将冷冻干燥技术广泛应用与咖啡干燥,必须对工艺进行创新,减少成本便于规模化生产。随着消费者对食品源头、食品安全、品质、天然有机食品市场的关注,冷冻干燥粉末的需求必将在今后不断提高。

2.3 喷雾冷冻干燥技术

喷雾干燥以低成本提供高生产能力，但因其较高的温度,最终导致产品的风味不佳。另一方面,冷冻干燥克服了风味和香气损失、保持良好质量的同时消耗更多成本[57]。

喷雾冷冻干燥技术是一种目前在药物微球制备中广泛应用的技术,它可以很好的结合喷雾干燥和冷冻干燥的优势。喷雾冷冻干燥技术干燥咖啡液的过程中,将咖啡液(液体固形物含量处理至30～40%[43])经由雾化器雾化成细小的雾滴(雾化阶段),这些雾滴与容器中经过制冷的冷空气接触,凝固冻结后经最后的升华干燥(冷冻干燥阶段[58]),形成流动性良好的多孔球形咖啡粉[59-60]。

Ishwarya等[61]研究了新型喷雾冷冻干燥技术对于可溶性咖啡加工的适用性。这项技术能够保留咖啡特有的低沸点芳香化合物,保留更多的香气,使咖啡粉末具有良好的溶解性、流动特性,在包装储运方面有积极意义。因此,喷雾冷冻干燥技术证明了投入可溶咖啡的生产的可行性,在改善高价值产品的特性方面具有潜在的应用价值。

Anandharamakrishnan等[62]研究指出喷雾冷冻干燥技术干燥时间约为5～8 h,相对于冻干技术(8～21 h)可以减少大约30%～60%干燥时间。香气成分的扩散损失的速率随着升华速率和总干燥时间减小,喷雾冷冻干燥条件下的可溶性咖啡标记化合物的保留率最大,由于这个原因,喷雾冷冻干燥技术处理下的咖啡粉末更能保持香气。

喷雾冷冻干燥技术过程减少了冷冻干燥产品粉碎的步骤,可以直接产生良好流动性和溶解性粉末的同时节省干燥时间、保留更多香气,具有良好的研究前景。然而,喷雾冷冻干燥技术操作复杂、工序繁琐、能耗高、成本昂贵[55],具有在真空能源密集型操作和批量模式操作导致的额外成本的局限性[63],更适用于干燥高市场价值的药物产品,这也是喷雾冷冻干燥技术在速溶咖啡粉尚未工业化的主要原因。

表1 不同干燥技术比较Table 1 Comparison of different drying technology

3 讨论

本文介绍几款除了现冲咖啡以外的咖啡产品及其加工工艺,简要探讨了三种速溶咖啡粉的干燥技术。挂滤咖啡能够最大程度保持研磨咖啡的香气;罐装即饮咖啡口味的多元化能够保持大多数消费者的需要;冷萃咖啡液在低温下萃取,酸涩感减少且口感更馥郁。速溶咖啡粉干燥工艺的选择在其生产过程中十分关键,运用喷雾干燥所产生的粉末质量虽具有很强的可控性且能节省大量时间和成本,但是对于干燥高价值的咖啡粉末来说,高温处理会导致咖啡挥发物的损失,影响其特有的风味及品质,过程中容易发生美拉德反应,生成较高含量的丙烯酰胺等对人体有潜在负面影响的物质。冷冻干燥基于低温和升华作用,可以保留更多咖啡本身的挥发性香气。同时,也因其成本过高有一定局限性,仍须对冷冻干燥技术做出工艺改进、创新技术、降低成本、增大附加价值。喷雾冷冻干燥技术综合了喷雾干燥和冷冻干燥的优点,但是在干燥速溶咖啡方面,技术尚未成熟,且成本过高,存在很大的市场潜力和研究前景。

4 展望

随着中国咖啡市场的扩大、趋于多元化发展,人们对咖啡的种类和品质有了更高的要求,对目前的咖啡干燥技术进行改进和完善显得尤为重要。研究咖啡干燥新技术,保证咖啡粉品质的同时又能够降低成本,以保持咖啡市场竞争性。此外,使咖啡粉原有风味最大限度保留是咖啡干燥技术发展方向之一,对多种干燥技术的集成联用可以有效提高咖啡粉的品质。