咖啡为茜草科、热带或亚热带植物,主要产地为巴西、哥伦比亚、埃塞俄比亚等,是世界三大畅销饮料之一[1]。咖啡具有独特醇厚的香味,富含脂肪、蛋白质、氨基酸、咖啡因、葫芦巴碱、绿原酸等多种成分[2],饮用咖啡具有提神醒脑、解酒利尿、抗菌抗癌抗氧化、提高机体免疫力、延缓衰老、预防心血管疾病等功效[3-4],因此受到广大消费者的追捧与喜爱。咖啡可产生近1 000种挥发性化合物,其风味形成极其复杂,研究表明影响咖啡风味的香气化合物主要有20余种。
新鲜采摘的咖啡豆含水量高,极易发酵、腐败变质,严重影响风味品质及商业价值,干燥能很好地解决这一问题,并延长咖啡豆的贮藏时间,因此探究咖啡豆的干燥方法尤为重要。目前,咖啡豆常用的干燥方式有日晒干燥、热风干燥(hot-air drying, HD)、红外干燥(infrared drying, ID)、热泵干燥、微波干燥以及联合干燥技术等。DONZELES等[5]研发出一种将固定床干燥、自然对流干燥和太阳能干燥相结合的新型干燥系统,结果表明,与其他传统干燥方式相比,此新型干燥方式能源效率高,干燥时间缩短,可被应用于咖啡加工生产中。陈治华等[6]利用机械热风对咖啡豆进行干燥,发现此干燥方式具有效率高、成本低等优势,但也存在能耗高、品质无法保证的局限性。董文江等[7]研究了热泵干燥温度对咖啡豆活性成分及挥发性成分的影响,结果表明,脂肪含量在55 ℃时最高,温度升高咖啡因含量增加而葫芦巴碱含量不变,并检测出61种挥发性化合物。胡荣锁等[8]基于电子舌技术和统计学分析研究半热风半自然干燥、HD、日晒干燥对咖啡风味的影响,发现半热风半自然干燥和自然干燥下的咖啡风味相近,而HD对咖啡风味影响较大。然而,目前咖啡豆的干燥仍采用单一的干燥方式居多,联合干燥方式较少,红外喷动床干燥咖啡豆更是鲜有研究。
红外辐射干燥因具有热效应好、干燥效率高、产品质量佳等优点被广泛用于粮油、果蔬等农产品的干燥,但该技术存在成本高、多层物料干燥不均匀等缺点。喷动床干燥可以在物料颗粒干燥过程中提供气动搅拌,这种搅动通过在颗粒表面重建边界层来促进热量传递,同时使物料在床体内做喷泉式往复运动,实现了物料与热空气在床体内有规律的间歇接触[9]。喷动床干燥设备结构简单易操作、干燥均匀性好、传热传质速率高[10]。将二者相结合即红外喷动床干燥(infrared assisted spouted bed drying,IR-SBD),不仅解决了成本高、干燥不均匀等问题,还有利于缩短干燥时间,降低能耗,保持产品品质[11],是一种具有广阔前景的食品干燥技术。ALIZEHI等[12]采用红外辐射和喷动床联合干燥胡萝卜,使得胡萝卜具有比普通干燥方法更好的感官特性,热空气和红外辐射的结合产生了协同效应,产生比单独ID或对流更有效的干燥。段续等[13]研究了IR-SBD进口温度和风速对玫瑰花瓣干燥特性的影响,结果表明干燥速率和干燥时间受进口温度和风速的影响较大,为IR-SBD的应用提供了参考。LI等[14]利用IR-SBD对山药进行干燥并确定最佳干燥条件为干燥温度40 ℃,流速22 m/s,发现提高干燥温度和流速有利于缩短干燥时间。
目前国内外对咖啡豆的研究主要集中在咖啡烘焙豆的风味成分和活性物质方面,对咖啡豆的干燥方面研究较少,使用IR-SBD对咖啡豆进行干燥的研究尚未见报道。本文采用新鲜咖啡浆果,通过湿法加工[15]处理,得到新鲜的咖啡豆,利用IR-SBD进行干燥,探讨不同进口温度和进口风速对咖啡粉色泽、堆积密度、休止角、得粉率、持水能力和水溶性指数、干燥能耗、微观结构及挥发性成分的影响,以节能保质为目标,开发咖啡豆干燥最佳工艺参数,提高咖啡豆的商用价值,为相关研究提供理论参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
咖啡鲜果采摘于云南普洱市大开河村林润咖啡庄园,属于小粒种卡蒂姆咖啡。红外喷动床干燥前咖啡豆的初始含水率为(59.78±0.13)%(以湿基计)。2-辛醇、正构烷烃标准品,上海阿拉丁生物科技有限公司。
1.2 仪器与设备
试验用红外喷动床由实验室自制,设备原理如图1所示。BCD-565WT/B型电冰箱,北京海信电器有限公司;JA2003N型电子分析天平,上海佑科仪器仪表有限公司;HH-S4型电热恒温水浴锅,北京科伟永兴仪器有限公司;TG16-WS型高速离心机,湖南湘仪离心机仪器有限公司;101型电热恒温鼓风干燥箱,北京市永光明医疗器械公司;XT-I5 D-110型色差仪,美国爱色丽公司;TM3030Plus型台式扫描电镜,日本日立高新技术公司;OX-C949型不锈钢高速多功能粉碎机,武义海纳电器有限公司;TSQ9000型气相色谱-三重四级杆串联质谱仪,赛默飞世尔科技公司;2 cm-50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头、固相微萃取手动进样柄,美国Supelco公司。
1-旋风分离器;2-喷动床干燥箱;3-风速传感器;4-出料口; 5-加热罐;6-风机;7-控制系统;8-温度传感器; 9-红外辐射板;10-观察窗
图1 红外喷动床原理图
Fig.1 Schematic diagram of infrared assisted spouted bed dryer
1.3 试验方法
1.3.1 干燥处理
1)样品前处理:挑选红润、无霉烂、无虫害、大小均匀的咖啡鲜果,采用湿法加工方式进行处理,具体工艺如下:
鲜果→除杂→分级→青果分离→脱皮→脱胶→清洗→浸泡→滤水
2)IR-SBD:干燥开始前,通过控制系统调节红外辐射板温度,使喷动床内部达到设定试验温度。每组取200 g咖啡豆,打开喷动仓顶盖将咖啡豆放入喷动床内,调节变频器,使风速达到设定试验值。将咖啡豆放入红外喷动床中开始计时,每隔20 min从喷动床下方的出料口取出快速称量后放回,记录此数据,干燥至其含水量在(11±1)%时停止试验。每组试验平行重复3次。在前期预实验的基础上,将干燥过程中进口温度设定为45、55、65、75、85 ℃,进口风速通过调节变频风机频率,分别调节为7.5、8.5、9.5 m/s(表1)。
表1 试验设计及参数
Table 1 Design and parameters of experiments
序号进口温度/℃进口风速/(m/s)1457.52557.53657.54757.55857.56757.57758.58759.5
3)磨粉:在温度为25 ℃,湿度为51%的实验室环境下,利用高速多功能粉碎机将干燥好的咖啡豆进行粉碎,粉碎功率为1 200 W,粉碎频率为50 Hz,粉碎总时长为6 min(共粉碎4次,每次1.5 min,中间间隔10 min),粉碎温度为28 ℃,过40目筛,置于锡箔纸袋中,密封,低温保存备用。
1.3.2 水分含量的测定
咖啡豆的水分含量采用GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》进行测定。干燥过程中水分含量都用湿基表示,重复3次取平均值。按公式(1)计算:
(1)
式中:ωt,任意干燥t时刻样品湿基含水率,%;ω,样品初始湿基含水率, %;mt,任意干燥t时刻的质量,g;m,样品初始质量,g。
1.3.3 色泽的测定
利用色差仪进行测定,以仪器白板为标准,测量咖啡粉的色泽(L*为明暗指数;a*为红绿值;b*为黄蓝值),每组随机测3次取平均值。
1.3.4 堆积密度的测定
参考符群等[16]的方法,将咖啡粉装于10 mL干燥洁净的量筒内,填充至10 mL刻度处,振实。称量咖啡粉的质量,重复3次取平均值。堆积密度按公式(2)计算:
(2)
式中:ρb,堆积密度,g/mL;m1,咖啡粉和量筒的总质量,g;m0,量筒的质量,g。
1.3.5 休止角的测定
参考ZHANG等[17]的方法并加以改动,将坐标纸平铺在桌面上,铁架台放在坐标纸内,铁架台上的漏斗末端与坐标纸距离2 cm,咖啡粉经漏斗自由落下形成圆锥体,直至圆锥锥尖与漏斗口接触,测定坐标纸上圆锥体的高度(H)和半径(R),用反切函数计算圆锥体表面和水平面的夹角即为休止角,重复3次取平均值。休止角(α)按公式(3)计算:
(3)
1.3.6 得粉率的测定
参考张丽华等[18]的方法,咖啡豆干燥前的质量(m0)与粉碎后的质量(m1)的比率作为计算依据,重复3次取平均值。得粉率按公式(4)计算:
(4)
式中:W,得粉率,%;m0,干燥前的质量,g;m1,干燥粉碎后的质量,g。
1.3.7 持水能力和水溶性指数的测定
1)持水能力:参考ZHANG等[17]的方法并加以改动。称取0.05 g咖啡粉放入干燥洁净的离心管中,先加入5 mL的蒸馏水摇匀,再加入5 mL蒸馏水使其充分溶解,然后将其置于80 ℃恒温水浴锅中水浴20 min,取出冷却至室温,于5 000 r/min下离心30 min,倒出上清液备用,称量离心管和沉淀物的质量并记录此数据,重复3次取平均值。持水能力按公式(5)计算:
(5)
式中:Q,持水能力,g/g;m2,离心管和沉淀物的质量,g;m1,离心管质量,g;m,咖啡粉的质量,g。
2)水溶性指数:取备用的上清液放入预先称量好恒重的培养皿中,并将其放入105 ℃热风干燥箱烘干至恒重,称量培养皿及残渣的质量并记录此数据,重复3次取平均值。水溶性指数按公式(6)计算:
(6)
式中:N,水溶性指数,%;X2,培养皿及残渣的质量,g;X1,培养皿的质量,g;m,咖啡粉的质量,g。
1.3.8 干燥能耗的测定
以干燥结束与干燥开始电表的读数差作为干燥过程所消耗的电量,耗电量通过红外喷动床电表直接读取,单位为kW·h。干燥能耗以1 g水分的能耗(kJ)计算,干燥过程的总脱水量和干燥能耗参考张迎敏等[19]的方法,按公式(7)、公式(8)计算:
(7)
(8)
式中:m1,脱水质量,g;m0,干燥终点样品质量,g;C1,初始湿基水分含量,%;C2,最终湿基水分含量,%;W,干燥能耗,kJ/g;P,功率,kW;t,时间,h。
1.3.9 微观结构的测定
为了更清楚地观察咖啡粉的形态结构,先将咖啡粉进行10 nm厚度的喷金处理,然后将咖啡粉粘到样品台的导电胶上,放入扫描电镜下观察其形态结构,放大倍数为5 000倍。
1.3.10 挥发性成分的测定
采用顶空固相微萃取-气相色谱质谱联用(headspace solid-phase microextraction coupled to gas chromatography-mass spectrometry,HS-SPME/GC-MS)对挥发性成分进行测定,参考张丰等[20]的方法,并稍作改动。
HS-SPME条件:首先称取1.5 g咖啡样品放入20 mL顶空瓶中,加入50 μL 100 mg/L的2-辛醇溶液作为内标,用螺旋盖密封顶空瓶并将其置于60 ℃恒温水浴锅中平衡30 min,待平衡完成后,再将老化完全的固相萃取纤维头插入顶空瓶内萃取30 min,最后取出固相萃取头立即插入GC-MS进样口(250 ℃)中解析5 min进样分析,每组样品测3次。
色谱条件:色谱柱为HP-5毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);升温程序:设置初始柱温40 ℃,保持2 min,然后以3 ℃/min升至130 ℃,保持2 min,最后以4 ℃/min升至250 ℃,保持5 min;载气为氦气,流速为1 ml/min。
质谱条件:离子源、MS传输线温度为250 ℃且采用不分流模式;扫描范围35～500 amu。
1.4 数据处理
采用Excel 2021进行试验数据处理,Origin 2021进行绘图,SPSS 20.0进行显著性分析(P<0.05)。通过与质谱库(NIST11)对照,选择匹配度大于80%的化合物,并根据正构烷烃标准品的保留时间计算保留指数,同时与文献对比[21-22]进行定性分析,基于2-辛醇内标含量对样品中挥发性化合物含量换算进行定量分析,每组样品测3次取平均值。
2 结果与分析
2.1 色泽
色泽是样品外观品质的直观反映,影响食品的商业价值和消费者的接受度,是干燥工艺优化的重要评价指标[23]。酶促褐变、非酶促褐变及物料本身色素降解是引起干燥色变的主要原因[24]。不同干燥条件对咖啡粉色泽影响如表2所示,不同进口温度及进口风速下的L*、a*、b*值均存在显著性差异(P<0.05)。当进口温度为65 ℃,进口风速为7.5 m/s时L*值最大,分别为105.96和106.59,色泽最明亮;L*值随进口温度升高先减小后增大,随进口风速升高而减小,与鲜样的L*值差别较大;a*、b*值随进口温度升高先减小后增大,随进口风速升高而增大。说明进口温度的升高促使咖啡豆表面升温较快、色泽加深。可能是色素物质降解、美拉德反应及焦糖化反应引起的褐变导致的。程可等[24]发现微波功率越大,咖啡豆表面升温越快,从而导致色泽逐渐加深,与本试验结果一致。
表2 不同干燥条件下咖啡粉的色泽
Table 2 Color of coffee beans powder under different drying conditions
因素条件L∗a∗b∗鲜样64.29±0.077.17±0.0212.07±0.14进口温度/℃45104.66±0.25D1.51±0.01A25.77±0.05D55103.55±0.02E1.09±0.02E25.09±0.02E65105.96±0.02A1.24±0.02D26.12±0.03C75105.03±0.03C1.31±0.02C26.24±0.04B85105.69±0.10B1.40±0.05B26.42±0.03A进口风速/(m/s)7.5106.59±0.01a1.14±0.03c26.53±0.02c8.5106.25±0.02b4.53±0.02b31.94±0.05b9.5101.87±0.03c10.03±0.07a36.68±0.06a
注:同列数据肩标字母不同表示差异显著(P<0.05),字母相同表示差异不显著(P>0.05);大写字母表示进口温度,小写字母表示进口风速(下同)。
2.2 堆积密度、休止角和得粉率
堆积密度对咖啡豆包装与运输成本具有重大影响,堆积密度越大包装运输成本越小。由表3可知,不同进口温度及进口风速下堆积密度从大到小依次为:75 ℃>65 ℃>55 ℃>85 ℃>45 ℃;9.5 m/s>8.5 m/s>7.5 m/s。对于同一种物质,堆积密度越大,说明颗粒与颗粒间的空隙越小。当进口温度为75 ℃,进口风速为9.5 m/s时,堆积密度达到最大值分别为0.65、0.63 g/mL,在此干燥条件下咖啡豆的包装运输成本较低。可能是进口温度、进口风速越大造成物料粒径越小,从而使颗粒间的空隙减小,进而促使堆积密度变大。
粉末的流动性通常用休止角来进行表征,休止角越小,流动性越好。分析表3中结果可知,不同进口温度及进口风速下休止角从大到小依次为:45 ℃>65 ℃>55 ℃>75 ℃>85 ℃;9.5 m/s>7.5 m/s>8.5 m/s。当进口温度为75、85 ℃时休止角差异不显著(P>0.05),且达到较小值分别为36.87°和36.5°;当进口风速为7.5、8.5 m/s时休止角差异不显著(P>0.05),且达到较小值分别为39.01°和38.07°。休止角随进口温度的升高而减小,随进口风速的升高先减小后增大,说明进口温度越高粉末流动性越好,而适中的进口风速有利于提高咖啡粉末的流动性。这可能是由于不同干燥条件及物料颗粒间的作用力不同而导致的,温度越高,水分散失越快,咖啡豆的组织结构发生形变,粉碎后的颗粒较小,流动性越好,而休止角越小。ZHANG等[17]研究发现,颗粒越小,香菇粉末的流动性越好;任爱清等[25]研究发现,不同干燥方式加工所得黑木耳粉平均粒径大小依次为:热风>热泵>真空微波>真空冷冻,流动性与粒径呈相反趋势。本试验结果与ZHANG等[17]、任爱清等[25]研究结果一致。
表3中不同进口温度及进口风速下得粉率从大到小依次为:75 ℃>85 ℃>65 ℃>55 ℃>45 ℃;7.5 m/s>9.5 m/s>8.5 m/s。当进口温度为75、85 ℃时得粉率差异不显著(P>0.05),且达到较大值分别为43.43%和43.28%;当进口风速为7.5 m/s时得粉率最高,为40.39%。得粉率随进口温度的升高而增加,随进口风速的升高而降低。可能是进口温度越低,干燥速率越慢,干燥时间越长,导致水分及挥发性物质分离较为彻底,咖啡豆得粉率较低。符群等[16]发现不同干燥方式处理的黑果腺肋花楸果实得粉率有所不同,利用喷雾干燥处理的果粉得率远低于真空冷冻干燥和HD处理的果粉得率,判断其原因是喷雾干燥蒸发量大导致水分及挥发性物质分离较为彻底,进而得粉率较低,与本试验结果一致。
表3 不同干燥条件下咖啡粉的物理特性
Table 3 Physical properties of coffee beans powder under different drying conditions
因素条件堆积密度/(g/mL)休止角/°得粉率/%进口温度/℃450.60±0.02B40.70±0.33A38.67±0.17D550.62±0.02AB37.23±0.37C40.58±0.07C650.63±0.02AB38.31±0.36B41.11±0.04B750.65±0.01A36.87±0.37CD43.43±0.03A850.61±0.02B36.5±0.37D43.28±0.04A进口风速/(m/s)7.50.56±0.02b39.01±0.35b40.39±0.04a8.50.62±0.02a38.07±0.54b35.83±0.04c9.50.63±0.02a40.14±0.51a36.19±0.07b
2.3 持水能力和水溶性指数
不同干燥条件下咖啡粉的持水能力和水溶性指数如表4所示,不同进口温度及进口风速下咖啡粉持水能力无显著性差异(P>0.05)。
表4 不同干燥条件下咖啡粉的持水能力和水溶性指数
Table 4 Water holding capacity and water solubility index of coffee beans powder under different drying conditions
因素条件持水能力/(g/g)水溶性指数/%进口温度/℃455.27±0.64A50.27±0.04A555.07±0.31A44.53±0.12AB654.93±0.5A37.33±0.03AB754.67±0.42A32.6±0.07B854.53±0.5A30.8±0.09B进口风速/(m/s)7.55.4±0.53a41.27±0.01a8.55.27±0.42a31.73±0.02b9.54.4±0.92a25.73±0.01c
进口温度为45 ℃时水溶性指数最高,为50.27%,而85 ℃时水溶性指数最低,为30.8%,表明低温干燥有利于提升咖啡粉的水溶性。不同进口风速对咖啡粉水溶性指数影响显著(P<0.05)。进口风速为7.5 m/s时水溶性指数最高,为41.27%,而9.5 m/s时水溶性指数最低,为25.73%。
持水能力和水溶性指数的大小与咖啡粉颗粒内部结构状态有关,且随进口温度及进口风速的升高而降低,低进口温度和低进口风速对咖啡豆内部结构破坏较小,形成的多孔结构使咖啡粉颗粒遇水时其内部羟基与水分子结合紧密,能更好地固定水分子,因而吸附水能力及水溶性较好。而当进口温度、进口风速较高时,咖啡豆表面急剧脱水,组织结构遭到破坏,表面凹凸不平有裂纹,吸附水能力及水溶性较差。
2.4 干燥能耗
干燥作为工业生产中的高耗能环节之一,约占工业总耗能的7%～15%,而绿色节能的干燥方式不仅节约了生产成本,更能满足市场的需求,因此在评价干燥工艺时,将能耗作为最重要的参考指标显得尤为重要。不同干燥条件下的干燥能耗如图2所示。
a-进口温度;b-进口风速
图2 不同干燥条件下咖啡豆的干燥能耗
Fig.2 Drying energy consumption of coffee beans under different drying conditions
不同进口温度及进口风速下干燥能耗从大到小依次为:45 ℃>55 ℃>65 ℃>75 ℃>85 ℃;7.5 m/s>8.5 m/s>9.5 m/s。在进口温度为85 ℃时干燥能耗取得最小值327.36 kJ/g,且与75 ℃(336.53 kJ/g)干燥能耗差异不显著(P>0.05);在进口风速为9.5 m/s时干燥能耗最小,为363.09 kJ/g。干燥能耗随进口温度、进口风速的升高而逐渐降低,因为进口温度升高,干燥用时缩短,促使干燥能耗降低;进口风速升高,咖啡豆在干燥箱内喷动更加剧烈,干燥速率提升,干燥能耗降低。徐一铭等[26]利用IR-SBD对香菇进行干燥,发现提高进口温度和进口风速能加快干燥速率、缩短干燥时间、降低单位能耗,得出在最佳工艺(进口温度 55 ℃、进口风速 8.0 m/s)下能耗最小值为98.74 kJ/g。ZHU等[27]采用HD、ID及IR-SBD对带壳花生进行干燥处理,发现HD 能耗为13.3 kW·h,ID能耗为11.5 kW·h,而IR-SBD能耗最低,仅为7.2 kW·h。由此得出,IR-SBD是一种高效节能的干燥方式,使用其干燥物料时,可通过提高进口温度及进口风速来降低能耗,增加产品经济效益。
2.5 微观结构
不同干燥条件下咖啡粉微观结构如图3所示。微观结构受进口温度和进口风速的影响较大。在进口温度为45 ℃和55 ℃时细胞结构比较明显,且孔隙小、数量少,细胞壁面比较平整,当进口温度由65 ℃上升至85 ℃时结构发生变形,其表面出现了不均匀的颗粒,细胞结构遭到一定的破坏,表面孔隙增大、数量增多,壁面凹凸不平;进口风速为7.5 m/s的细胞壁表面比较平滑,细胞结构保存较为完整,孔隙较少,随着进口风速的增加,8.5 m/s与9.5 m/s的细胞壁表面凹凸不平。可能是进口温度越高,进口风速越大,水分蒸发速率越快,细胞结构变形且破坏严重,导致细胞内部形成较多疏松的孔隙结构。程可等[24]利用微波真空对咖啡豆进行干燥,发现不同的微波功率对咖啡豆微观结构影响差异显著,功率越大,咖啡豆结构破碎越严重,孔隙大且数量多。ZHU等[27]采用HD、ID和IR-SBD对带壳花生进行干燥,发现当水分含量达到0.3 g/g时,ID处理的带壳花生网络结构完全变形,IR-SBD处理的带壳花生网络结构仍然存在且在干燥后期出现了明显的孔隙,进而提高了带壳花生的干燥速率,由此得出IR-SBD优于ID和HD。
a-45 ℃;b-55 ℃;c-65 ℃;d-75 ℃;e-85 ℃;f-7.5 m/s;g-8.5 m/s;h-9.5 m/s
图3 不同干燥条件下咖啡粉微观结构(×5 000)
Fig.3 Microstructure of coffee beans powder under different drying conditions(×5 000)
2.6 挥发性成分
不同干燥条件下咖啡豆挥发性成分种类与含量如图4、图5所示。不同进口温度及进口风速检测出7大类挥发性化合物,分别为酸类、酯类、醛类、醇类、酮类、杂环类及其他类。由图4可知,鲜样检测出的挥发性成分种类最少,为32种,不同进口温度及进口风速下挥发性成分种类由多到少依次为:45 ℃(92种)>85 ℃(53种)>75 ℃(46种)>65 ℃(44种)>55 ℃(43种);8.5 m/s(73种)>7.5 m/s(70种)>9.5 m/s(48种)。由图5可知,鲜样检测出的挥发性成分含量(以干基计)最少,为12 229.625 18 ng/g,不同进口温度及进口风速下挥发性成分含量由多到少依次为:85 ℃(159 276.649 2 ng/g)>55 ℃(106 417.228 3 ng/g)>65 ℃(79 007.501 31 ng/g)>45 ℃(51 433.021 6 ng/g)>75 ℃(35 565.956 86 ng/g);9.5 m/s(85 271.160 39 ng/g)>7.5 m/s(38 487.028 49 ng/g)>8.5 m/s(26 561.927 94 ng/g)。
a-进口温度;b-进口风速
图4 不同干燥条件下咖啡豆挥发性成分种类
Fig.4 Types of volatile components in coffee beans under different drying conditions
注:FS为鲜样。
a-进口温度;b-进口风速
图5 不同干燥条件下咖啡豆挥发性成分含量
Fig.5 Volatile components content of coffee beans under different drying conditions
注:挥发性成分含量计算以干基计。
不同干燥条件下挥发性成分种类和含量有所差别,但均以酸类(发酵香、水果酸香;脂味、腐臭味、酸涩味)、酯类(花果香、坚果香;椰香味、芳香味)、醇类(花香、清香、木香、脂肪香、发酵果香;酸败味、芳香味)、杂环类(烤焦香、焦苦香、坚果香、咖啡香;焦糖味、烘烤味、烟熏味)4类化合物为主且含量较高,而醛类(花果香;奶油味、脂肪气味、刺激性气味)化合物种类及含量最少。酸类化合物种类及含量随进口温度和进口风速的升高整体呈下降趋势;酯类化合物种类及含量随进口温度升高先减少后增加,随进口风速升高而增加;醇类化合物种类及含量随进口温度升高先减少后增加,随进口风速升高而减少;杂环类化合物种类随进口温度和进口风速的升高基本保持不变,其含量随进口温度升高整体呈减少趋势,随进口风速的升高整体呈增加趋势。综上得出,与鲜样对比,干燥可以增加咖啡豆挥发性成分种类和含量,酸类化合物大多呈现不愉快的风味且对咖啡的酸度影响较大,增加进口温度和进口风速可以减少咖啡酸度;酯类化合物对咖啡风味起着极其重要的作用,增加进口温度和进口风速易促进脂肪酸和其他酸类物质与乙醇的酯化[28],从而增加咖啡风味;醇类化合物是咖啡重要的特征风味化合物,增加进口温度和进口风速可以促进脂质氧化进而增加碳链产生清香、木香和脂肪香[7];杂环类化合物(呋喃、吡嗪、吡咯、吡啶等)作为主要挥发性成分对咖啡的风味影响重大,增加进口温度和进口风速可以促进碳水化合物、美拉德、氨基酸、糖的反应及脂质的热氧化形成焦糖味、烘烤味、鱼腥味及烟熏味。当进口温度为85 ℃、进口风速为9.5 m/s时检测出的挥发性成分含量达到最大值,分别为159 276.649 2 ng/g和85 271.160 39 ng/g,说明在此条件下咖啡豆已经开始散发芳香气味,即IR-SBD进口温度和进口风速过高易导致咖啡豆变质,从而影响咖啡豆品质,降低其质量和价格。因此在咖啡豆干燥加工环节,应选用适宜的温度和风速。
3 结论
研究表明,提高进口温度和进口风速可以加快干燥速率,缩短干燥时间,降低干燥能耗,进口温度由45 ℃提升到85 ℃,干燥时间及干燥能耗分别降低了37.5%和22.93%;进口风速由7.5 m/s提升到9.5 m/s,干燥时间及干燥能耗分别降低了21.43%和8.36%。随着进口温度升高L*值先减小后增大,堆积密度先增大后减小,休止角减小,得粉率增加,持水能力和水溶性指数逐渐减小且差异不显著,干燥能耗降低,微观结构变化较大且孔隙增大、数量增多;随着进口风速升高L*值逐渐减小,堆积密度增大,休止角先减小后增大,得粉率减少,持水能力和水溶性指数逐渐减小,干燥能耗降低,细胞结构变形且破坏严重。不同进口温度和进口风速下检测到的主要挥发性成分均为酸类、酯类、醇类、杂环类且含量较高,与鲜样对比,干燥可以增加咖啡豆挥发性成分种类和含量。
研发新型高效节能环保的干燥设备对食品工业的发展至关重要,本文采用IR-SBD对咖啡豆进行干燥,通过咖啡粉色泽、堆积密度、休止角、得粉率及干燥能耗综合对比得出最佳干燥条件为进口温度75 ℃,进口风速7.5 m/s。在此条件下,L*值(106.59)、堆积密度(0.65 g/mL)、得粉率(43.43%)、持水能力(5.4 g/g)和水溶性指数(41.27%)、挥发性成分种类(70种)和含量(38 487.028 49 ng/g)均取得最大值,休止角(36.87°)和干燥能耗(336.53 kJ/g)取得最小值,细胞结构保存完整,微观结构维持较好,咖啡豆的品质最佳,耗能最低,为创新咖啡豆干燥工艺及技术提供了有力支撑。在未来的研究中,可以将 IR-SBD投入到根茎块及坚果类物料的干燥研究方法中去,此外,IR-SBD是否适用于其他果蔬及粮食的干燥还有待于进一步研究。
[1] SUNARHARUM W B, WILLIAMS D J, SMYTH H E.Complexity of coffee flavor:A compositional and sensory perspective[J].Food Research International, 2014, 62:315-325.
[2] MUSSATTO S I, MACHADO E M S, MARTINS S, et al.Production, composition, and application of coffee and its industrial residues[J].Food and Bioprocess Technology, 2011, 4(5):661-672.
[3] LI G W, MA D F, ZHANG Y M, et al.Coffee consumption and risk of colorectal cancer:A meta-analysis of observational studies[J].Public Health Nutrition, 2013, 16(2):346-357.
[4] LI Q, LIU Y, SUN X, et al.Caffeinated and decaffeinated coffee consumption and risk of all-cause mortality:A dose-response meta-analysis of cohort studies[J].Journal of Human Nutrition and Dietetics:the Official Journal of the British Dietetic Association, 2019, 32(3):279-287.
[5] DONZELES S M L, SOUSA E SILVA J, MARTIN S, et al.Evaluation of a mechanical dryer for coffee drying[J].Revista Brasileira de Armazenamento, 2011, 36(1):28-38.
[6] 陈治华, 林兴文, 罗映山, 等.机械热风干燥技术在云南咖啡初加工中的应用[J].中国热带农业, 2014(2):60-61. CHEN Z H, LIN X W, LUO Y S, et al.Application of mechanical hot air drying technology in primary processing of Yunnan coffee[J].China Tropical Agriculture, 2014(2):60-61.
[7] 董文江, 杨静园, 陆敏泉, 等.热泵干燥对生咖啡豆活性物质和挥发性成分的影响研究[J].现代食品科技, 2016, 32(4):141-149;135. DONG W J, YANG J Y, LU M Q, et al.Effect of heat pump drying on the bioactive components and volatile compounds in green coffee beans[J].Modern Food Science and Technology, 2016, 32(4):141-149;135.
[8] 胡荣锁, 陆敏泉, 吴桂苹, 等.基于电子舌的焙炒咖啡不同干燥模式判别[J].食品工业科技, 2014, 35(1):304-306;317. HU R S, LU M Q, WU G P, et al.Drying mode discrimination of roasted coffee by electronic tongue[J].Science and Technology of Food Industry, 2014, 35(1):304-306;317.
[9] 朱凯阳, 任广跃, 段续, 等.基于BP神经网络预测红外-喷动干燥带壳鲜花生水分比[J].食品科学, 2022, 43(11):9-18. ZHU K Y, REN G Y, DUAN X, et al.Backward propagation(BP) neural network-based prediction of moisture ratio of fresh in-shell peanut during infrared-assisted spouted bed drying[J].Food Science, 2022, 43(11):9-18. [10] 侯志昀, 段续, 任广跃, 等.喷动床在农产品干燥中的研究进展[J].食品与发酵工业, 2021, 47(4):275-283. HOU Z Y, DUAN X, REN G Y, et al.The progress of the utilization of spouted bed in drying of agricultural products[J].Food and Fermentation Industries, 2021, 47(4):275-283.
[11] 马立, 段续, 任广跃, 等.红外—喷动床联合干燥设备研制与分析[J].食品与机械, 2021, 37(2):119-124; 129. MA L, DUAN X, REN G Y, et al.Development and analysis of infrared-spouted bed combined drying equipment[J].Food &Machinery, 2021, 37(2):119-124; 129.
[12] ALIZEHI M H, NIAKOUSARI M, FAZAELI M, et al.Modeling of vacuum- and ultrasound-assisted osmodehydration of carrot cubes followed by combined infrared and spouted bed drying using artificial neural network and regression models[J].Journal of Food Process Engineering, 2020, 43(12):e13563.
[13] 段续, 张萌, 任广跃, 等.玫瑰花瓣红外喷动床干燥模型及品质变化[J].农业工程学报, 2020, 36(8):238-245. DUAN X, ZHANG M, REN G Y, et al.Drying models and quality changes of rose subjected to infrared assisted spouted bed drying[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2020, 36(8):238-245.
[14] LI L L, CHEN J L, ZHOU S Q, et al.Quality evaluation of probiotics enriched Chinese yam snacks produced using infrared-assisted spouted bed drying[J].Journal of Food Processing and Preservation, 2021, 45(4):e15358.
[15] 黄家雄, 孙有详, 吕玉兰, 等.咖啡豆热风机械干燥技术研发与推广[J].中国热带农业, 2019(3):17-19;13. HUANG J X, SUN Y X, LYU Y L, et al.Development and popularization of hot air mechanical drying technology for coffee beans[J].China Tropical Agriculture, 2019(3):17-19;13.
[16] 符群, 钟明旭, 王萍.不同干燥方式对黑果腺肋花楸果粉品质的影响[J].中南林业科技大学学报, 2021, 41(1):180-187. FU Q, ZHONG M X, WANG P.Effect of drying methods on quality characteristics of Aronia melanocarpa powder[J].Journal of Central South University of Forestry &Technology, 2021, 41(1):180-187.
[17] ZHANG Z P, SONG H G, PENG Z, et al.Characterization of stipe and cap powders of mushroom (Lentinus edodes) prepared by different grinding methods[J].Journal of Food Engineering, 2012, 109(3):406-413.
[18] 张丽华, 徐怀德, 李顺峰.不同干燥方法对木瓜干燥特性的影响[J].农业机械学报, 2008, 39(11):70-75. ZHANG L H, XU H D, LI S F.Effects of different drying methods on drying characteristic of Chaenomeles sinensis(thouin) koehne[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2008, 39(11):70-75.
[19] 张迎敏, 任广跃, 段续, 等.红薯叶复合面条热泵-热风联合干燥特性及干燥模型建立[J].中国粮油学报, 2022, 37(4):15-24. ZHANG Y M, REN G Y, DUAN X, et al.Analysis of heat pump-hot air combined drying characteristics and water migration of sweet potato leaf compound noodles[J].Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2022, 37(4):15-24.
[20] 张丰, 董文江, 王凯丽, 等.云南不同地区烘焙咖啡豆挥发性成分的HS-SPME/GC-MS分析[J].食品工业科技, 2015, 36(11):273-280. ZHANG F, DONG W J, WANG K L, et al.Comparative analysis of aromatic components of roasted coffee beans from different gengraphical origins in Yunnan Province by HS- SPME/GC- MS[J].Science and Technology of Food Industry, 2015, 36(11):273-280.
[21] BERTRAND B, BOULANGER R, DUSSERT S, et al.Climatic factors directly impact the volatile organic compound fingerprint in green Arabica coffee bean as well as coffee beverage quality[J].Food Chemistry, 2012, 135(4):2575-2583.
[22] TOCI A T, FARAH A.Volatile fingerprint of Brazilian defective coffee seeds:Corroboration of potential marker compounds and identification of new low quality indicators[J].Food Chemistry, 2014, 153:298-314.
[23] DONG W J, HU R S, CHU Z, et al.Effect of different drying techniques on bioactive components, fatty acid composition, and volatile profile of robusta coffee beans[J].Food Chemistry, 2017, 234:121-130.
[24] 程可, 董文江, 胡荣锁, 等.微波真空干燥对咖啡豆风味成分的影响研究[J].热带作物学报, 2018, 39(2):380-391. CHENG K, DONG W J, HU R S, et al.Effect of microwave vacuum drying on flavor components of coffee beans[J].Chinese Journal of Tropical Crops, 2018, 39(2):380-391.
[25] 任爱清, 邓珊, 林芳, 等.不同干燥处理对黑木耳粉理化特性和微观结构的影响[J].食品科学, 2022, 43(11):75-81. REN A Q, DENG S, LIN F, et al.Physicochemical and microstructure properties of Auricularia auricular powder prepared by different drying methods[J].Food Science, 2022, 43(11):75-81.
[26] 徐一铭, 段续, 任广跃, 等.香菇红外喷动床干燥品质表征及呈味物质动态变化[J].食品与发酵工业, 2023, 49(8):33-42. XU Y M, DUAN X, REN G Y, et al.Characterization of quality and flavor substances dynamic changes in infrared spouted bed drying of shiitake mushrooms[J].Food and Fermentation Industries, 2023, 49(8):33-42.
[27] ZHU K Y, LI L L, REN G Y, et al.Efficient production of dried whole peanut fruits based on infrared assisted spouted bed drying[J].Foods, 2021, 10(10):2383.
[28] 丛莎, 董文江, 赵建平, 等.采用HS-SPME-GC/MS和电子鼻技术解析生咖啡豆加速贮藏期挥发性组分的变化规律[J].现代食品科技, 2020, 36(7):250-262. CONG S, DONG W J, ZHAO J P, et al.Changing trend of the volatile compounds in robusta green coffee beans during an accelerated storage analyzed by HS-SPME-GC/MS and electronic nose technology[J].Modern Food Science and Technology, 2020, 36(7):250-262.