小粒咖啡微波烘焙工藝優(yōu)化及破裂力分析

張付杰 王 璐 楊 薇 李夢(mèng)麗 李麗霞 蔣快樂(lè) 李小青

(1. 昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650500； 2. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)熱帶作物學(xué)院，云南 普洱 665000; 3. 中國(guó)人民解放軍69223部，新疆 阿克蘇 842300)

小粒咖啡自1902年引進(jìn)至今，已成為云南省第三大出口農(nóng)產(chǎn)品[1-2]。新鮮成熟的咖啡漿果呈鮮紅色，經(jīng)水洗、脫皮、發(fā)酵、晾曬、脫殼等處理[3]后可得到供加工和出口的咖啡生豆。要得到可研磨沖泡的咖啡熟豆，需對(duì)生豆進(jìn)行高溫烘焙。當(dāng)咖啡豆被加熱至表面溫度達(dá)到170 ℃ 以上，豆內(nèi)風(fēng)味物質(zhì)開(kāi)始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)一系列烘焙程序逐漸形成其特征風(fēng)味物質(zhì)[4]。咖啡的傳統(tǒng)烘焙方式由最原始的鍋炒式，逐步發(fā)展為直火式、電熱式、液化氣式等。

微波因快捷環(huán)保、高效低耗的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[5]，在農(nóng)產(chǎn)品加工中的應(yīng)用研究一直備受關(guān)注。微波焙烤無(wú)需熱傳遞過(guò)程，產(chǎn)生的高溫可瞬時(shí)深入物料內(nèi)部，直接達(dá)到改善物料風(fēng)味和結(jié)構(gòu)的加工目的[5]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)微波焙烤的應(yīng)用已有研究。李雨露等[6]研究了微波加工五香花生米的工藝技術(shù)，確定了微波焙烤花生米的最佳工藝。Uysal等[7]以紅外微波爐焙烤榛子，發(fā)現(xiàn)微波烘焙的成品與常規(guī)烤制樣品品質(zhì)相當(dāng)。Behera等[8]研究發(fā)現(xiàn)在最佳條件下微波焙烤的小茴香種子比常規(guī)焙烤含有更多特征性風(fēng)味化合物，推薦微波焙烤作為替代焙烤方法。Bolek等[9]研究分析了微波焙烤和烘烤時(shí)間對(duì)黃木蓮豆的各項(xiàng)物理特性的影響。中國(guó)對(duì)咖啡的研究多集中于常規(guī)烘焙對(duì)其化學(xué)成分的影響：周斌等[10-11]研究了烘焙程度對(duì)云南小?？Х认銡獬煞值挠绊?張宗玲等[12]研究了咖啡豆的烘焙條件對(duì)其成分含量的影響；蔡瑞玲等[13]分析了焙烤過(guò)程中咖啡抽提液成分的變化以及對(duì)咖啡香氣的影響。但目前尚未見(jiàn)將微波技術(shù)應(yīng)用于咖啡烘焙工藝的研究。

本試驗(yàn)擬使用本實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的微波熱風(fēng)耦合烘焙裝置[14]，以微波功率密度、烘焙時(shí)間、滾軸轉(zhuǎn)速、風(fēng)速為試驗(yàn)因素，以咖啡豆的物理指標(biāo)——堆積密度、烘焙色度值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，探索咖啡微波烘焙工藝的可行性，優(yōu)化出適合咖啡微波烘焙的最佳工藝參數(shù)，擬建立微波烘焙的小?？Х榷蛊屏蚜Φ念A(yù)測(cè)模型，為咖啡深加工研究和設(shè)備設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器與設(shè)備

微波熱風(fēng)耦合烘焙裝置(如圖1)：微波功率600～2 500 W，滾軸轉(zhuǎn)速0～100 r/min，風(fēng)速0～3 m/s(此為鼓風(fēng)機(jī)吹至金屬網(wǎng)上方腔體內(nèi)的平均風(fēng)速)，參數(shù)均可通過(guò)設(shè)備的控制面板調(diào)控，由于試驗(yàn)需求不同，溫濕度傳感器、電熱管、熱風(fēng)溫度傳感器等部件在本次試驗(yàn)中未使用，本實(shí)驗(yàn)室自制；

1. 溫濕度傳感器 2. 外腔體 3. 料筒 4. 微波饋口 5. 滾軸 6. 金屬網(wǎng) 7. 熱風(fēng)溫度傳感器 8. 電熱管 9. 換熱器 10. 傳動(dòng)皮帶 11. 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 12. 離心式鼓風(fēng)機(jī) 13. 水槽 14. 支架

圖1 微波熱風(fēng)耦合烘焙裝置示意圖

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

咖啡烘焙程度分析儀：RoAmi ROAST ANALYZER TRA-3000型，韓國(guó)Truesystems公司；

食品物性分析儀：TMS-PRO型，美國(guó) FTC公司；

電子天平：BL310型，德國(guó)Sartoriu科學(xué)儀器有限公司；

游標(biāo)卡尺：B3型，精度0.02 mm，成都成量工具有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)材料及樣品準(zhǔn)備 選用產(chǎn)自云南保山的小粒種咖啡生豆。分別稱(chēng)取3組各20 g咖啡生豆，采取105 ℃ 恒溫法(按GB 5009.3—2010執(zhí)行)測(cè)得試驗(yàn)樣品豆的初始濕基含水率為10.58%～11.32%。

烘焙前對(duì)咖啡生豆進(jìn)行手選[15]，將其中的雜質(zhì)和瑕疵豆手工去除，留取飽滿(mǎn)完好的生豆。手選后將生豆過(guò)SCR標(biāo)準(zhǔn)咖啡篩14號(hào)篩網(wǎng)，篩除較小顆粒的咖啡生豆以減少試驗(yàn)誤差。

每次試驗(yàn)稱(chēng)取200 g篩選后的生豆放入料筒，按試驗(yàn)方案調(diào)節(jié)相應(yīng)參數(shù)后進(jìn)行烘焙。咖啡豆烘焙完成后，用電子天平稱(chēng)重，用量筒量取體積，計(jì)算其堆積密度，測(cè)定色度值及烘焙程度。

1.2.2 咖啡微波烘焙?jiǎn)我蛩卦囼?yàn)方案 以微波功率密度、烘焙時(shí)間、滾軸轉(zhuǎn)速、風(fēng)速為影響因素，堆積密度、烘焙色度值為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行咖啡微波烘焙?jiǎn)我蛩卦囼?yàn)。

(1) 微波功率密度：固定烘焙時(shí)間8 min，滾軸轉(zhuǎn)速60 r/min，風(fēng)速0.0 m/s，考察微波功率密度(6，7，8，9 W/g)對(duì)烘焙咖啡豆的堆積密度和烘焙色度值的影響。

(2) 烘焙時(shí)間：固定微波功率密度8 W/g、滾軸轉(zhuǎn)速60 r/min、風(fēng)速為0.0 m/s，考察烘焙時(shí)間(8，12，16，20 min)對(duì)烘焙咖啡豆的堆積密度和烘焙色度值的影響。

(3) 滾軸轉(zhuǎn)速：固定微波功率密度8 W/g、烘焙時(shí)間8 min、風(fēng)速為0.0 m/s，考察滾軸轉(zhuǎn)速(60，70，80，90 r/min)對(duì)烘焙咖啡豆的堆積密度和烘焙色度值的影響。

(4) 風(fēng)速：固定微波功率密度8 W/g、滾軸轉(zhuǎn)速60 r/min、烘焙時(shí)間8 min，考察風(fēng)速(0.0，1.0，2.0，3.0 m/s)對(duì)烘焙咖啡豆的堆積密度和烘焙色度值的影響。

1.2.3 微波烘焙咖啡正交試驗(yàn)方案 在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以微波功率密度、烘焙時(shí)間、滾軸轉(zhuǎn)速、風(fēng)速為影響因素，以堆積密度、烘焙色度值為試驗(yàn)指標(biāo)，利用正交表設(shè)計(jì)四因素四水平正交試驗(yàn)，對(duì)咖啡微波烘焙的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1.2.4 咖啡豆破裂力試驗(yàn) 為研究破裂力與堆積密度、烘焙色度值之間的關(guān)系，本試驗(yàn)擬在咖啡豆粒破裂力與其堆積密度、烘焙色度值之間建立回歸模型。在優(yōu)化工藝的基礎(chǔ)上，再次對(duì)小粒咖啡進(jìn)行微波烘焙試驗(yàn)。選取16組較優(yōu)烘焙樣品，按烘焙程度由淺至深排序，每組樣品隨機(jī)選5?？Х榷惯M(jìn)行壓縮試驗(yàn)。

1.2.5 試驗(yàn)指標(biāo)檢測(cè)

(1) 堆積密度：將咖啡豆倒入量筒，輕振，讀取咖啡豆的體積V；使用電子天平稱(chēng)量咖啡豆的質(zhì)量M，根據(jù)式(1)計(jì)算其堆積密度ρb。

(1)

式中：

ρb——堆積密度，g/mL；

M——咖啡豆質(zhì)量，g；

V——咖啡豆體積，mL。

(2) 烘焙色度值及烘焙程度：烘焙色度值通過(guò)咖啡烘焙程度分析儀測(cè)定。測(cè)量結(jié)果顯示為色度數(shù)值及相應(yīng)烘焙程度。每組試驗(yàn)結(jié)果隨機(jī)取3組樣品測(cè)量，取平均值作為該組烘焙色度值結(jié)果，記為C。表1為SCAA(Specialty Coffee Association of America，美國(guó)精品咖啡協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)中烘焙色度值及其對(duì)應(yīng)的烘焙程度?？Х榷钩Ｒ?guī)烘焙的色度值范圍為30≤C≤80，本試驗(yàn)以此數(shù)值范圍為參考。

(3) 破裂力F：將單粒豆置于食品物性分析儀的工作臺(tái)上，用圓形平板壓頭對(duì)其進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。當(dāng)壓頭接觸咖啡豆試樣后，以1 mm/min的恒速下降，記錄試樣的變形位移與壓力值。當(dāng)曲線上的壓力值達(dá)到某一峰值隨后突然下降，表示咖啡豆試樣已破裂，記該數(shù)值為咖啡豆的破裂力F。

(4) 綜合評(píng)分的計(jì)算：將堆積密度、烘焙色度值2個(gè)指標(biāo)用隸屬度的綜合加權(quán)評(píng)分法對(duì)咖啡微波烘焙工藝進(jìn)行綜合評(píng)分。堆積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。故常規(guī)烘焙色度值范圍內(nèi)，綜合評(píng)分越低，烘焙效果越好。隸屬度按式(2)計(jì)算：

表1 烘焙色度值對(duì)照表

(2)

式中：

Ai——指標(biāo)值；

Amin——指標(biāo)最小值；

Amax——指標(biāo)最大值。

綜合評(píng)分按式(3)計(jì)算：

S=a×Px+b×Py，

(3)

式中：

Px、Py——分別為堆積密度、烘焙色度值的隸屬度；

a、b——分別為2個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，考慮2個(gè)指標(biāo)對(duì)于衡量咖啡烘焙結(jié)果的重要性同樣重要，取a=0.5，b=0.5。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理 采用IBM SPSS Statistics 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 咖啡微波烘焙工藝優(yōu)化

2.1.1 微波功率密度對(duì)烘焙的影響 由圖2可知，隨微波功率密度增加，咖啡豆的堆積密度和烘焙色度值均呈負(fù)相關(guān)變化，堆積密度從0.581 g/mL逐漸降至0.267 g/mL，烘焙色度值由98.2降至16.8，對(duì)應(yīng)烘焙程度越來(lái)越深，顆粒膨化程度越大。微波功率密度為6 W/g時(shí)，所得咖啡豆的烘焙色度值為98.2，超出咖啡豆常規(guī)烘焙色度值范圍(30≤C≤80)，烘焙程度極淺，咖啡豆偏生，堆積密度為0.581 g/mL，膨化程度較差。微波功率密度上升至9 W/g時(shí)，由于功率密度偏大，加熱溫度過(guò)高，使咖啡豆的烘焙色度值僅為16.8，烘焙程度極深，豆體表面呈焦黑色。根據(jù)柱狀圖趨勢(shì)，參考咖啡豆常規(guī)烘焙色度值范圍，選取7.0～8.5 W/g作為正交試驗(yàn)的水平范圍。

2.1.2 滾軸轉(zhuǎn)速對(duì)烘焙的影響 由圖3可知，隨著滾軸轉(zhuǎn)速的增加，其堆積密度和烘焙色度值均隨之增加?？Х榷沟亩逊e密度從0.335 g/mL逐漸增至0.433 g/mL；烘焙色度值由45增至81，相應(yīng)烘焙程度由中深焙逐漸降至非常淺焙。滾軸轉(zhuǎn)速達(dá)90 r/min以上時(shí)，烘焙程度已達(dá)極淺焙。綜合考慮熱能利用率及烘焙效果，選取滾軸轉(zhuǎn)速65～80 r/min作為正交試驗(yàn)水平范圍。

圖2 微波功率密度對(duì)烘焙的影響

圖3 滾軸轉(zhuǎn)速對(duì)烘焙的影響

2.1.3 烘焙時(shí)間對(duì)烘焙的影響 由圖4可知，隨著烘焙時(shí)間的延長(zhǎng)，咖啡豆烘焙色度值由49.0降至16.7，烘焙程度從中焙逐漸變?yōu)闃O深焙；堆積密度由0.355 g/mL降至0.282 g/mL。烘焙8 min的咖啡豆烘焙程度為中焙，堆積密度卻與其他組的接近，局部咖啡豆烘焙程度較淺，可見(jiàn)短時(shí)間烘焙存在烘焙不均現(xiàn)象；烘焙20 min的咖啡豆的烘焙色度值<30，烘焙程度極深，接近焦化。因此選取烘焙時(shí)間10～16 min作為正交試驗(yàn)的水平范圍。

圖4 烘焙時(shí)間對(duì)烘焙的影響

2.1.4 風(fēng)速對(duì)烘焙的影響 由圖5可知，隨烘焙過(guò)程中風(fēng)速的增加，咖啡豆的堆積密度由0.355 g/mL逐漸增至0.490 g/mL，烘焙色度值從49.0增至83.4。風(fēng)速逐漸增大時(shí)，咖啡烘焙程度漸淺；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到2 m/s以上時(shí)，烘焙程度極淺，咖啡豆偏生。故選取風(fēng)速0.0～1.5 m/s作為正交試驗(yàn)的水平范圍。

2.1.5 正交試驗(yàn) 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，按正交表進(jìn)行四因素四水平正交試驗(yàn)，其試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表2。

以堆積密度和烘焙色度值為試驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)二者進(jìn)行綜合加權(quán)評(píng)分，以綜合加權(quán)評(píng)分法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，得出各因素的優(yōu)水平及最優(yōu)組合，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖5 風(fēng)速對(duì)烘焙的影響

編號(hào)A微波功率密度/(W·g-1)B烘焙時(shí)間/minC滾軸轉(zhuǎn)速/(r·min-1)D風(fēng)速/(m·s-1)17.010650.027.512700.538.014751.048.516801.5

由表3得出，影響微咖啡波烘焙效果的因素順序?yàn)锳>B>D>C，即：微波功率密度>烘焙時(shí)間>風(fēng)速>滾軸轉(zhuǎn)速，最優(yōu)組合為A4B2C3D4，即：微波功率密度8 W/g，烘焙時(shí)間12 min，滾軸轉(zhuǎn)速75 r/min，風(fēng)速1.5 m/s?？瞻琢械臉O差值R不大于其他因素的極差值，說(shuō)明各因素之間沒(méi)有不容忽視的交互作用，故本試驗(yàn)中暫不考慮交互作用。

極差分析所得的最優(yōu)組合A4B2C3D4不在正交試驗(yàn)列表中，需對(duì)其結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。在溫濕度等外在條件均一致的前提下，選取200 g小?？Х壬?，按微波功率密度8 W/g、烘焙時(shí)間12 min、滾軸轉(zhuǎn)速75 r/min、風(fēng)速1.5 m/s 設(shè)定各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)行烘焙。

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所得咖啡豆的堆積密度為0.286 g/mL，測(cè)得烘焙色度值為32.1，烘焙程度為深焙，綜合評(píng)分為0.15，優(yōu)于正交試驗(yàn)中的結(jié)果，且烘焙均勻度更好，避免了局部焦黑現(xiàn)象。根據(jù)該工藝參數(shù)烘焙得到的咖啡豆品質(zhì)是所有已得試驗(yàn)成品中最好的，證明了該工藝參數(shù)優(yōu)化的合理性。根據(jù)傳統(tǒng)的咖啡電熱烘焙機(jī)所得的深焙最佳工藝參數(shù)為12 min(需提前預(yù)熱至250 ℃)，160 g[16]。此微波烘焙優(yōu)化工藝可以在無(wú)預(yù)熱、12 min、 200 g烘焙量的情況下達(dá)到深焙的要求。由此可見(jiàn)，咖啡微波烘焙工藝是具備其優(yōu)勢(shì)的。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析表

2.2 微波烘焙咖啡的破裂力

2.2.1 破裂力試驗(yàn)結(jié)果 對(duì)微波烘焙的咖啡豆的破裂力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

2.2.2 回歸模型的建立與顯著性分析 采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)破裂力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸分析，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——堆積密度，g/mL。

回歸模型的決定系數(shù)為R2=0.990，修正后的決定系數(shù)為0.988，即該模型能解釋98.8%,與實(shí)際情況擬合較好；對(duì)該回歸方程進(jìn)行F檢驗(yàn)，尾概率P為4.177 1×10-12，顯著水平<0.000 1，因此破裂力F與堆積密度ρb、烘焙色度值C之間的二次回歸關(guān)系非常顯著。

為驗(yàn)證回歸方程的有效性，對(duì)微波烘焙小?？Х绕屏蚜Φ幕貧w模型進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可見(jiàn)，模型概率值P<0.000 1，回歸模型極顯著，故用該模型對(duì)微波烘焙的小?？Х鹊钠屏蚜M(jìn)行預(yù)測(cè)和分析是可靠的。

F=155.172 10.007 4C2+1 525.7165C。

(5)

3 結(jié)論

(1) 本研究提出一種以微波加熱為技術(shù)基礎(chǔ)的咖啡微波烘焙新工藝，并通過(guò)試驗(yàn)證明了以微波方式烘焙咖啡的可行性，優(yōu)化分析得到適合微波烘焙咖啡的最佳工藝參數(shù)：微波功率密度8 W/g，烘焙時(shí)間12 min，滾軸轉(zhuǎn)速75 r/min，風(fēng)速1.5 m/s。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該工藝參數(shù)下所得咖啡豆優(yōu)于正交試驗(yàn)中的試驗(yàn)結(jié)果，且烘焙均勻度更好，避免了局部焦黑現(xiàn)象。與傳統(tǒng)電熱烘焙工藝的對(duì)比亦證明了咖啡微波烘焙工藝具有烘焙效率高、烘焙時(shí)無(wú)需預(yù)熱過(guò)程、可降低時(shí)間成本和能耗的優(yōu)勢(shì)。

(2) 本試驗(yàn)建立的微波烘焙小粒咖啡破裂力模型可根據(jù)咖啡豆的烘焙色度值、堆積密度較好地對(duì)破裂力值進(jìn)行預(yù)測(cè)，不僅能夠在咖啡豆的運(yùn)輸貯藏過(guò)程中根據(jù)預(yù)測(cè)的破裂力值避免壓力破損，以最大限度地保留咖啡豆的風(fēng)味物質(zhì)，保障咖啡豆在運(yùn)輸、貯藏中的品質(zhì)需求；適當(dāng)?shù)难心チΧ瓤勺畲蟪潭鹊乇Ａ艨Х榷沟娘L(fēng)味物質(zhì)，破裂力模型亦可在咖啡的后續(xù)粉碎加工中提供力學(xué)數(shù)據(jù)參考，根據(jù)需求不同的烘焙程度預(yù)先設(shè)定粉碎機(jī)的粉碎力度，實(shí)現(xiàn)咖啡研磨加工的自動(dòng)化工藝。

表4 微波烘焙小粒咖啡破裂力試驗(yàn)結(jié)果

表5 回歸模型方差分析?

? **代表差異極顯著(P<0.01)。