咖啡烘豆机技术优化研究 如何改善咖啡豆烘焙机烘焙不均匀的问题

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• 随著国人生活习惯逐渐西化，人们对于咖啡的需求与日俱增，每天一杯咖啡，已变成很多民众的生活习惯，咖啡已成为人们喝茶以外的另一种饮料选择。很多人一天的生活从啜饮咖啡开始，甚至每天不喝个两三杯无法提起精神工作。近几年，走进北上广深的大街小巷，即可看到许多个性咖啡馆内堆著一包包标有产地、等级的咖啡麻布袋，旁边摆著比人还高的烘豆机，在在宣告：“自家精致烘焙庄园单品咖啡时代的来临”！更有咖啡爱好者喜爱自行烘焙适合自己口味的咖啡，因此市面上出现适合个人（家庭）使用咖啡烘焙机。
   
  随著个人化风潮的兴起，现在事事开始讲求个人化，无论时装造型、科技或是餐饮追求是如此，现在连咖啡也开始讲求个人口味。坊间已有部分咖啡馆推出个人化服务，可以依客户需求调配、烘焙出一款专属的咖啡，将咖啡变成一种独一无二的个人化味觉享受。更有部分咖啡爱好者，喜爱自行调制、烘焙个人化口味咖啡，因运此一流行风潮，市面出现各式各样的咖啡烘焙机，常见咖啡豆烘焙机类型包括：热风式、直火式及半直火半热风式，前述的火除包括瓦斯炉火与炭火之外，还包括红外线与电热管。
   
  上述热风式咖啡烘焙机的优点是热效率高，加热快，生豆受热比较均匀，且烘焙过程易控制，但也因容易导致升温过快，造成豆子“夹生”，而且升温过高容易使得焦糖化反应不够充分的缺点；直火式咖啡烘焙机，虽有烘焙时间较长，使得焦糖化反应比较充分，但却容易造成烘焙不均，火候控制不好的话还容易烧焦咖啡豆，形成焦苦味。因此结合前述两种咖啡烘焙机优点的半直火半热风式咖啡烘焙机是目前商用烘焙机器的主流[5]。
   
  二、研究目的
   
  因半直火式半热风式机器兼具直火式和热风式的优缺点，本研究针对现行市面上一款半直火半热风式咖啡烘焙机的烘焙缺失，探讨如何改善其功能，期使其能充分发挥直火式和热风式的优点，并同时避免因烘焙时加热不均匀，而出现“三色豆”混杂情形
   
  三、咖啡烘焙原理
   
  整个咖啡烘焙过程有点像是烤肉，只是烤的东西是咖啡生豆，透过整个烘焙（加热）过程中对咖啡生豆进行热传导、热对流及热辐射作用，使它产生褐变反应、焦糖化反应、梅纳反应及干馏作用等，并发展咖啡香气与口味，使从原本淡而无味的生豆，到能释放出咖啡的迷人香味，同时将每一颗果子蕴藏的个性――酸味、甜味、苦味淋漓尽致的挥洒出来。因此，烘焙是每一颗咖啡豆勾画性格、孕育香味最重要的一站。
   
  一般咖啡豆的烘焙时间约13——16分钟（视生豆的含水量及烘焙程度而定），温度可高达232℃以上，且在加热过程中必须历经多次化学变化，发出两次像爆米花过程似的清脆响声，并丧失15％——25％重量的水分。其主要过程包括[6]：
   
  脱水：
   
  咖啡豆还未烘焙之前闻起来有一股生生的青草味，有些干燥处理的生豆甚至还有一股发酵的臭味！这时咖啡生豆一般还含有10%左右的水份，当烘焙开始的时候，这些水份将会是首先从咖啡豆中跑出来的东西，所以一开始的这个阶段称为“脱水”。同时咖啡豆开始“焦糖化”，在焦糖化过程中，咖啡豆里面的糖类、脂肪、蛋白质与氨基酸等物质开始相互作用并且结合，结果就是从一开始的两百多种物质到最后产生超过八百种以上的物质。
   
  第一爆：
   
  此时的温度大约在190-200℃左右，一开始会听到零星的爆裂场，然后声声逐渐密集，最后又渐渐的稀疏乃至结束爆裂声（因为每次烘焙生豆条件不同，所以温度会有些微差异），此时咖啡豆的颜色已经不是一开始的土黄色，而是呈现稍浅的咖啡色，一般的咖啡豆至少都会烘到这个程度才起锅，我们称这种烘焙程度为“浅焙”。
   
  第二爆：
   
  第一爆结束时的温度大概会在205度左右，之后随著加热的继续，温度继续升高，咖啡豆的颜色会逐渐变深，当温度到达230度的时候咖啡豆还会再发出爆裂的声音，这就是“第二爆”。第二爆的声音细小而且频率比较高，跟第一爆不太一样，同时咖啡豆表面的膜会脱落，进入第二瀑的咖啡豆颜色会更深，同时表面开始出现油光。一般界定烘焙程度在一爆结束后到二爆前为“中焙”，而烘焙程度在二爆初到二爆中段的剧烈爆为“中深焙”。
   
  深焙阶段：
   
  第二爆结束之后就进入深焙的程度了，这时候咖啡豆变成油亮的黑色，还会冒出大量的烟，到了这个程度温度通常还未超过240度左右，若是还想做更进一步的极深焙，那就得将温度提升至240度以上，而这大概也是咖啡豆烘焙深度的极限了。
   
  四、研究方法
   
  为使参与本研究的同学对直火式、热风式及半直火半热风式三种咖啡烘焙机的烘焙过程有进一步了解，以利烘焙机优化过程的顺利进行，本研究先行采取简易之烘焙机设计。其中直火式烘焙机的设计，其烘焙过程主要的热源来自于咖啡烘焙机内锅的热传导（底部加热），其次是热辐射及热对流，此一类烘焙机是否能烘焙成功完全取决于温度是否控制得宜及是否搅拌均匀。而热风式烘焙机的设计，主要是利用鼓风机吸入空气，再让空气通过一个加热源（加热线圈）使其温度升高，利用热风作为加热源来烘焙咖啡豆，热风不但可以提供烘焙时所需要的温度，也可以利用气流的力量翻搅咖啡豆，使咖啡豆均匀受热，加热作用以热对流为主。
   
  半直火式烘焙其实与直火式烘焙比较类似，期噌焙过程如同直火式烘焙般，由烘焙机内锅底部直接对咖啡加热（热传导），同时还加上了抽风的设备，将烘焙容器外面的经过加热后之热空气导入烘焙室入中提升烘焙效率，这个抽风设备的另一个功能则是将脱落的银皮（附著于咖啡种子外层的薄膜）吸出来，避免银皮在烘焙室里因为高温而燃烧，进而影响咖啡豆的味道。半直火式半热风式烘焙机兼具直火式和热风式的优缺点，当热风开得越大，转速越快，则此一烘焙结果就越接近热风式烘焙；反之则越接近直火式，半直火式烘焙机简易功能构造如图7。
   
  五、结果与讨论
   
  另外，透过对此款咖啡烘焙机运作的认识，我们发现造成三色豆的成因是在进风口设计，原咖啡烘焙机设计为了方便咖啡豆烘焙完成后能顺利将咖啡豆排出，设计有排豆出口，但原设计又将热气进口与咖啡豆排出口紧邻，造成热空气进入咖啡烘焙内锅时，同时会吸入部分锅外冷空气，造成进入锅内空气平均温度下降，形成导入空气温度底于咖啡烘焙内锅温度。透过将热气进口与咖啡豆排出口隔离的设计，可改善此款烘焙机的烘焙功能，图9为修正设计后之咖啡烘焙机正进行咖啡烘焙作业。