用于咖啡烘焙的等离子体辅助电热反应器的研发及其烘焙特性的分析

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Development of plasma-assisted electrothermal reactor for coffee roasting and analysis of its roasting characteristics

　　

摘要

咖啡烘焙在决定咖啡品质方面起着关键作用，因为它既影响香气的形成，也影响生物活性化合物的构成。本研究开发了一种等离子体辅助电热反应器，并将其应用于咖啡烘焙，同时将这种烘焙方式与传统烘焙方式的效果进行了比较。此外，还研究了不同烘焙方法对冲泡后咖啡中多种非挥发性和挥发性化合物的影响。咖啡豆通过等离子体烘焙或传统烘焙方式进行烘焙，再根据豆子的膨胀程度和颜色分为浅度、中度和深度烘焙三类。等离子体烘焙使得豆子尺寸的增长速度比传统烘焙更快，在达到相同烘焙程度的前提下，分别可将浅度、中度和深度烘焙的烘焙时间缩短42%、44%和81%。在所有烘焙程度下，等离子体烘焙的咖啡中绿原酸含量都显著高于传统烘焙的咖啡，尤其是在深度烘焙时差异更为明显。总多酚、咖啡酸和咖啡因的含量也存在差异，这表明烘焙过程中咖啡的成分发生了变化。此外，包括吡嗪、2-甲基吡嗪和糠醇在内的与香气相关的挥发性化合物，其生成行为也会因烘焙方法的不同而有所差异。这些结果表明，等离子体烘焙能够在大幅缩短处理时间的同时，获得与传统烘焙相当的风味，同时产生不同的非挥发性和挥发性化合物特征。因此，等离子体烘焙有望成为一种先进的烘焙技术，通过丰富咖啡的品质特性，为咖啡产品带来更多差异化优势。

引言

咖啡是全球消费最广泛的饮料之一，全球年产量约为1100万吨（FAO，2024年）。除了丰富的风味和香气外，咖啡还含有多种生物活性化合物，如咖啡因和多酚。其中，咖啡因被认为能够提升警觉性和注意力（McLellan, Caldwell, & Lieberman, 2016），而多酚则具有抗氧化作用，与多种健康益处相关（Poole et al., 2017）。尤其是咖啡中的主要多酚之一——绿原酸，因其潜在的健康促进作用而备受关注，比如能够抑制餐后血糖上升，降低患某些癌症的风险，尤其是肝癌和子宫内膜癌的风险（Inoue et al., 2009; Lafranconi et al., 2017; Tajik, Tajik, Mack, & Enck, 2017）。因此，多酚，尤其是绿原酸，被视为评估咖啡功能特性的重要指标。

生咖啡豆通常不会直接食用，而是需要经过烘焙、研磨和冲泡后才可饮用。虽然这些加工步骤都会影响咖啡的品质，但烘焙尤为重要，因为它决定了咖啡的风味和香气。在烘焙过程中，会发生多种由热效应引发的反应，从而生成有助于形成咖啡风味的化合物（Baggenstoss, Poisson, Kaegi, Perren, & Escher, 2008; Schenker et al., 2002）。例如，咖啡酸是在烘焙过程中绿原酸降解产生的，它可能会增加咖啡的苦味，同时也被视为一种重要的与品质相关的化合物（Moon, Yoo, & Shibamoto, 2009; Yeager, Batali, Guinard, & Ristenpart, 2023）。此外，赋予咖啡坚果香气的吡嗪类化合物是通过美拉德反应生成的，而糠醇等呋喃类化合物则是通过糖分降解及相关反应产生的，它们共同构成了烘焙咖啡的独特香气（Cao, Tong, Chen, Chen, & Singh, 2023; Dippong, Mihali, Deac, Cical, & Paulette, 2022; Seninde & Chambers IV., 2020）。然而，这些化合物的生成和降解行为会受到烘焙条件的强烈影响（Baggenstoss et al., 2008），过度加热甚至会降低绿原酸等有益化合物的含量（Moon et al., 2009）。因此，烘焙不仅决定了咖啡的风味和香气，还影响着其中生物活性化合物的含量。

为了在实现理想风味的同时，尽量减少因烘焙过程中的热降解而导致的生物活性化合物损失，研发能够高效加热咖啡豆同时避免过度热负荷的烘焙技术显得十分重要。从更广泛的角度来看，在食品加工领域，如何在热处理过程中实现高效加热的同时尽可能避免品质下降，一直是一个重要的研究课题（Ling, Tang, Kong, Mitcham, & Wang, 2015）。为此，人们已经研究了多种替代性加热技术，以提高加热效率和产品品质。欧姆加热等电热技术因能够实现快速且均匀的加热而在食品加工领域受到关注（Patel & Singh, 2018; Sakr & Liu, 2014）。尽管欧姆加热在咖啡加工中的应用还较为有限，但它已被用于控制咖啡豆发酵过程中的温度（Sagita et al., 2022）。电能不仅可以用于加热，还可以用于产生等离子体。此外，冷等离子体技术也在食品加工领域得到了广泛研究。在咖啡加工中，冷等离子体处理已被应用于烘焙过的咖啡豆、咖啡粉以及冲泡后的咖啡，这些处理方式能够改变某些咖啡产品的化学成分和香气特性（Lee et al., 2020; Monfaredi et al., 2025; Rodrigues & Fernandes, 2022）。不过据我们所知，目前还没有人对等离子体辅助电热烘焙技术在咖啡豆中的应用及其对咖啡品质相关化合物的影响进行过系统研究。

因此，本研究开发了一种等离子体辅助电热反应器，该反应器能够让咖啡豆同时接受电热加热和等离子体处理，随后将其应用于咖啡烘焙，并将这种烘焙方式与传统烘焙方式的效果进行了比较。此外，还利用由烘焙后的咖啡豆制成的咖啡对多种主要非挥发性和挥发性化合物进行了定量分析，进而评估了不同烘焙方式对咖啡成分构成的影响。

章节节选

材料与方法

用于烘焙处理的等离子体辅助电热反应器及其结构。

图1展示了等离子体辅助电热反应器的示意图（图1a）以及电极的详细配置（图1b）。电极采用覆盖有石英管（内径3毫米，外径5毫米）的不锈钢棒（直径2.6毫米），相邻石英玻璃管之间保留1.5毫米的间隙。共有24根电极呈圆形排列（图1c），其中一半连接到高压电源，另一半则

烘焙特性评估

在烘焙过程中，由于内部水分蒸发导致气体膨胀，咖啡豆的体积会发生变化。本研究分析了等离子体烘焙和传统烘焙过程中咖啡豆的尺寸变化情况（见图3）。在这两种烘焙方式中，咖啡豆的尺寸都会随着烘焙时间的延长而增大。在传统烘焙中，咖啡豆的尺寸在烘焙9分钟之前会快速增大，之后则增长速度逐渐放缓。尽管长度的增长速率

结论

本研究将等离子体辅助电热烘焙技术应用于咖啡豆，对比分析了该技术与传统烘焙方式对咖啡烘焙特性及品质相关化合物的影响。结果表明，等离子体烘焙能够在大幅缩短烘焙时间的情况下，获得与传统烘焙相当的风味，时间缩短幅度最高可达81%。未来还需要进一步研究，以评估这种等离子体烘焙技术的能源效率及其在工业上的应用可行性。

生成式AI使用声明

在撰写本文的过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来优化语言表达并提升手稿的可读性。作者对输出内容进行了必要的审核和修改，并对最终发表文章的内容承担全部责任。

CRediT作者贡献说明

谷野隆则：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，指导，方法设计，资金获取，正式分析，数据整理，概念构建。松井正良：写作——审阅与编辑，指导，方法设计，研究实施，资金获取，概念构建。吉田真由：写作——初稿撰写，可视化，研究实施，数据整理。大岛隆之：写作——审阅与编辑，指导，方法设计。

资金来源

本研究得到了日本学术振兴会的KAKENHI项目资助，项目编号为20 K03915。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

Takanori Tanino|Masayoshi Matsui|Mayu Yoshida|Takayuki Ohshima

日本群马大学食品与人口健康科学研究生院