烘焙速度对咖啡理化性质及风味物质的影响

宋璐琦，石芸琪，陈茂深

1. 梁溪区疾病预防控制中心（无锡 214000）；2. 无锡鼎加弘思饮品科技有限公司（无锡 214181）；3. 江南大学食品学院（无锡 214122）

咖啡的感官品质是决定咖啡经济价值的重要因素[1]，而咖啡的感官质量主要由基本化学成分及挥发性香气物质决定，其化学成分与挥发性香气物质又由咖啡品种及烘焙过程（烘焙程度和烘焙速度）决定[2]。咖啡豆中与风味形成相关的化学物质主要有油脂、蛋白质、生物碱类（咖啡因、葫芦巴碱）[3]、酸类物质（绿原酸、柠檬酸、苹果酸、乙酸、奎宁酸）等[4]。咖啡因是咖啡中的主要风味物质，主要形成咖啡风味强度及苦味[5]。研究表明，在烘焙过程中，绿原酸迅速降解，绿原酸及其降解产物等都是涩味的主要因素[6]。咖啡脂类包括三酸甘油脂、萜烯、生育酚类、甾醇类，从咖啡黏度、香气持久性、香气稳定性、咖啡豆新鲜程度及expreso咖啡的泡沫层等多个方面影响咖啡感官特征[7-8]。

研究表明，烘焙过程中油脂含量稍有增加[9]，而蛋白质在烘焙程度中降解成为各种氨基酸，参与美拉德反应，但是胡双芳等[10]研究表明，咖啡感官品质与蛋白质含量及蛋白质损失量并不相关。咖啡中的多糖[11]主要影响咖啡黏度；腐殖酸、类黑精是美拉德反应的最终产物，形成咖啡特征性颜色；咖啡中的矿物质，主要是钾元素（占总矿物质的40%），会催化焙炒及存储过程的酶促反应。

关于烘焙程度对咖啡品质的影响国内外研究较多[12]，而烘焙速度对基本成分及风味物质的影响尚不明确，还有待研究[13]。因此，探究烘焙速度对咖啡基本成分及风味物质的影响，为优质咖啡的加工、进一步提高咖啡经济价值提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

罗布斯塔咖啡豆。

盐酸、硫酸、磷酸、硫酸钾、硫酸铜、硼酸、乙醇、甲基红、亚甲基蓝、石油醚（沸程30～60 ℃）、苯酚、氨基酸标准混合液、三氟乙酸、甲醇、氢氧化钾、二硝基水杨酸（均购于国药集团）；自封袋为美翔牌（通过ISO 9001国际质量管理体系认证）5号自封袋。

1.2 仪器与设备

ME104E型电子分析天平[梅特勒托利多国际贸易（上海）有限公司]；DHG-9140A型电热鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）；UltraScan Pro1166型高精度分光测色仪（美国Hunterlab公司）；JNL-12XB型马弗炉（洛阳力宇窑炉有限公司）；HYP-320型消化炉（上海纤检仪器有限公司）；KDN-103F型自动定氮仪（上海纤检仪器有限公司）；EL20型pH计[梅特勒托利多国际贸易（上海）有限公司]；TU-1810型紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）；VORTEX Genius型漩涡振荡仪[艾卡（广州）仪器设备有限公司]；KQ5200DE型超声波清洗机（昆山舒美超声仪器有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 不同烘焙速度咖啡豆的烘焙与研磨

用慢速烘焙和快速烘焙2种方式对罗布斯塔生咖啡豆分别进行浅度、中度和深度烘焙。各烘焙曲线的入豆温均为130 ℃，烘焙温度均经过一个短暂的下降后，在1 min左右达到回温点，继而开始升温。烘焙速度较快的曲线在烘焙过程中的各个时间点温度均较高，在12 min温度即达到烘焙终点（205 ℃）；烘焙速度较慢的曲线在烘焙过程中的各个时间点温度均较低，在19.75 min达到烘焙终点（206 ℃），比烘焙速度较快时慢7 min左右。使用Ditting研磨机6.875档位对烘焙后的咖啡豆进行研磨。

1.3.2 咖啡豆粉的色度测定

称取30 g咖啡豆样品装入自封袋中，使用黑、白板分别对高精度色度仪进行矫正，并对袋装样品的色度进行测定。称取30 g咖啡豆样品，使用家用超细干磨研磨迷你电动连续打粉机磨粉20 s，D50约为886.3 μm。将磨好的咖啡粉装入自封袋中，对袋装咖啡粉的色度使用高精度色度仪进行测定。

1.3.3 咖啡豆蛋白含量及氨基酸组成的测定

按照GB/T 5009.5—2016 《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》进行。

1.3.4 咖啡豆水分的测定

按照GB/T 5009.3—2016 《食品安全国家标准 食品中水分的测定》进行。

1.3.5 咖啡豆灰分含量的测定

按照GB/T 22510—2008 《食品安全国家标准 谷物、豆类及副产品—灰分含量的测定》进行。

1.3.6 咖啡中不挥发性成分测定

1.3.6.1 葫芦巴碱、咖啡因和绿原酸的提取

准确称取0.50 g咖啡样品，置于50 mL离心管中，加入40 mL甲醇-0.03%磷酸水溶液（50∶50，V/V），室温下超声波（功率200 W，频率40 kHz）提取10 min，静置，放冷，转移定容于100 mL容量瓶中；继续加入40 mL甲醇-0.03%磷酸水溶液（20∶80，V/V）到50 mL离心管中，室温下超声（功率200 W、频率40 kHz）提取10 min，静置，放冷，合并滤液到100 mL容量瓶中，用甲醇-0.03%磷酸水溶液（50∶50，V/V）定容，过0.22 μm有机滤膜备用。

1.3.6.2 HPLC测定葫芦巴碱、咖啡因和绿原酸的条件

流动相为甲醇-0.03%磷酸水溶液（50∶50，V/V）；柱温35 ℃；流速0.5 mL/min；色谱柱Xbridge（Waters）C18。检测波长：葫芦巴碱254 nm、咖啡因276 nm、绿原酸320 nm。

1.3.7 顶空固相微萃取法测定咖啡挥发性成分

将萃取头插入GC-MS进样口，250 ℃老化30 min。准确称取1.00 g咖啡粉样品装入20 mL顶空瓶，密闭封口，穿过瓶口顶端的橡胶盖密封插入萃取装置，调节萃取头顶端距咖啡粉1 cm左右，在60 ℃时顶空萃取30 min后取出萃取头，并迅速插入GC-MS进样口解析3 min后，将SPME手柄与萃取头一起取出。GC条件：DB-WAX毛细管柱（30 m×0.32 mm×1.0 μm）；解析时间3 min；进样口温度250 ℃；升温程序为温度由60 ℃（保持4 min）以6 ℃/min升温速率升至300 ℃，保持4 min，不分流进样。MS条件：EI离子源，电子能量70 eV，扫描范围50～350，离子源温度250 ℃。各组分质谱经谱库（NIST 11.0）检索和资料分析鉴定。定量：每1 g咖啡粉中用微量进样器加入10 μL 1.036 mg/mL二氯苯。

化学物质的相对含量=化学物质面积/内标物面积

1.3.8 数据分析

试验数据用Origin 9.0软件制图，用SPSS 19.0软件Duncan检验法进行差异显著性分析（p＜0.05），数据处理后表示为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 烘焙速度对咖啡豆水分的影响

烘焙速度对咖啡豆水分的影响如表1所示。随着烘焙程度加深，烘焙时间延长，水分逐渐降低。烘焙程度相同时，烘焙速度较快时水分蒸发较慢，水分较高，浅焙豆烘焙速度较慢时，水分为2.51%，而烘焙速度较快时，水分为2.16%。对快烘咖啡豆而言，由于水分蒸发得不完全，会造成一定程度上外层烧焦里面却还没熟的情况，导致冲出来的咖啡会有焦味和令人不快的酸臭味，所以浅焙和快烘不适宜结合进行。

表1 烘焙速度对咖啡豆水分的影响 单位：%

2.2 烘焙速度对咖啡粉色泽的影响

咖啡的颜色是评价咖啡品质高低的重要指标。烘焙咖啡的特征性棕褐色主要是烘焙过程中美拉德反应生成的腐殖酸和类黑精等高分子量物质所形成。L*表示颜色深浅，数值越大，颜色越浅；a*表示红绿程度，数值越大，颜色越红；b*表示黄蓝程度，数值越大，表明颜色越黄。如表2所示，在烘焙过程中，由于非酶褐变反应和热解反应，随着烘焙时间延长，咖啡豆逐渐加深，L*、a*值和b*值逐渐减小，最小值均出现在深焙慢烘条件下，烘焙程度相同时，不同烘焙速度的咖啡色度差别不大。

表2 烘焙速度咖啡粉色泽的影响

2.3 烘焙速度对氨基酸含量的影响

烘焙速度对氨基酸含量的影响如表3所示。整体分析可以看出，氨基酸总量随着烘焙程度的加深而逐渐降低，但烘焙速度对其影响并无规律。浅焙时，烘焙速度较快时氨基酸总量明显较高，可能从侧面反映了烘焙速度较快时，虽然已达到体系反应温度，但反应进程较慢。其他烘焙程度时，烘焙速度对氨基酸总量基本没有影响。罗布斯塔咖啡豆的丝氨酸和苏氨酸含量随烘焙程度的加深逐渐降低，且烘焙速度快时氨基酸含量较高，这与氨基酸总量的变化规律一致。

表3 烘焙速度对氨基酸含量的影响 单位：g/100 g

2.4 烘焙速度对葫芦巴碱含量的影响

咖啡中的葫芦巴碱是一种重要的风味前体物质，它本身具有1个吡啶环，加热生成吡咯类、吡啶类化合物。采用HPLC法分析测定不同烘焙速度咖啡豆中葫芦巴碱含量，结果如表4所示。咖啡豆烘焙后的葫芦巴碱含量均下降，在1%～2%，烘焙速度较快时葫芦巴碱含量较高。随烘焙程度加深，葫芦巴碱含量降低，这可能是因为葫芦巴碱受热分解生成吡啶、吡咯和烟酸甲酯等重要香味成分[14]。

表4 烘焙速度对葫芦巴碱含量的影响

2.5 烘焙速度对咖啡因含量的影响

咖啡因是一种黄嘌呤生物碱化合物，形成冲煮咖啡的特征性苦味，因此被普遍认为是咖啡饮料的主要苦涩物质。采用HPLC法分析测定不同烘焙速度咖啡豆中咖啡因含量，结果如表5所示。罗布斯塔的咖啡因含量受烘焙程度和烘焙速度的共同影响：浅焙时，烘焙速度较慢的咖啡因含量明显高于烘焙速度较快时；随着烘焙程度加深，烘焙速度对咖啡因含量基本没有影响。

表5 烘焙速度咖啡因含量的影响

2.6 烘焙速度对绿原酸含量的影响

生咖啡豆中次级代谢物绿原酸，是一种具有苦涩味的酚类物质，在烘焙过程中，部分降解形成咖啡酰奎宁酸、阿魏酰奎尼酸、二咖啡酰奎宁酸等，形成咖啡涩味。试验采用HPLC法分析测定不同烘焙速度咖啡豆中绿原酸的含量。由表6可知，咖啡豆的绿原酸含量随烘焙程度的加深而逐渐下降，同一烘焙程度，烘焙速度较快时绿原酸含量较高。

表6 烘焙速度对绿原酸含量的影响

2.7 烘焙速度对风味物质含量的影响

吡嗪类物质含量仅次于呋喃类，主要表现为烘烤味。咖啡中大多数烷基吡嗪类化合物由烘焙过程中通过美拉德反应形成[15]，如丝氨酸和苏氨酸热解可形成烷基吡嗪类化合物。烷基吡嗪类化合物能呈现诱人的咖啡或可可特有的香气，因而对咖啡风味具有重要影响。如表7所示，同一烘焙程度下，烘焙速度较快的吡嗪类物质总量较高，其中含量较高的甲基吡嗪和2，5-二甲基吡嗪表现出相同的规律。

呋喃是咖啡焙烤过程中产生的主要挥发性香气成分，该类化合物具有令人愉悦的烘焙香气[12]。有研究表明，生咖啡豆中呋喃类化合物的浓度很低，但烘焙后其在咖啡中含量显著增加[16]，是烘焙咖啡中含量最高的特征风味组分。呋喃产生于生咖啡豆的烘焙处理过程中，其形成的量和种类取决于咖啡豆的品种和烘焙条件[17]。如表7所示，除浅焙外，在同一烘焙程度下，烘焙速度较快的呋喃类物质总量较高。其中，含量较高的糠醛、5-甲基呋喃醛和糠醇表现出相同规律。

酸类物质如乙酸、3-甲基丁酸、3，3-二甲基丙烯酸主要影响咖啡的酸味。乙酸是咖啡的关键性香气[5]，适量添加乙酸，其酸味会让咖啡的香气更丰富完美[18]。如表7所示，除浅焙外，同一烘焙程度下，烘焙速度较快的酸类物质总量较高，其中含量较高的乙酸表现出相同的规律。

酮类物质主要表现为奶油味和水果味，2，3-戊二酮对咖啡的焦糖味有较大贡献[3]；Sunarharum等[4]认为2，3-戊二酮阈值很小且具有强烈的奶油甜香。如表7所示，同一烘焙程度下，烘焙速度较快的酮类物质总量较高。

酚类物质主要表现为烟味。有研究报道愈创木酚、对乙烯基愈创木酚、4-乙基愈创木酚等酚类物质是咖啡的主要风味物质[6]。愈创木酚、4-乙基愈创木酚与咖啡品质呈正相关，具有烟味、酚类刺激味[7]。如表7所示：浅焙时，烘焙速度较慢的酚类物质总量为3.24 μg/g，大于烘焙速度较快时的2.44 μg/g；在中焙和深焙条件下，则是烘焙速度较快的酚类物质总量较高。

吡啶类和吡咯类物质主要表现为烟熏味和烧焦味，但是由于这些化合物阈值较高，因而其对咖啡的香气贡献较小[8]。如表7所示：深焙条件下，烘焙速度较慢的吡咯类物质总量较高；烘焙速度较慢的酯类物质总量较高。

表7 烘焙速度对风味物质含量的影响 单位：μg/g

接表7

2.8 烘焙速度对基本味的影响

经过描述性分析，不同烘焙速度咖啡豆基本味结果如表8所示。浅焙和深焙样品慢烘涩味增加，酸味和苦味不受烘焙速度影响。

表8 不同烘焙速度咖啡豆基本味描述性分析

3 结论

随烘焙程度增加，烘焙速度对咖啡豆色泽的影响逐渐增大，且慢烘比快烘对咖啡色泽加深的影响作用更大；在相同烘焙程度条件下，咖啡豆快烘的水分和葫芦巴碱含量大于慢烘的水分和葫芦巴碱含量，即快烘比慢烘对咖啡豆水分和葫芦巴碱含量的减小作用更大；对多数咖啡豆而言，快烘时的氨基酸和绿原酸含量大于慢烘时的氨基酸和绿原酸含量；烘焙速度对3种咖啡豆咖啡因含量的影响无显著规律；同一烘焙程度时，快烘的吡嗪类、呋喃类、酸类、酮类挥发性物质总量均大于慢烘的吡嗪类、呋喃类、酸类、酮类挥发性物质总量；吡啶类挥发性物质含量的变化趋势相反，而吡咯类和酯类挥发性物质含量无显著变化规律。