云南小粒種咖啡初加工技術(shù)及生物脫膠應(yīng)用展望

張樹竹，薛笑然，孔德婷，李麗萍，楊紅敏，何飛飛，秦世雯

（云南大學(xué)資源植物研究院/農(nóng)學(xué)院，昆明 650500）

咖啡為茜草科（Rubiaceae）咖啡屬（Coffea）的多年生常綠灌木或小喬木，是世界上重要的熱帶經(jīng)濟(jì)作物，與茶和可可同為流行于世界的三大飲料作物［1］。云南省是中國咖啡種植面積最大的產(chǎn)區(qū)，小粒種咖啡（Coffea arabicaL.）是云南省主要種植的咖啡品種，現(xiàn)已成為云南高原特色農(nóng)業(yè)的八大支柱產(chǎn)業(yè)之一，云南咖啡也已經(jīng)成為獨(dú)具特色的“云農(nóng)產(chǎn)品”的重要組成部分［2］。然而，云南咖啡產(chǎn)業(yè)在蓬勃發(fā)展的同時(shí)，初加工環(huán)節(jié)仍存在一些不足。本文介紹了云南小粒種咖啡常用的初加工方法與技術(shù)，并根據(jù)國內(nèi)外咖啡初加工發(fā)酵脫膠工藝技術(shù)發(fā)展和云南咖啡產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)用生物脫膠提升小粒種咖啡初加工質(zhì)量進(jìn)行了展望。

1 云南小粒種咖啡初加工技術(shù)現(xiàn)狀

初加工是云南小粒種咖啡產(chǎn)業(yè)鏈中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，初加工后的咖啡生豆品質(zhì)直接影響到咖啡商品豆的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)前景?？Х鹊某跫庸し椒ǜ饔胁煌夜に嚵鞒虖?fù)雜，主要包括青紅果分離與分級(jí)、脫皮、脫膠、干燥、脫殼等步驟，每個(gè)步驟的加工處理都影響著最終的咖啡品質(zhì)?？Х鹊某跫庸し绞竭x擇受產(chǎn)區(qū)地理環(huán)境和咖啡品種等因素的影響［3］，而60%的咖啡豆品質(zhì)屬性是由其采后加工決定的［4］，云南小粒種咖啡初加工方法主要有干法加工、半濕法加工和濕法加工等3 種，少量咖啡也采用特色加工方式。

1.1 咖啡初加工方法

1.1.1 干法加工

咖啡鮮果采摘后不作脫皮和脫膠處理，直接晾曬成干果后用機(jī)械去除果皮、果膠和果殼。干法加工在巴西、埃塞俄比亞、也門等高海拔低緯度日照充足的地區(qū)被廣泛采用，在云南則占比較?。?］。干法加工需要較長(zhǎng)時(shí)間晾曬，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，容易受天氣影響，獲得的咖啡豆品質(zhì)相差較大，且殘次品豆和異物多，咖啡豆外觀與濕法加工的相比差許多。

1.1.2 濕法加工

咖啡鮮果先進(jìn)行機(jī)械脫皮，然后通過發(fā)酵脫膠獲得濕咖啡豆果核，再經(jīng)曬干處理，脫殼機(jī)脫殼后獲得咖啡豆［6］。濕法加工可以徹底去除果膠，咖啡豆干燥速度快、光澤好、異物少，酸度風(fēng)味較為一致。此種加工方法在哥倫比亞、中美洲和夏威夷等咖啡產(chǎn)區(qū)被廣泛采用［7］，云南咖啡也多采用。

1.1.3 半濕法加工

咖啡鮮果進(jìn)行脫皮和脫膠后直接晾曬干燥。半濕法加工未對(duì)咖啡果進(jìn)行浸泡清洗，殘留果膠可使咖啡豆進(jìn)行復(fù)雜的生物轉(zhuǎn)化，所獲得的咖啡豆風(fēng)味獨(dú)特，且操作簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)、加工耗水量少。巴西多采用此加工方法來精制咖啡豆，云南采用得較少［8］。半濕法加工受到多方面因素的影響，獲得的咖啡豆穩(wěn)定性較差，且后期使用機(jī)械去除果膠和果殼會(huì)造成咖啡豆大量破損；晾曬時(shí)對(duì)日照等條件要求高，難以實(shí)現(xiàn)受控批量生產(chǎn)。

1.1.4 特色加工

特色加工包括消化處理法和蜜處理法等。消化處理法利用動(dòng)物消化道的乳酸菌與消化液來代替機(jī)器或者水洗，除去果肉和依附豆子表面的果膠，是一種比較特殊的咖啡處理法。如通過給飼養(yǎng)的麝香貓或果子貍喂食成熟的咖啡鮮果，其無法消化的咖啡豆經(jīng)過糞便排出體外，這些糞便豆再經(jīng)過清潔加工處理后而得到珍貴的體內(nèi)發(fā)酵豆。用此種方法生產(chǎn)所得的咖啡豆產(chǎn)量極低，但風(fēng)味獨(dú)特，市場(chǎng)價(jià)格較高。

蜜處理法：咖啡鮮果脫皮后不進(jìn)行清洗和脫膠工藝處理，直接晾曬干燥。此方法需水量小，極大地保存了咖啡原始的黑糖風(fēng)味和果香味，咖啡豆甜度、酸度均衡，外觀帶有明顯的黏質(zhì)層。根據(jù)日曬時(shí)間與果膠量不同，咖啡蜜處理可分為紅蜜、橙蜜、黃蜜、白蜜和黑蜜共5 種類型。該方法的加工條件要求極高，需要長(zhǎng)期干燥和陽光充足的氣候，易受污染和霉變，需要全程嚴(yán)格監(jiān)督以避免發(fā)酵不良，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

1.2 存在的問題

云南小粒種咖啡初加工80%以上以自然濕法發(fā)酵為主，少數(shù)采用機(jī)械濕法加工。自然發(fā)酵脫膠主要依靠微生物自身分泌酶的能力來完成，即咖啡鮮果脫皮后需浸泡至水中一段時(shí)間，由果膠所含的微生物分泌大量的酶進(jìn)行果膠脫除。此方法需要較長(zhǎng)時(shí)間，而且易受到天氣和溫度等外界環(huán)境因素的影響，脫膠是否完成需要依靠人為的判斷，整個(gè)加工過程耗水量大，需要較大的人力和時(shí)間成本，獲得的咖啡豆品質(zhì)參差不齊、性質(zhì)不穩(wěn)定［9］。通過自然發(fā)酵脫膠方式生產(chǎn)出的咖啡豆難以保證其質(zhì)量和品質(zhì)一致，咖啡生產(chǎn)未能達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效。

傳統(tǒng)濕法發(fā)酵不僅耗水量大，而且環(huán)境污染大，產(chǎn)生的廢水中多含有高毒性的有機(jī)質(zhì)和氮磷等物質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致水中的氧含量下降，進(jìn)而殺死水中的生物［10］。2020 年，中央第八生態(tài)環(huán)境保護(hù)督查組向云南省反饋督察情況時(shí)指出：普洱市濕法加工咖啡鮮果24.3 萬t，用水量約73 萬t，僅少部分污水經(jīng)過集中處理，絕大多數(shù)高濃度廢水僅作簡(jiǎn)單處理后排放，造成普文河普洱段季節(jié)性超標(biāo)。

咖啡初加工產(chǎn)生的廢水大部分來自發(fā)酵環(huán)節(jié)，減少脫皮和脫膠環(huán)節(jié)的耗水量也是有效的減排方式［11］。由此可見，咖啡產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展亟待尋求綠色加工技術(shù)與方法。

2 咖啡濕法加工新工藝探索

2.1 脫膠工藝現(xiàn)狀

咖啡果膠黏液具有較強(qiáng)的吸濕性，若去除不完全，會(huì)使內(nèi)果皮帶有果膠，在貯藏過程中吸水，以致咖啡產(chǎn)生霉味。因此，在咖啡濕法加工的工藝中，發(fā)酵是最重要的環(huán)節(jié)，目的是去除咖啡鮮果內(nèi)外果皮間由水分、多糖類及果膠物質(zhì)組成的黏液層，提高咖啡豆的潔凈程度，避免殘留在咖啡豆表面的果膠粘液在干燥和儲(chǔ)存過程中成為有害微生物成長(zhǎng)的介質(zhì)，從而影響咖啡豆的品質(zhì)［12］。

目前咖啡果實(shí)脫膠主要有自然發(fā)酵脫膠、機(jī)械脫膠、化學(xué)脫膠、物理脫膠、酶促脫膠和微生物脫膠等方式［13］，其中的化學(xué)脫膠和物理脫膠方式因易造成脫膠不徹底、咖啡豆破損率高和咖啡風(fēng)味損失嚴(yán)重等問題，應(yīng)用得較少。云南咖啡現(xiàn)普遍采用自然發(fā)酵脫膠方式［14］。

2.2 提升咖啡脫膠效率的技術(shù)

2.2.1 生物脫膠

生物脫膠根據(jù)作用方式分為酶促脫膠和微生物脫膠兩種。

（1）酶促脫膠。將果膠酶直接加入到咖啡發(fā)酵池中，利用果膠酶與咖啡豆的膠質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，催化其分解。這種方式容易掌控發(fā)酵過程。陳云蘭、程金煥、何艷艷等將諾維信公司生產(chǎn)的Pectinex Ultra SP-L 咖啡果膠酶應(yīng)用在云南小粒種咖啡脫膠過程中，結(jié)果表明，果膠酶能使咖啡果皮變得更軟和，同時(shí)能大幅度加速果膠的分解，提升脫皮和脫膠效率［15-17］；黃家雄等進(jìn)行了多次咖啡酶促脫膠技術(shù)試驗(yàn)，研究表明酶促脫膠相對(duì)自然脫膠可以將咖啡豆增重率提高0.87%～3.36%，干燥時(shí)間縮短30%，同時(shí)很大程度提高咖啡品質(zhì)。酶促脫膠可實(shí)現(xiàn)“增產(chǎn)、增效和增收”，但因果膠酶是一種特殊的蛋白質(zhì)，結(jié)構(gòu)精細(xì)，對(duì)環(huán)境、溫度和pH 值的要求較高，在實(shí)際生產(chǎn)中無法得到推廣應(yīng)用。

（2）微生物脫膠。將篩選出的產(chǎn)果膠酶菌株直接接種到脫皮的咖啡豆上，以咖啡豆黏液中的多糖物質(zhì)為營養(yǎng)，讓菌株快速擴(kuò)繁，用其代謝分泌出的果膠酶來降解果膠［14］。目前咖啡微生物脫膠已成為國外研究的熱點(diǎn)。

生物脫膠具有低能耗、低污染、低成本等優(yōu)點(diǎn)，除了符合產(chǎn)業(yè)“節(jié)能減排、綠色降耗”的發(fā)展目標(biāo)，還可提升產(chǎn)品質(zhì)量，是產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于麻類物質(zhì)和茶葉等加工過程［18］。

2.2.2 應(yīng)用微生物脫膠提升咖啡品質(zhì)的研究

發(fā)酵脫膠是一個(gè)復(fù)雜的微生物過程，主要依賴于酵母菌、革蘭氏陰性菌、桿菌、絲狀真菌、乳酸菌、醋酸菌等多種微生物自身代謝活動(dòng)產(chǎn)生的果膠酶和纖維素酶等降解酶發(fā)揮作用［19-20］。利用微生物在發(fā)酵過程中產(chǎn)生果膠酶來降解果膠是成本最低、使用最廣泛的方法。

在自然發(fā)酵過程中，參與發(fā)酵過程的微生物受到多方面因素的影響，包括咖啡豆內(nèi)生微生物、加工環(huán)境以及所采取的加工方法等［21］，某些微生物的出現(xiàn)和生長(zhǎng)、新陳代謝以及與咖啡豆的相互作用都會(huì)影響咖啡的最終杯測(cè)質(zhì)量。總的來說，有益微生物在咖啡發(fā)酵中有以下作用：（1）分解咖啡豆上的黏液層；（2）產(chǎn)生咖啡風(fēng)味活性物質(zhì)；（3）通過微生物相互競(jìng)爭(zhēng)的作用抑制不良微生物在發(fā)酵體系中的生長(zhǎng)，抑制毒素物質(zhì)的產(chǎn)生。

已有研究表明，從發(fā)酵咖啡中分離出的大量微生物能分泌出以聚半乳糖醛酸酶（PG）、果膠裂解酶（PL）和果膠甲酯酶（PME）為主的果膠酶。微生物以咖啡果膠中的游離糖為碳源，分泌出的酶能將咖啡內(nèi)外果皮間的果膠多聚物降解為片段［22］。Haile 和 Kang［20］從韓國小粒種咖啡鮮果中分離出8 株酵母的果膠降解指數(shù)（PDI）最高可達(dá)110%～178%。Rodarte［23］等在巴西小粒種咖啡發(fā)酵液中發(fā)現(xiàn)了能產(chǎn)果膠酶的多種細(xì)菌和酵母。de Melo Pereira［19］等從巴西小粒種咖啡鮮果中分離出發(fā)酵畢赤酵母（Pichia fermentans）、克魯維畢赤酵母（Pichia kluyveri)和仙人掌有孢漢遜酵母（Hanseniaspora opuntiae）等酵母，將其應(yīng)用于咖啡發(fā)酵中不僅可以產(chǎn)生大量果膠酶加速果膠分解，還可以產(chǎn)生高濃度的乙酸乙酯和乙酸異戊酯等風(fēng)味活性酯化合物。董紅紅［11］從云南普洱的小粒種咖啡鮮果中分離出了多株具有果膠酶活性的酵母和細(xì)菌，并對(duì)咖啡發(fā)酵過程中的微生物進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)Pichia kluyveri、Hansenias porauvarum、Bacillus subtilis和Enterobacter aerogenes能 高 產(chǎn) 果 膠酶，在咖啡發(fā)酵過程中發(fā)揮著重要作用。

微生物不僅可以產(chǎn)生果膠酶分解咖啡果膠，還可以使風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)入到咖啡生豆內(nèi)，同時(shí)依靠微生物和咖啡自身的酶將咖啡內(nèi)的多糖物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化為醇、乙酸、乳酸及其他酸類物質(zhì)，這些物質(zhì)能引起咖啡的氣味、顏色、pH 值等發(fā)生變化，也會(huì)改變咖啡的果膠結(jié)構(gòu)［9］。De Bruyn 等［24］將乳桿菌和畢赤酵母等菌株加入咖啡發(fā)酵，促進(jìn)合成有機(jī)酸、脂肪酸和酒精等化合物；將釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）等4 種酵母加入小粒種咖啡發(fā)酵過程，在咖啡豆風(fēng)味測(cè)定中共檢測(cè)出48種揮發(fā)性化合物［25］。Massawe 等［26］發(fā)現(xiàn)，乳酸菌在坦桑尼亞咖啡發(fā)酵過程中發(fā)揮了重要作用；Wang 等［27］添加葡萄糖控制乳酸乳球菌亞種發(fā)酵生咖啡豆，顯著提高了咖啡的風(fēng)味屬性。魏敏等［28］研究了桑腸桿菌（Enterobacter mori）發(fā)酵對(duì)咖啡提取物揮發(fā)性成分的影響，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后的咖啡提取物除帶有咖啡自身香氣，還帶有濃郁堅(jiān)果、奶香等豐富香氣，同時(shí)刺激性成分和苦澀感有所減少。

3 展望

我國在咖啡發(fā)酵研究領(lǐng)域的研究相對(duì)較少，若能挖掘出高產(chǎn)果膠酶的微生物菌株并應(yīng)用于云南小粒種咖啡的發(fā)酵過程，對(duì)開發(fā)小粒種咖啡微生物脫膠新工藝、提高咖啡豆精品率、減輕環(huán)境污染以及提升咖啡豆風(fēng)味品質(zhì)將具有重要意義。

本研究團(tuán)隊(duì)對(duì)云南不同產(chǎn)區(qū)的小粒種咖啡發(fā)酵微生物進(jìn)行了研究［29］，從發(fā)酵液中篩選出5 株具有高產(chǎn)果膠酶特性的異常威克漢姆酵母（Wickerhamomyces anomalus）菌株。5 個(gè)酵母均可產(chǎn)生果膠裂解酶（PL）、多聚半乳糖醛酸酶（PG）和果膠甲酯酶（PME），通過對(duì)氮源濃度、發(fā)酵時(shí)間和pH 值等條件進(jìn)行優(yōu)化后，5 株酵母的PG、PL和PME 活性較優(yōu)化前可分別增加86.74%、65.79%～114.55%、150.35%～218.56%和341.07%～418.52%。這表明W. anomalus菌株可作為咖啡發(fā)酵劑，具有較好的脫膠潛力。后續(xù)研究將繼續(xù)挑選高產(chǎn)果膠酶的菌株，將其應(yīng)用于云南小粒種咖啡的發(fā)酵過程，以明確其對(duì)咖啡脫膠效率以及咖啡豆風(fēng)味品質(zhì)的影響。