响应面优化冷萃咖啡的烘焙工艺研究

李发彩，李晨曦，李 龙，谭先朝， 蔡宗寿

（1.云南农业大学机电工程学院，云南昆明 650000；2.云南冷萃科技有限公司，云南昆明 650000）

0 引言

云南小粒咖啡属茜草科咖啡属植物，与可可、茶叶并称为世界三大饮料，并且一直居于首位[1]。咖啡主要生长在热带、亚热带地区，成为云南的主要经济作物[2]。近年来，随着我国年轻消费群体的崛起，咖啡需求量逐年增加，带动了云南咖啡产业的蓬勃发展[3]。咖啡豆的不同加工方式会形成不同的咖啡风味，加工方式主要分为水洗、日晒、蜜处理[4]。如今咖啡的初加工已经逐渐往机械化、工业化发展[5]。以云南为例，因特有的地理环境和气候条件，所产咖啡豆均为优质咖啡豆[6]。咖啡自然而然成为了云南主要出口产品[7]，主产咖啡种类为阿拉比卡咖啡豆[8]，咖啡内含有很多物质，如咖啡因、绿原酸、脂肪等，有预防疾病的作用[9]，咖啡烘焙提取物对高血糖、高血脂具有抵抗作用[10]。

国内外对咖啡烘焙工艺有很多的研究，像利用太阳能烤炉研究咖啡豆的性质，经过试验验证，该方案具有一定商业化的可行性[11]。陈向文等人[12]对比了3 款烘焙炉常用的钢材对咖啡豆的影响特性，为以后的烘焙设备开发提供借鉴。于菲等人[13]就咖啡烘焙速度对咖啡豆挥发性的影响研究，为烘焙工艺的改进提供参考。Lukas Macheiner 等人[14]通过分析烘焙咖啡豆的呋喃类物质，建立了测定烘焙程度的新型UHPLC 法。通过调控烘焙温度、烘焙时间，对咖啡豆高F3-A 含量的测定，优化烘焙工艺[15]。国外对烘焙设备申请了很多专利，如流化床烘焙系统、处理烘焙设备产生的气体和废水工艺专利[16-17]，还有对滚筒式烘焙机进行改进，使其适合小型企业应用生产，并得到了最佳工艺[18]。

冷萃咖啡又被称为荷兰咖啡或者冷水萃取咖啡，顾名思义，就是用冷水将咖啡粉浸泡一段时间后所提取的具有烘焙香气的液体[19]。冷萃咖啡是近年来才新起的产业，却呈现爆发式的增长，尤其受到年轻群体的喜爱[20]。冷萃咖啡着重突出的是品质和健康，不断受到消费者的青睐[21]。于婷[22]对冷萃咖啡的烘焙度、粉碎度、料水比等关键工艺对其品质的影响进行了深入的研究，并得出了结论。唐文潇等人[23]通过烘焙度的不同对比热萃和冷萃的挥发性成分和抗氧化力的差异，最后得出烘焙度对冷萃咖啡挥发性成分和抗氧化力的影响大于热萃咖啡。陈仲娜等人[24]对冷萃和热萃咖啡的香气成分展开研究。Rao Ning Z等人[25]对冷萃咖啡的酸度和抗氧化性进行研究。大部分研究者都是对热萃和冷萃的品质差异展开研究。

烘焙、研磨、萃取是影响咖啡品质的主要因素，苏雨馨[26]对冷萃咖啡的萃取条件进行了详细深入的研究。但是，烘焙工艺对冷萃咖啡的特性影响还有待进一步研究。以云南普洱阿拉比卡日晒豆为原料，对制备冷萃咖啡的烘焙工艺进行优化研究，利用单因素试验和响应面试验，得出最佳烘焙工艺参数，减少资源浪费，为冷萃咖啡后续的发展提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

云南普洱阿拉比卡日晒咖啡生豆。

CBR-101 型热风式咖啡生豆烘焙机，韩国GENESIS 公司产品；KCG-17 型磨豆机，日本Kalita公司产品；JCS-11002C 型电子天平，上海然浩电子有限公司产品；SL118 型商用酸奶机，苏州睿德电器有限公司产品；PAL-COFFEE（TDS）型咖啡浓度仪，爱宕科学仪器有限公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 工艺流程

先将日晒豆放入烘焙机中进行烘焙，将烘焙好的咖啡豆取出，放入研磨机中进行研磨，按照料液比1∶12，将咖啡粉浸入到冷水中萃取16 h 后取出过滤，即得到冷萃咖啡。

1.2.2 冷萃咖啡感官评定

感官指标评定：根据美国精品咖啡协会（SCAA）所制定的咖啡杯测标准，由3～5 名杯测员组成感官评价小组，分别对冷萃咖啡的干香、湿香、风味、回味、酸度、醇厚度、平衡性、一致性、干净度、甜度及缺点进行评分，最后根据综合评分判定咖啡的品质。

杯测标准见表1。

表1 杯测标准

1.2.3 单因素试验

（1）烘焙温度的确定。将烘焙温度设置为230，235，240，245，250 ℃，并控制烘焙时间为17 min，进料量为120 g。研究不同烘焙温度下冷萃咖啡的品质，通过感官评分和萃取率的综合评分进行测定。

（2）烘焙时间的确定。将烘焙时间设置为15，16，17，18，19 min，并控制烘焙温度为240 ℃，进料量为120 g。研究不同烘焙时间下冷萃咖啡的品质，通过感官分值和萃取率的综合评分进行测定。

（3）进料量的确定。将进料量设置为100，110，120，130，140 g，并控制烘焙温度为240 ℃，烘焙时间为17 min。研究不同进料量下冷萃咖啡的品质，通过感官分值和萃取率的综合评分进行测定。

1.2.4 响应面优化试验

将单因素试验结果作为基础，选取冷萃咖啡感官评定分值和萃取率最优的三水平因数值，同样将烘焙温度（A）、烘焙时间（B）、进料量（C）作为考查因素，利用Design Expert 软件，以感官评定分值和萃取率的综合评分为响应值，进行Box-behnken响应面优化试验设计，对试验所得的结果进行分析，得到最优烘焙工艺参数，并对所得工艺参数进行试验验证。

响应面优化试验因素与水平设计见表2。

表2 响应面优化试验因素与水平设计

1.2.5 冷萃咖啡萃取率的计算

式中：W——咖啡液萃取率，%；

TDS——咖啡液质量浓度，mg/mL；

m1——咖啡液的体积，mL；

m2——咖啡粉的质量，g。

1.2.6 综合评分的计算

式中：Y——综合评分，分；

W1——感官分值，分；

W2——萃取率，%；

Wmax1——感官分值的最大值，分；

Wmax2——萃取率的最大值，%。

采用CRITIC 权重赋值法[27]，感官评定分值和萃取率的权重系数分别赋为0.6 和0.4。

1.3 数据处理

对试验所得数据利用Excel 和Design Expert 软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 单因素结果分析

2.1.1 烘焙温度对冷萃咖啡品质的影响

烘焙温度对冷萃咖啡品质的影响见表3。

表3 烘焙温度对冷萃咖啡品质的影响

由表3 可知，随着烘焙温度的升高，感官评分和综合评分逐渐降低，感官评分由63 分降为39 分，综合评分从0.999 4 分降为0.755 8 分，但萃取率的变化波动不大。由此可知，冷萃咖啡更适合浅度烘焙，烘焙温度对萃取率的影响不大，从综合评分的变化可以得出最优的三水平因素值为230，235，240 ℃。

2.1.2 烘焙时间对冷萃咖啡品质的影响

烘焙时间对冷萃咖啡品质的影响见表4。

表4 烘焙时间对冷萃咖啡品质的影响

由表4 可知，随着烘焙时间的延长，感官评分和综合评分先逐渐减小再增加，可能是由于烘焙的过程中时间把握不好，变化不规律，萃取率的变化波动不大。由此可以得出，烘焙时间对萃取率的影响不大，从综合评分的变化可以得出最优的三水平因素值为15，16，18 min。

2.1.3 进料量对冷萃咖啡品质的影响

进料量对冷萃咖啡品质的影响见表5。

表5 进料量对冷萃咖啡品质的影响

由表5 可知，随着烘焙量的增加，感官评分和综合评分逐渐提高，但是萃取率的变化波动不大。由此可以得出，进料量对萃取率的影响不大，从综合评分的变化可以得出最优的三水平因素值为110，120，140 g。

2.2 响应面试验

2.2.1 Box-behnken 响应面试验结果

根据单因素试验结果，选取最优的三水平因素值，进行三因素三水平的响应面优化试验。

响应面优化试验结果见表6。

表6 响应面优化试验结果

2.2.2 响应面回归模型的建立

利用Design Expert 软件，以烘焙温度（A）、烘焙时间（B）、进料量（C）为因素，咖啡液综合评分（Y）为响应值，得到三因素和响应值之间的关系方程：

响应面回归模型方差分析见表7。

表7 响应面回归模型方差分析

由表7 可知，模型结果具有显著性，（p＜0.05），R2=88.95%，说明响应值硬度的变化有88.95%来源于烘焙温度、烘焙时间、进料量，拟合程度好，误差小。

2.2.3 响应面各因素交互作用

利用Design Expert 软件处理响应面优化试验的数据。

烘焙温度与烘焙时间对综合评分的响应面图和等高线图见图1，烘焙温度与进料量对综合评分的响应面图和等高线图见图2，烘焙时间与进料量对综合评分的响应面图和等高线图见图3。

图1 烘焙温度与烘焙时间对综合评分的响应面图和等高线图

图2 烘焙温度与进料量对综合评分的响应面图和等高线图

图3 烘焙时间与进料量对综合评分的响应面图和等高线图

响应面图可以反映出响应面的坡度越大，代表该因素对响应值的影响越大，等高线图可以反映出两变量的交互作用是否显著，圆形代表两交互作用不显著，椭圆形代表两交互作用显著[28]。由图1～图3 可知，烘焙温度对咖啡品质的影响最大，因为坡度最陡；烘焙时间和进料量对咖啡品质的影响不大，因为坡度较为平缓。通过Design Expert 分析计算得出最佳烘焙工艺为烘焙温度234 ℃，烘焙时间15.5 min，进料量136 g。

2.3 验证试验

将单因素试验和响应面试验结果结合，确定了制备冷萃咖啡的最佳工艺参数为烘焙温度为234 ℃，烘焙时间为15.5 min，进料量为136 g。此时，咖啡液萃取率为13.54%，感官评分为66 分，在咖啡液最佳理论值区间内。根据最优工艺参数进行3 次验证试验，3 次试验所测得的咖啡液萃取率平均值为13.52%，感官评定分值为65 分，与响应面试验值接近，说明该参数准确。

3 结论

以云南普洱阿拉比卡日晒咖啡豆为原料制备冷萃咖啡，主要是对其中的烘焙工艺参数进行优化研究，利用感官评分和综合评分得出烘焙温度、烘焙时间、进料量的最优三水平因素值，烘焙温度选取230，235，240 ℃；烘焙时间选取15，16，18 min；进料量选取110，120，140 g。在单因素试验的基础上，通过Design Expert 响应面试验优化烘焙工艺，得到最佳的烘焙工艺参数为烘焙温度234 ℃，烘焙时间15.5 min，进料量136 g，咖啡液萃取率为13.54%，感官评分为66 分。根据最佳烘焙工艺参数进行验证试验，实际测得咖啡液萃取率平均值为13.52%，感官评分的平均值为65 分，与响应面试验值接近，说明该参数准确。