咖啡中關(guān)鍵香氣化合物的萃取動力學分析

楊習文， 陳茂深， 鐘 芳

（江南大學 食品學院，江蘇 無錫 214122）

一杯高品質(zhì)咖啡需具有香氣、滋味和口感之間的微妙平衡，從咖啡種子到咖啡液，咖啡豆品種、烘焙程度、研磨水平、萃取工藝中的任何一個環(huán)節(jié)均會影響成品咖啡液的感官品質(zhì)。這一系列環(huán)節(jié)中，烘焙工藝一直被認為是香氣形成最重要的環(huán)節(jié)[1-3]。但烘焙主要是由咖啡師或生產(chǎn)工廠控制，而萃取則往往是消費者唯一能夠自主控制的環(huán)節(jié)，因此也是確定咖啡液感官品質(zhì)的最后一個可變環(huán)節(jié)。精品咖啡協(xié)會（SCA）定義金杯萃取率區(qū)間為18%～22%，即使用10 g粉進行萃取后有1.8～2.2 g可溶性固形物被轉(zhuǎn)移到咖啡液內(nèi)。通常認為金杯萃取區(qū)間所呈現(xiàn)的滋味、口感與香氣最佳，然而，如果僅用可溶性固形物含量作為金杯萃取的指標，則會忽略香氣對咖啡液品質(zhì)的影響。

近年來，國內(nèi)外學者就有關(guān)萃取工藝對咖啡香氣的影響進行了一系列研究，考察的變量包括萃取方式[4-5]、萃取水溫[6-8]、萃取水質(zhì)[9-10]和萃取水壓[8，11]等。李娜等使用頂空固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用（HSSPME-GC-MS）法研究了連續(xù)萃取與高壓萃取法對兩種咖啡萃取液香氣的影響，發(fā)現(xiàn)采用連續(xù)萃取方式得到的香氣成分更豐富[12]；Severini等使用電子鼻系統(tǒng)研究了研磨等級和萃取時間對意式濃縮咖啡液風味的影響，發(fā)現(xiàn)大部分有機酸、咖啡因和可溶性固形物在萃取的前8 s內(nèi)被提取出來[13]；Gloess等使用HS-SPME-GC-MS法測定了不同萃取方式對咖啡液香氣品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)香氣濃度排序為半自動咖啡機Espresso＞全自動咖啡機Espresso＞Bialetti三杯咖啡機Espresso＞Lunghi咖啡，且意式濃縮咖啡的香氣濃度最高，但因為萃取水量的差異，美式咖啡獲得的香氣物質(zhì)總量更多[4]。上述研究中，測定對象均為萃取結(jié)束時所得的成品咖啡液，未對恒壓900 kPa連續(xù)萃取過程中的香氣化合物變化進行詳細研究；同時缺乏對關(guān)鍵化合物在萃取過程中的變化規(guī)律及影響因素的進一步研究。

作者選擇品質(zhì)穩(wěn)定、流通廣泛的危地馬拉咖啡豆，通過研究恒壓連續(xù)萃取過程中咖啡液香氣成分的變化，考察影響關(guān)鍵揮發(fā)性香氣化合物萃取速率的關(guān)鍵因素，并探討不同杯量咖啡液的香氣組成與相對含量的規(guī)律，以期為香氣平衡、品質(zhì)穩(wěn)定的咖啡生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

咖啡生豆（危地馬拉SHB）：熠果國際有限公司產(chǎn)品；1，2-二氯苯（分析純）：國藥集團化學試劑有限公司產(chǎn)品；正構(gòu)烷烴（C8～C40標準品）：上海創(chuàng)賽科技有限公司產(chǎn)品。

1.2 儀器與設(shè)備

Agilent model 6890 GC型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、Agilent 5971A mass型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀：美國安捷倫公司產(chǎn)品；Heracles II型快速氣相電子鼻：法國Alpha MOS S.A.有限公司產(chǎn)品；BD-01 WT型咖啡烘焙機：廣州市必德通用設(shè)備有限公司產(chǎn)品；CM-100型咖啡烘焙色度儀：豊億光電股份有限公司產(chǎn)品；Colorette 4型Probat咖啡粉測色儀：孚達智造（上海）系統(tǒng)控制工程有限公司產(chǎn)品；Mazzer mini型咖啡豆自動研磨機：意大利Mazzer公司產(chǎn)品；La Marzocco GS3型半自動咖啡機：意大利La Marzocco公司產(chǎn)品；PUQpress Q2型壓粉機：荷蘭PUQ公司產(chǎn)品；Atago PAL-1型數(shù)顯濃度計：日本愛拓公司產(chǎn)品。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品的制備1）咖啡豆的烘焙與研磨 使用咖啡烘焙機對咖啡生豆進行烘焙，每次烘焙生豆質(zhì)量為1.0 kg，入豆溫度200℃，火力1.5格，風門3.0～5.0，整個烘焙過程持續(xù)14～18 min，直至二爆為止。排豆溫度為190～225℃，到達烘焙終點后迅速排豆，冷卻至室溫后貯藏于帶有單向排氣閥的專用咖啡袋中。使用自動研磨機將烘焙后的咖啡豆（水分質(zhì)量分數(shù)＜3%）研磨成粉（d50=508.9 μm），樣品信息見表1。

表1 不同烘焙程度咖啡樣品基本信息Table 1 Basic information of coffee samples with different roasting degrees

2）咖啡液萃取 稱取17.00 g研磨后的咖啡粉于萃取手柄中（d=58 mm，17 g粉碗），并使用自動壓粉機以100 N的壓力夯實粉餅。夯實壓力對萃取動力學基本無影響[14]，使用目的是為了減少手動操作的誤差。萃取過程以熱水（92±1）℃從咖啡機管道中流出開始計，恒定壓力900 kPa，分階段收集咖啡萃取液（0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～120、120～160 g），共獲得160 g咖啡萃取液。

1.3.2 HS-SPME-GC-MS分析1）HS-SPME條件根據(jù)文獻[15]并修改。萃取結(jié)束后，立即準確稱取5.00 g咖啡液于20 mL頂空進樣瓶，孵化器內(nèi)60℃保溫20 min進行吸附，轉(zhuǎn)速250 r/min。使用CAR/DVB/PDMS三合一萃取頭進行萃取，吸附后，立即將萃取頭插入進樣口進行10 min的解吸。每個樣品結(jié)束后，將萃取頭于230℃下保持3 min進行清理，每個樣品重復3次。

2）GC條件 根據(jù)文獻[8，15]的方法并修改。DB-WAX強 極 性 柱（0.25 mm×30 m×0.25 μm，Agilent 122-7062，CA，美國）；解析時間：10 min；進樣口溫度：260℃；35℃保持10 min，以5℃/min升溫至172℃，以15℃/min升溫至230℃，保持5 min，共計46.3 min，不分流進樣。

3）MS條件 離子源為EI模式，離子源溫度250℃，電子能量70 eV，掃描范圍為m/z 50～350。

4）定性 根據(jù)文獻[16-17]的方法，通過與譜庫（NIST 21.0）檢索比較，選擇匹配度＞80的物質(zhì)；相同色譜條件下，用C8～C40的正構(gòu)烷烴對各化合物的保留指數(shù)（RI）進行計算，并與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)比較。

式中：RI為保留指數(shù)；t′r（X）為化合物X的調(diào)整保留時間，min；t′r（Cn）為碳原子數(shù)為n的正構(gòu)烷烴保留時間，min；t′r（Cn+1）為碳原子數(shù)為n+1的正構(gòu)烷烴保留時間，min；n為碳原子數(shù)。

5）定量 每5.00 g咖啡液中用微量進樣器加入20 μL質(zhì)量濃度為1.036×10-2mg/mL二氯苯作為內(nèi)標（溶于甲醇），根據(jù)待測化合物和內(nèi)標物相應的色譜峰面積之比計算被測組分含量。

1.3.3 快速氣相電子鼻分析準確稱取5.00 g咖啡液于20 mL頂空瓶中，載氣為干燥潔凈空氣，氣體流量150 mL/min；進樣量：2500 μL；孵化溫度：80℃；孵化時間：300 s；注射器溫度：90℃；攪拌速度：500 r/min；數(shù)據(jù)采集延遲時間：210 s；數(shù)據(jù)采集時間：90 s，每個樣品重復3次。

1.3.4 關(guān)鍵香氣化合物的萃取動力學分析采用感官評估的方法。將品評員可以感知到的咖啡液整體香氣輪廓極弱（若有若無，無法識別）時的萃取杯量作為萃取終點，并將到達萃取終點時咖啡萃取液中某一物質(zhì)的累積總含量設(shè)為1，作為分階段萃取率的計算基礎(chǔ)。對連續(xù)萃取過程中的數(shù)據(jù)點按公式（2）進行非線性擬合。

式中：a為萃取速率常數(shù)（即萃取杯量為1 g時萃取速率）；b為萃取速率變化（反映化合物萃取速率隨杯量增加的變化情況）。

1.3.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析使用SPSS 19.0軟件，采用Duncan檢驗法進行差異顯著性分析（P＜0.05）及Pearson相關(guān)性分析。采用Origin 2018 Pro軟件繪圖。采用XLSTAT 2019軟件進行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 萃取杯量對揮發(fā)性化合物組成與質(zhì)量分數(shù)的影響

經(jīng)NIST 21.0譜庫檢索及RI對比，最終獲得45種揮發(fā)性香氣化合物，包括吡嗪類12種、呋喃類9種、酚類5種、酮類4種、吡咯類4種、吡啶類3種、醛類3種和其他物質(zhì)5種。12個樣品中各化合物的質(zhì)量分數(shù)差異按照內(nèi)標法進行半定量[2]。結(jié)果表明，咖啡樣品中的揮發(fā)性物質(zhì)主要為呋喃類物質(zhì)，質(zhì)量分數(shù)為40%～45%，吡咯類、吡嗪類和酚類物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為10%以上。

由圖1可知，整體上咖啡液按香氣濃度被分為兩類：萃取杯量為0～10 g的咖啡液和其他萃取杯量（10～20、20～30、30～40 g）的咖啡液，兩個聚類的主要區(qū)別可簡單歸納為0～10 g咖啡萃取液中各揮發(fā)性風味物質(zhì)更多。此外，第一大類中，又可根據(jù)咖啡豆的烘焙程度區(qū)分為兩個亞類：淺度烘焙為一類，中度和深度烘焙為一類。

圖1 連續(xù)萃取過程中咖啡液揮發(fā)性化合物組成與質(zhì)量分數(shù)Fig.1 Composition and mass fraction of volatile compounds in coffee brews during continuous extraction

咖啡液中大多數(shù)香氣成分的質(zhì)量分數(shù)＜50 μg/g，雖然檢出物質(zhì)種類與數(shù)量繁多，但并非每一種物質(zhì)都對咖啡香氣有重要貢獻。各類物質(zhì)中，呋喃類占比較高，其中最重要的是5-甲基呋喃醛，在淺度烘焙咖啡的前10 g萃取液中，高達188.25 μg/g；此外，呋喃中的糠醛、糠醇和乙酸糠酯的質(zhì)量分數(shù)也較高。總的來說，呋喃類物質(zhì)在萃取杯量較低（0～10 g）時最高，并隨萃取杯量的增加逐漸被稀釋。吡嗪類物質(zhì)的變化規(guī)律與之相似，質(zhì)量分數(shù)較高的為3-乙基-2，5-甲基吡嗪（杏仁味、堅果香、可可味[12]）和2-乙基-6-甲基吡嗪，均在深度烘焙時最高，分別為20.75、23.69 μg/g。酚類物質(zhì)中4-乙烯基-2-甲氧基苯酚較高，而被報道[18]為咖啡主要風味物質(zhì)的愈創(chuàng)木酚僅在深度烘焙中被檢出（19.84 μg/g）。

根據(jù)文獻對咖啡關(guān)鍵風味化合物[8，19-23]歸納匯總，結(jié)合危地馬拉咖啡萃取液中各揮發(fā)性氣味物質(zhì)的實際檢出情況，可篩選出10種具有代表性的關(guān)鍵香氣化合物，其相關(guān)基本信息見表2。物質(zhì)的極性由lg P表示，值越大，表示物質(zhì)的極性越強。

表2 咖啡液中10種關(guān)鍵香氣化合物的基本信息Table 2 Basic information of 10 key aroma compounds in coffee brews

2.2 電子鼻響應與主成分分析

由圖2可知，前兩個主成分解釋了總變異量的96.41%（F1為90.95%，F(xiàn)2為5.45%），解釋性高，表明區(qū)分度良好。一般區(qū)分指數(shù)達到70%表示能夠有效區(qū)分[41-42]。0～10 g咖啡液樣品主要分布在第一、第四象限，與F1呈正相關(guān)，隨著烘焙程度的加深，其與F2的關(guān)系由正相關(guān)逐漸變成負相關(guān)；10～20、20～30、30～40 g咖啡液樣品主要分布在F2負半軸附近，隨著萃取杯量的增加，這種負相關(guān)性逐漸增強不同烘焙程度的咖啡豆萃取杯量為0～10 g的咖啡液與其他萃取杯量的咖啡液分布距離較遠，差異較大；而分布在F1正半軸的0～10 g咖啡液中，淺度烘焙咖啡液位于右上角，而中度和深度烘焙咖啡液位于右下角且距離較近，與聚類分析結(jié)果一致。不同萃取杯量的咖啡液揮發(fā)性成分主要由第一主成分區(qū)分，不同烘焙程度的咖啡液主要由第二主成分區(qū)分，說明萃取杯量對咖啡香氣的影響大于烘焙程度；且隨著萃取杯量的增加，不同烘焙程度的咖啡液樣品之間的距離變小，說明不同烘焙程度咖啡豆的萃取液在萃取初期差異最為明顯，隨著萃取杯量的增加，差異逐漸減弱。綜上，烘焙程度會導致不同的風味，但將香氣化合物萃取到杯中所使用的水量決定所得咖啡液的香氣濃度，故探究連續(xù)萃取過程中香氣化合物的香氣活度值、萃取率及萃取速率對最終咖啡品質(zhì)的控制至關(guān)重要。

圖2 不同烘焙程度咖啡液的電子鼻主成分分析Fig.2 Principal component analysis of electronic nose for coffee brews with different roasting degrees

2.3 10種關(guān)鍵香氣化合物的萃取動力學分析

感官測試確定的萃取終點為萃取杯量160 g，與前人的研究結(jié)果[38]接近。10種關(guān)鍵香氣化合物的萃取動力學曲線見圖3。連續(xù)萃取過程中的非線性擬合參數(shù)見表3。由表3可知，除深度烘焙樣品中的β-大馬酮外，其余化合物在3種烘焙程度下的b值均＜1，即萃取速率隨杯量的上升呈下降趨勢，b值越小，下降速率越快。

表3 10種關(guān)鍵香氣化合物擬合萃取曲線參數(shù)Table 3 Fit extraction curve parameters of 10 key aroma compounds

圖3 10種關(guān)鍵揮發(fā)性化合物的萃取動力學曲線Fig.3 Extraction kinetic curves of 10 key volatile compounds

以淺度烘焙咖啡為例，2-甲基吡嗪的a值（0.3121）最高，b值（0.2316）最低，表示其初期萃取速率最高，而隨著萃取杯量的增加，萃取速率快速下降；β-大馬酮的a值（0.0278）最低，b值（0.7056）最高，表示雖然其初期萃取速率不高，但在連續(xù)萃取過程中，其萃取速率下降緩慢。比較二者接近萃取終點時所需杯量發(fā)現(xiàn)，同樣達到90%的萃取率，2-甲基吡嗪所需杯量比β-大馬酮少40 g左右。

對不同烘焙程度同一物質(zhì)的a、b值進行分析，a值整體表現(xiàn)為中度烘焙≈淺度烘焙＞深度烘焙，而b值與之相反。以2-乙基-6-甲基吡嗪為例，其a值在淺度、中度和深度烘焙咖啡中分別為0.1564、0.1656、0.0490，淺度和中度烘焙咖啡中化合物的初期萃取率遠高于深度烘焙咖啡；而其b值在淺度和中度烘焙中分別為0.3662、0.3536，相差較小，但均小于深度烘焙（0.5952）。綜上，a值越大，b值越小，相同杯量下的萃取率越高，而各化合物的a、b值可能與其極性有關(guān)。

2.4 關(guān)鍵香氣化合物的萃取動力學與化合物極性的相關(guān)性

對萃取動力學分析時，發(fā)現(xiàn)極性較強的香氣化合物具有較高的a值，弱極性化合物則具有較高的b值。將萃取動力學擬合參數(shù)與各化合物極性的對數(shù)lg P進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)（見表4），萃取速率與物質(zhì)極性顯著相關(guān)（P＜0.01）。連續(xù)萃取初期，lg P與物質(zhì)萃取速率呈顯著負相關(guān)（P＜0.01），即lg P越大，物質(zhì)極性越弱，則萃取速率越??；隨著萃取杯量的上升，lg P與物質(zhì)萃取速率的下降速率呈顯著正相關(guān)（P＜0.01），即物質(zhì)極性越強，萃取速率下降越快。據(jù)此推論，在意式濃縮咖啡恒壓連續(xù)萃取進程中，物質(zhì)極性的強弱可能是影響咖啡香氣化合物萃取速率的重要因素之一。實驗采用的是恒定壓力萃取，當萃取物理參數(shù)發(fā)生變化時，具體的萃取動力學參數(shù)也可能發(fā)生改變。

表4 擬合萃取曲線參數(shù)與lg P的相關(guān)性Table 4 Correlation coefficient between fitting extraction curve parameters and lg P

由圖4可知，連續(xù)萃取過程中，隨著萃取杯量的增加，強極性物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)降低，而弱極性物質(zhì)則更多地被萃取出來，咖啡液的香氣平衡呈動態(tài)變化，與Mestdagh等的結(jié)論一致[38]。當萃取杯量為10 g時，萃取液內(nèi)中強極性的物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)較高，約為80%，且在不同烘焙程度中呈現(xiàn)的規(guī)律一致；隨著萃取杯量增加至160 g時，弱極性物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)由20%增加至30%左右。

圖4 咖啡萃取過程中不同極性香氣化合物組成的變化Fig.4 Changes in the composition of aroma compounds with different polarities during coffee extraction

2.5 咖啡液香氣平衡的動態(tài)變化

由關(guān)鍵香氣化合物的絕對量在萃取過程中的動態(tài)變化規(guī)律可知，不同化合物對咖啡整體香氣的貢獻并非正向，其絕對量更多地取決于其香氣活度值（ROAV），即該化合物在樣品中的濃度與閾值的比值，只有當ROAV≥1時，該化合物才會對整體風味有一定程度的貢獻[43]。就咖啡液中的香氣化合物而言，弱極性物質(zhì)4-乙烯基-2-甲氧基苯酚和β-大馬酮雖然萃取初期因萃取速率較低而導致含量不高，但因其閾值極低，導致ROAV遠高于強極性關(guān)鍵香氣化合物，故無需增大萃取杯量即可獲得弱極性物質(zhì)對整體香氣的足夠貢獻。

其余8種強極性和中等極性的關(guān)鍵香氣化合物的ROAV隨萃取杯量的動態(tài)變化趨勢見圖5。8種化合物的ROAV均＞1，其中ROAV最高的4種化合物次序為2，6-二乙基吡嗪＞2-乙基-6-甲基吡嗪＞2-甲基吡嗪＞5-甲基呋喃醛。雖然呋喃類物質(zhì)在香氣物質(zhì)總量中占比較高，但在對關(guān)鍵化合物的ROAV分析中發(fā)現(xiàn)吡嗪類物質(zhì)的貢獻更大。且對不同烘焙程度的關(guān)鍵化合物ROAV分析可知，中度烘焙可獲得最豐富的香氣，與Schenker等的結(jié)論一致[2]。8種關(guān)鍵化合物的ROAV均在萃取杯量為10 g時最高，此時萃取液香氣濃度最大；隨著萃取杯量增加，雖然更多的香氣物質(zhì)被萃取出來，但因為杯量增加而帶來的稀釋作用導致ROAV逐漸下降。以2，6-二乙基吡嗪為例，萃取杯量由10 g增加至20 g的過程中，ROAV降低幅度最大；當萃取杯量為30～40 g時，淺度和中度烘焙的ROAV分別下降了24.63%和21.93%，遠高于萃取杯量為20～30 g時的10.71%和16.08%；而深度烘焙咖啡液的ROAV下降幅度不如淺度和中度明顯，20～30、30～40 g的ROAV僅分別下降了6.72%和8.02%。綜上，3種烘焙程度咖啡在萃取杯量增加時香氣濃度均下降，但在淺度和中度烘焙咖啡中香氣在30～40 g萃取區(qū)間被稀釋程度大于深度烘焙咖啡，故應根據(jù)不同烘焙程度，在金杯萃取率的區(qū)間內(nèi)，調(diào)整萃取終點，即淺度和中度烘焙咖啡可適當減少萃取杯量（30～40 g），深焙咖啡可適當增加萃取杯量（40～50 g）。

圖5 不同烘焙程度咖啡液關(guān)鍵化合物的香氣活度值Fig.5 Odor activity values of key aroma compounds in coffee brews with different roasting degrees

3 結(jié)語

以危地馬拉咖啡豆為對象，采用頂空固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用法結(jié)合電子鼻研究了咖啡液的香氣在連續(xù)萃取過程中的變化規(guī)律。結(jié)果顯示，咖啡中香氣化合物萃取速率的動態(tài)變化規(guī)律與特定化合物的極性顯著相關(guān)（P＜0.01），強極性化合物具有更高的初期萃取速率；而弱極性化合物的萃取進程更近似于線性。連續(xù)萃取過程中關(guān)鍵化合物的ROAV變化規(guī)律表明，淺度和中度烘焙咖啡中關(guān)鍵化合物的ROAV在萃取杯量達30～40 g后顯著下降，而深度烘焙咖啡的ROAV在0～60 g萃取過程中下降幅度均小于淺度、中度烘焙咖啡。故在金杯萃取區(qū)間內(nèi)針對不同烘焙程度的咖啡提出推薦的萃取杯量：淺度和中度烘焙30～40 g，深度烘焙40～50 g。該研究系統(tǒng)分析了恒溫恒壓下不同極性氣味化合物的萃取動力學，可進一步結(jié)合萃取過程中滋味化合物的萃取動力學及感官分析，為制備風格差異化的高品質(zhì)咖啡提供更全面的理論指導。