云南小粒種咖啡初加工工藝發展現狀及趨勢*

吳建，蔣快樂，時玲，陳治華，匡歡，趙英群

(1.云南農業大學機電工程學院，昆明市，650100；2.云南農業大學熱帶作物學院，云南普洱，665099)

0 引言

云南小粒種咖啡又稱阿拉伯種咖啡(ArabicaCoffee)，原產于非洲埃塞俄比亞西南部和蘇丹東南部高海拔的山區，屬茜草科(Rubiaceae)咖啡屬(Coffea)植物。無論是產量、消費量還是產值均居世界“三大飲料(咖啡、茶葉、可可)”之首[1]。近年來咖啡種植業迅速擴大，截至2018年底，云南咖啡種植面積為122 khm2，總產量139 kt，占全球總產量近2%，云南省咖啡種植面積和產量均占到全國99%以上[2]，是我國最大咖啡豆生產基地，并逐步形成了集種植、生產、加工于一體的發展格局[3]。

近年來云南咖啡初加工企業在政府支持下通過產學研聯合高校和研究所自主研發了系列加工設備，制定了相關加工工藝指導，有力推動了咖啡產業發展。與全球咖啡主產國相比，云南咖啡產量少競爭力低，唯有提高咖啡品質，才能提升云南小粒咖啡優勢。

本文依據云南省咖啡初加工產業實際現狀，首先簡介了云南小粒咖啡初加工工藝基本流程，其次詳細介紹了小粒種咖啡各類加工方法與適用條件，然后闡述國內外咖啡初加工的脫膠與干燥工藝技術發展現狀，最后結合云南當地獨特環境對比分析，展望了云南小粒種咖啡發展趨勢，并提出適宜的發展建議。

1 云南小粒種咖啡初加工工藝及加工方法

1.1 初加工工藝

不同地區、氣候、咖啡種類等因素決定的加工方法也不同，經過不同方法加工后的咖啡豆味道也會呈現不同的風味[4]。而云南因其獨特的氣候和地理環境，形成了獨具一格的風味咖啡[1]。咖啡初加工是影響咖啡品質的核心因素，咖啡初加工方法各異，主要工藝流程[5](圖1)所需加工工藝復雜，每個加工步驟都影響著最終的咖啡品質，初加工流程如圖1所示。

圖1 咖啡初加工流程Fig.1 Coffee primary processing process

1.2 初加工方法

目前，云南咖啡初加工主要方法有濕法加工、干法加工、半濕法加工與特色加工方法。

1.2.1 濕法加工

云南小粒種咖啡大部分采取濕法加工法生產水洗咖啡。隨著咖啡加工機械設備普及應用，規模企業采用機械脫膠生產水洗咖啡豆，而廣大咖啡農戶和小企業仍采用發酵脫膠的傳統濕法加工方式，濕法加工工藝如圖2所示。

圖2 濕法加工主要工藝Fig.2 Main process of wet processing

濕法加工果膠去除徹底，咖啡豆易干燥、光澤好、異物少，有鮮明酸度和一致風味。哥倫比亞、肯尼亞等主產區廣泛采用。但設備成本高，精制復雜，需水量大，污染嚴重，生產成本較高；發酵過程苛刻難以控制，易產生臭味和酸味，晾曬要求高。

1.2.2 干法加工

干法加工即鮮果采摘后不作脫皮脫膠處理，直接晾曬成干果，后機械去除果皮果膠與果殼，在云南干法加工咖啡占比小。為滿足高端需求，訂單化干法加工精品咖啡增多。干法加工在巴西、埃塞俄比亞、也門等高海拔低緯度日照充足的地區廣泛采用。

經干法加工的優質咖啡豆具有柔和的酸味與平和的苦味，受消費者歡迎；但晾曬時間長，費工時，易受天氣影響，品質相差大，次品豆和異物多，咖啡豆外觀較濕法加工差許多。

1.2.3 半濕法加工

半濕法加工：將咖啡鮮果脫皮或機械脫皮脫膠后不作清洗而直接晾曬干燥的加工方式，此法未作清洗浸泡，殘留果膠使咖啡豆進行復雜生物轉化，咖啡風味獨特。其技術簡單、可操作性強、加工需水量少。咖啡豆兼具日曬豆的黏稠度、甜感與水洗豆的干凈柔和，咖啡品質口感好。此法既省去發酵操作，又減少水資源消耗與污染。

其加工受多重因素影響，工藝重復性和產品穩定性較差，后期去除果膠和果殼導致機械損傷豆較多；晾曬要求高，難實現可控批量生產。巴西席拉多地區適用此法精制咖啡豆，云南采用此法較少。

1.2.4 特色加工方法

特色加工方法包括貓屎咖啡、蜜處理咖啡等。

貓屎咖啡：通過飼養麝香貓或果子貍喂食咖啡鮮果，收集消化后留存在動物糞便中的咖啡豆晾曬生產的咖啡[6]。其數量稀少，產量極低，且風味獨特，導致價格不菲。

蜜處理咖啡:咖啡鮮果脫皮后不清洗不脫膠，直接晾曬干燥。其加工需水量小，極大保存咖啡鮮果原始甜美氣息，呈現出淡雅的黑糖風味與果香，甜度、酸度均衡。哥斯達黎加、巴拿馬和危地馬拉等地的咖啡園采用此法。蜜處理法根據日曬時間與果膠量不同而區分為紅蜜、黃蜜和黑蜜等3種。鮑曉華等[7-8]報道了咖啡豆的黃蜜處理方法及咖啡豆的紅蜜處理方法。此法加工條件苛刻，易受污染和霉害，需全程嚴密監管，避免不良發酵，無法大規模生產，且要求長期干燥且日照充足的氣候環境。特色加工方法如圖3所示。

(a)鮮果漂洗

1.3 初加工方法比較分析

初加工方法種類繁多，各有優劣；不同初加工方式對于咖啡帶來不同的影響。Tarzia等[9]對經過不同類型加工的咖啡研究表明，加工后的咖啡中提取了更多的多糖；干法、半濕法和濕法加工的咖啡豆中獲得的多糖、總糖和蛋白質含量顯示出不同的水平。針對云南中高海拔地區的優質咖啡鮮果，不少學者對不同初加工的加工方法也進行了有益的探索。陳云蘭等[10]探索帶果膠非浸泡式發酵和浸泡式發酵等6種不同初加工工藝對生豆內含物質的影響，表明不同初加工工藝會影響咖啡的內含物質；帶果膠非浸泡式發酵加工咖啡豆的風味優于不帶果膠浸泡式發酵加工咖啡豆的風味，說明在發酵與干燥環節中果膠對風味豐富度的形成有重要作用。

目前，創新性方法不斷涌現，陳化處理法、雙重發酵法、濕刨法、紅酒處理法、可樂處理法、低咖啡因加工處理法等滿足不同消費需求的加工方法，豐富了咖啡風味，促進產業發展。

通過各種初加工方法比較分析(表1)，可以看出濕法加工、干法加工與半濕法加工相較蜜處理與消化加工法更適合進行規模化工業生產；蜜處理與消化加工法更適于滿足高端消費者的小眾精品咖啡。云南小粒咖啡正處在標準化規模化發展的階段，因地理氣候環境，更適合普遍濕法加工與部分干法加工為主，以特色加工為輔的加工產業結構；針對加工劣勢，應對加工工藝進行重點改進優化。

表1 不同初加工方法比較Tab.1 Comparison of different primary processing methods

2 云南小粒種咖啡脫膠及干燥工藝研究進展

2.1 小粒種咖啡脫膠工藝

咖啡豆在脫皮之后還有一層粘液狀的果膠物質，包含這種果膠物質是由果膠質、原果膠質、酶和糖組成的[11]。咖啡脫膠主要有自然發酵脫膠、機械脫膠、化學脫膠、物理脫膠、酶促脫膠[12]等，咖啡鮮果結構如圖4所示。

圖4 咖啡鮮果結構Fig.4 Coffee cherry structure

傳統的脫膠工藝主要是將脫皮后的咖啡濕豆放入發酵池中，加入少量清水浸泡自然發酵使果膠質水解，再清水清洗；或不發酵直接浸泡清洗。云南主要采用自然發酵脫膠方法，在用手抓起咖啡豆揉搓時帶有粗糙感，不再粘滑就表明發酵已經完成[13]。但過程中溫度和發酵時間甚至于發酵的菌株無法控制[14]，依賴經驗，咖啡豆色澤差，次品率高，咖啡品質難控制；此法耗時耗水，水污染嚴重，加工質量損失較大[5]。隨著規模化生產需要，通過引進與自主研發脫膠設備并普遍應用，極大提高了脫膠效率；但機械脫膠損傷較大，設備成本較高，耗水量較大。

化學脫膠主要利用石灰、NaOH等堿液處理或酸液處理。它較自然發酵時間短，成本低，但酸堿破環咖啡的風味成分，水污染嚴重。

物理脫膠是將咖啡鮮果脫皮后清洗，并不斷摩擦咖啡豆去除果膠，此法使用水洗機清洗脫膠。但脫膠不徹底，脫膠后咖啡豆易二次發酵污染，影響咖啡豆品質和后期儲存[15]。

酶法脫膠是在咖啡果膠過程中添加酶制劑，利用酶的高效專一性，提升脫膠效率，減少脫膠廢水排放。酶法脫膠和普遍采用的機械脫膠相比，不需較大設備投入，成本低、工藝操作簡單，適合農戶分散的集中加工種植區及小加工廠推廣使用[16]。

微生物脫膠是使咖啡在發酵過程中降解果膠，降解過程中包含三種重要的酶物質，分別是果膠裂解酶、聚半乳糖醛酸酶和果膠甲基酯酶。果膠裂解酶通過反式消除催化果膠降解，釋放不飽和半乳糖醛酸[17]；聚半乳糖醛酸酶是參與咖啡發酵主要酶，它催化α-1,4糖苷鍵水解為果膠酸[18]；果膠甲基酯酶負責果膠甲氧基的脫酯作用，形成果膠酸和甲醇[19]。

酶促脫膠優勢明顯，黃家雄等[20]在生產中應用果膠酶，較傳統脫膠方式增收明顯，杯品質量達標。程金煥等[21]利用咖啡果膠酶脫皮脫膠對比研究，發現果膠酶軟化果皮，加速果膠分解，提升果皮和果膠脫凈率。陳云蘭等[22]在咖啡濕法發酵中加果膠酶脫膠，并進行理化與感官分析，較自然發酵脫膠，果膠酶脫膠時間更短，且咖啡豆內含物質無顯著差異。生物酶與傳統發酵脫膠廢液中污染物檢測數據表明生物酶脫膠可降低耗水量與污水量，提高水質，減輕環境污染[23]。

發酵脫膠可創造豐富感官特征，但不良微生物發酵也會降低咖啡品質。在天然咖啡發酵過程中發現的各種菌群中，可以選擇一些作為菌種培養物[24]。針對自然發酵相關微生物種群的數量與多樣性，Silva等[25]對巴西南米納斯地區15個農場的咖啡加工評估表明：咖啡發酵的特征在于細菌、真菌和酵母微生物的不同。Pereira等[26]通過分子方法鑒定了總共144種自然發酵咖啡豆的酵母分離株，評價了9種耐壓力酵母菌株產生芳香族化合物的能力及果膠分解活性。Silva等[27]評估咖啡發酵分離物的果膠酶活性與代謝產物，在127株酵母菌和189種細菌中優選15種，為深入發酵劑測試奠定基礎。

選擇對發酵中的咖啡風味和香氣有積極影響的微生物非常關鍵，應控制發酵過程實現積極影響。Neto等[28]評估在受控酵母生物反應器模型中進行的發酵，通過高性能液相色譜和氣相色譜法對發酵咖啡豆化學成分與杯品感官分析，發現咖啡質量較傳統工藝有顯著提高。Tri等[29]開發了一種精選乳桿菌生產咖啡豆的發酵劑，對咖啡豆發酵過程進行良好控制，可均一的生產高杯品質量咖啡。李金平等[30]通過太陽能控溫進行干濕厭氧發酵對比試驗，發現太陽能控溫下干/濕厭氧發酵啟動情況，升溫速率，溫度波動性，發酵罐熱負荷和典型天氣均可進行良好發酵，值得咖啡可控發酵借鑒。

貓屎咖啡等利用動物消化道中不同消化酶、酸和發酵物生產具有獨特風味與香氣的消化加工法咖啡令人矚目，Haile等[31]比較象糞咖啡與其他加工法咖啡的抗氧化活性與揮發性化合物成分差異，為理解加工方法與發酵工藝對咖啡中抗氧化活性和揮發性化合物的影響提供了基礎。佟世生等[32]發現酶解偶聯發酵咖啡鮮果可得到與麝香貓咖啡風味相同的咖啡豆，為人工生產麝香貓咖啡豆提供了新思路。弘子姍等[33]利用云南小粒種咖啡干豆復水酶解體外模擬麝香貓發酵咖啡，為益生菌發酵咖啡的創新加工與批量化生產提供理論依據。

微生物發酵對咖啡地域風味的塑造優勢突出，針對微生物群落的發酵機制、微生物發酵劑選擇、微生物可控發酵的研究前景廣闊，提高果膠分解活性減少發酵時間，改善過程控制，提高感官質量和安全性在未來仍需要更多的研究。

以環保、成本、品質為標準，從表2可直觀發現機械脫膠與微生物脫膠更適宜規模化咖啡加工，微生物發酵脫膠對加工高品質咖啡優勢明顯。但仍需改進：機械脫膠設備成本較高，咖啡豆機械損傷與耗水量較大，咖啡風味有所欠缺；微生物發酵環境要求高，易被外界微生物污染，過程控制難度大。

表2 不同脫膠工藝比較Tab.2 Comparison of different degumming methods

2.2 小粒種咖啡干燥工藝

咖啡鮮果初始水分含量在55%～60%，糖分含量高，采后易發酵腐敗，干燥處理利于貯藏運輸。當前，咖啡干燥主要是自然晾曬，設備要求與能耗低，應用最廣泛；但需建造大量曬場，干燥時間長，人力成本與勞動強度高，天氣和人為影響大，干燥質量難保障。隨著咖啡初加工規模化，人工干燥技術得到極大發展與應用。

熱風干燥在諸如紅棗[34]、雞腿菇[35]等農產品干燥處理中廣泛應用。機械熱風穿透干燥利用熱風干燥設備與人工熱源對咖啡豆進行干燥，通過可控熱風調控干燥時間、溫度，在干燥池或滾筒中干燥[36]。機械熱風干燥在巴西、哥倫比亞等國廣泛使用，極大提高了咖啡干燥效率。楊靜園等[37]研究了咖啡豆熱風干燥動力學模型和揮發性成分變化規律。董文江等[38]對比日曬干燥，研究熱泵干燥對生咖啡豆活性物質和揮發性成分的影響和變化規律。云南農業大學研發的6BG-4000 自動裝卸料背壓式熱風穿透干燥咖啡設備[39]在云南咖啡干燥中得到了推廣應用。但干燥設備價格較高、閑置時間長、能源消耗較大，未普遍推廣；機械熱風干燥對咖啡豆物理外觀損傷較大，且受地理環境海拔氣壓等影響，不同區域加工品質差異大。

干燥新趨勢是保留特征風味的微波干燥[40]，微波真空干燥生產效率高，受外界干擾少，可極大地保留咖啡的原始風味特征。Dong等[41]研究微波真空干燥對生咖啡豆的干燥特性和品質屬性影響，為干燥咖啡豆技術的改進、風味化合物形成機理和質量控制提供參考。程可等[42]通過微波真空干燥技術對咖啡豆風味成分的影響研究發現不同組合功率干燥可以縮短單一功率干燥時間，對咖啡豆色澤與營養物質保護較好。但微波真空干燥設備昂貴，干燥過程耗能高，真空泵使用壽命有限，極大限制了此種干燥的推廣，未來急需研發廉價、節能、耐用的新型設備；對高品質咖啡的干燥有優勢，建議對特殊加工法精品咖啡采用微波真空干燥。

微波—熱空氣噴射床組合干燥方法是一種新穎的干燥替代方法。與單一干燥方法相比，它可縮短干燥時間并改善干燥品質，避免微波干燥過度加熱導致內部開裂和內部燃燒的缺陷，解決了耗時、營養成分嚴重損失等問題。Jindarat等[43]比較了微波—熱空氣噴射床干燥與熱空氣噴射床干燥在能耗上產生的品質差異。在實際應用中微波聯合熱風干燥技術具有加熱不均勻的缺點[44]，且聯合干燥也帶來了工藝參數調控難度增加和技術選擇適用性等問題[45]。微波聯合其他干燥技術可較好克服單一干燥技術產生的缺陷，具有廣闊應用前景。現今，聯合干燥研究側重于工藝層面，理論研究缺乏，對物料的干燥工藝參數、聯合干燥先后順序及干燥轉換點的確定缺乏深入研究。

在各類干燥技術的應用中，干燥的能源成本與環境污染問題始終受到重點關注，對太陽能的利用可有效解決這類問題。Suzihaque等[46]基于冷凝的熱回收，設計測試了干燥咖啡豆的太陽能熱回收干燥機并建立了干燥機的數學模型。Siagian等[47]對用于干燥咖啡豆的太陽能干燥箱中的流體流量和速度分布進行了數值研究。Deeto等[48]研究太陽能溫室干燥機對薄層咖啡豆的除濕和熱能的儲存，以便在沒有陽光的情況下使用。Manrique等[49]開發干燥咖啡豆的混合太陽能—生物質系統并與常規系統進行了比較，將咖啡豆的水分含量降低到12%，降低了80%運營成本。這些均證明了太陽能集熱裝置可供應足夠溫度的熱空氣用于咖啡干燥，但太陽能利用具有時限性，通過與其他干燥方式聯合干燥，對于云南這類光熱資源充足的地區，應用前景廣闊。

針對不同干燥技術對不同地域咖啡干燥的風味、理化生理特性比較研究十分必要。Malta等[50]驗證加工和干燥方法，對咖啡感官質量存在影響，且干燥的影響更顯著；無論哪種加工形式，經過緩慢干燥的咖啡有更好的感官品質與生理品質。Oliveira等[51]利用日曬干燥與3種不同交替溫度條件下熱風干燥咖啡，發現日曬干燥咖啡感官與理化生理特性更好；干燥最后階段，溫度升高對咖啡品質有嚴重負面影響。Alves等[52]研究發現：干法比濕法處理咖啡對機械熱風干燥更敏感，且生理性能差；干燥速度與干燥溫度正相關，對咖啡感官品質有負面影響。Coradi等[53]發現無論哪種加工類型，電導率、鉀浸出、可滴定酸度和油脂酸度都隨干燥溫度升高而增加；干燥溫度升高對還原糖、總糖和感官品質有負面影響。胡榮鎖等[54]通過電子感官技術對3種干燥方式加工的烘焙咖啡進行判別，熱風干燥對咖啡風味造成顯著差異，半熱風半自然干燥與自然干燥風味差異小，杯品相當。在咖啡干燥機械化中，溫度的提高和機械化操作提升了生產效率和加工規模，但對咖啡加工品質也產生負面影響。干燥效率與干燥品質兩者如何平衡與共同提升，在變溫干燥、模擬日曬干燥等方面的探索仍需深入研究。

咖啡化學成分在干燥中的變化影響著咖啡品質，對建立更精確客觀的咖啡理化評價體系至關重要。針對不同干燥法對生咖啡豆中酚類化合物、抗氧化成分研究，Cheng等[55]對比4種不同干燥方法研究發現：微波真空干燥是適合保存酚類化合物和咖啡生豆生物活性的干燥技術。Hu等[56]通過掃描電子顯微鏡，核磁共振和感官分析闡明不同烘焙程度的咖啡豆物理形態變化，表明主要咖啡成分含量可用于預測杯品。董文江等[57]利用HS-SPME/GC-MS法對云南生咖啡豆揮發性成分萃取分析咖啡豆中揮發性成分含量及組成，為咖啡產地追溯與風味提升提供理論。針對干燥方法對咖啡蛋白質組學影響，Do Livramento等[58]研究表明影響咖啡質量的加工處理與蛋白質豐度變化有關，蛋白質組學分析可鑒定不同加工過程咖啡的生理變化。Kulapichitr等[59]評估了熱泵、托盤和日曬干燥對咖啡質量的影響，干燥不影響咖啡因含量但影響某些氨基酸的含量。

通過各種咖啡豆干燥技術的比較(表3)，可看出熱風機械干燥更加適合進行規模化咖啡初加工干燥，微波真空更加適宜進行小批量高品質精品咖啡干燥。同時，聯合干燥技術最具優勢，于海明等[60]研究發現微波聯合熱風干燥方式對松茸儲存品質有良好的影響；微波熱風干燥咖啡未來亟待進行深入的機理研究，以提升干燥品質；開發太陽能—熱風干燥技術設備，可提升現有熱風干燥設備使用優勢，提高咖啡初加工競爭力。

表3 各種咖啡豆干燥技術比較分析Tab.3 Comparative analysis of various coffee beans drying technology

3 云南小粒種咖啡初加工發展趨勢

云南小粒種咖啡初加工產業通過對國外先進初加工技術的學習借鑒和自主創新，正在由粗放型發展模式升級轉型為注重效益質量與環保的技術型精細發展模式，以此展望云南小粒種咖啡初加工產業的發展趨勢。

1)咖啡初加工仍需繼續推進機械化、規模化、自動化。山地環境限制了鮮果采后運輸加工，應繼續推進有效覆蓋范圍的片區化加工廠建設，對咖啡鮮果及時加工，保證鮮果品質。優化漂洗分級機械、脫皮機、脫膠機、發酵池與干燥技術設備之間的組合配套與自動化，高效的自動化生產線可減少不同環節的轉運和在某一階段加工量冗余積壓所帶來的負面影響。規模化、機械化加工方式對于提高咖啡初加工效率作用顯著。

2)研究具有獨特地域風味的高品質咖啡加工工藝。針對云南省干熱河谷、高原、高山的咖啡種植地所產的咖啡鮮果，通過自主篩選本地微生物發酵群落和果膠酶研究發酵脫膠機制，探索優化更豐富更高效的發酵脫膠工藝方法。研究不同干燥過程，尤其是聯合干燥技術中的干燥機理和理化反應，精細化干燥過程不同含水率階段的溫度、時間與品質控制，充分利用不同干燥方式的優勢生產高品質咖啡。微生物脫膠與人工干燥技術研究應用可從整體上提高云南小粒種咖啡的感官品質。

3)節能、節水、環保無污染的加工技術研究與加工設備研發。無水/微水脫皮脫膠技術的研究應用前景廣闊；可控發酵技術及發酵反應裝置的研發，可有效降低發酵的水、空氣污染和促進發酵廢物環保處理。符合不同干燥方式咖啡干燥機理的自動化智能化干燥設備及聯合干燥技術的應用研究，可有效降低能源成本、減輕環境污染；同時應積極采用熱管[61]等余熱回收技術，降低能耗。符合食品安全標準的加工工廠建設可保證食品安全無污染，改善加工環境，防止外界微生物污染。

4)建立健全咖啡初加工工藝操作流程與評價標準。當前云南許多咖啡初加工工廠在咖啡發酵與干燥方面缺乏明晰的指導標準，精細嚴格的操作規程與加工標準，可以準確指導初加工各環節操作，提高各環節咖啡初加工品質，減輕外界環境與人為因素的不良影響。

5)加強咖啡商品豆的貯藏運輸監控。咖啡商品豆的貯藏運輸值得關注，必須控制濕氣和昆蟲等質量危害；氣密存儲是抑制水分和氣體在環境與存儲的農作物之間轉移并因此保持質量的可行選擇[62]。合理的貯藏手段與運輸包裝，可保證加工后品質，在淡季銷售可獲得高價格。