烘焙爐材質(zhì)對咖啡豆烤制效果的影響

陳向文，吳傳斌

（1.福建農(nóng)林大學(xué) 機電工程學(xué)院，福建 福州 350001；2.福州志安科技有限公司，福建 福州 350001）

近年來中國已成為咖啡消費新興國家，咖啡年消費增長率保持在25%左右。我國咖啡精深加工設(shè)備與工藝研究起步較晚，咖啡加工產(chǎn)業(yè)薄弱。國內(nèi)咖啡生豆產(chǎn)量60%以上以較低價格作為原料出口，利潤較高的熟豆及咖啡制品均從國外進口。加強咖啡深加工技術(shù)研究，特別是咖啡生豆烘焙環(huán)節(jié)工藝研究，對完善國內(nèi)咖啡產(chǎn)業(yè)鏈，提高咖啡種植農(nóng)戶經(jīng)濟效益具有實際意義[1-3]。

咖啡生豆烤制需經(jīng)歷高溫脫水、高溫反應(yīng)、常溫冷卻3個階段，半直熱半熱風(fēng)加熱方式在咖啡烘烤中使用普遍，不同烘烤階段溫度參數(shù)的合理設(shè)定，烘焙爐對加熱條件傳遞的靈敏度，都是影響咖啡豆烘焙質(zhì)量的重要因素[8-14]。目前對咖啡豆焙炒曲線及咖啡烘烤過程內(nèi)部物質(zhì)變化的研究較多，關(guān)于不同烘焙爐材質(zhì)對咖啡烤制效果的影響少有文獻報道。本文選取咖啡烘焙爐常用的不銹鋼、鑄鐵、碳鋼材料，測試3種材料導(dǎo)熱性、保溫性、比熱容等熱性能指標(biāo)與金相組織的差異[15-16]，并對比咖啡生豆實際烤制效果，為咖啡烘焙設(shè)備開發(fā)提供參照。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

試驗設(shè)備為福州志安科技有限公司生產(chǎn)的ZAHPA-0603型咖啡機，單次烘烤咖啡豆最大重量為300 g，外觀如圖1。其通過額定功率1800 W的U形碳纖維電熱管加熱烘焙爐，并用風(fēng)機抽風(fēng)使?fàn)t內(nèi)空氣強制對流形成半直熱半熱風(fēng)式烘焙方式，加熱部分結(jié)構(gòu)如圖2。三個烘焙爐尺寸一致，外徑127 mm、壁厚2 mm、長度150 mm，材料分別為HT250鑄鐵、45#碳鋼、304不銹鋼，具體成分如表1。

表1 烘焙爐常用3種金屬材料化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of three metal materials commonly used in baking furnace 單位：g

圖1 ZAHPA-0603型咖啡機Fig.1 ZAHPA-0603 coffee machine

圖2 咖啡機加熱部分結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of heating part of coffee machine

1.2 試驗方法

試驗采用同一組加熱參數(shù)依次對3種材質(zhì)烘焙爐進行空爐加熱，用PT 100溫度傳感器來探測爐內(nèi)溫度，傳感器端頭距前蓋面20 mm，距轉(zhuǎn)軸半徑30 mm，每隔1 s記錄1次溫度變化，配合烘焙機智能管理系統(tǒng)軟件記錄爐內(nèi)溫度實時數(shù)值，并導(dǎo)出相應(yīng)數(shù)據(jù)與溫度曲線。從3種烘焙爐材料分別取樣，在FEIInspect F 50型掃描電鏡下觀察組織結(jié)構(gòu)，結(jié)合爐內(nèi)溫度響應(yīng)曲線差別來分析不同材料咖啡烘焙爐性能特點。然后在三種材質(zhì)烘焙爐內(nèi)烤制等重咖啡生豆，比較烘焙效果差別。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 熱性能測試

3種材質(zhì)烘焙爐外部加熱條件均為加熱、保溫、冷卻3個階段。加熱階段，電熱管功率設(shè)定為900 W保持5 min，隨后減緩加熱速度，加熱功率調(diào)整為450 W繼續(xù)保持5 min。保溫階段，保持加熱功率450 W不變，打開風(fēng)機對爐內(nèi)抽風(fēng)10 min，強制爐內(nèi)空氣對流形成半直熱半熱風(fēng)加熱方式，同時空氣流動帶走爐內(nèi)過高熱量，使?fàn)t內(nèi)溫度達到一個恒定水平。冷卻階段，關(guān)閉電熱管，加大風(fēng)機風(fēng)速，對爐內(nèi)進行快速降溫。圖3為測得3種材料烘焙爐內(nèi)溫度響應(yīng)曲線。

圖3 烘焙爐內(nèi)響應(yīng)溫度曲線Fig.3 Response temperature curve in baking furnace

加熱階段，在相同加熱條件下，HT 250鑄鐵烘焙爐內(nèi)溫度升高速度最快，最大溫升速度可達到25℃/min，經(jīng)10 min加熱后爐內(nèi)溫度上升到228℃。45#碳鋼烘焙爐溫度升高速度略小于HT 250鑄鐵，10 min加熱后爐內(nèi)溫度為217℃。304不銹鋼熱導(dǎo)率明顯小于HT 250鑄件與45#碳鋼，加熱過程最大溫升速度為18.8℃/min，10min加熱過后爐內(nèi)溫度僅上升至192.5℃。對比可見，同樣加熱功率下HT 250導(dǎo)熱效率最高，可在短時間內(nèi)使烘焙爐達到入豆所需溫度。

保溫階段，HT 250鑄鐵與45#碳鋼烘焙爐均在風(fēng)機啟動后短時間內(nèi)出現(xiàn)了明顯的溫度下降，HT 250鑄鐵溫度下降速度略快于45#碳鋼，可達到-31℃/min，2 min后溫度進入穩(wěn)定階段，HT 250鑄鐵爐內(nèi)保持178℃左右，45#碳鋼保持在182℃左右。304不銹鋼烘焙爐在通風(fēng)后爐內(nèi)溫度依舊保持穩(wěn)定，其比熱容要高于另外2種材料，具有良好的蓄熱能力，在通風(fēng)情況下憑借前期熱量儲存與及時熱量補充，使得爐內(nèi)溫度無較大起伏，溫度始終停留在192℃上下。

冷卻階段，電熱管關(guān)閉且風(fēng)機保持工作，3種材質(zhì)烘焙爐內(nèi)溫度都呈現(xiàn)線性下降趨勢，溫度下降速度由快到慢依次為HT 250鑄鐵、45#碳鋼、304不銹鋼。3種材質(zhì)烘焙爐在外部加熱條件作用下表現(xiàn)出不同工作性能，這與材料成分及組織結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。

2.2 材料組織結(jié)構(gòu)觀察

電熱管被烘焙桶壁隔開，難以通過熱輻射與熱對流方式對咖啡豆進行直接加熱，烘焙爐熱傳導(dǎo)是咖啡豆吸收電熱管熱源的主要途徑。金屬固體材料熱傳導(dǎo)主要有聲子導(dǎo)熱與自由電子能量交換兩種方式，不同金屬材料組織結(jié)構(gòu)與分布狀態(tài)不同，其起主導(dǎo)作用的導(dǎo)熱機制各不一樣，呈現(xiàn)出熱性能參數(shù)差別較大。圖4為烘焙爐材料上取樣得到的HT 250鑄鐵、45#碳鋼、304不銹鋼在SEM電鏡下組織形貌。

圖4 三種烘焙爐材料組織結(jié)構(gòu)SEM圖片F(xiàn)ig.4 SEM images of three kinds of baking furnace materials

鑄鐵為多相合金，其組成相由基體、石墨、碳化物和部分雜質(zhì)構(gòu)成。根據(jù)鑄鐵由液態(tài)凝固過程石墨化程度不同，其可分為鐵素體、鐵素體-珠光體、珠光體3種基體組織，圖4（a）可見HT 250鑄鐵組織主要由珠光體基體與片狀石墨構(gòu)成。石墨每層中各原子與周圍3個碳原子形成共價鍵，有1個電子沒有原子束縛成為自由電子，片狀石墨在基體中彼此鑲嵌接觸，存在優(yōu)良的自由電子導(dǎo)熱機制，使HT 250整體具有突出的導(dǎo)熱性，導(dǎo)熱系數(shù)可達67 W/m·K。

45#碳鋼屬于亞共析鋼，其熔煉過程先由奧氏體中析出鐵素體，再經(jīng)共析轉(zhuǎn)變，最后得到如圖4（b）所示的鐵素體-珠光體組織，無石墨相存在。材料主要通過鐵素體中自由電子能量交換實現(xiàn)熱傳遞，固溶于鐵素體中的碳原子扮演散射中心的角色，降低自由電子運動效率。45#鋼熱導(dǎo)率略低于鑄鐵，導(dǎo)熱系數(shù)約為51.9 W/m·K。

304不銹鋼基體組織結(jié)構(gòu)如圖4（c）所示，為面心立方結(jié)構(gòu)的單相奧氏體，不銹鋼中大量存在的合金元素提高材料比熱容，以Ni、Cr為主的合金元素固溶于基體中，嚴重限制自由電子運動與聲子發(fā)射，因而304不銹鋼材料的熱導(dǎo)率處于低值，不超過21.4 W/m·K。

2.3 咖啡豆烤制效果對比

三種材質(zhì)烘焙爐內(nèi)設(shè)置相同加熱參數(shù)進行咖啡豆烤制，生豆品種為云南保山AA咖啡豆，水份值10.2%，大小17～18目?？Х葯C設(shè)定功率1200 W加熱8 min，再調(diào)至900 W加熱7 min。在加熱第4 min放入生豆，加熱第9 min開啟風(fēng)機對爐內(nèi)強制對流，帶走煙霧與銀皮，加熱結(jié)束出豆冷卻[17-20]?？局坪罂Х榷雇庥^與風(fēng)味指標(biāo)如表2所示。

表2 咖啡豆烤制外觀與風(fēng)味指標(biāo)Tab.2 Indexes of roasted appearance and flavor of coffee bean

云南保山AA咖啡豆適宜中度烘焙來展現(xiàn)其醇香可口風(fēng)味?？Х壬乖诩訜徇^程中水分值降低，豆體溫度升高至170℃左右，前體物質(zhì)如糖分、氨基酸、葫蘆巴堿等在高溫下開始進行化學(xué)反應(yīng)。多糖受熱分解成有機酸產(chǎn)生辛酸味，低糖與游離氨基酸發(fā)生美拉德反應(yīng)，產(chǎn)生呈甜香、堅果、香草味型的吡嗪、呋喃、醛類等化合物，葫蘆巴堿分解形成吡啶類化合物帶來焦苦與煙草味。同時此過程伴隨有包括CO2在內(nèi)的氣體與揮發(fā)性香味物質(zhì)生成，豆內(nèi)壓力過大發(fā)生爆裂，銀皮脫落，豆表呈棕褐色[21-26]。

HT 250鑄鐵導(dǎo)熱效率高、比熱容低。在入豆及高溫反應(yīng)階段，爐內(nèi)溫度易受外部加熱條件影響而產(chǎn)生較大波動，咖啡豆局部溫度超過190℃，生成的有機酸分解揮發(fā)，部分風(fēng)味物質(zhì)焦化形成類黑精，豆表出現(xiàn)黑頭外觀，焦苦口感加重。45#碳鋼爐內(nèi)咖啡豆同樣達到深度烘焙程度，45#碳鋼導(dǎo)熱速度略低于HT 250鑄鐵，生豆烤制后出現(xiàn)黑頭數(shù)量減少，口感偏苦保留少許酸味。304不銹鋼比熱容大、蓄熱能力好，爐內(nèi)溫度控制有較大緩沖空間，咖啡豆高溫反應(yīng)階段可維持在穩(wěn)定溫度范圍?？Х榷辜訜釡厣俣冗m宜，各處熱量分布均勻，烤制成品豆形飽滿，口感酸苦平衡，風(fēng)味醇厚。

3 結(jié)論

相同加熱冷卻條件下，HT 250鑄鐵烘焙爐導(dǎo)熱效率最高，爐內(nèi)溫度可快速響應(yīng)外部加熱條件變化。304不銹鋼蓄熱能力好，保溫階段爐內(nèi)溫度波動小。結(jié)合材料組織觀察，HT 250鑄鐵組織中存在石墨相，通過石墨中自由電子能量交換機制，提升材料導(dǎo)熱性。304不銹鋼為單相奧氏體組織，聲子導(dǎo)熱與自由電子能量交換機制均較弱，材料熱導(dǎo)率小而比熱容大。45#碳鋼以鐵素體-珠光體組織為主，熱性能指標(biāo)介于HT 250鑄鐵與304不銹鋼之間。

HT 250鑄鐵爐內(nèi)咖啡豆高溫反應(yīng)階段溫度波動較大，咖啡豆局部加熱溫度過高導(dǎo)致前體物質(zhì)過度反應(yīng)焦化，咖啡豆表面出現(xiàn)黑頭，焦苦口味比重加大。304不銹鋼爐體蓄熱能力好，可保持咖啡豆較為恒定高溫反應(yīng)溫度，咖啡豆受熱均勻，充分反應(yīng)生成綜合風(fēng)味物質(zhì)，口感平衡。