基于HS-GC-IMS對(duì)8種咖啡豆烘焙前后揮發(fā)性有機(jī)物成分分析

王燕華，王曉婷，龔加順，劉華戎，譚超

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201）

咖啡豆是用于制作咖啡的植物果實(shí)，目前主要分為阿拉比卡豆（Coffee Arabica）與羅布斯塔豆（Coffee Robusta Linden）。評(píng)價(jià)咖啡豆品質(zhì)的高低，主要由咖啡競(jìng)賽組織（Cup of Excellence，COE）和美國(guó)精品咖啡協(xié)會(huì)（Specialty Coffee Association of America，SCAA）杯測(cè)評(píng)判?？Х榷癸L(fēng)味是其中一個(gè)重要的評(píng)判指標(biāo)，主要由揮發(fā)性有機(jī)物成分（volatile organic compounds，VOCs）和非揮發(fā)性呈味成分兩部分組成[1]。VOCs主要影響咖啡杯測(cè)指標(biāo)中干香和濕香的評(píng)價(jià)。咖啡風(fēng)味受地理位置、品種、氣候條件、加工方法、烘焙過程和制備方法等諸多因素的影響，其中最具代表性的因素是咖啡的產(chǎn)地及品種，因此本文選取8種全球咖啡豆產(chǎn)區(qū)的經(jīng)典品種作為研究對(duì)象。隨著氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)的發(fā)展，咖啡豆VOCs的研究變得活躍。目前已有許多關(guān)于咖啡豆中VOCs的研究，烘焙咖啡豆中常見的VOCs包括：呋喃、吡嗪、酮、醛、酯、吡咯、酚、吡啶、含硫化合物等[2]。這些VOCs的形成是在咖啡烘焙過程中化合物間產(chǎn)生復(fù)雜的Strecker降解和美拉德反應(yīng)所致[3]。國(guó)外對(duì)VOCs檢測(cè)的技術(shù)主要有固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法（solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry，SPME-GC-MS）、全二維氣相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜法（two-dimensional gas chromatography-timeof-flight mass spectrometry，GC×GC-TOF-MS）、氣相色譜-嗅味法（gas chromatography-olfactometry，GC-O）等技術(shù)[4-7]。而采用頂空氣相色譜-離子遷移譜法（headspace-gas chromatography-ion mobility spectrometer，HS-GC-IMS）對(duì)咖啡VOCs的研究較少。HS-GC-IMS是一種高分辨率、高靈敏度、分析高效、操作簡(jiǎn)便的氣體快檢技術(shù)[8-10]。樣品不需前處理，通過頂空進(jìn)樣快速捕捉樣品中痕量VOCs信息（檢出限低至μg/m3級(jí)別或ng/m3級(jí)別）形成指紋圖譜，用于鑒別樣品的真?zhèn)?、新鮮度、貨架期、品種品質(zhì)區(qū)分等。HS-GC-IMS技術(shù)基于物質(zhì)氣相保留指數(shù)（RI）和遷移時(shí)間（Dt）二維交叉定性，通過與保留數(shù)據(jù)庫(kù)NIST和漂移時(shí)間數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，使得化合物定性更加準(zhǔn)確。目前圖譜庫(kù)中包含數(shù)據(jù)庫(kù)中的322種化合物。該技術(shù)主要應(yīng)用在毒品[11]、肉類[12]、啤酒[13]、橄欖油[14]等領(lǐng)域。應(yīng)用在咖啡豆的VOCs風(fēng)味分析中的研究較少。本文利用HS-GC-IMS技術(shù)研究不同咖啡豆樣品烘焙前后VOCs的變化共性、差異及其規(guī)律，為咖啡豆風(fēng)味形成與轉(zhuǎn)化研究提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

選取8種咖啡豆樣品均為全水洗豆，包含咖啡生豆和咖啡烘焙豆共16個(gè)。2018產(chǎn)季云南保山潞江壩高晟莊園A卡蒂姆咖啡豆（1-生豆，1R-烘焙豆）；2017產(chǎn)季巴西咖啡豆（2-生豆，2R-烘焙豆）；2018產(chǎn)季哥倫比亞慧蘭咖啡豆（3-生豆，3R-烘焙豆）；2018產(chǎn)季蘇門答臘多巴湖曼特寧G1咖啡豆（4-生豆，4R-烘焙豆）；2017產(chǎn)季肯尼亞尼耶利AA咖啡豆（5-生豆，5R-烘焙豆）；2017產(chǎn)季危地馬拉咖啡豆（6-生豆，6R-烘焙豆）；2018產(chǎn)季埃塞俄比亞沃卡-耶加雪菲咖啡豆（7-生豆，7R-烘焙豆）；2018產(chǎn)季布隆迪AA咖啡豆（8-生豆，8R-烘焙豆）；試驗(yàn)用水全部為超純水。

1.1.2 儀器

SANTOKER R500E烘焙機(jī)：北京三豆客科技有限公司；HS-GC-IMS[配有CTC自動(dòng)頂空進(jìn)樣器、Laboratory Analytical Viewer（LAV）分析軟件及 GC×IMS Library Search Software定性軟件]：德國(guó)G.A.S公司。

1.2 方法

1.2.1 烘焙咖啡豆的制備

采用SANTOKER R500E烘焙機(jī)對(duì)咖啡生豆進(jìn)行烘焙。氣源是液化石油氣，火力是0.5 kPa，風(fēng)門4，轉(zhuǎn)速為60 r/min。烘焙生豆質(zhì)量約500 g，入豆溫度180℃～190℃，烘焙時(shí)間15 min～20 min，烘焙后咖啡色度均控制在60～75，失水率控制在12%～15%。烘焙日期2018年8月22日。

1.2.2 HS-GC-IMS分析

HS-GC條件：1g樣品于20mL頂空進(jìn)樣瓶中，40℃孵化20 min，經(jīng)頂空進(jìn)樣200 μL用氣相離子遷移譜儀進(jìn)行測(cè)試。載氣N2（純度≥99.999%），進(jìn)樣針溫度45℃，色譜柱 FS-SE-54-CB-1（15 m×0.53 mm，1 μm），載氣流量程序?yàn)?0～2 min，2 mL/min；2 min～10 min，2mL/min～15 mL/min；10 min～20 min，20 mL/min～80 mL/min；20 min～40 min，100 mL/min～130 mL/min。

IMS條件：漂移管長(zhǎng)度98 mm；管內(nèi)線性電壓500 V/cm；漂移管溫度 45℃；漂移氣 N2（純度≥99.999%）；漂移氣流速150 mL/min；放射源為β射線（氚，3H）；離子化模式為正離子。

1.3 數(shù)據(jù)處理

經(jīng) Laboratory Analytical Viewer（LAV）和 GC×IMS Library Search Software軟件分析得出樣品中VOCs的差異譜圖，并建立匹配矩陣，利用NIST數(shù)據(jù)庫(kù)和IMS數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)物質(zhì)定性分析。采用TBtools v1.05進(jìn)行聚類熱圖分析，其它統(tǒng)計(jì)圖采用Origin 2019b制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 8種咖啡樣品烘焙前后VOCs變化

8種咖啡樣品烘焙前后VOCs變化聚類熱圖見圖1。

圖1 8種咖啡樣品烘焙前后VOCs變化聚類熱圖Fig.1 Cluster heat map of VOCs variation before and after roasted of 8 kinds coffee samples

咖啡豆中約含700種～850種風(fēng)味物質(zhì)[15-16]。利用HS-GC-IMS分析了16個(gè)咖啡豆樣品的VOCs，從中篩選出122個(gè)信號(hào)峰。目前圖譜庫(kù)中包含數(shù)據(jù)庫(kù)中的322種化合物，由圖1可知，通過與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比照識(shí)別出42個(gè)VOCs，其中包含9個(gè)醇類、9個(gè)醛類、9個(gè)酯類、7個(gè)酮類、3個(gè)酸類、2個(gè)醚類、2個(gè)呋喃類、1個(gè)吡嗪類。對(duì)比不同咖啡樣品烘焙前后VOCs變化聚類熱圖，可以看出不同咖啡生豆間或不同咖啡烘焙豆間VOCs存在一定差異性，咖啡生豆之間丙酮、異戊醛、乙酸甲酯、壬醛、乙酸丁酯、異戊酸、甲基-2-甲基丁酸甲酯、乙酸丙酯、二甲基硫醚、異丁醇、乙偶姻、2-丙醇等VOCs在不同咖啡樣品之間具有差異?？Х群姹憾怪g2-甲基丁醛、壬醛、己醛、甲基-2-甲基丁酸甲酯、1，8-桉葉素、丙烯酸乙酯等VOCs在不同咖啡樣品之間具有差異。

咖啡豆烘焙前后VOCs變化明顯，根據(jù)聚類熱圖可以明顯區(qū)分咖啡生豆和咖啡烘焙豆兩大類。其中γ-丁內(nèi)酯、糠醇、甲基丙醛、異丙醛、3-甲基丁醇、2-戊酮、乙基呋喃、2-丁酮等烘焙后含量明顯增加。咖啡生豆中VOCs檢出量為17 578.92，烘焙后為49 303.03，烘焙后VOCs成分比烘焙前增加180.47%。

2.2 咖啡生豆與烘焙豆VOCs相對(duì)含量變化

咖啡生豆與烘焙豆VOCs相對(duì)含量變化見圖2。

圖2 咖啡生豆與烘焙豆VOCs相對(duì)含量變化Fig.2 Changes of VOCs relative content in raw and roasted coffee beans

由圖2可知，所檢咖啡生豆中醇類、酯類、醛類含量占VOCs總量的前三。醇類相對(duì)含量為34.90%，酯類為23.00%，醛類為16.11%，酮類為12.25%，醚類為9.33%，酸類為3.28%，吡嗪類為0.71%，呋喃類為0.42%。所檢咖啡烘焙豆中醇、酮、酯類含量占VOCs總量的前三。醇類相對(duì)含量為23.61%，酮類為22.29%，酯類為18.74%，醛類為13.32%，呋喃類為9.66%，醚類為5.11%，吡嗪為4.49%，酸類為2.77%。從變化情況看咖啡豆烘焙后呋喃、吡嗪、酮類增加，酸類、醛類、酯類、醇類、醚類相對(duì)含量減少。李娜等[17]利用熱脫附GC-MS研究發(fā)現(xiàn)羅布斯塔烘焙咖啡豆中吡嗪含量最高，其次為醇類和醛類。而李妙清等[18]利用熱脫附GC-MS研究發(fā)現(xiàn)哥倫比亞咖啡豆VOCs中呋喃含量最高，其次為吡嗪和吡啶。于淼等[19]利用HS-SPME/GC-MS研究發(fā)現(xiàn)海南興隆地區(qū)咖啡豆VOCs中吡嗪含量最高，其次為呋喃類和酸類。研究結(jié)果之間的差異性可能與咖啡豆品種及檢測(cè)方法不同有關(guān)。

咖啡生豆與烘焙豆VOCs平均相對(duì)含量變化箱形圖見圖3。

圖3 咖啡生豆與烘焙豆VOCs平均相對(duì)含量變化箱形圖Fig.3 Box diagram of VOCs average relative content in raw and roasted coffee beans

由圖3可以看出，HS-GC-IMS檢出的VOCs中包含吡嗪類、醇類、呋喃類、醚類、醛類、酸類、酮類和酯類物質(zhì)。吡嗪類化合物使咖啡類具有榛子、巧克力和咖啡氣味[20]，咖啡生豆中吡嗪類含量較少，烘焙后咖啡豆中吡嗪類增加532.39%。醇類化合物在咖啡中呈現(xiàn)清香、木香等特征，烘焙后醇類降低32.35%。呋喃類化合物具有堅(jiān)果、焦糖、蜂蜜、奶油、杏仁的甜味[21-23]，主要由糖類和氨基酸在高溫下反應(yīng)生成[24]，與吡嗪類相同在咖啡生豆中含量較少，但烘焙后迅速增加2 200%。董文江等[25]研究表明呋喃類含量隨著烘焙度的增加而增加，呋喃類物質(zhì)是咖啡烘烤過程中主要VOCs成分之一。呋喃類和吡嗪類化合物是在烘焙過程中發(fā)生焦糖化和美拉德反應(yīng)的中期產(chǎn)物，因此在咖啡生豆中含量較少，烘焙后迅速增加[26-27]。醚類化合物在咖啡中呈現(xiàn)腐臭和奶油味，在烘焙后降低45.23%。醛類化合物在咖啡中呈現(xiàn)奶油氣味，一些則呈現(xiàn)尖刺青草香，如異戊醛[28]。烘焙后醛類降低17.32%。揮發(fā)性酸類化合物對(duì)咖啡酸度起到重要調(diào)節(jié)作用，烘焙后降低15.55%。酮類化合物提供奶香、爆米花香和酮甜，烘焙后增加82.03%。咖啡中酯類化合物能夠使咖啡呈現(xiàn)果香味[29]，這類化合物大多屬于熱敏性化合物，在烘焙過程中易受溫度影響而喪失，烘焙后酯類降低18.52%。

2.3 咖啡烘焙前后各種特征風(fēng)味物質(zhì)相對(duì)變化情況

烘焙前后咖啡VOCs變化情況見圖4。

圖4 烘焙前后咖啡VOCs變化情況Fig.4 Changes in coffee VOCs before and after roasting

烘焙后咖啡VOCs含量增加的有30個(gè)，減少的有12個(gè)，且增加的總量明顯大于減少的總量。VOCs中具有面包、杏仁和米糠香味的糠醇大幅度增加。具有豆香、椰香和奶香的γ-丁內(nèi)酯[30]、具有堅(jiān)果煙熏味的2-乙?；秽⒕哂斜『晌兜谋?、具有果甜香味的乙酸甲酯、具有咖啡焦香味的2-甲基吡嗪在烘焙后都大幅度增加。而具有酒香味的乙醇、奶香味的二甲基硫醚、具有果香味的乙酸丙酯和乙酸丁酯均有所減少。酸香也是咖啡豆重要的VOCs指標(biāo)之一。通過HSGC-IMS檢出咖啡中的揮發(fā)性酸類包括乙酸、異戊酸和丁酸，乙酸具有刺激性辛辣氣味，是烘焙咖啡酸香的重要物質(zhì)，濃度過高易造成尖酸味，咖啡豆烘焙后相對(duì)變化量增加明顯。異戊酸賦予咖啡酸味，而丁酸賦予咖啡酸奶酸味，在咖啡豆烘焙后異戊酸和丁酸相對(duì)變化量增加不大。這些VOCs復(fù)雜的增減變化賦予烘焙咖啡特殊風(fēng)味。由于未進(jìn)行氣味化合物含量標(biāo)定，因此無法結(jié)合氣味活力值（odor activity values，OAV）分析得出這些VOCs在咖啡豆中的貢獻(xiàn)。咖啡豆中VOCs復(fù)雜并非由幾種化合物所決定。VOCs之間的相互作用、氣味閾值及感受者個(gè)體差異等因素影響著對(duì)咖啡氣味的感受。

3 結(jié)論

利用HS-GC-IMS對(duì)8種咖啡樣品烘焙前后VOCs進(jìn)行分析。鑒定出42個(gè)VOCs，包含9個(gè)醇類、9個(gè)醛類、9個(gè)酯類、7個(gè)酮類、3個(gè)酸類、2個(gè)呋喃類、2個(gè)醚類、1個(gè)吡嗪類。烘焙后總VOCs比烘焙前增加180.47%，其中呋喃類增加2 200%，吡嗪類增加532.39%，酮類增加82.03%，醚類降低45.23%，醇類降低32.35%，酯類降低18.52%，醛類降低17.32%，揮發(fā)性酸類降低15.55%。烘焙后咖啡中糠醇、γ-丁內(nèi)酯、2-乙?；秽然衔锎罅吭黾樱掖?、二甲基硫醚、乙酸丙酯、乙酸丁酯等化合物減少，使烘焙后的咖啡表現(xiàn)出復(fù)雜的氣味。