烘焙爐材質對咖啡豆烤制效果的影響

陳向文，吳傳斌

（1.福建農林大學 機電工程學院，福建 福州 350001；2.福州志安科技有限公司，福建 福州 350001）

近年來中國已成為咖啡消費新興國家，咖啡年消費增長率保持在25%左右。我國咖啡精深加工設備與工藝研究起步較晚，咖啡加工產業薄弱。國內咖啡生豆產量60%以上以較低價格作為原料出口，利潤較高的熟豆及咖啡制品均從國外進口。加強咖啡深加工技術研究，特別是咖啡生豆烘焙環節工藝研究，對完善國內咖啡產業鏈，提高咖啡種植農戶經濟效益具有實際意義[1-3]。

咖啡生豆烤制需經歷高溫脫水、高溫反應、常溫冷卻3個階段，半直熱半熱風加熱方式在咖啡烘烤中使用普遍，不同烘烤階段溫度參數的合理設定，烘焙爐對加熱條件傳遞的靈敏度，都是影響咖啡豆烘焙質量的重要因素[8-14]。目前對咖啡豆焙炒曲線及咖啡烘烤過程內部物質變化的研究較多，關于不同烘焙爐材質對咖啡烤制效果的影響少有文獻報道。本文選取咖啡烘焙爐常用的不銹鋼、鑄鐵、碳鋼材料，測試3種材料導熱性、保溫性、比熱容等熱性能指標與金相組織的差異[15-16]，并對比咖啡生豆實際烤制效果，為咖啡烘焙設備開發提供參照。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

試驗設備為福州志安科技有限公司生產的ZAHPA-0603型咖啡機，單次烘烤咖啡豆最大重量為300 g，外觀如圖1。其通過額定功率1800 W的U形碳纖維電熱管加熱烘焙爐，并用風機抽風使爐內空氣強制對流形成半直熱半熱風式烘焙方式，加熱部分結構如圖2。三個烘焙爐尺寸一致，外徑127 mm、壁厚2 mm、長度150 mm，材料分別為HT250鑄鐵、45#碳鋼、304不銹鋼，具體成分如表1。

表1 烘焙爐常用3種金屬材料化學成分Tab.1 Chemical composition of three metal materials commonly used in baking furnace 單位：g

圖1 ZAHPA-0603型咖啡機Fig.1 ZAHPA-0603 coffee machine

圖2 咖啡機加熱部分結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of heating part of coffee machine

1.2 試驗方法

試驗采用同一組加熱參數依次對3種材質烘焙爐進行空爐加熱，用PT 100溫度傳感器來探測爐內溫度，傳感器端頭距前蓋面20 mm，距轉軸半徑30 mm，每隔1 s記錄1次溫度變化，配合烘焙機智能管理系統軟件記錄爐內溫度實時數值，并導出相應數據與溫度曲線。從3種烘焙爐材料分別取樣，在FEIInspect F 50型掃描電鏡下觀察組織結構，結合爐內溫度響應曲線差別來分析不同材料咖啡烘焙爐性能特點。然后在三種材質烘焙爐內烤制等重咖啡生豆，比較烘焙效果差別。

2 試驗結果分析

2.1 熱性能測試

3種材質烘焙爐外部加熱條件均為加熱、保溫、冷卻3個階段。加熱階段，電熱管功率設定為900 W保持5 min，隨后減緩加熱速度，加熱功率調整為450 W繼續保持5 min。保溫階段，保持加熱功率450 W不變，打開風機對爐內抽風10 min，強制爐內空氣對流形成半直熱半熱風加熱方式，同時空氣流動帶走爐內過高熱量，使爐內溫度達到一個恒定水平。冷卻階段，關閉電熱管，加大風機風速，對爐內進行快速降溫。圖3為測得3種材料烘焙爐內溫度響應曲線。

圖3 烘焙爐內響應溫度曲線Fig.3 Response temperature curve in baking furnace

加熱階段，在相同加熱條件下，HT 250鑄鐵烘焙爐內溫度升高速度最快，最大溫升速度可達到25℃/min，經10 min加熱后爐內溫度上升到228℃。45#碳鋼烘焙爐溫度升高速度略小于HT 250鑄鐵，10 min加熱后爐內溫度為217℃。304不銹鋼熱導率明顯小于HT 250鑄件與45#碳鋼，加熱過程最大溫升速度為18.8℃/min，10min加熱過后爐內溫度僅上升至192.5℃。對比可見，同樣加熱功率下HT 250導熱效率最高，可在短時間內使烘焙爐達到入豆所需溫度。

保溫階段，HT 250鑄鐵與45#碳鋼烘焙爐均在風機啟動后短時間內出現了明顯的溫度下降，HT 250鑄鐵溫度下降速度略快于45#碳鋼，可達到-31℃/min，2 min后溫度進入穩定階段，HT 250鑄鐵爐內保持178℃左右，45#碳鋼保持在182℃左右。304不銹鋼烘焙爐在通風后爐內溫度依舊保持穩定，其比熱容要高于另外2種材料，具有良好的蓄熱能力，在通風情況下憑借前期熱量儲存與及時熱量補充，使得爐內溫度無較大起伏，溫度始終停留在192℃上下。

冷卻階段，電熱管關閉且風機保持工作，3種材質烘焙爐內溫度都呈現線性下降趨勢，溫度下降速度由快到慢依次為HT 250鑄鐵、45#碳鋼、304不銹鋼。3種材質烘焙爐在外部加熱條件作用下表現出不同工作性能，這與材料成分及組織結構有著密切關系。

2.2 材料組織結構觀察

電熱管被烘焙桶壁隔開，難以通過熱輻射與熱對流方式對咖啡豆進行直接加熱，烘焙爐熱傳導是咖啡豆吸收電熱管熱源的主要途徑。金屬固體材料熱傳導主要有聲子導熱與自由電子能量交換兩種方式，不同金屬材料組織結構與分布狀態不同，其起主導作用的導熱機制各不一樣，呈現出熱性能參數差別較大。圖4為烘焙爐材料上取樣得到的HT 250鑄鐵、45#碳鋼、304不銹鋼在SEM電鏡下組織形貌。

圖4 三種烘焙爐材料組織結構SEM圖片Fig.4 SEM images of three kinds of baking furnace materials

鑄鐵為多相合金，其組成相由基體、石墨、碳化物和部分雜質構成。根據鑄鐵由液態凝固過程石墨化程度不同，其可分為鐵素體、鐵素體-珠光體、珠光體3種基體組織，圖4（a）可見HT 250鑄鐵組織主要由珠光體基體與片狀石墨構成。石墨每層中各原子與周圍3個碳原子形成共價鍵，有1個電子沒有原子束縛成為自由電子，片狀石墨在基體中彼此鑲嵌接觸，存在優良的自由電子導熱機制，使HT 250整體具有突出的導熱性，導熱系數可達67 W/m·K。

45#碳鋼屬于亞共析鋼，其熔煉過程先由奧氏體中析出鐵素體，再經共析轉變，最后得到如圖4（b）所示的鐵素體-珠光體組織，無石墨相存在。材料主要通過鐵素體中自由電子能量交換實現熱傳遞，固溶于鐵素體中的碳原子扮演散射中心的角色，降低自由電子運動效率。45#鋼熱導率略低于鑄鐵，導熱系數約為51.9 W/m·K。

304不銹鋼基體組織結構如圖4（c）所示，為面心立方結構的單相奧氏體，不銹鋼中大量存在的合金元素提高材料比熱容，以Ni、Cr為主的合金元素固溶于基體中，嚴重限制自由電子運動與聲子發射，因而304不銹鋼材料的熱導率處于低值，不超過21.4 W/m·K。

2.3 咖啡豆烤制效果對比

三種材質烘焙爐內設置相同加熱參數進行咖啡豆烤制，生豆品種為云南保山AA咖啡豆，水份值10.2%，大小17～18目。咖啡機設定功率1200 W加熱8 min，再調至900 W加熱7 min。在加熱第4 min放入生豆，加熱第9 min開啟風機對爐內強制對流，帶走煙霧與銀皮，加熱結束出豆冷卻[17-20]。烤制后咖啡豆外觀與風味指標如表2所示。

表2 咖啡豆烤制外觀與風味指標Tab.2 Indexes of roasted appearance and flavor of coffee bean

云南保山AA咖啡豆適宜中度烘焙來展現其醇香可口風味。咖啡生豆在加熱過程中水分值降低，豆體溫度升高至170℃左右，前體物質如糖分、氨基酸、葫蘆巴堿等在高溫下開始進行化學反應。多糖受熱分解成有機酸產生辛酸味，低糖與游離氨基酸發生美拉德反應，產生呈甜香、堅果、香草味型的吡嗪、呋喃、醛類等化合物，葫蘆巴堿分解形成吡啶類化合物帶來焦苦與煙草味。同時此過程伴隨有包括CO2在內的氣體與揮發性香味物質生成，豆內壓力過大發生爆裂，銀皮脫落，豆表呈棕褐色[21-26]。

HT 250鑄鐵導熱效率高、比熱容低。在入豆及高溫反應階段，爐內溫度易受外部加熱條件影響而產生較大波動，咖啡豆局部溫度超過190℃，生成的有機酸分解揮發，部分風味物質焦化形成類黑精，豆表出現黑頭外觀，焦苦口感加重。45#碳鋼爐內咖啡豆同樣達到深度烘焙程度，45#碳鋼導熱速度略低于HT 250鑄鐵，生豆烤制后出現黑頭數量減少，口感偏苦保留少許酸味。304不銹鋼比熱容大、蓄熱能力好，爐內溫度控制有較大緩沖空間，咖啡豆高溫反應階段可維持在穩定溫度范圍。咖啡豆加熱溫升速度適宜，各處熱量分布均勻，烤制成品豆形飽滿，口感酸苦平衡，風味醇厚。

3 結論

相同加熱冷卻條件下，HT 250鑄鐵烘焙爐導熱效率最高，爐內溫度可快速響應外部加熱條件變化。304不銹鋼蓄熱能力好，保溫階段爐內溫度波動小。結合材料組織觀察，HT 250鑄鐵組織中存在石墨相，通過石墨中自由電子能量交換機制，提升材料導熱性。304不銹鋼為單相奧氏體組織，聲子導熱與自由電子能量交換機制均較弱，材料熱導率小而比熱容大。45#碳鋼以鐵素體-珠光體組織為主，熱性能指標介于HT 250鑄鐵與304不銹鋼之間。

HT 250鑄鐵爐內咖啡豆高溫反應階段溫度波動較大，咖啡豆局部加熱溫度過高導致前體物質過度反應焦化，咖啡豆表面出現黑頭，焦苦口味比重加大。304不銹鋼爐體蓄熱能力好，可保持咖啡豆較為恒定高溫反應溫度，咖啡豆受熱均勻，充分反應生成綜合風味物質，口感平衡。