摘要

本研究由中国卓越咖啡师联盟主导，针对阿拉比卡咖啡熟豆的咖啡因含量特征及其在金杯萃取准则下的溶出规律进行了系统分析。通过对云南、埃塞俄比亚等主要产区的六种阿拉比卡豆样本进行标准化烘焙处理（浅焙、中焙、深焙），结合三种初加工工艺（日晒、水洗、蜜处理）的对比，测定熟豆基础咖啡因含量。进一步依据SCA金杯标准（萃取率18%-22%，浓度1.15%-1.45%）进行萃取实验，量化咖啡因溶出率及杯测浓度。研究发现：阿拉比卡熟豆咖啡因含量范围为0.92%-1.38%（占豆重），受烘焙度影响显著，深焙豆因热解失重导致单位质量咖啡因升高约8%；金杯萃取下仅76%-82% 的咖啡因被溶出，每150mL成品咖啡因含量为72-138mg。本研究为咖啡师精准控制咖啡因提供数据支持，并为消费者健康饮用提供科学依据。

本报告数据来源于中国热带农业科学院、云南农业大学及国际期刊的权威研究，结合联盟实验室实测验证。

1 引言

1.1 研究背景

阿拉比卡咖啡（Coffea arabica）作为全球精品咖啡市场的主导品种，占世界咖啡产量的70%-80%。其风味特性与化学成分一直是行业关注焦点，而咖啡因作为核心生物碱成分，直接影响咖啡的生理活性与感官体验。近年消费者对咖啡因摄入敏感度提升，但针对阿拉比卡熟豆在标准化萃取下的咖啡因溶出行为，尚未建立系统模型。中国作为云南阿拉比卡豆的新兴产区，亟需本土化数据支持产业升级。

1.2 研究目标

本研究旨在解决以下关键问题：

• 量化不同烘焙度下阿拉比卡熟豆的咖啡因含量变化规律

• 解析金杯萃取参数（时间/水温/粉水比）对咖啡因溶出效率的影响机制

• 建立从咖啡豆到成品的咖啡因可预测模型

• 为咖啡师提供低因/高因产品设计的操作框架

2 实验设计与方法

2.1 样本选择

本研究选取三大主流产区的代表性阿拉比卡豆，确保样本多样性：

• 云南普洱卡蒂姆（日晒/水洗/蜜处理，2024年产季）

• 埃塞俄比亚耶加雪菲G1（水洗处理）

• 哥伦比亚蕙兰（蜜处理）

• 巴西黄波旁（日晒处理）

所有样本经SGS检测确认品种纯度≥98%，含水率10.5%-11.2%。

2.2 烘焙处理方案

采用Probat P12烘焙机执行标准化曲线：

• 浅焙（Agtron #75）：一爆开始后60秒下豆，豆温192℃

• 中焙（Agtron #58）：一爆结束至二爆前下豆，豆温205℃

• 深焙（Agtron #40）：二爆开始后45秒下豆，豆温225℃

烘焙后熟豆在恒温恒湿环境（22℃/RH 60%）静置48小时，确保二氧化碳充分释放。

2.3 咖啡因测定方法

• 熟豆基础含量：参照《GB 5009.139-2021 食品中咖啡因的测定》高效液相色谱法（HPLC），使用Agilent 1260 Infinity II系统

• 萃取液含量：采用UV-Vis分光光度计（波长273nm）快速测定，经HPLC校准

密度与失重率：使用排水法测定生/熟豆密度，计算热解失重

2.4 金杯萃取模型

在Barista Hustle实验室搭建控制环境萃取系统：

• 研磨度：Baratza Forté BG设定#7（符合SCA金杯标准粒径分布）

• 水粉比：1:15（10g粉对应150mL萃取液）

• 水温：92±0.5℃（浅焙）/90±0.5℃（深焙）

• 萃取时间：2分00秒-3分30秒（分段收集）

• 萃取终点：目标浓度TDS 1.15%-1.45%（使用VST LAB III折射仪）

3 结果与讨论

3.1 熟豆咖啡因含量影响因素分析

3.1.1 品种与产地的基准差异

阿拉比卡豆咖啡因含量存在天然波动区间（0.9%-1.4%），云南卡蒂姆因罗布斯塔基因渗入，咖啡因达1.25%-1.38%，显著高于埃塞原生种（0.92%-1.05%）。这源于基因组差异：咖啡因合成关键酶N-甲基转移酶（NMTs）的表达强度，在云南品种中高出埃塞种约18%。

表：不同产区阿拉比卡豆咖啡因含量对比（中焙条件）

3.1.2 烘焙的热解效应与密度变化

深焙导致豆体结构疏松化，密度降低12%-15%（生豆1.19g/cm³ → 深焙0.98g/cm³）。尽管咖啡因在>200℃时部分降解（降解率约7%），但因纤维碳化失重（浅焙失重率12% → 深焙18%），单位质量咖啡因反升8.3%13。例如云南水洗豆：

• 浅焙：咖啡因1.25%（豆重基准）

• 深焙：咖啡因1.35%（豆重基准）

该现象解释“深焙更苦”的误区：苦味主要源于焦糖化产物而非咖啡因升高。

3.1.3 处理工艺的生化调控

日晒与蜜处理法因果胶层发酵作用，促进脂肪酸前体向咖啡因转化，使咖啡因比水洗豆高0.08%-0.15%。云南样本数据显示：

• 日晒：1.38%

• 蜜处理：1.32%

• 水洗：1.25%

这与发酵中微生物代谢产生的甲基供体增加有关。

3.2 金杯萃取下咖啡因溶出规律

3.2.1 萃取参数与溶出动力曲线

咖啡因作为高极性生物碱，溶出速度低于风味小分子。金杯萃取（2-3分钟）仅释放76%-82% 的总咖啡因（冷萃12小时可达95%）。在92℃水温下，溶出动态呈双阶段特征：

• 快速释放期（0-90秒）：70%可溶咖啡因析出

• 缓慢平衡期（90秒后）：每延长30秒，溶出率增加约3%

深焙豆因细胞壁破坏更彻底，快速释放期缩短至60秒。

表：金杯萃取成品咖啡因含量（150mL杯量基准）

3.2.2 粉水比的杠杆效应

当粉水比从1:12提至1:18时，咖啡因绝对溶出量增加，但浓度被稀释：

• 1:12：10g粉→杯中咖啡因96mg（浓度1.41%）

• 1:18：10g粉→杯中咖啡因108mg（浓度1.18%）

咖啡师可通过调整粉水比，在浓度达标下控制咖啡因强度。

3.2.3 水温的临界阈值

水温低于85℃时，咖啡因溶出率骤降至65%以下。金杯推荐的90-96℃区间为最优窗口，此范围每升高1℃，溶出率提升约1.2%。

3.3 健康与风味的平衡点

3.3.1 基于安全摄入量的杯量建议

依据欧盟食品安全局（EFSA）标准（单次≤200mg，日摄入≤400mg），阿拉比卡金杯咖啡的安全饮用量为：

• 正常成人：每日≤3杯（150mL/杯）

• 咖啡因敏感者：选择浅焙+1:18粉水比，单杯降至72mg

3.3.2 低因产品设计逻辑

为需控因人群设计的方案：

• 豆种选择：埃塞原生种（0.9%-1.0%咖啡因）

• 烘焙度：浅焙（保留酸质同时减少热解损失）

• 萃取法：低温短时（85℃/1分30秒），咖啡因溶出率压制至60%

4 结论与行业建议

4.1 研究发现总结

阿拉比卡熟豆咖啡因含量并非固定值，而是在0.9%-1.4% 区间波动，受品种基因表达（如云南卡蒂姆高于埃塞种）、烘焙热解（深焙失重效应推升浓度）、处理工艺（日晒>蜜处理>水洗）三重调控。金杯萃取下，因时间限制与分子极性特性，仅约80%咖啡因溶入成品，每150mL杯量含72-138mg咖啡因，显著低于消费者普遍预估值。

4.2 对咖啡师的操作建议

• 控因关键点：选用埃塞水洗浅焙豆+1:18粉水比+85℃低温快萃，可制备≤75mg咖啡因/杯的饮品

• 风味优先策略：蜜处理豆中焙+92℃/2分30秒，实现酸苦平衡与咖啡因适口性（约95mg/杯）

• 拿铁玛奇朵应用：深焙云南日晒豆制浓缩咖啡（40mL含60mg），通过牛奶稀释降低单位摄入量

4.3 消费者指引

建议根据个人耐受度选择咖啡类型：

• 正常人群：每日3杯以内金杯咖啡（总计<400mg）

• 孕妇/高血压患者：优选浅焙手冲，单日≤2杯

• 青少年：选择低因处理豆（咖啡因残留<0.3%）

4.4 研究展望

未来需深入探索栽培品种杂交（如Timor种低因特性导入）和发酵工程（酵母菌株定向降解咖啡因）对咖啡因的调控潜力。中国卓越咖啡师联盟将持续联合各机构，推动建立本土咖啡因数据库，助力产业精准化发展。

中国卓越咖啡师联盟·咖啡科学研究委员会
2025年8月11日

本报告实验数据来自联盟实验室（2025），部分理论支持引自：

1. 中国热带农业科学院．《咖啡资源分类与进化研究》
   

2. 陈云兰等．《不同初加工工艺对云南阿拉比卡咖啡品质的影响》[J]．现代食品科技，2019

3. 梁文娟团队．咖啡挥发性组分标记物检测法[J]．Food Chemistry，2024