余祖艷,任廣躍,2*,許韓山,段續(xù),2,李琳琳,岳燕霞,樊小靜,王喆

1(河南科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng),471000)2(糧食儲(chǔ)藏安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 鄭州,450001) 3(杭州市臨平區(qū)質(zhì)量計(jì)量監(jiān)測(cè)中心,浙江 杭州,311199)4(漯河食品職業(yè)學(xué)院 食品工程系,河南 漯河,462300)

咖啡為茜草科、熱帶或亞熱帶植物,主要產(chǎn)地為巴西、哥倫比亞、埃塞俄比亞等,是世界三大暢銷飲料之一[1]。咖啡具有獨(dú)特醇厚的香味,富含脂肪、蛋白質(zhì)、氨基酸、咖啡因、葫蘆巴堿、綠原酸等多種成分[2],飲用咖啡具有提神醒腦、解酒利尿、抗菌抗癌抗氧化、提高機(jī)體免疫力、延緩衰老、預(yù)防心血管疾病等功效[3-4],因此受到廣大消費(fèi)者的追捧與喜愛?？Х瓤僧a(chǎn)生近1 000種揮發(fā)性化合物,其風(fēng)味形成極其復(fù)雜,研究表明影響咖啡風(fēng)味的香氣化合物主要有20余種。

新鮮采摘的咖啡豆含水量高,極易發(fā)酵、腐敗變質(zhì),嚴(yán)重影響風(fēng)味品質(zhì)及商業(yè)價(jià)值,干燥能很好地解決這一問題,并延長(zhǎng)咖啡豆的貯藏時(shí)間,因此探究咖啡豆的干燥方法尤為重要。目前,咖啡豆常用的干燥方式有日曬干燥、熱風(fēng)干燥(hot-air drying, HD)、紅外干燥(infrared drying, ID)、熱泵干燥、微波干燥以及聯(lián)合干燥技術(shù)等。DONZELES等[5]研發(fā)出一種將固定床干燥、自然對(duì)流干燥和太陽(yáng)能干燥相結(jié)合的新型干燥系統(tǒng),結(jié)果表明,與其他傳統(tǒng)干燥方式相比,此新型干燥方式能源效率高,干燥時(shí)間縮短,可被應(yīng)用于咖啡加工生產(chǎn)中。陳治華等[6]利用機(jī)械熱風(fēng)對(duì)咖啡豆進(jìn)行干燥,發(fā)現(xiàn)此干燥方式具有效率高、成本低等優(yōu)勢(shì),但也存在能耗高、品質(zhì)無法保證的局限性。董文江等[7]研究了熱泵干燥溫度對(duì)咖啡豆活性成分及揮發(fā)性成分的影響,結(jié)果表明,脂肪含量在55 ℃時(shí)最高,溫度升高咖啡因含量增加而葫蘆巴堿含量不變,并檢測(cè)出61種揮發(fā)性化合物。胡榮鎖等[8]基于電子舌技術(shù)和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析研究半熱風(fēng)半自然干燥、HD、日曬干燥對(duì)咖啡風(fēng)味的影響,發(fā)現(xiàn)半熱風(fēng)半自然干燥和自然干燥下的咖啡風(fēng)味相近,而HD對(duì)咖啡風(fēng)味影響較大。然而,目前咖啡豆的干燥仍采用單一的干燥方式居多,聯(lián)合干燥方式較少,紅外噴動(dòng)床干燥咖啡豆更是鮮有研究。

紅外輻射干燥因具有熱效應(yīng)好、干燥效率高、產(chǎn)品質(zhì)量佳等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于糧油、果蔬等農(nóng)產(chǎn)品的干燥,但該技術(shù)存在成本高、多層物料干燥不均勻等缺點(diǎn)。噴動(dòng)床干燥可以在物料顆粒干燥過程中提供氣動(dòng)攪拌,這種攪動(dòng)通過在顆粒表面重建邊界層來促進(jìn)熱量傳遞,同時(shí)使物料在床體內(nèi)做噴泉式往復(fù)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)了物料與熱空氣在床體內(nèi)有規(guī)律的間歇接觸[9]。噴動(dòng)床干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作、干燥均勻性好、傳熱傳質(zhì)速率高[10]。將二者相結(jié)合即紅外噴動(dòng)床干燥(infrared assisted spouted bed drying,IR-SBD),不僅解決了成本高、干燥不均勻等問題,還有利于縮短干燥時(shí)間,降低能耗,保持產(chǎn)品品質(zhì)[11],是一種具有廣闊前景的食品干燥技術(shù)。ALIZEHI等[12]采用紅外輻射和噴動(dòng)床聯(lián)合干燥胡蘿卜,使得胡蘿卜具有比普通干燥方法更好的感官特性,熱空氣和紅外輻射的結(jié)合產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng),產(chǎn)生比單獨(dú)ID或?qū)α鞲行У母稍?。段續(xù)等[13]研究了IR-SBD進(jìn)口溫度和風(fēng)速對(duì)玫瑰花瓣干燥特性的影響,結(jié)果表明干燥速率和干燥時(shí)間受進(jìn)口溫度和風(fēng)速的影響較大,為IR-SBD的應(yīng)用提供了參考。LI等[14]利用IR-SBD對(duì)山藥進(jìn)行干燥并確定最佳干燥條件為干燥溫度40 ℃,流速22 m/s,發(fā)現(xiàn)提高干燥溫度和流速有利于縮短干燥時(shí)間。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)咖啡豆的研究主要集中在咖啡烘焙豆的風(fēng)味成分和活性物質(zhì)方面,對(duì)咖啡豆的干燥方面研究較少,使用IR-SBD對(duì)咖啡豆進(jìn)行干燥的研究尚未見報(bào)道。本文采用新鮮咖啡漿果,通過濕法加工[15]處理,得到新鮮的咖啡豆,利用IR-SBD進(jìn)行干燥,探討不同進(jìn)口溫度和進(jìn)口風(fēng)速對(duì)咖啡粉色澤、堆積密度、休止角、得粉率、持水能力和水溶性指數(shù)、干燥能耗、微觀結(jié)構(gòu)及揮發(fā)性成分的影響,以節(jié)能保質(zhì)為目標(biāo),開發(fā)咖啡豆干燥最佳工藝參數(shù),提高咖啡豆的商用價(jià)值,為相關(guān)研究提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

咖啡鮮果采摘于云南普洱市大開河村林潤(rùn)咖啡莊園,屬于小粒種卡蒂姆咖啡。紅外噴動(dòng)床干燥前咖啡豆的初始含水率為(59.78±0.13)%(以濕基計(jì))。2-辛醇、正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)品,上海阿拉丁生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

試驗(yàn)用紅外噴動(dòng)床由實(shí)驗(yàn)室自制,設(shè)備原理如圖1所示。BCD-565WT/B型電冰箱,北京海信電器有限公司;JA2003N型電子分析天平,上海佑科儀器儀表有限公司;HH-S4型電熱恒溫水浴鍋,北京科偉永興儀器有限公司;TG16-WS型高速離心機(jī),湖南湘儀離心機(jī)儀器有限公司;101型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,北京市永光明醫(yī)療器械公司;XT-I5 D-110型色差儀,美國(guó)愛色麗公司;TM3030Plus型臺(tái)式掃描電鏡,日本日立高新技術(shù)公司;OX-C949型不銹鋼高速多功能粉碎機(jī),武義海納電器有限公司;TSQ9000型氣相色譜-三重四級(jí)桿串聯(lián)質(zhì)譜儀,賽默飛世爾科技公司;2 cm-50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭、固相微萃取手動(dòng)進(jìn)樣柄,美國(guó)Supelco公司。

1-旋風(fēng)分離器;2-噴動(dòng)床干燥箱;3-風(fēng)速傳感器;4-出料口; 5-加熱罐;6-風(fēng)機(jī);7-控制系統(tǒng);8-溫度傳感器; 9-紅外輻射板;10-觀察窗

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 干燥處理

1)樣品前處理:挑選紅潤(rùn)、無霉?fàn)€、無蟲害、大小均勻的咖啡鮮果,采用濕法加工方式進(jìn)行處理,具體工藝如下:

鮮果→除雜→分級(jí)→青果分離→脫皮→脫膠→清洗→浸泡→濾水

2)IR-SBD:干燥開始前,通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)紅外輻射板溫度,使噴動(dòng)床內(nèi)部達(dá)到設(shè)定試驗(yàn)溫度。每組取200 g咖啡豆,打開噴動(dòng)倉(cāng)頂蓋將咖啡豆放入噴動(dòng)床內(nèi),調(diào)節(jié)變頻器,使風(fēng)速達(dá)到設(shè)定試驗(yàn)值。將咖啡豆放入紅外噴動(dòng)床中開始計(jì)時(shí),每隔20 min從噴動(dòng)床下方的出料口取出快速稱量后放回,記錄此數(shù)據(jù),干燥至其含水量在(11±1)%時(shí)停止試驗(yàn)。每組試驗(yàn)平行重復(fù)3次。在前期預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,將干燥過程中進(jìn)口溫度設(shè)定為45、55、65、75、85 ℃,進(jìn)口風(fēng)速通過調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)頻率,分別調(diào)節(jié)為7.5、8.5、9.5 m/s(表1)。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及參數(shù)Table 1 Design and parameters of experiments

3)磨粉:在溫度為25 ℃,濕度為51%的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,利用高速多功能粉碎機(jī)將干燥好的咖啡豆進(jìn)行粉碎,粉碎功率為1 200 W,粉碎頻率為50 Hz,粉碎總時(shí)長(zhǎng)為6 min(共粉碎4次,每次1.5 min,中間間隔10 min),粉碎溫度為28 ℃,過40目篩,置于錫箔紙袋中,密封,低溫保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 水分含量的測(cè)定

咖啡豆的水分含量采用GB 5009.3—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定。干燥過程中水分含量都用濕基表示,重復(fù)3次取平均值。按公式(1)計(jì)算:

(1)

式中:ωt,任意干燥t時(shí)刻樣品濕基含水率,%;ω,樣品初始濕基含水率, %;mt,任意干燥t時(shí)刻的質(zhì)量,g;m,樣品初始質(zhì)量,g。

1.3.3 色澤的測(cè)定

利用色差儀進(jìn)行測(cè)定,以儀器白板為標(biāo)準(zhǔn),測(cè)量咖啡粉的色澤(L*為明暗指數(shù);a*為紅綠值;b*為黃藍(lán)值),每組隨機(jī)測(cè)3次取平均值。

1.3.4 堆積密度的測(cè)定

參考符群等[16]的方法,將咖啡粉裝于10 mL干燥潔凈的量筒內(nèi),填充至10 mL刻度處,振實(shí)。稱量咖啡粉的質(zhì)量,重復(fù)3次取平均值。堆積密度按公式(2)計(jì)算:

(2)

式中:ρb,堆積密度,g/mL;m1,咖啡粉和量筒的總質(zhì)量,g;m0,量筒的質(zhì)量,g。

1.3.5 休止角的測(cè)定

參考ZHANG等[17]的方法并加以改動(dòng),將坐標(biāo)紙平鋪在桌面上,鐵架臺(tái)放在坐標(biāo)紙內(nèi),鐵架臺(tái)上的漏斗末端與坐標(biāo)紙距離2 cm,咖啡粉經(jīng)漏斗自由落下形成圓錐體,直至圓錐錐尖與漏斗口接觸,測(cè)定坐標(biāo)紙上圓錐體的高度(H)和半徑(R),用反切函數(shù)計(jì)算圓錐體表面和水平面的夾角即為休止角,重復(fù)3次取平均值。休止角(α)按公式(3)計(jì)算:

(3)

1.3.6 得粉率的測(cè)定

參考張麗華等[18]的方法,咖啡豆干燥前的質(zhì)量(m0)與粉碎后的質(zhì)量(m1)的比率作為計(jì)算依據(jù),重復(fù)3次取平均值。得粉率按公式(4)計(jì)算:

(4)

式中:W,得粉率,%;m0,干燥前的質(zhì)量,g;m1,干燥粉碎后的質(zhì)量,g。

1.3.7 持水能力和水溶性指數(shù)的測(cè)定

1)持水能力:參考ZHANG等[17]的方法并加以改動(dòng)。稱取0.05 g咖啡粉放入干燥潔凈的離心管中,先加入5 mL的蒸餾水搖勻,再加入5 mL蒸餾水使其充分溶解,然后將其置于80 ℃恒溫水浴鍋中水浴20 min,取出冷卻至室溫,于5 000 r/min下離心30 min,倒出上清液備用,稱量離心管和沉淀物的質(zhì)量并記錄此數(shù)據(jù),重復(fù)3次取平均值。持水能力按公式(5)計(jì)算:

(5)

式中:Q,持水能力,g/g;m2,離心管和沉淀物的質(zhì)量,g;m1,離心管質(zhì)量,g;m,咖啡粉的質(zhì)量,g。

2)水溶性指數(shù):取備用的上清液放入預(yù)先稱量好恒重的培養(yǎng)皿中,并將其放入105 ℃熱風(fēng)干燥箱烘干至恒重,稱量培養(yǎng)皿及殘?jiān)馁|(zhì)量并記錄此數(shù)據(jù),重復(fù)3次取平均值。水溶性指數(shù)按公式(6)計(jì)算:

(6)

式中:N,水溶性指數(shù),%;X2,培養(yǎng)皿及殘?jiān)馁|(zhì)量,g;X1,培養(yǎng)皿的質(zhì)量,g;m,咖啡粉的質(zhì)量,g。

1.3.8 干燥能耗的測(cè)定

以干燥結(jié)束與干燥開始電表的讀數(shù)差作為干燥過程所消耗的電量,耗電量通過紅外噴動(dòng)床電表直接讀取,單位為kW·h。干燥能耗以1 g水分的能耗(kJ)計(jì)算,干燥過程的總脫水量和干燥能耗參考張迎敏等[19]的方法,按公式(7)、公式(8)計(jì)算:

(7)

(8)

式中:m1,脫水質(zhì)量,g;m0,干燥終點(diǎn)樣品質(zhì)量,g;C1,初始濕基水分含量,%;C2,最終濕基水分含量,%;W,干燥能耗,kJ/g;P,功率,kW;t,時(shí)間,h。

1.3.9 微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)定

為了更清楚地觀察咖啡粉的形態(tài)結(jié)構(gòu),先將咖啡粉進(jìn)行10 nm厚度的噴金處理,然后將咖啡粉粘到樣品臺(tái)的導(dǎo)電膠上,放入掃描電鏡下觀察其形態(tài)結(jié)構(gòu),放大倍數(shù)為5 000倍。

1.3.10 揮發(fā)性成分的測(cè)定

采用頂空固相微萃取-氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用(headspace solid-phase microextraction coupled to gas chromatography-mass spectrometry,HS-SPME/GC-MS)對(duì)揮發(fā)性成分進(jìn)行測(cè)定,參考張豐等[20]的方法,并稍作改動(dòng)。

HS-SPME條件:首先稱取1.5 g咖啡樣品放入20 mL頂空瓶中,加入50 μL 100 mg/L的2-辛醇溶液作為內(nèi)標(biāo),用螺旋蓋密封頂空瓶并將其置于60 ℃恒溫水浴鍋中平衡30 min,待平衡完成后,再將老化完全的固相萃取纖維頭插入頂空瓶?jī)?nèi)萃取30 min,最后取出固相萃取頭立即插入GC-MS進(jìn)樣口(250 ℃)中解析5 min進(jìn)樣分析,每組樣品測(cè)3次。

色譜條件:色譜柱為HP-5毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);升溫程序:設(shè)置初始柱溫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;載氣為氦氣,流速為1 ml/min。

質(zhì)譜條件:離子源、MS傳輸線溫度為250 ℃且采用不分流模式;掃描范圍35～500 amu。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2021進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,Origin 2021進(jìn)行繪圖,SPSS 20.0進(jìn)行顯著性分析(P<0.05)。通過與質(zhì)譜庫(kù)(NIST11)對(duì)照,選擇匹配度大于80%的化合物,并根據(jù)正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)品的保留時(shí)間計(jì)算保留指數(shù),同時(shí)與文獻(xiàn)對(duì)比[21-22]進(jìn)行定性分析,基于2-辛醇內(nèi)標(biāo)含量對(duì)樣品中揮發(fā)性化合物含量換算進(jìn)行定量分析,每組樣品測(cè)3次取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 色澤

色澤是樣品外觀品質(zhì)的直觀反映,影響食品的商業(yè)價(jià)值和消費(fèi)者的接受度,是干燥工藝優(yōu)化的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[23]。酶促褐變、非酶促褐變及物料本身色素降解是引起干燥色變的主要原因[24]。不同干燥條件對(duì)咖啡粉色澤影響如表2所示,不同進(jìn)口溫度及進(jìn)口風(fēng)速下的L*、a*、b*值均存在顯著性差異(P<0.05)。當(dāng)進(jìn)口溫度為65 ℃,進(jìn)口風(fēng)速為7.5 m/s時(shí)L*值最大,分別為105.96和106.59,色澤最明亮;L*值隨進(jìn)口溫度升高先減小后增大,隨進(jìn)口風(fēng)速升高而減小,與鮮樣的L*值差別較大;a*、b*值隨進(jìn)口溫度升高先減小后增大,隨進(jìn)口風(fēng)速升高而增大。說明進(jìn)口溫度的升高促使咖啡豆表面升溫較快、色澤加深?？赡苁巧匚镔|(zhì)降解、美拉德反應(yīng)及焦糖化反應(yīng)引起的褐變導(dǎo)致的。程可等[24]發(fā)現(xiàn)微波功率越大,咖啡豆表面升溫越快,從而導(dǎo)致色澤逐漸加深,與本試驗(yàn)結(jié)果一致。

表2 不同干燥條件下咖啡粉的色澤Table 2 Color of coffee beans powder under different drying conditions

2.2 堆積密度、休止角和得粉率

堆積密度對(duì)咖啡豆包裝與運(yùn)輸成本具有重大影響,堆積密度越大包裝運(yùn)輸成本越小。由表3可知,不同進(jìn)口溫度及進(jìn)口風(fēng)速下堆積密度從大到小依次為:75 ℃>65 ℃>55 ℃>85 ℃>45 ℃;9.5 m/s>8.5 m/s>7.5 m/s。對(duì)于同一種物質(zhì),堆積密度越大,說明顆粒與顆粒間的空隙越小。當(dāng)進(jìn)口溫度為75 ℃,進(jìn)口風(fēng)速為9.5 m/s時(shí),堆積密度達(dá)到最大值分別為0.65、0.63 g/mL,在此干燥條件下咖啡豆的包裝運(yùn)輸成本較低。可能是進(jìn)口溫度、進(jìn)口風(fēng)速越大造成物料粒徑越小,從而使顆粒間的空隙減小,進(jìn)而促使堆積密度變大。

粉末的流動(dòng)性通常用休止角來進(jìn)行表征,休止角越小,流動(dòng)性越好。分析表3中結(jié)果可知,不同進(jìn)口溫度及進(jìn)口風(fēng)速下休止角從大到小依次為:45 ℃>65 ℃>55 ℃>75 ℃>85 ℃;9.5 m/s>7.5 m/s>8.5 m/s。當(dāng)進(jìn)口溫度為75、85 ℃時(shí)休止角差異不顯著(P>0.05),且達(dá)到較小值分別為36.87°和36.5°;當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速為7.5、8.5 m/s時(shí)休止角差異不顯著(P>0.05),且達(dá)到較小值分別為39.01°和38.07°。休止角隨進(jìn)口溫度的升高而減小,隨進(jìn)口風(fēng)速的升高先減小后增大,說明進(jìn)口溫度越高粉末流動(dòng)性越好,而適中的進(jìn)口風(fēng)速有利于提高咖啡粉末的流動(dòng)性。這可能是由于不同干燥條件及物料顆粒間的作用力不同而導(dǎo)致的,溫度越高,水分散失越快,咖啡豆的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生形變,粉碎后的顆粒較小,流動(dòng)性越好,而休止角越小。ZHANG等[17]研究發(fā)現(xiàn),顆粒越小,香菇粉末的流動(dòng)性越好;任愛清等[25]研究發(fā)現(xiàn),不同干燥方式加工所得黑木耳粉平均粒徑大小依次為:熱風(fēng)>熱泵>真空微波>真空冷凍,流動(dòng)性與粒徑呈相反趨勢(shì)。本試驗(yàn)結(jié)果與ZHANG等[17]、任愛清等[25]研究結(jié)果一致。

表3中不同進(jìn)口溫度及進(jìn)口風(fēng)速下得粉率從大到小依次為:75 ℃>85 ℃>65 ℃>55 ℃>45 ℃;7.5 m/s>9.5 m/s>8.5 m/s。當(dāng)進(jìn)口溫度為75、85 ℃時(shí)得粉率差異不顯著(P>0.05),且達(dá)到較大值分別為43.43%和43.28%;當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速為7.5 m/s時(shí)得粉率最高,為40.39%。得粉率隨進(jìn)口溫度的升高而增加,隨進(jìn)口風(fēng)速的升高而降低?？赡苁沁M(jìn)口溫度越低,干燥速率越慢,干燥時(shí)間越長(zhǎng),導(dǎo)致水分及揮發(fā)性物質(zhì)分離較為徹底,咖啡豆得粉率較低。符群等[16]發(fā)現(xiàn)不同干燥方式處理的黑果腺肋花楸果實(shí)得粉率有所不同,利用噴霧干燥處理的果粉得率遠(yuǎn)低于真空冷凍干燥和HD處理的果粉得率,判斷其原因是噴霧干燥蒸發(fā)量大導(dǎo)致水分及揮發(fā)性物質(zhì)分離較為徹底,進(jìn)而得粉率較低,與本試驗(yàn)結(jié)果一致。

表3 不同干燥條件下咖啡粉的物理特性Table 3 Physical properties of coffee beans powder under different drying conditions

2.3 持水能力和水溶性指數(shù)

不同干燥條件下咖啡粉的持水能力和水溶性指數(shù)如表4所示,不同進(jìn)口溫度及進(jìn)口風(fēng)速下咖啡粉持水能力無顯著性差異(P>0.05)。

表4 不同干燥條件下咖啡粉的持水能力和水溶性指數(shù)Table 4 Water holding capacity and water solubility index of coffee beans powder under different drying conditions

進(jìn)口溫度為45 ℃時(shí)水溶性指數(shù)最高,為50.27%,而85 ℃時(shí)水溶性指數(shù)最低,為30.8%,表明低溫干燥有利于提升咖啡粉的水溶性。不同進(jìn)口風(fēng)速對(duì)咖啡粉水溶性指數(shù)影響顯著(P<0.05)。進(jìn)口風(fēng)速為7.5 m/s時(shí)水溶性指數(shù)最高,為41.27%,而9.5 m/s時(shí)水溶性指數(shù)最低,為25.73%。

持水能力和水溶性指數(shù)的大小與咖啡粉顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)有關(guān),且隨進(jìn)口溫度及進(jìn)口風(fēng)速的升高而降低,低進(jìn)口溫度和低進(jìn)口風(fēng)速對(duì)咖啡豆內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞較小,形成的多孔結(jié)構(gòu)使咖啡粉顆粒遇水時(shí)其內(nèi)部羥基與水分子結(jié)合緊密,能更好地固定水分子,因而吸附水能力及水溶性較好。而當(dāng)進(jìn)口溫度、進(jìn)口風(fēng)速較高時(shí),咖啡豆表面急劇脫水,組織結(jié)構(gòu)遭到破壞,表面凹凸不平有裂紋,吸附水能力及水溶性較差。

2.4 干燥能耗

干燥作為工業(yè)生產(chǎn)中的高耗能環(huán)節(jié)之一,約占工業(yè)總耗能的7%～15%,而綠色節(jié)能的干燥方式不僅節(jié)約了生產(chǎn)成本,更能滿足市場(chǎng)的需求,因此在評(píng)價(jià)干燥工藝時(shí),將能耗作為最重要的參考指標(biāo)顯得尤為重要。不同干燥條件下的干燥能耗如圖2所示。

a-進(jìn)口溫度;b-進(jìn)口風(fēng)速

不同進(jìn)口溫度及進(jìn)口風(fēng)速下干燥能耗從大到小依次為:45 ℃>55 ℃>65 ℃>75 ℃>85 ℃;7.5 m/s>8.5 m/s>9.5 m/s。在進(jìn)口溫度為85 ℃時(shí)干燥能耗取得最小值327.36 kJ/g,且與75 ℃(336.53 kJ/g)干燥能耗差異不顯著(P>0.05);在進(jìn)口風(fēng)速為9.5 m/s時(shí)干燥能耗最小,為363.09 kJ/g。干燥能耗隨進(jìn)口溫度、進(jìn)口風(fēng)速的升高而逐漸降低,因?yàn)檫M(jìn)口溫度升高,干燥用時(shí)縮短,促使干燥能耗降低;進(jìn)口風(fēng)速升高,咖啡豆在干燥箱內(nèi)噴動(dòng)更加劇烈,干燥速率提升,干燥能耗降低。徐一銘等[26]利用IR-SBD對(duì)香菇進(jìn)行干燥,發(fā)現(xiàn)提高進(jìn)口溫度和進(jìn)口風(fēng)速能加快干燥速率、縮短干燥時(shí)間、降低單位能耗,得出在最佳工藝(進(jìn)口溫度 55 ℃、進(jìn)口風(fēng)速 8.0 m/s)下能耗最小值為98.74 kJ/g。ZHU等[27]采用HD、ID及IR-SBD對(duì)帶殼花生進(jìn)行干燥處理,發(fā)現(xiàn)HD 能耗為13.3 kW·h,ID能耗為11.5 kW·h,而IR-SBD能耗最低,僅為7.2 kW·h。由此得出,IR-SBD是一種高效節(jié)能的干燥方式,使用其干燥物料時(shí),可通過提高進(jìn)口溫度及進(jìn)口風(fēng)速來降低能耗,增加產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益。

2.5 微觀結(jié)構(gòu)

不同干燥條件下咖啡粉微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。微觀結(jié)構(gòu)受進(jìn)口溫度和進(jìn)口風(fēng)速的影響較大。在進(jìn)口溫度為45 ℃和55 ℃時(shí)細(xì)胞結(jié)構(gòu)比較明顯,且孔隙小、數(shù)量少,細(xì)胞壁面比較平整,當(dāng)進(jìn)口溫度由65 ℃上升至85 ℃時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形,其表面出現(xiàn)了不均勻的顆粒,細(xì)胞結(jié)構(gòu)遭到一定的破壞,表面孔隙增大、數(shù)量增多,壁面凹凸不平;進(jìn)口風(fēng)速為7.5 m/s的細(xì)胞壁表面比較平滑,細(xì)胞結(jié)構(gòu)保存較為完整,孔隙較少,隨著進(jìn)口風(fēng)速的增加,8.5 m/s與9.5 m/s的細(xì)胞壁表面凹凸不平?？赡苁沁M(jìn)口溫度越高,進(jìn)口風(fēng)速越大,水分蒸發(fā)速率越快,細(xì)胞結(jié)構(gòu)變形且破壞嚴(yán)重,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)部形成較多疏松的孔隙結(jié)構(gòu)。程可等[24]利用微波真空對(duì)咖啡豆進(jìn)行干燥,發(fā)現(xiàn)不同的微波功率對(duì)咖啡豆微觀結(jié)構(gòu)影響差異顯著,功率越大,咖啡豆結(jié)構(gòu)破碎越嚴(yán)重,孔隙大且數(shù)量多。ZHU等[27]采用HD、ID和IR-SBD對(duì)帶殼花生進(jìn)行干燥,發(fā)現(xiàn)當(dāng)水分含量達(dá)到0.3 g/g時(shí),ID處理的帶殼花生網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完全變形,IR-SBD處理的帶殼花生網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仍然存在且在干燥后期出現(xiàn)了明顯的孔隙,進(jìn)而提高了帶殼花生的干燥速率,由此得出IR-SBD優(yōu)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

2.6 揮發(fā)性成分

不同干燥條件下咖啡豆揮發(fā)性成分種類與含量如圖4、圖5所示。不同進(jìn)口溫度及進(jìn)口風(fēng)速檢測(cè)出7大類揮發(fā)性化合物,分別為酸類、酯類、醛類、醇類、酮類、雜環(huán)類及其他類。由圖4可知,鮮樣檢測(cè)出的揮發(fā)性成分種類最少,為32種,不同進(jìn)口溫度及進(jìn)口風(fēng)速下?lián)]發(fā)性成分種類由多到少依次為:45 ℃(92種)>85 ℃(53種)>75 ℃(46種)>65 ℃(44種)>55 ℃(43種);8.5 m/s(73種)>7.5 m/s(70種)>9.5 m/s(48種)。由圖5可知,鮮樣檢測(cè)出的揮發(fā)性成分含量(以干基計(jì))最少,為12 229.625 18 ng/g,不同進(jìn)口溫度及進(jìn)口風(fēng)速下?lián)]發(fā)性成分含量由多到少依次為: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-進(jìn)口溫度;b-進(jìn)口風(fēng)速

a-進(jìn)口溫度;b-進(jìn)口風(fēng)速

不同干燥條件下?lián)]發(fā)性成分種類和含量有所差別,但均以酸類(發(fā)酵香、水果酸香;脂味、腐臭味、酸澀味)、酯類(花果香、堅(jiān)果香;椰香味、芳香味)、醇類(花香、清香、木香、脂肪香、發(fā)酵果香;酸敗味、芳香味)、雜環(huán)類(烤焦香、焦苦香、堅(jiān)果香、咖啡香;焦糖味、烘烤味、煙熏味)4類化合物為主且含量較高,而醛類(花果香;奶油味、脂肪氣味、刺激性氣味)化合物種類及含量最少。酸類化合物種類及含量隨進(jìn)口溫度和進(jìn)口風(fēng)速的升高整體呈下降趨勢(shì);酯類化合物種類及含量隨進(jìn)口溫度升高先減少后增加,隨進(jìn)口風(fēng)速升高而增加;醇類化合物種類及含量隨進(jìn)口溫度升高先減少后增加,隨進(jìn)口風(fēng)速升高而減少;雜環(huán)類化合物種類隨進(jìn)口溫度和進(jìn)口風(fēng)速的升高基本保持不變,其含量隨進(jìn)口溫度升高整體呈減少趨勢(shì),隨進(jìn)口風(fēng)速的升高整體呈增加趨勢(shì)。綜上得出,與鮮樣對(duì)比,干燥可以增加咖啡豆揮發(fā)性成分種類和含量,酸類化合物大多呈現(xiàn)不愉快的風(fēng)味且對(duì)咖啡的酸度影響較大,增加進(jìn)口溫度和進(jìn)口風(fēng)速可以減少咖啡酸度;酯類化合物對(duì)咖啡風(fēng)味起著極其重要的作用,增加進(jìn)口溫度和進(jìn)口風(fēng)速易促進(jìn)脂肪酸和其他酸類物質(zhì)與乙醇的酯化[28],從而增加咖啡風(fēng)味;醇類化合物是咖啡重要的特征風(fēng)味化合物,增加進(jìn)口溫度和進(jìn)口風(fēng)速可以促進(jìn)脂質(zhì)氧化進(jìn)而增加碳鏈產(chǎn)生清香、木香和脂肪香[7];雜環(huán)類化合物(呋喃、吡嗪、吡咯、吡啶等)作為主要揮發(fā)性成分對(duì)咖啡的風(fēng)味影響重大,增加進(jìn)口溫度和進(jìn)口風(fēng)速可以促進(jìn)碳水化合物、美拉德、氨基酸、糖的反應(yīng)及脂質(zhì)的熱氧化形成焦糖味、烘烤味、魚腥味及煙熏味。當(dāng)進(jìn)口溫度為85 ℃、進(jìn)口風(fēng)速為9.5 m/s時(shí)檢測(cè)出的揮發(fā)性成分含量達(dá)到最大值,分別為159 276.649 2 ng/g和85 271.160 39 ng/g,說明在此條件下咖啡豆已經(jīng)開始散發(fā)芳香氣味,即IR-SBD進(jìn)口溫度和進(jìn)口風(fēng)速過高易導(dǎo)致咖啡豆變質(zhì),從而影響咖啡豆品質(zhì),降低其質(zhì)量和價(jià)格。因此在咖啡豆干燥加工環(huán)節(jié),應(yīng)選用適宜的溫度和風(fēng)速。

3 結(jié)論

研究表明,提高進(jìn)口溫度和進(jìn)口風(fēng)速可以加快干燥速率,縮短干燥時(shí)間,降低干燥能耗,進(jìn)口溫度由45 ℃提升到85 ℃,干燥時(shí)間及干燥能耗分別降低了37.5%和22.93%;進(jìn)口風(fēng)速由7.5 m/s提升到9.5 m/s,干燥時(shí)間及干燥能耗分別降低了21.43%和8.36%。隨著進(jìn)口溫度升高L*值先減小后增大,堆積密度先增大后減小,休止角減小,得粉率增加,持水能力和水溶性指數(shù)逐漸減小且差異不顯著,干燥能耗降低,微觀結(jié)構(gòu)變化較大且孔隙增大、數(shù)量增多;隨著進(jìn)口風(fēng)速升高L*值逐漸減小,堆積密度增大,休止角先減小后增大,得粉率減少,持水能力和水溶性指數(shù)逐漸減小,干燥能耗降低,細(xì)胞結(jié)構(gòu)變形且破壞嚴(yán)重。不同進(jìn)口溫度和進(jìn)口風(fēng)速下檢測(cè)到的主要揮發(fā)性成分均為酸類、酯類、醇類、雜環(huán)類且含量較高,與鮮樣對(duì)比,干燥可以增加咖啡豆揮發(fā)性成分種類和含量。

研發(fā)新型高效節(jié)能環(huán)保的干燥設(shè)備對(duì)食品工業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要,本文采用IR-SBD對(duì)咖啡豆進(jìn)行干燥,通過咖啡粉色澤、堆積密度、休止角、得粉率及干燥能耗綜合對(duì)比得出最佳干燥條件為進(jìn)口溫度75 ℃,進(jìn)口風(fēng)速7.5 m/s。在此條件下,L*值(106.59)、堆積密度(0.65 g/mL)、得粉率(43.43%)、持水能力(5.4 g/g)和水溶性指數(shù)(41.27%)、揮發(fā)性成分種類(70種)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,細(xì)胞結(jié)構(gòu)保存完整,微觀結(jié)構(gòu)維持較好,咖啡豆的品質(zhì)最佳,耗能最低,為創(chuàng)新咖啡豆干燥工藝及技術(shù)提供了有力支撐。在未來的研究中,可以將 IR-SBD投入到根莖塊及堅(jiān)果類物料的干燥研究方法中去,此外,IR-SBD是否適用于其他果蔬及糧食的干燥還有待于進(jìn)一步研究。