于淼 董文江 胡榮鎖 張東杰 趙建平

摘 要 以海南興隆地區(qū)的咖啡豆為試材，利用頂空固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法（HS-SPME/GC-MS）結(jié)合電子鼻對不同烘焙度（淺度、中度、深度）下的咖啡揮發(fā)性化合物進(jìn)行檢測。結(jié)果表明：烘焙咖啡中共檢測出123種化合物，淺度豆檢測出90種化合物，主要為酸類和吡嗪類，中度豆檢測出103種化合物，主要為酮類、呋喃類、吡嗪類和吡咯類，深度豆檢測出118種化合物，主要為呋喃類、吡啶類和酚類；電子鼻傳感器可有效分析咖啡揮發(fā)性成分變化（除傳感器LY2/gCT外），主成分分析（PCA）可有效區(qū)分不同烘焙度的咖啡香氣。隨著烘焙程度加深，咖啡中吡咯類、吡啶類、含硫化合物等揮發(fā)性化合物種類和相對含量逐漸增加，吡嗪類和酸類逐漸減少，呋喃類和酮類先增加后減少，進(jìn)而改變咖啡的特征性香氣。HS-SPME/GC-MS與電子鼻技術(shù)結(jié)合可根據(jù)揮發(fā)性物質(zhì)的差異為判斷指標(biāo)，以較好的區(qū)分海南興隆地區(qū)不同烘焙度咖啡，為海南興隆咖啡的烘焙加工提供理論借鑒。

關(guān)鍵詞 興隆咖啡；頂空固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法；電子鼻技術(shù)；揮發(fā)性成分；主成分分析

中圖分類號 S571.2；O65 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

咖啡原為中國重要的熱帶飲料作物，與茶葉、可可并稱為世界三大飲料[1]，如今越來越受到國人的關(guān)注和喜愛。中國海南興隆地區(qū)主產(chǎn)中粒種羅布斯塔（Coffea robusta）咖啡豆，國家質(zhì)檢總局于2007年12月授予萬寧興隆咖啡為國家地理標(biāo)志產(chǎn)品保護(hù)品牌?？Х榷乖诤姹哼^程中發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，形成的特定風(fēng)味物質(zhì)約有1 000種，其中咖啡香氣已經(jīng)成為評判咖啡等級的重要指標(biāo)，咖啡中揮發(fā)性組分的種類和含量決定咖啡的特征性香氣表征類型[2]。

近年來，采用HS-SPME/GC-MS對咖啡揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行檢測的研究較多。Nicola等[3]利用HS-SPME/GC-MS對那不勒斯咖啡的特征性香氣成分進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)己醛、β-大馬酮和部分吡嗪化合物的含量顯著高于其他特征性香氣成分；胡榮鎖等[4-5]對于海南主要地域生咖啡豆揮發(fā)性化學(xué)成分和主要營養(yǎng)成分的對比研究，但未對烘焙豆進(jìn)行研究。電子鼻在咖啡中的應(yīng)用研究主要集中于咖啡品種鑒別、咖啡烘焙程度鑒定及咖啡質(zhì)量監(jiān)測等方面[6-8]。相比較于傳統(tǒng)方法如氣相色譜、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用、離子遷移譜及紅外光譜法等，電子鼻技術(shù)更貼近人類對樣品的感知特點(diǎn)，彌補(bǔ)單一的傳統(tǒng)檢測方法的不足[9]。王一凡等[10]為研究不同咖啡的風(fēng)味特征，利用感官評定及電子鼻技術(shù)對常見的6種天然咖啡風(fēng)味進(jìn)行了測定，并對兩者的相關(guān)性進(jìn)行了分析；Severini等[11]利用電子鼻技術(shù)研究意式濃縮咖啡芳香輪廓的變化。

Ongo等[12]更進(jìn)一步利用GC-MS結(jié)合電子鼻技術(shù)對菲律賓麝香貓咖啡的頂空香氣特性進(jìn)行分析，其數(shù)據(jù)的化學(xué)計(jì)量學(xué)差異表明咖啡的品種和地理來源決定了咖啡香氣和揮發(fā)性物質(zhì)的變化。從而表明HS-SPME/GC-MS與電子鼻技術(shù)結(jié)合有利于從宏觀和微觀上解釋咖啡的風(fēng)味特征。目前對海南興隆地區(qū)不同烘焙度咖啡豆的揮發(fā)性成分，且通過HS-SPME/GC-MS與電子鼻技術(shù)結(jié)合同時(shí)分析不同烘焙度樣品的研究還未見報(bào)道，因此，本文通過研究烘焙度對咖啡豆揮發(fā)性物質(zhì)的種類和相對含量變化的影響，利用電子鼻技術(shù)結(jié)合PCA區(qū)分不同烘焙度樣品，明晰海南興隆地區(qū)不同烘焙度咖啡豆的揮發(fā)性物質(zhì)組成，為興隆咖啡的烘焙加工提供了理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 材料與試劑 咖啡鮮果采摘于中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所咖啡試驗(yàn)基地，為羅布斯塔咖啡，選擇成熟、紅色、無病蟲害的果實(shí)采摘，分別采用熱風(fēng)恒溫干燥（t=40 ℃）至水分含量為12%左右，機(jī)械脫殼得到生咖啡豆，貯存于通風(fēng)、干燥、避光的環(huán)境中保存用于下一步分析。實(shí)驗(yàn)用水全部為超純水。

1.1.2 儀器與設(shè)備 PRE 1 Z型咖啡豆烘焙機(jī)，德國Probat儀器公司；VTA-6S3型咖啡豆研磨機(jī)，德國MAHLKONIG儀器公司；AL204型電子分析天平，梅特勒-托利多儀器有限公司；Master-s-plus UVF型全自動(dòng)超純水系統(tǒng)，上海和泰儀器有限公司；Alpha M.O.S電子鼻分析系統(tǒng)，法國Alpha M.O.S公司；7890A-5975C GC-MS聯(lián)用儀：美國安捷倫科技有限公司；75 μm CAR/PDMS萃取頭，美國Supelco公司。

1.2 方法

1.2.1 烘焙咖啡豆的制備 使用Probat烘焙機(jī)制備樣品，將100.00 g生豆倒入烘焙機(jī)中，設(shè)定火力為7，風(fēng)門為2，入鍋溫度為180 ℃，將樣品分別烘焙至8、10 、12 min，得到淺度、中度、深度3種烘焙度咖啡樣品，熄火時(shí)提前1 min打開冷卻裝置，快速冷卻至室溫。每個(gè)烘焙度平行制備5個(gè)樣品，密封在陰涼通風(fēng)處保存。將烘焙好的咖啡豆粉碎至粒徑約為80 mm的粉末樣品，盛放于咖啡包裝袋中，封口備用。

1.2.2 HS-SPME/GC-MS檢測 （1）HS-SPME萃取法。將固相微萃取頭在氣相色譜儀的進(jìn)樣口經(jīng)300 ℃老化1 h備用；準(zhǔn)確稱量1.00 g烘焙豆的粉末樣品于20 mL采樣瓶中，加蓋密封，置于恒溫水浴鍋中預(yù)熱20 min。將萃取頭插入采樣瓶中吸附30 min，取出，插入250 ℃的GC-MS進(jìn)樣口解吸3 min。

（2）GC-MS測定。GC條件：DB-WAX色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；程序升溫條件：起始溫度為40 ℃，保持2 min，以1.5 ℃/min升至130 ℃，之后以4 ℃/min升至200 ℃，保持5 min；檢測器溫度（EI）230 ℃，進(jìn)樣口溫度250 ℃，載氣為氦氣，流速為1.0 mL/min，不分流進(jìn)樣，時(shí)間為3 min。MS條件：接口溫度為250 ℃，離子源溫度為230 ℃，電子能量為70 eV，掃描范圍m/z為35～350 amu。

1.2.3 香氣組分的定性定量分析[13] （1）定性分析。對烘焙咖啡豆揮發(fā)性組分的定性分析主要采用氣質(zhì)聯(lián)用儀NIST14譜庫，選擇正反匹配度大于85%的化合物，另外還結(jié)合校對保留指數(shù)等方法進(jìn)行確定。（2）定量分析。根據(jù)總離子流圖檢索NIST14譜庫結(jié)合參考文獻(xiàn)分析烘焙咖啡豆揮發(fā)性特征組成，峰面積歸一化法計(jì)算組分的相對百分含量。

1.2.4 電子鼻分析 電子鼻由頂空全自動(dòng)進(jìn)樣器、金屬氧化物傳感器陣列和Alpha soft軟件3部分組成，其中傳感器是由6個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體型傳感器組成，分別是T30/1、T70/2、PA/2、P30/2、LY2/AA、LY2/gCT，每個(gè)傳感器對應(yīng)不同類型的敏感物質(zhì)，如表1所示。

電子鼻檢測條件：稱取0.20 g咖啡粉置于電子鼻專用小瓶中，載氣：干燥潔凈空氣，氣體流量：150 mL/min，進(jìn)樣量300 μL，孵化溫度：60 ℃，注射器溫度：70 ℃，數(shù)據(jù)采集時(shí)間：90 s，數(shù)據(jù)采集延遲時(shí)間：300 s，每個(gè)樣品平行2次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，Origin 8.5進(jìn)行一元方差分析，MATLAB R2010a軟件進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 咖啡豆揮發(fā)性成分的HS-SPME/GC-MS分析

通過HS-SPME/GC-MS對3種不同烘焙度咖啡揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行分析，與NIST 14標(biāo)準(zhǔn)譜庫對照，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，共鑒定出123種揮發(fā)性物質(zhì)，主要為呋喃類、吡嗪類、吡啶類、吡咯類、酸類等幾類化合物。不同烘焙度咖啡豆的GC-MS總離子流色譜圖見圖1所示，淺度、中度和深度的TIC圖相似度較高，但峰強(qiáng)度上的差異性很大。

色譜峰對應(yīng)的揮發(fā)性物質(zhì)及各類化合物相對含量對比如表2和表3所示，共鑒定出123種揮發(fā)性物質(zhì)，其中淺度、中度和深度烘焙豆分別鑒定出90，103和118種。將其分為酸類8種，醇類4種，酮類16種，醛類2種，酯類4種，呋喃類23種，吡嗪類21種，吡咯類15種，吡啶類12種，酚類11種，含硫化合物2種，烷烴類3種和2種其他化合物。呋喃類與吡嗪類物質(zhì)含量最高，分別為32.25%，這兩類物質(zhì)均為對咖啡香氣貢獻(xiàn)較大的揮發(fā)性化合物。呋喃類物質(zhì)隨著烘焙程度加深，其含量先增加后降低，在中度時(shí)達(dá)到最大值（38.53%）；吡嗪類物質(zhì)為較強(qiáng)氣味的芳香類化合物，其含量在淺度時(shí)最大（45.39%），在烘焙過程中逐漸下降至23.17%，說明吡嗪類物質(zhì)在烘焙過程中發(fā)生一系列降解反應(yīng)；酸類物質(zhì)如乙酸、3-甲基丁酸主要影響咖啡的酸味，其含量從淺度到中度快速降低近30%，中度至深度變化緩慢，即淺度時(shí)咖啡的酸味最重；吡啶類物質(zhì)含量由2.14%逐漸增加至13.40%；酚類物質(zhì)其含量由淺至深逐漸增加；酮類物質(zhì)含量在中度時(shí)最大，而醛類物質(zhì)含量變化較小。

利用峰面積歸一化法進(jìn)行相對定量分析，結(jié)果顯示這3種烘焙度咖啡豆中相對含量較高的物質(zhì)主要有2-糠甲醇、2，5-二甲基吡嗪、甲基吡嗪、乙酸、吡啶和糠醛等，在不同烘焙度咖啡豆中相對含量的均值分別為17.59%、8.5%、8.12%、6.46%、4.66%和4.12%。呋喃類在淺度時(shí)有17種化合物，在中度時(shí)增加至19種，深度時(shí)有22種；吡嗪類和吡咯類在深度烘焙時(shí)分別增加2種和1種；吡啶類、酚類和酮類由淺度至深度分別增加了6種、5種和5種。部分呋喃類、吡啶類、酮類、酚類等隨著烘焙程度加深而逐漸產(chǎn)生，如3-戊烯-2-酮、2-甲基糠、3-甲基-2-（5H）-呋喃酮、1-（4-吡啶基）-乙酮、2-醛基吡咯、3-羥基吡啶、2-?；拎さ龋@些化合物在淺度烘焙時(shí)沒有檢測出，而在中度烘焙時(shí)產(chǎn)生，所以這些化合物可能是咖啡的特征性香氣組分。甲基糠基二硫醚、異丙烯吡嗪、2-（1H）-吡啶酮、愈創(chuàng)木酚等化合物在深度烘焙時(shí)才產(chǎn)生，這可能是咖啡在較高溫烘焙下的特征香氣成分。不同烘焙度咖啡豆含有自身特有的揮發(fā)性成分，這是導(dǎo)致不同烘焙度咖啡香氣差異的主要因素。在淺度烘焙時(shí)吡嗪類和酸類為主要揮發(fā)性成分，在中度烘焙時(shí)主要是呋喃類、吡嗪類、吡咯類和酮類，在深度烘焙時(shí)主要是呋喃類、吡啶類和酚類。

2.2 咖啡豆揮發(fā)性成分的電子鼻分析

電子鼻傳感器響應(yīng)值的高低反映了傳感器對所測氣體成分的靈敏度，響應(yīng)值越高，說明傳感器對樣品的靈敏度越大[14]。圖2為電子鼻六個(gè)傳感器對不同烘焙度咖啡的特征響應(yīng)值對比圖，從圖中可看出，3個(gè)烘焙度咖啡樣品的傳感器P30/2響應(yīng)值最大，傳感器LY2/gCT響應(yīng)值最小。其他傳感器響應(yīng)值從大到小依次為：PA/2、T70/2、T30/1、LY2/AA。除傳感器LY2/gCT外，其他5個(gè)傳感器對不同烘焙度咖啡樣品的響應(yīng)值均有顯著性差異，即在淺、中和深烘焙度時(shí)的響應(yīng)值有明顯的變化。所以傳感器LY2/gCT對于區(qū)分不同烘焙度咖啡的香氣變化并無明顯作用。除傳感器LY2/AA外，其他5個(gè)傳感器對不同烘焙度咖啡樣品的響應(yīng)值順序均為：中度>淺度>深度。傳感器LY2/AA對不同烘焙度咖啡樣品的響應(yīng)值順序?yàn)椋褐卸?深度>淺度。

PCA是一種無監(jiān)督模式識(shí)別方法，通過原始變量的線性組合來進(jìn)行降維處理，將原始變量信息壓縮至前幾個(gè)主成分（PCs）的多元統(tǒng)計(jì)方法，樣品的空間分布可由得分和載荷組成的二維或三維投影圖來定義，表示各類樣品間及樣品與變量間的關(guān)系[15]。對3種烘焙度咖啡樣品香氣信息的電子鼻主成分分析如圖3所示，每類樣品可按各自特性聚為一類，表明樣品重現(xiàn)性較好。由圖3-a可知，第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為99.60%，其中第一主成分為93.70%，第二主成分為5.90%，表明2個(gè)主成分包含了烘焙咖啡豆揮發(fā)性成分的大部分信息量，能夠反映烘焙咖啡豆氣味的整體信息，各差異主要體現(xiàn)在PC1上。3種烘焙度咖啡樣品各自據(jù)為一類，三者之間沒有重疊，說明不同烘焙度咖啡樣品的區(qū)分度很高。在PC1方向上，中度烘焙咖啡得分為正，淺度和深度烘焙咖啡得分為負(fù)，中度與淺度、深度咖啡樣品區(qū)分明顯，淺度與深度咖啡樣品有部分重疊；在PC2方向上，淺度烘焙咖啡得分為負(fù)，深度烘焙咖啡得分為正，而中度烘焙咖啡位于原點(diǎn)附近，中度與深度咖啡樣品有少部分重疊，而與淺度咖啡樣品區(qū)分較好。由圖3-b可知，傳感器LY2/gCT和LY2/AA位于第一象限，其余4種傳感器位于第三象限，即樣品的空間分布在第一主成分正方向上與傳感器LY2/gCT和LY2/AA相關(guān)，負(fù)方向上與傳感器P30/2、PA/2、T70/2和T30/1相關(guān)，樣品的空間分布在第二主成分上與第一主成分一致。載荷LY2/gCT和LY2/AA與中度烘焙咖啡樣品相關(guān)性較大，載荷P30/2、PA/2、T70/2和T30/1與淺度烘焙咖啡樣品相關(guān)性較大。結(jié)合圖2和圖3分析，3種不同烘焙度咖啡的揮發(fā)性成分有較大的差異，電子鼻傳感器對中度烘焙咖啡樣品的響應(yīng)強(qiáng)度最大，這可能是由于中度烘焙時(shí)產(chǎn)生的特征性香氣成分較多。

3 討論與結(jié)論

本文研究了海南興隆地區(qū)3種不同烘焙度咖啡豆的揮發(fā)性成分，通過HS-SPME/GC-MS與電子鼻技術(shù)結(jié)合對不同烘焙度咖啡樣品的揮發(fā)性成分進(jìn)行定性、相對定量，得到咖啡樣品的整體風(fēng)味信息。

HS-SPME/GC-MS的分析結(jié)果：共分離鑒定出123種揮發(fā)性物質(zhì)，其中淺度、中度和深度烘焙豆分別鑒定出90，103和118種。包含酸類8種，醇類4種，酮類16種，醛類2種，酯類4種，呋喃類23種，吡嗪21種，吡咯類15種，吡啶類12種，酚類11種，含硫化合物2種，烷烴類3種和2種其他化合物。前人研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)呋喃類物質(zhì)可產(chǎn)生令人愉快的焦香味；吡啶類與吡咯類化合物在烘焙過程中會(huì)產(chǎn)生烘烤味、焦糊味與堅(jiān)果香味；酚類物質(zhì)可產(chǎn)生丁香風(fēng)味；醛類與酮類物質(zhì)在高溫烘焙時(shí)產(chǎn)生果香味和花香味；在淺度烘焙時(shí)檢測不到含硫化合物，在高溫烘焙下更易形成[16-20]。周斌等[21]對云南的小?？Х炔捎昧藴\、中、深3種方式烘焙，對烘焙好的咖啡豆采用同時(shí)蒸餾萃取法進(jìn)行香氣成分提取，并進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析，研究了不同烘焙程度條件下云南小?？Х认銡獬煞侄ㄐ远拷Y(jié)果，與前人研究報(bào)道相比，本文采用HS-SPME/GC-MS對3種烘焙度咖啡的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行檢測，呋喃類和吡嗪類化合物相對含量最高（32.25%），其中2-糠甲醇的相對含量最高（17.59%）。隨烘焙程度加深，醇類、吡啶類和酚類等化合物相對含量逐漸增加，酸類和吡嗪類化合物相對含量逐漸增加，酮類、呋喃類和吡咯類等化合物相對含量先增加后減少。主要是由于乙酸、甲基吡嗪、糠醛、2-呋喃甲醇、2，5-二甲基吡嗪、吡啶等化合物變化較大所導(dǎo)致。在淺度烘焙時(shí)吡嗪類和酸類為主要揮發(fā)性成分，在中度烘焙時(shí)主要是呋喃類、吡嗪類、吡咯類和酮類，在深度烘焙時(shí)主要是呋喃類、吡啶類和酚類。

電子鼻檢測結(jié)果表明：電子鼻傳感器對不同烘焙度咖啡響應(yīng)強(qiáng)度有顯著性變化（除傳感器LY2/gCT外），各個(gè)傳感器響應(yīng)值隨烘焙度加深先增加后減少，且相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均低于10%。因此，電子鼻可感知樣品因揮發(fā)性組分的種類和相對含量不同而引起香氣表型的差異，并且每個(gè)傳感器均有良好的檢測重復(fù)性。何余勤等[22]利用HS-SPME/GC-MS結(jié)合電子鼻對不同焙烤溫度處理6 min的咖啡豆的揮發(fā)性化合物進(jìn)行檢測，研究對象為阿拉比卡咖啡。而本文利用HS-SPME/GC-MS和電子鼻技術(shù)結(jié)合PCA可將淺度、中度和深度烘焙咖啡豆在定性角度上進(jìn)行良好的區(qū)分，尤其是中度與淺度、深度烘焙豆區(qū)分明顯。

HS-SPME/GC-MS結(jié)合電子鼻技術(shù)可應(yīng)用于監(jiān)測咖啡揮發(fā)性成分隨烘焙強(qiáng)度的變化規(guī)律，通過對海南興隆地區(qū)不同烘焙度咖啡中揮發(fā)性物質(zhì)分析，根據(jù)揮發(fā)性物質(zhì)的差異為判斷指標(biāo)可以很好的區(qū)分海南興隆地區(qū)不同烘焙度咖啡，同時(shí)在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步明晰海南興隆地區(qū)不同烘焙度咖啡香氣差異的揮發(fā)性物質(zhì)組成，為興隆咖啡的烘焙加工提供理論支撐。

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