云南小粒种咖啡初加工技术及生物脱胶应用展望

张树竹，薛笑然，孔德婷，李丽萍，杨红敏，何飞飞，秦世雯

（云南大学资源植物研究院/农学院，昆明 650500）

咖啡为茜草科（Rubiaceae）咖啡属（Coffea）的多年生常绿灌木或小乔木，是世界上重要的热带经济作物，与茶和可可同为流行于世界的三大饮料作物［1］。云南省是中国咖啡种植面积最大的产区，小粒种咖啡（Coffea arabicaL.）是云南省主要种植的咖啡品种，现已成为云南高原特色农业的八大支柱产业之一，云南咖啡也已经成为独具特色的“云农产品”的重要组成部分［2］。然而，云南咖啡产业在蓬勃发展的同时，初加工环节仍存在一些不足。本文介绍了云南小粒种咖啡常用的初加工方法与技术，并根据国内外咖啡初加工发酵脱胶工艺技术发展和云南咖啡产业特点，对应用生物脱胶提升小粒种咖啡初加工质量进行了展望。

1 云南小粒种咖啡初加工技术现状

初加工是云南小粒种咖啡产业链中至关重要的环节，初加工后的咖啡生豆品质直接影响到咖啡商品豆的产业经济效益和市场前景。咖啡的初加工方法各有不同且工艺流程复杂，主要包括青红果分离与分级、脱皮、脱胶、干燥、脱壳等步骤，每个步骤的加工处理都影响着最终的咖啡品质。咖啡的初加工方式选择受产区地理环境和咖啡品种等因素的影响［3］，而60%的咖啡豆品质属性是由其采后加工决定的［4］，云南小粒种咖啡初加工方法主要有干法加工、半湿法加工和湿法加工等3 种，少量咖啡也采用特色加工方式。

1.1 咖啡初加工方法

1.1.1 干法加工

咖啡鲜果采摘后不作脱皮和脱胶处理，直接晾晒成干果后用机械去除果皮、果胶和果壳。干法加工在巴西、埃塞俄比亚、也门等高海拔低纬度日照充足的地区被广泛采用，在云南则占比较小［5］。干法加工需要较长时间晾晒，费工费时，容易受天气影响，获得的咖啡豆品质相差较大，且残次品豆和异物多，咖啡豆外观与湿法加工的相比差许多。

1.1.2 湿法加工

咖啡鲜果先进行机械脱皮，然后通过发酵脱胶获得湿咖啡豆果核，再经晒干处理，脱壳机脱壳后获得咖啡豆［6］。湿法加工可以彻底去除果胶，咖啡豆干燥速度快、光泽好、异物少，酸度风味较为一致。此种加工方法在哥伦比亚、中美洲和夏威夷等咖啡产区被广泛采用［7］，云南咖啡也多采用。

1.1.3 半湿法加工

咖啡鲜果进行脱皮和脱胶后直接晾晒干燥。半湿法加工未对咖啡果进行浸泡清洗，残留果胶可使咖啡豆进行复杂的生物转化，所获得的咖啡豆风味独特，且操作简单、可控性强、加工耗水量少。巴西多采用此加工方法来精制咖啡豆，云南采用得较少［8］。半湿法加工受到多方面因素的影响，获得的咖啡豆稳定性较差，且后期使用机械去除果胶和果壳会造成咖啡豆大量破损；晾晒时对日照等条件要求高，难以实现受控批量生产。

1.1.4 特色加工

特色加工包括消化处理法和蜜处理法等。消化处理法利用动物消化道的乳酸菌与消化液来代替机器或者水洗，除去果肉和依附豆子表面的果胶，是一种比较特殊的咖啡处理法。如通过给饲养的麝香猫或果子狸喂食成熟的咖啡鲜果，其无法消化的咖啡豆经过粪便排出体外，这些粪便豆再经过清洁加工处理后而得到珍贵的体内发酵豆。用此种方法生产所得的咖啡豆产量极低，但风味独特，市场价格较高。

蜜处理法：咖啡鲜果脱皮后不进行清洗和脱胶工艺处理，直接晾晒干燥。此方法需水量小，极大地保存了咖啡原始的黑糖风味和果香味，咖啡豆甜度、酸度均衡，外观带有明显的黏质层。根据日晒时间与果胶量不同，咖啡蜜处理可分为红蜜、橙蜜、黄蜜、白蜜和黑蜜共5 种类型。该方法的加工条件要求极高，需要长期干燥和阳光充足的气候，易受污染和霉变，需要全程严格监督以避免发酵不良，无法实现大规模生产。

1.2 存在的问题

云南小粒种咖啡初加工80%以上以自然湿法发酵为主，少数采用机械湿法加工。自然发酵脱胶主要依靠微生物自身分泌酶的能力来完成，即咖啡鲜果脱皮后需浸泡至水中一段时间，由果胶所含的微生物分泌大量的酶进行果胶脱除。此方法需要较长时间，而且易受到天气和温度等外界环境因素的影响，脱胶是否完成需要依靠人为的判断，整个加工过程耗水量大，需要较大的人力和时间成本，获得的咖啡豆品质参差不齐、性质不稳定［9］。通过自然发酵脱胶方式生产出的咖啡豆难以保证其质量和品质一致，咖啡生产未能达到高产、优质、高效。

传统湿法发酵不仅耗水量大，而且环境污染大，产生的废水中多含有高毒性的有机质和氮磷等物质，会导致水中的氧含量下降，进而杀死水中的生物［10］。2020 年，中央第八生态环境保护督查组向云南省反馈督察情况时指出：普洱市湿法加工咖啡鲜果24.3 万t，用水量约73 万t，仅少部分污水经过集中处理，绝大多数高浓度废水仅作简单处理后排放，造成普文河普洱段季节性超标。

咖啡初加工产生的废水大部分来自发酵环节，减少脱皮和脱胶环节的耗水量也是有效的减排方式［11］。由此可见，咖啡产业的可持续发展亟待寻求绿色加工技术与方法。

2 咖啡湿法加工新工艺探索

2.1 脱胶工艺现状

咖啡果胶黏液具有较强的吸湿性，若去除不完全，会使内果皮带有果胶，在贮藏过程中吸水，以致咖啡产生霉味。因此，在咖啡湿法加工的工艺中，发酵是最重要的环节，目的是去除咖啡鲜果内外果皮间由水分、多糖类及果胶物质组成的黏液层，提高咖啡豆的洁净程度，避免残留在咖啡豆表面的果胶粘液在干燥和储存过程中成为有害微生物成长的介质，从而影响咖啡豆的品质［12］。

目前咖啡果实脱胶主要有自然发酵脱胶、机械脱胶、化学脱胶、物理脱胶、酶促脱胶和微生物脱胶等方式［13］，其中的化学脱胶和物理脱胶方式因易造成脱胶不彻底、咖啡豆破损率高和咖啡风味损失严重等问题，应用得较少。云南咖啡现普遍采用自然发酵脱胶方式［14］。

2.2 提升咖啡脱胶效率的技术

2.2.1 生物脱胶

生物脱胶根据作用方式分为酶促脱胶和微生物脱胶两种。

（1）酶促脱胶。将果胶酶直接加入到咖啡发酵池中，利用果胶酶与咖啡豆的胶质发生反应，催化其分解。这种方式容易掌控发酵过程。陈云兰、程金焕、何艳艳等将诺维信公司生产的Pectinex Ultra SP-L 咖啡果胶酶应用在云南小粒种咖啡脱胶过程中，结果表明，果胶酶能使咖啡果皮变得更软和，同时能大幅度加速果胶的分解，提升脱皮和脱胶效率［15-17］；黄家雄等进行了多次咖啡酶促脱胶技术试验，研究表明酶促脱胶相对自然脱胶可以将咖啡豆增重率提高0.87%～3.36%，干燥时间缩短30%，同时很大程度提高咖啡品质。酶促脱胶可实现“增产、增效和增收”，但因果胶酶是一种特殊的蛋白质，结构精细，对环境、温度和pH 值的要求较高，在实际生产中无法得到推广应用。

（2）微生物脱胶。将筛选出的产果胶酶菌株直接接种到脱皮的咖啡豆上，以咖啡豆黏液中的多糖物质为营养，让菌株快速扩繁，用其代谢分泌出的果胶酶来降解果胶［14］。目前咖啡微生物脱胶已成为国外研究的热点。

生物脱胶具有低能耗、低污染、低成本等优点，除了符合产业“节能减排、绿色降耗”的发展目标，还可提升产品质量，是产业的发展方向，为国内外研究的热点，已被广泛应用于麻类物质和茶叶等加工过程［18］。

2.2.2 应用微生物脱胶提升咖啡品质的研究

发酵脱胶是一个复杂的微生物过程，主要依赖于酵母菌、革兰氏阴性菌、杆菌、丝状真菌、乳酸菌、醋酸菌等多种微生物自身代谢活动产生的果胶酶和纤维素酶等降解酶发挥作用［19-20］。利用微生物在发酵过程中产生果胶酶来降解果胶是成本最低、使用最广泛的方法。

在自然发酵过程中，参与发酵过程的微生物受到多方面因素的影响，包括咖啡豆内生微生物、加工环境以及所采取的加工方法等［21］，某些微生物的出现和生长、新陈代谢以及与咖啡豆的相互作用都会影响咖啡的最终杯测质量。总的来说，有益微生物在咖啡发酵中有以下作用：（1）分解咖啡豆上的黏液层；（2）产生咖啡风味活性物质；（3）通过微生物相互竞争的作用抑制不良微生物在发酵体系中的生长，抑制毒素物质的产生。

已有研究表明，从发酵咖啡中分离出的大量微生物能分泌出以聚半乳糖醛酸酶（PG）、果胶裂解酶（PL）和果胶甲酯酶（PME）为主的果胶酶。微生物以咖啡果胶中的游离糖为碳源，分泌出的酶能将咖啡内外果皮间的果胶多聚物降解为片段［22］。Haile 和 Kang［20］从韩国小粒种咖啡鲜果中分离出8 株酵母的果胶降解指数（PDI）最高可达110%～178%。Rodarte［23］等在巴西小粒种咖啡发酵液中发现了能产果胶酶的多种细菌和酵母。de Melo Pereira［19］等从巴西小粒种咖啡鲜果中分离出发酵毕赤酵母（Pichia fermentans）、克鲁维毕赤酵母（Pichia kluyveri)和仙人掌有孢汉逊酵母（Hanseniaspora opuntiae）等酵母，将其应用于咖啡发酵中不仅可以产生大量果胶酶加速果胶分解，还可以产生高浓度的乙酸乙酯和乙酸异戊酯等风味活性酯化合物。董红红［11］从云南普洱的小粒种咖啡鲜果中分离出了多株具有果胶酶活性的酵母和细菌，并对咖啡发酵过程中的微生物进行了研究，发现Pichia kluyveri、Hansenias porauvarum、Bacillus subtilis和Enterobacter aerogenes能 高 产 果 胶酶，在咖啡发酵过程中发挥着重要作用。

微生物不仅可以产生果胶酶分解咖啡果胶，还可以使风味物质进入到咖啡生豆内，同时依靠微生物和咖啡自身的酶将咖啡内的多糖物质分解转化为醇、乙酸、乳酸及其他酸类物质，这些物质能引起咖啡的气味、颜色、pH 值等发生变化，也会改变咖啡的果胶结构［9］。De Bruyn 等［24］将乳杆菌和毕赤酵母等菌株加入咖啡发酵，促进合成有机酸、脂肪酸和酒精等化合物；将酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）等4 种酵母加入小粒种咖啡发酵过程，在咖啡豆风味测定中共检测出48种挥发性化合物［25］。Massawe 等［26］发现，乳酸菌在坦桑尼亚咖啡发酵过程中发挥了重要作用；Wang 等［27］添加葡萄糖控制乳酸乳球菌亚种发酵生咖啡豆，显著提高了咖啡的风味属性。魏敏等［28］研究了桑肠杆菌（Enterobacter mori）发酵对咖啡提取物挥发性成分的影响，发现发酵后的咖啡提取物除带有咖啡自身香气，还带有浓郁坚果、奶香等丰富香气，同时刺激性成分和苦涩感有所减少。

3 展望

我国在咖啡发酵研究领域的研究相对较少，若能挖掘出高产果胶酶的微生物菌株并应用于云南小粒种咖啡的发酵过程，对开发小粒种咖啡微生物脱胶新工艺、提高咖啡豆精品率、减轻环境污染以及提升咖啡豆风味品质将具有重要意义。

本研究团队对云南不同产区的小粒种咖啡发酵微生物进行了研究［29］，从发酵液中筛选出5 株具有高产果胶酶特性的异常威克汉姆酵母（Wickerhamomyces anomalus）菌株。5 个酵母均可产生果胶裂解酶（PL）、多聚半乳糖醛酸酶（PG）和果胶甲酯酶（PME），通过对氮源浓度、发酵时间和pH 值等条件进行优化后，5 株酵母的PG、PL和PME 活性较优化前可分别增加86.74%、65.79%～114.55%、150.35%～218.56%和341.07%～418.52%。这表明W. anomalus菌株可作为咖啡发酵剂，具有较好的脱胶潜力。后续研究将继续挑选高产果胶酶的菌株，将其应用于云南小粒种咖啡的发酵过程，以明确其对咖啡脱胶效率以及咖啡豆风味品质的影响。