冷萃咖啡烘焙工艺优化及滋味成分的测定

李发彩，李晨曦，李 龙，谭先朝，蔡宗寿

（1. 云南农业大学机电工程学院，云南昆明 650000；2. 云南冷萃科技有限公司，云南昆明 650000）

咖啡属茜草科，常绿灌木或小乔木[1]，与茶叶、可可并称为世界三大饮料，是我国的第二大出口商品[2]，在我国的进出口贸易中具有重要地位[3]。咖啡豆具有很高的经济价值，现有的三大品种分别是阿拉比卡、罗布斯特、利比里亚；按咖啡豆的粒度分类，可分为小粒、中粒、大粒种咖啡[4]。目前，我国的咖啡种植主要分布在普洱、保山、临沧、西双版纳等热带亚热带地区，该地区降水量丰富，所产咖啡豆均为优质的小粒咖啡[5]。咖啡生豆成熟后被鲜红的果皮包裹着，经过采摘、脱皮、发酵、脱胶、干燥、脱皮等一系列的加工之后得到成品咖啡豆[6]。咖啡豆极易吸收水分，水分过多将导致咖啡豆发酵或引发霉菌的生长，霉菌会影响烘焙咖啡的膨化性与脆性[7]。咖啡豆在烘焙过程中，主要发生三大反应：美拉德反应、焦糖化反应和热解反应，在此过程中，绿原酸部分会被降解，使咖啡豆的颜色、滋味等发生变化[8]。

咖啡含有很多的成分物质，如多糖、脂肪、蛋白质等，其中咖啡油的功效甚至超越了咖啡豆本身，Kathryn Williamson 等人[9]研究了用超临界二氧化碳的方法来提取咖啡油，并用NMR 光谱进行反向检测。咖啡的流行均来自于感官，而感官特性来源于烘焙过程的结果，烘焙改变了咖啡豆的生物活性与咖啡豆的成分[10]。Rakvaagl Elin 等人[11]研究了浅焙咖啡和重焙咖啡中葡萄糖的耐糖性，结果表明没有太大的影响，猜测可能与样本量太小有关。宋璐琪等人[12]研究了烘焙速度对咖啡理化性质的影响，结果表明随着烘焙速度的加快，水分、氨基酸含量、绿原酸含量，色度值逐渐降低，但是咖啡因含量则没有很大的影响。于菲等人[13]的研究表明，烘焙速度可以改变咖啡的香气和风味，控制好烘焙速度可有效提高咖啡的品质。刘莉萍等人[14]研究烘焙方式对咖啡豆氨基酸的影响，结果显示烘焙温度越高、时间越长，对氨基酸的影响越大。张付杰等人[15]用微波烘焙代替常规烘焙，得出最佳微波烘焙咖啡豆的工艺。从以上研究看，烘焙工艺对咖啡品质具有重要的影响。

随着时代的发展和生活水平的提高，人们对咖啡品质的要求也逐渐提高，热萃咖啡苦味较重，于量开始追求苦味较少、甜味较多的冷萃咖啡，近年来对冷萃咖啡的研究正在兴起。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气和味道的液体[16]。苏雨馨[17]对冷萃咖啡的品质影响因素进行分析，得出烘焙度、研磨度、萃取条件均是影响冷萃咖啡品质的关键因素。国外的研究者对冷萃咖啡也展开了研究，Castañeda Rodríguez Rey 等人[18]对冲泡温度和颗粒大小对冷萃咖啡的品质影响展开叙述。Bellumori Maria 等人[19]针对冷萃咖啡中的微生物，对延长冷萃咖啡货架期展开研究。Kyroglou Smaro 等人[20]优化传统的冷萃提取方式，为缩短提取时间进行了研究。国内外对冷萃咖啡的研究较少，主要是针对咖啡品质、香气成分。烘焙是产生香气的主要手段，但是没有人对烘焙工艺进行优化研究，针对烘焙工艺对冷萃咖啡品质进行优化研究，并对冷萃咖啡的滋味成分进行分析，为以后的烘焙工艺提供理论指导和试验依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

阿拉比卡水洗豆，云南普洱爱伲庄园提供；咖啡因、绿原酸、葫芦巴碱标准品，成都彼斯特生物科技有限公司提供。

CBR-101 型热风式咖啡生豆烘焙机，韩国GENESIS 公司产品；KCG-17 型磨豆机，日本kalita 公司产品；JCS-11002C 型电子天平，上海然浩电子有限公司产品；SL118 型商用酸奶机，苏州睿德电器有限公司产品；PAL-COFFEE（TDS） 型咖啡浓度仪，爱宕科学仪器有限公司产品；BSA124S-CW 型微量天平，赛多丽斯科学仪器有限公司产品；H3-18K 型台式高速离心机，湖南可成仪器设备有限公司产品；安捷伦1200 型高效液相色谱仪，上海莱瑞科学仪器有限公司产品；PS-20A 型超声波清洗机，东莞市洁康超声波设备有限公司产品；循环水式真空泵，北京中兴伟业仪器有限公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 冷萃咖啡制备工艺

先将咖啡水洗生豆放入烘焙机中进行烘焙，烘焙好的咖啡豆取出放入研磨机中进行研磨，按照料液比1∶12 配制要求将咖啡粉浸入到冷水中萃取16 h，取出过滤后即得到冷萃咖啡。

1.2.2 试验指标检测

（1） 感官指标评定。根据美国精品咖啡协会（SCAA） 所制定的咖啡杯测标准，由3～5 名杯测员组成感官评价小组，分别对冷萃咖啡的干香/湿香、风味、回味、酸度、醇厚度、平衡性、一致性、干净度、甜度及缺点进行评分，最后根据综合评分判定咖啡的品质。

杯测标准见表1。

表1 杯测标准

（2） 咖啡液质量浓度（TDS）。利用浓度测量仪，即可得出咖啡液质量浓度。

式中：W——咖啡液萃取率，%；

TDS——咖啡液质量浓度，mg/mL；

m1——咖啡液的质量，g；

m2——咖啡粉的质量，g。

（3） 综合评分。

式中：Y——综合评分；

W1——感官评分，分；

W2——萃取率，%；

Wmax1——感官评分的最大值；

Wmax2——萃取率的最大值。

采用CRITIC 权重赋值法[21]，感官评定评分和萃取率的权重系数分别赋为0.6 和0.4。

1.2.3 单因素试验

（1） 烘焙温度的确定。将烘焙温度定为230，235，240，245，250 ℃，并控制烘焙时间为17 min，进料量为120 g。研究不同烘焙温度对所制备冷萃咖啡品质的影响，通过对感官评分、萃取率进行统计分析。

（2） 烘焙时间的确定。将烘焙时间定为15，16，17，18，19 min，并控制烘焙温度为240 ℃，进料量为120 g。研究不同烘焙时间对所制备冷萃咖啡品质的影响，通过对感官评分、萃取率进行统计分析。

（3） 进料量的确定。将进料量定为100，110，120，130，140 g，并控制烘焙温度为240 ℃，烘焙时间为17 min。研究不同进料量对所制备冷萃咖啡品质的影响，通过对感官评分、萃取率进行统计分析。

1.2.4 正交试验方案

在单因素试验的基础上，选择对冷萃咖啡影响较大的烘焙温度、烘焙时间、进料量3 个因素，进行三因素三水平L9（34）的正交试验。将感官评分、萃取率作为考查指标，对数据进行分析，得到影响冷萃咖啡品质的主要烘焙参数和制备冷萃咖啡的最优烘焙工艺参数。

正交试验因素与水平设计见表2。

表2 正交试验因素与水平设计

1.2.5 验证试验

根据正交试验所得的最优烘焙工艺，按照1.2.1进行3 次咖啡冷萃试验，测定感官评分、萃取率，验证试验结果。

1.3 滋味成分的检测

1.3.1 咖啡因、绿原酸、葫芦巴碱含量测定

（1） 咖啡因含量的测定。参照GB 5009.139—2014《食品安全国家标准饮料中咖啡因的测定》[22]，采用HPLC 法。色谱柱C18柱（粒径5 μm，柱长150 mm×直径3.9 mm），流动相：甲醇+ 水=24+76，流速1.0 mL/min，柱温25 ℃，进样量10 μL，检测波长272 nm。

（2） 绿原酸含量的测定。参照GB/T 22250—2008《保健食品中绿原酸的测定》[23]，采用HPLC法。色谱柱C18柱（粒径5 μm，柱长250 mm×直径4.6 mm），流动相：0.5%乙酸溶液+ 乙腈= 85+15，流速1.0 mL/min，柱温35 ℃，进样量10 μL，检测波长327 nm。

（3） 葫芦巴碱含量的测定。参照NY/T3012—2016《咖啡及制品中葫芦巴碱的测定》[24]，采用HPLC法。色谱柱：氨基柱（粒径5 μm，柱长250 mm×直径4.6 mm），流动相：甲醇+ 水= 88+12，流速0.80 mL/min，柱温30 ℃，进样量10 μL，检测波长260 nm。

1.3.2 咖啡因、绿原酸、葫芦巴碱标准液的配制

（1） 咖啡因标准液的配制。A 咖啡因标准储备液（2.0 mg/mL）：准确称取咖啡因标准品20 mg（精确至0.1 mg） 于10 mL 容量瓶中，用甲醇溶解定容；B 咖啡因标准中间液（200 μg/mL）：准确吸取5.0 mL咖啡因标准储备液于50 mL 容量瓶中，用水定容；C咖啡因标准工作液：分别吸取咖啡因标准中间液0.5，1.0，2.0，5.0，10.0 mL 至10 mL 容量瓶中，用水定容。该标准系列质量浓度分别为10.0，20.0，40.0，100.0，200.0 μg/mL。

（2） 绿原酸标准液的配制。A 绿原酸标准储备液（2.0 mg/mL）：称取绿原酸标准品0.02 g（精确到0.000 1 g） 于10.0 mL 容量瓶中，加流动相溶解并定容至刻度，混匀；B 绿原酸标准使用液（200 μg/mL）：准确称取1.00 mL 绿原酸标准储备液于100 mL 容量瓶中，用流动相稀释至刻度，混匀；C 绿原酸标准工作液：分别吸取绿原酸标准使用液0.1，0.5，1.0，2.0，4.0 mL 至10 mL 容量瓶中，用流动相稀释，容量瓶中定容的质量浓度分别为2.0，10.0，20.0，40.0，80.0 μg/mL。

（3） 葫芦巴碱标准液的配制。A 葫芦巴碱标准储备溶液：称取葫芦巴碱标准品20 mg（精确至0.1 mg），置于10 mL 烧杯中，水溶解后移至10 mL 容量瓶中定容至刻度，配制成质量浓度为2 000 mg/L 标准储备液；B 葫芦巴碱标准工作液：分别吸取葫芦巴碱标准使用液0.10，0.25，0.50，1.00，2.50 mL 至100 mL容量瓶中，用水稀释质量浓度分别为2.0，5.0，10.0，20.0，50.0 mg/L。

1.3.3 咖啡因、绿原酸、葫芦巴碱样液的配制

（1） 咖啡因样液的配制。称取1 g 样品，加入三氯乙酸溶液定容至10 mL，摇匀，静置，沉降蛋白，取上清液经微孔滤膜过滤。

（2） 绿原酸样液的配制。称取2 g 试样于25.0 mL离心试管中，以转速3 000 r/min 离心10 min 后，过微孔滤膜过滤。

（3） 葫芦巴碱样液的配制。称取试样0.5 g 于100 mL 烧杯中，加入80 mL 沸水。盖表面皿，置于电热板上煮沸提取30 min，冷却至室温，转移到100 mL容量瓶中，加入磺基水杨酸溶液1 mL，摇匀，水定容至刻度。上清液经微孔滤膜过滤。

1.3.4 咖啡因、绿原酸、葫芦巴碱的含量（1） 咖啡因含量。

式中：X——试样中咖啡因含量，mg/kg；

C——试样中咖啡因的质量浓度，μg/mL；

V——被测试样体积，mL；

m——称取试样的质量，g；

1 000——换算系数。

（2） 绿原酸含量。

式中：X——试样中绿原酸含量，g/L；

C——试样中绿原酸酸的质量浓度，μg/mL；

V——试样定容体积，mL；

m——称取试样的质量，g。

（3） 葫芦巴碱的含量。

式中：W——试样中葫芦巴碱的含量，g/100 g；

C1——标准溶液质量浓度，mg/L；

V1——试样溶液定容体积，mL；

V2——标准溶液进样体积，μL；

V3——试样进液体积，μL；

A1——标准溶液峰面积；

A2——试样溶液峰面积；

m——称取试样的质量，g；

1 000——换算系数。

1.4 数据分析

试验数据利用Excel 软件和SPSS 软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 烘焙工艺参数对冷萃咖啡的影响

2.1.1 烘焙温度对冷萃咖啡的影响烘焙温度对综合评分的影响见表3。

表3 烘焙温度对综合评分的影响

由表3 可知，随着烘焙温度的升高，萃取率逐渐增加，感官评分和综合评分逐渐减小，萃取率由10.92%增为12.76%，感官评分由55 分降为44 分，综合评分从0.935 7 分降为0.872 3 分。由此可知，冷萃咖啡更适合浅度烘焙，从综合评分的变化可得出最优的三水平因素值为230，235，240 ℃。

2.1.2 烘焙时间对冷萃咖啡的影响

烘焙时间对综合评分的影响见表4。

表4 烘焙时间对综合评分的影响

由表4 可知，随着烘焙时间的延长，萃取率逐渐减小，感官评分和综合评分先逐渐增加再减小，可能是由于烘焙的过程中时间没有把握好，以至于变化不太规律。由此可知，烘焙时间对冷萃咖啡的质量影响不大，从综合评分的变化可得出最优的三水平因素值为16，17，19 min。

2.1.3 进料量对冷萃咖啡的影响进料量对综合评分的影响见表5。

表5 进料量对综合评分的影响

由表5 可知，随着烘焙量的增加，萃取率逐渐减小，感官评分和综合评分逐渐增加，但是变化波动不大。由此可知，进料量对冷萃咖啡的品质影响也不大，从综合评分的变化可得出最优的三水平因素值为110，130，140 g。

2.1.4 正交试验

正交试验设计与结果见表6。

表6 正交试验设计与结果

由表6 极差R可知，影响冷萃咖啡质量的因素大小为烘焙温度＞进料量＞烘焙时间，且因素之间没有交互作用，因素最佳组合为A2B2C2，即烘焙温度为235 ℃，烘焙时间为17 min，进料量为130 g，根据咖啡萃取率和SCAA 标准可知，此条件下冷萃咖啡的品质为最佳。

方差分析见表7。

表7 方差分析

在正交试验表6 的基础上做方差分析，由表7可知烘焙温度（A） 对冷萃咖啡品质的影响显著（p＜0.05），烘焙时间（B） 和进料量（C） 对冷萃咖啡品质的影响不显著（p＞0.05）。

验证试验见表8。

表8 验证试验

根据最优工艺参数进行3 次验证试验，即烘焙温度为235 ℃，烘焙时间为17 min，进料量为130 g，3 次试验所测得的咖啡液萃取率平均值为12.67%，感官评分为61.7 分，综合评分为0.952 7 分。

2.2 滋味成分检测分析

2.2.1 标准曲线分析

根据高效液相色谱仪测出冷萃咖啡的滋味成分，葫芦巴碱、绿原酸、咖啡因的出峰时间分别为2.161，5.919，1.595 min，以峰面积（Y） 和质量浓度（X）做标准曲线、线性方程、相关系数。

滋味成分的线性方程见表9。

表9 滋味成分的线性方程

2.2.2 滋味成分对冷萃咖啡的影响

根据标准曲线，计算得出冷萃咖啡中葫芦巴碱、绿原酸、咖啡因的含量。

不同滋味成分含量见图1。

图1 不同滋味成分含量

由图1 可知，冷萃咖啡中葫芦巴碱的含量最多，绿原酸含量较少，而咖啡的苦味主要来自于绿原酸，由此可以得出冷萃咖啡相比于热萃咖啡[25]，苦味成分更少。根据咖啡的滋味成分含量，不同的消费者根据自身的喜好选择不同方式萃取的咖啡。

3 结论

以云南普洱阿拉比卡水洗咖啡豆为原料制备冷萃咖啡，通过单因素试验和正交试验，得到最佳的烘焙工艺参数为烘焙温度235 ℃，烘焙时间17 min，进料量130 g，此时得到咖啡液萃取率为12.67%，感官评分为62 分，综合评分为0.952 7 分。利用高效液相色谱仪检测出最优烘焙工艺下冷萃咖啡中葫芦巴碱的含量为1.054 g/kg，绿原酸含量为0.122 g/kg，咖啡因含量为0.418 g/kg，说明冷萃咖啡相比于热萃咖啡，苦味成分更少，更容易被大众所接受，为冷萃咖啡的标准化生产提供科学依据和提论指导。