咖啡果皮（Coffee Pulp）的高值化利用：烘焙曲线（Roasting Profile）与研磨度（Grinding Level）对可堆肥胶囊（Compostable Capsules）制备单份饮品之物理特性与感官品质的影响

《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：Valorization of Coffee Pulp: Effect of Roasting Profile and Grinding Level on Single-Serve Beverages Prepared in Compostable Capsules

　　

摘要：咖啡加工过程（尤其是湿法和半干法）会产生大量残余生物质，尤以脱皮阶段产生的咖啡果皮（coffee pulp）为多。咖啡果皮含有碳水化合物、蛋白质、膳食纤维、矿物质、糖类、脂肪、咖啡因及酚类化合物，被视为具潜力的食品开发原料。本研究旨在开发以脱水并烘焙之咖啡果皮为原料、充填入可堆肥单份胶囊（single-serve pods）制成之饮品，并评估烘焙曲线与研磨度对其物理性质及感官品质之影响。烘焙后咖啡果皮之特性如下：°Brix（1.13 ± 0.06–2.23 ± 0.06）、水分含量（moisture content, MC）（6.53% ± 0.07%–6.60% ± 0.07%）、振实密度（tapped density, TD）（0.56 ± 0.0 g/mL–0.68 ± 0.0 g/mL）及CIELAB色空间坐标（L*：23.53 ± 0.85–27.97 ± 1.08；a*：6.23 ± 0.45–8.13 ± 0.32；b*：7.17 ± 0.57–10.00 ± 0.78）。由胶囊制备之饮品测定了可溶性固形物（soluble solids, SS）提取产率（extraction yield, RE），并由训练有素之感官评定小组依据酸度、醇厚度（body）及整体印象评估饮品接受度。烘焙曲线2（110°C，10 min）获得最高接受度，感知风味描述为蜂蜜、焦糖、干菠萝、柑橘（mandarin）、香草、罗望子（tamarind）及花香。结果表明烘焙并封装之咖啡果皮具有作为可持续且具感官吸引力饮品之潜力，烘焙曲线与研磨度对品质属性影响显著。建议进一步研究以优化加工条件、评估环境与贮藏性能及更广泛之消费者接受度。

论文解读：咖啡果皮高值化——烘焙曲线与研磨度对可堆肥胶囊单份咖啡果皮饮品品质的影响

该研究发表于《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》。咖啡产业每年产生大量湿法加工副产物——咖啡果皮（coffee pulp，占鲜咖啡樱桃质量的40%–50%），富含碳水化合物、蛋白质、膳食纤维、酚类及生物活性化合物，但通常被弃置造成环境污染。虽然已有研究将其用作动物饲料、堆肥、生物乙醇或 Cascara（咖啡果壳茶）浸出饮品，但以脱水—烘焙—研磨后充填入可堆解胶囊（compostable capsules/single-serve pods）制成标准化热饮的形式尚未见报道。本研究旨在探明不同烘焙曲线（roasting profile）与研磨度（grinding level）对烘焙咖啡果皮粉体理化性质、冲泡饮品理化指标及感官品质的影响，为咖啡副产物高值化和可持续单份饮品开发提供实验依据。

研究人员选用哥伦比亚 Caturra 品种成熟咖啡樱桃，经湿法去皮取得果皮，50°C 对流烘箱干燥至 MC 5%–7%，随后采用转鼓式烘焙机按三组温度/时间参数（P1：100°C 入风，最终 110°C，15 min；P2：110°C 入风，最终 110°C，10 min；P3：120°C 入风，最终 120°C，6 min）进行烘焙。烘焙后样品使用 Mahlk?nig 磨豆机设定位点 4、5、6 获得三种粒径（记为 G4、G5、G6），每 12 g 装入聚乳酸（polylactic acid, PLA）可堆肥胶囊并纤维素封口。研究人员采用 3×3 双因素完全随机设计，各处理三次重复，测定烘焙粉体的 CIELAB 颜色坐标（L^*a^*b^*）、MC（AOAC 925.10）、中位粒径 D₅₀（激光衍射粒度仪）、可溶性固形物提取产率（RE，重量法）、松装密度（bulk density, BD）与振实密度（TD，NTC 4084:2005，计算 Carr 指数 CI 与 Hausner 比 HR）、休止角（angle of repose, AR，固定漏斗法）；冲泡后测定饮品 °Brix（折射仪）与总溶解性固体（total dissolved solids, TDS，电导率法）。感官评价由 9 人 ISO 8586:2012标准训练小组按酸度、body、整体印象做二元可接受判定并描述正负香气/风味词汇。数据统计采用双因素 ANOVA 或 Aligned Rank Transform（ART）及 Tukey's HSD 事后检验、Spearman 秩相关与 FDR 校正、主成分分析（PCA）。

3.1. Color（颜色）

L^*值在 P1 最低（23.53），随烘焙温度升高/时间变化而升高（P2 最高达 27.97），表明热负荷差异影响色素降解与美拉德反应（Maillard reaction）产物形成；b^*值在 P1 与 P2/P3 间有显著差异，反映褐变程度不同。颜色受烘焙曲线主效应显著影响（p < 0.05），研磨度无显著影响。

3.2. MC（水分含量）

所有处理 MC 介于 6.53%–6.60%，组间无显著差异（p > 0.05），表明干燥与烘焙条件可重复控制，低水分利于贮存稳定性。

3.3. Particle Size Analysis（粒径分析）

D₅₀随研磨位点增大显著增大（G4 ≈ 1034–1290 μm，G5 ≈ 1631–1719 μm，G6 ≈ 1941–2157 μm），烘焙曲线对粒径分布无显著影响。颗粒呈片状不规则形态，导致较宽且非对称分布，细粉（G4）增多有利表面积增大但降低粉末流动性。

3.4. SS Extraction Yield (RE)（可溶性固形物提取产率）

RE 因烘焙曲线不同而显著不同（P3-G5 最高 49.22%，P1-G5 最低 46.89%），研磨度主效应不显著但存在烘焙×研磨交互作用（p < 0.05），说明适当热改性提高基质孔隙率和溶解度，且最佳研磨取决于烘焙程度。

3.5. Flow Properties (TD, BD, and AR)（流动特性：振实密度、松装密度与休止角）

TD 范围 0.56–0.68 g/mL，受烘焙与研磨双重影响。Carr 指数 CI 为 6.49%–19.34%，Hausner 比 HR 为 1.07–1.24；P2-G5 具最优流动性（CI 6.49%，HR 1.07），P3-G4 最差（CI 19.34%，HR 1.24）。AR 介于 38.42°–44.88°，随粗粉比例增大而升高。片状颗粒形貌增大粒子间摩擦与结拱倾向，可能影响胶囊充填均匀性与萃取渗透性。

3.6. SS（可溶性固形物/°Brix 值）

冲泡液 °Brix 为 1.13–2.23，P2（轻焙）最高，P1（较深焙）最低（高温降解可溶性成分），P3 居中；细粉（G4/G5）高于粗粉（G6），研磨与烘焙均主效应显著且有交互作用。

3.7. TDS（总溶解性固体）

TDS 为 0.56%–0.62%，各处理间无统计学显著差异（p > 0.05）。

3.8. Interaction Analysis（交互作用分析）

双因素 ANOVA/ART 显示 L^*、a^*、RE、TD、AR 及 SS 存在显著烘焙×研磨交互效应（p < 0.05），即研磨的影响依赖于所选烘焙曲线，反之亦然，不能仅凭主效应解释，机理为烘焙改变细胞壁降解/孔隙/类黑精（melanoidins）形成，研磨决定暴露面积与床层通透性。

3.9. Sensory Analysis（感官分析）

仅烘焙曲线对正负描述符频次、饮品接受度、酸度与 body 接受率影响显著，研磨度主效应及交互效应均不显著。P2-G4 整体接受率最高（95.83% 评判员认可整体印象，body 接受率 91.67%），正向描述符含蜂蜜、焦糖、干菠萝、柑橘、香草、罗望子、花香，几乎无植物青味或焦苦味；P2-G5 亦获高接受率（79.17%）且正向描述符频次最高（9.67 条）。P1 组负向描述符较多，接受率低。表明 110°C 入风焙至 110°C 保温 10 min（P2）配合中细或中等研磨可获得最佳感官轮廓。

3.10. Correlation Analysis and PCA（相关分析与主成分分析）

Spearman 相关显示 a^*与 b^*强正相关（ρ > 0.5，美拉德产物特征），RE 与 TDS 强正相关（ρ = 0.81），TD 与 D₅₀负相关（大不规则颗粒难重排致低装填密度）。PCA 前三主成分累计解释方差 64.97%；PC1(32.26%) 将具负向感官属性的 P1 样本与具高接受度及较高 a^*/b^*/L^*的 P2/P3 样本分离；PC2(18.34%) 区分高 RE/TDS 伴随负向描述符之 P3 样本与高 body/酸度/正向描述符之 P2 样本；PC3(14.37%) 主要反映研磨效应（G4 关联高 body 与 SS，粗粉反之）。P2-G5 投影至正向感官区，印证其为综合优选条件。

讨论与结论（Conclusions）翻译总结：

烘焙曲线与研磨度均显著影响脱水烘焙咖啡果皮粉体之物化属性及胶囊单份饮品之感官品质。P2-G5（110°C 入风，110°C 保温 10 min 烘焙＋研磨位点 5 中研磨）与 P2-G4 组合获最高感官接受度及平衡之 body 与酸质，其 RE 与 TDS 属中等水平，表明适度提取理想风味物同时避免过度溶出致苦涩。PCA 与因子交互分析一致将该组合定位于正向感官向量区域。研究证实烘焙咖啡果皮可作为可持续功能原料开发单份可堆肥胶囊饮品。建议后续开展消费者喜好测试、关键香气化合物货架期评估及工艺参数进一步优化。