基于HS-GC-IMS对8种咖啡豆烘焙前后挥发性有机物成分分析

王燕华，王晓婷，龚加顺，刘华戎，谭超

（云南农业大学 食品科学技术学院，云南 昆明 650201）

咖啡豆是用于制作咖啡的植物果实，目前主要分为阿拉比卡豆（Coffee Arabica）与罗布斯塔豆（Coffee Robusta Linden）。评价咖啡豆品质的高低，主要由咖啡竞赛组织（Cup of Excellence，COE）和美国精品咖啡协会（Specialty Coffee Association of America，SCAA）杯测评判。咖啡豆风味是其中一个重要的评判指标，主要由挥发性有机物成分（volatile organic compounds，VOCs）和非挥发性呈味成分两部分组成[1]。VOCs主要影响咖啡杯测指标中干香和湿香的评价。咖啡风味受地理位置、品种、气候条件、加工方法、烘焙过程和制备方法等诸多因素的影响，其中最具代表性的因素是咖啡的产地及品种，因此本文选取8种全球咖啡豆产区的经典品种作为研究对象。随着气质联用技术的发展，咖啡豆VOCs的研究变得活跃。目前已有许多关于咖啡豆中VOCs的研究，烘焙咖啡豆中常见的VOCs包括：呋喃、吡嗪、酮、醛、酯、吡咯、酚、吡啶、含硫化合物等[2]。这些VOCs的形成是在咖啡烘焙过程中化合物间产生复杂的Strecker降解和美拉德反应所致[3]。国外对VOCs检测的技术主要有固相微萃取-气相色谱-质谱法（solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry，SPME-GC-MS）、全二维气相色谱-飞行时间质谱法（two-dimensional gas chromatography-timeof-flight mass spectrometry，GC×GC-TOF-MS）、气相色谱-嗅味法（gas chromatography-olfactometry，GC-O）等技术[4-7]。而采用顶空气相色谱-离子迁移谱法（headspace-gas chromatography-ion mobility spectrometer，HS-GC-IMS）对咖啡VOCs的研究较少。HS-GC-IMS是一种高分辨率、高灵敏度、分析高效、操作简便的气体快检技术[8-10]。样品不需前处理，通过顶空进样快速捕捉样品中痕量VOCs信息（检出限低至μg/m3级别或ng/m3级别）形成指纹图谱，用于鉴别样品的真伪、新鲜度、货架期、品种品质区分等。HS-GC-IMS技术基于物质气相保留指数（RI）和迁移时间（Dt）二维交叉定性，通过与保留数据库NIST和漂移时间数据库进行比对，使得化合物定性更加准确。目前图谱库中包含数据库中的322种化合物。该技术主要应用在毒品[11]、肉类[12]、啤酒[13]、橄榄油[14]等领域。应用在咖啡豆的VOCs风味分析中的研究较少。本文利用HS-GC-IMS技术研究不同咖啡豆样品烘焙前后VOCs的变化共性、差异及其规律，为咖啡豆风味形成与转化研究提供理论依据和数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

选取8种咖啡豆样品均为全水洗豆，包含咖啡生豆和咖啡烘焙豆共16个。2018产季云南保山潞江坝高晟庄园A卡蒂姆咖啡豆（1-生豆，1R-烘焙豆）；2017产季巴西咖啡豆（2-生豆，2R-烘焙豆）；2018产季哥伦比亚慧兰咖啡豆（3-生豆，3R-烘焙豆）；2018产季苏门答腊多巴湖曼特宁G1咖啡豆（4-生豆，4R-烘焙豆）；2017产季肯尼亚尼耶利AA咖啡豆（5-生豆，5R-烘焙豆）；2017产季危地马拉咖啡豆（6-生豆，6R-烘焙豆）；2018产季埃塞俄比亚沃卡-耶加雪菲咖啡豆（7-生豆，7R-烘焙豆）；2018产季布隆迪AA咖啡豆（8-生豆，8R-烘焙豆）；试验用水全部为超纯水。

1.1.2 仪器

SANTOKER R500E烘焙机：北京三豆客科技有限公司；HS-GC-IMS[配有CTC自动顶空进样器、Laboratory Analytical Viewer（LAV）分析软件及 GC×IMS Library Search Software定性软件]：德国G.A.S公司。

1.2 方法

1.2.1 烘焙咖啡豆的制备

采用SANTOKER R500E烘焙机对咖啡生豆进行烘焙。气源是液化石油气，火力是0.5 kPa，风门4，转速为60 r/min。烘焙生豆质量约500 g，入豆温度180℃～190℃，烘焙时间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条件：1g样品于20mL顶空进样瓶中，40℃孵化20 min，经顶空进样200 μL用气相离子迁移谱仪进行测试。载气N2（纯度≥99.999%），进样针温度45℃，色谱柱 FS-SE-54-CB-1（15 m×0.53 mm，1 μm），载气流量程序为 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条件：漂移管长度98 mm；管内线性电压500 V/cm；漂移管温度 45℃；漂移气 N2（纯度≥99.999%）；漂移气流速150 mL/min；放射源为β射线（氚，3H）；离子化模式为正离子。

1.3 数据处理

经 Laboratory Analytical Viewer（LAV）和 GC×IMS Library Search Software软件分析得出样品中VOCs的差异谱图，并建立匹配矩阵，利用NIST数据库和IMS数据库对物质定性分析。采用TBtools v1.05进行聚类热图分析，其它统计图采用Origin 2019b制作。

2 结果与分析

2.1 8种咖啡样品烘焙前后VOCs变化

8种咖啡样品烘焙前后VOCs变化聚类热图见图1。

图1 8种咖啡样品烘焙前后VOCs变化聚类热图Fig.1 Cluster heat map of VOCs variation before and after roasted of 8 kinds coffee samples

咖啡豆中约含700种～850种风味物质[15-16]。利用HS-GC-IMS分析了16个咖啡豆样品的VOCs，从中筛选出122个信号峰。目前图谱库中包含数据库中的322种化合物，由图1可知，通过与数据库进行比照识别出42个VOCs，其中包含9个醇类、9个醛类、9个酯类、7个酮类、3个酸类、2个醚类、2个呋喃类、1个吡嗪类。对比不同咖啡样品烘焙前后VOCs变化聚类热图，可以看出不同咖啡生豆间或不同咖啡烘焙豆间VOCs存在一定差异性，咖啡生豆之间丙酮、异戊醛、乙酸甲酯、壬醛、乙酸丁酯、异戊酸、甲基-2-甲基丁酸甲酯、乙酸丙酯、二甲基硫醚、异丁醇、乙偶姻、2-丙醇等VOCs在不同咖啡样品之间具有差异。咖啡烘焙豆之间2-甲基丁醛、壬醛、己醛、甲基-2-甲基丁酸甲酯、1，8-桉叶素、丙烯酸乙酯等VOCs在不同咖啡样品之间具有差异。

咖啡豆烘焙前后VOCs变化明显，根据聚类热图可以明显区分咖啡生豆和咖啡烘焙豆两大类。其中γ-丁内酯、糠醇、甲基丙醛、异丙醛、3-甲基丁醇、2-戊酮、乙基呋喃、2-丁酮等烘焙后含量明显增加。咖啡生豆中VOCs检出量为17 578.92，烘焙后为49 303.03，烘焙后VOCs成分比烘焙前增加180.47%。

2.2 咖啡生豆与烘焙豆VOCs相对含量变化

咖啡生豆与烘焙豆VOCs相对含量变化见图2。

图2 咖啡生豆与烘焙豆VOCs相对含量变化Fig.2 Changes of VOCs relative content in raw and roasted coffee beans

由图2可知，所检咖啡生豆中醇类、酯类、醛类含量占VOCs总量的前三。醇类相对含量为34.90%，酯类为23.00%，醛类为16.11%，酮类为12.25%，醚类为9.33%，酸类为3.28%，吡嗪类为0.71%，呋喃类为0.42%。所检咖啡烘焙豆中醇、酮、酯类含量占VOCs总量的前三。醇类相对含量为23.61%，酮类为22.29%，酯类为18.74%，醛类为13.32%，呋喃类为9.66%，醚类为5.11%，吡嗪为4.49%，酸类为2.77%。从变化情况看咖啡豆烘焙后呋喃、吡嗪、酮类增加，酸类、醛类、酯类、醇类、醚类相对含量减少。李娜等[17]利用热脱附GC-MS研究发现罗布斯塔烘焙咖啡豆中吡嗪含量最高，其次为醇类和醛类。而李妙清等[18]利用热脱附GC-MS研究发现哥伦比亚咖啡豆VOCs中呋喃含量最高，其次为吡嗪和吡啶。于淼等[19]利用HS-SPME/GC-MS研究发现海南兴隆地区咖啡豆VOCs中吡嗪含量最高，其次为呋喃类和酸类。研究结果之间的差异性可能与咖啡豆品种及检测方法不同有关。

咖啡生豆与烘焙豆VOCs平均相对含量变化箱形图见图3。

图3 咖啡生豆与烘焙豆VOCs平均相对含量变化箱形图Fig.3 Box diagram of VOCs average relative content in raw and roasted coffee beans

由图3可以看出，HS-GC-IMS检出的VOCs中包含吡嗪类、醇类、呋喃类、醚类、醛类、酸类、酮类和酯类物质。吡嗪类化合物使咖啡类具有榛子、巧克力和咖啡气味[20]，咖啡生豆中吡嗪类含量较少，烘焙后咖啡豆中吡嗪类增加532.39%。醇类化合物在咖啡中呈现清香、木香等特征，烘焙后醇类降低32.35%。呋喃类化合物具有坚果、焦糖、蜂蜜、奶油、杏仁的甜味[21-23]，主要由糖类和氨基酸在高温下反应生成[24]，与吡嗪类相同在咖啡生豆中含量较少，但烘焙后迅速增加2 200%。董文江等[25]研究表明呋喃类含量随着烘焙度的增加而增加，呋喃类物质是咖啡烘烤过程中主要VOCs成分之一。呋喃类和吡嗪类化合物是在烘焙过程中发生焦糖化和美拉德反应的中期产物，因此在咖啡生豆中含量较少，烘焙后迅速增加[26-27]。醚类化合物在咖啡中呈现腐臭和奶油味，在烘焙后降低45.23%。醛类化合物在咖啡中呈现奶油气味，一些则呈现尖刺青草香，如异戊醛[28]。烘焙后醛类降低17.32%。挥发性酸类化合物对咖啡酸度起到重要调节作用，烘焙后降低15.55%。酮类化合物提供奶香、爆米花香和酮甜，烘焙后增加82.03%。咖啡中酯类化合物能够使咖啡呈现果香味[29]，这类化合物大多属于热敏性化合物，在烘焙过程中易受温度影响而丧失，烘焙后酯类降低18.52%。

2.3 咖啡烘焙前后各种特征风味物质相对变化情况

烘焙前后咖啡VOCs变化情况见图4。

图4 烘焙前后咖啡VOCs变化情况Fig.4 Changes in coffee VOCs before and after roasting

烘焙后咖啡VOCs含量增加的有30个，减少的有12个，且增加的总量明显大于减少的总量。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-丁内酯[30]、具有坚果烟熏味的2-乙酰基呋喃、具有薄荷味的丙酮、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减少。酸香也是咖啡豆重要的VOCs指标之一。通过HSGC-IMS检出咖啡中的挥发性酸类包括乙酸、异戊酸和丁酸，乙酸具有刺激性辛辣气味，是烘焙咖啡酸香的重要物质，浓度过高易造成尖酸味，咖啡豆烘焙后相对变化量增加明显。异戊酸赋予咖啡酸味，而丁酸赋予咖啡酸奶酸味，在咖啡豆烘焙后异戊酸和丁酸相对变化量增加不大。这些VOCs复杂的增减变化赋予烘焙咖啡特殊风味。由于未进行气味化合物含量标定，因此无法结合气味活力值（odor activity values，OAV）分析得出这些VOCs在咖啡豆中的贡献。咖啡豆中VOCs复杂并非由几种化合物所决定。VOCs之间的相互作用、气味阈值及感受者个体差异等因素影响着对咖啡气味的感受。

3 结论

利用HS-GC-IMS对8种咖啡样品烘焙前后VOCs进行分析。鉴定出42个VOCs，包含9个醇类、9个醛类、9个酯类、7个酮类、3个酸类、2个呋喃类、2个醚类、1个吡嗪类。烘焙后总VOCs比烘焙前增加180.47%，其中呋喃类增加2 200%，吡嗪类增加532.39%，酮类增加82.03%，醚类降低45.23%，醇类降低32.35%，酯类降低18.52%，醛类降低17.32%，挥发性酸类降低15.55%。烘焙后咖啡中糠醇、γ-丁内酯、2-乙酰基呋喃等化合物大量增加，而乙醇、二甲基硫醚、乙酸丙酯、乙酸丁酯等化合物减少，使烘焙后的咖啡表现出复杂的气味。