不同產地咖啡豆香氣成分分析

周斌，任洪濤（云南省香料研究開發中心，云南昆明650051）

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不同產地咖啡豆香氣成分分析

周斌，任洪濤*
（云南省香料研究開發中心，云南昆明650051）

摘要：分析了各地的16種烘焙咖啡豆的揮發性成分及其含量，研究了各地咖啡豆香氣成分的差異性。采用同時蒸餾萃取法提取各樣品的揮發性香氣成分，采用了氣相色譜-質譜聯用儀對咖啡中的揮發性成分進行了分析檢測，對數據進行了定性定量分析，應用SPSS19.0軟件對數據進行聚類分析和主成分分析。從數據分析可以看出，不同產地的咖啡在中度烘焙的條件下，香氣成分基本相似，含量較高的成分如：2-甲基吡嗪、糠醇、5-甲基呋喃醛、2-乙基-5-甲基吡嗪、2-乙基-3，5-二甲基吡嗪等，成分的含量有差別。經過聚類分析可以看出，用咖啡的揮發性香氣成分進行聚類分析可以反映不同產地咖啡香氣上的相似性。對咖啡的揮發性成分的主成分分析，提取的前5個主成分可以用來解釋咖啡的香氣品質。

關鍵詞：咖啡；揮發性成分；氣相色譜-質譜法；聚類分析；主成分分析

咖啡是茜草科常綠灌木或小喬木植物[1]。其產量、銷售量、消費量都居世界三大飲料植物之首。咖啡產于熱帶、亞熱帶的70多個國家和地區。咖啡生產主要集中在拉丁美洲、非洲、亞洲等熱帶發展中國家，如巴西、哥倫比亞、印度利西亞、埃塞俄比亞、越南等[2-3]。

世界各地生產的咖啡各有特點。如：巴西咖啡：適度的苦，輕柔的風味，奔放的熱帶口感，是混合咖啡絕佳的基底；哥倫比亞咖啡：圓滑的酸味和甜香，醇厚濃郁；曼特寧咖啡：香味沉淀厚重；云南小粒咖啡：濃而不苦，香而不烈、略帶果酸味等[4]。

對于咖啡揮發性香氣成分的研究國內較少，鐘科軍[5]等研究人員采用正己烷萃取法鑒定了咖啡香精中的21種化合物；詹家芬[6]等研究人員采用了超聲溶劑提取法以及同時蒸餾萃取法對老撾咖啡的揮發和半揮發成分進行了提取分析。國外對于咖啡香氣成分的研究較深，如：Ryan等[7]運用固相微萃取（SPME）技術中提取得到揮發性成分，然后運用二維氣行時間質譜（GC×GC-TOFMS）進行分析；Baggenstoss等[8]研究了咖啡豆烘焙過程中時間-溫度對芳香性成分形成的影響；Kumazawa等[9]采用氣相色譜-質譜法研究了咖啡豆烘焙前后的化學成分變化，鑒定了其中的8個化合物；ISABEL LO魧PEZ-GALILEA等[10]運用HS-SPME對咖啡香氣成分進行提取，用GC-MS和GC-O對于香氣成分進行分析。JOON-KWAN MOON[11]對咖啡不同烘焙程度的咖啡香氣成分進行了分析研究，等等。

在研究中對生產于世界各地的咖啡如：印度利西亞的曼特寧咖啡、哥倫比亞咖啡、肯尼亞咖啡、巴西咖啡等16種咖啡的香氣成分進行同時蒸餾萃取提取，采用GC-MS分析，運用數據統計分析軟件SPSS19.0對數據進行了主成分和聚類分析研究。

1材料與方法

1.1原料

1.1.1樣品及試劑

咖啡1（印尼曼特寧）、咖啡2（巴西咖啡）、咖啡3（云南小粒咖啡頂級圓豆）：云南印象莊園咖啡提供；咖啡4（illy咖啡，意大利）：意利咖啡商貿有限公司；咖啡5（摩卡綜合焙炒咖啡粉，日本）：UCC上島咖啡株式會社；咖啡6（拉瓦薩咖啡，意大利）、咖啡7（維也納小紅帽啡紅年華咖啡，奧地利）、咖啡8（精選咖啡豆摩卡風味）、咖啡9（精選咖啡豆巴西風味）、咖啡10（精選咖啡豆炭燒風味）、咖啡11（精選咖啡豆藍山風味）：麥德龍；咖啡12（精選曼特寧咖啡）、咖啡13（意大利調配咖啡）、咖啡14（哥倫比亞精選咖啡）、咖啡15（精選肯尼亞咖啡）、咖啡16（牙買加藍山調配咖啡）：極睿咖啡。

二氯甲烷（分析純）：上海試四赫維化工有限公司；無水硫酸鈉：北京化工廠國產；去離子水：云南農業大學香料所實驗室制。

1.1.2主要儀器設備

Agilent7890-5975c氣質聯用儀（Agilent 7890氣相色譜、Agilent 5975c質譜檢測器、Agilent sampler80CTC進樣器）：美國安捷倫公司；同時蒸餾萃取器：云南農業大學香料所實驗室制；R3旋轉蒸發儀：瑞士步琪公司。

1.2方法

1.2.1色譜方法

氣相毛細管柱為：HP-5MS 60 m×0.32 mm×0.25 μm彈性石英毛細管柱；載氣：氦氣；進樣口溫度：250℃；柱流速1 mL/min，進樣量1 μL；升溫程序：起始溫度50℃（保持5 min），按5℃/min升到250℃，保持10 min；分流比：25∶1。

1.2.2質譜方法

離子源：EI；氣質接口溫度：280℃；離子源溫度：230℃；四級桿溫度：150℃；電子倍增器電壓：1 894 V；電子能量：70 eV。

1.2.3樣品前處理方法

分別稱取30 g樣品用磨豆機進行研磨，放入同時蒸餾萃取器中，一邊加入300 mL蒸餾水，同時蒸餾萃取器的另一邊加入30 mL二氯甲烷，連續提取3 h，提取液經無水硫酸鈉脫水后，用旋轉蒸發儀精確濃縮至1 mL，得到樣品，保存于5℃的冰箱中直到用于GCMS分析。

1.2.4主成分分析和聚類分析方法

采用spss19.0軟件對數據進行處理。

2結果與討論

總離子流圖見圖1（以云南小粒咖啡頂級圓豆為例）。

圖1咖啡香氣成分總離子流圖Fig.1 GC-MS total ionic chromatogram of aroma components of coffee

利用GC-MS自帶的NIST譜圖庫檢索，一共確定了76個成分，運用峰面積百分歸一化法對各成分進行定量分析，結果見表1。

從表1中可以看出各地咖啡的揮發性香氣成分主體是大致相似的。可以看出，在檢出的76個成分中，含量較高的成分有：2-甲基四氫呋喃-3-酮、2-甲基吡嗪、糠醛、糠醇、2-乙酰呋喃、2-乙基吡嗪、2，3-二甲基吡嗪、5-甲基呋喃醛、苯酚、乙酸糠酯、2-乙基-5-甲基吡嗪、N-甲基-2-吡咯甲醛、2-乙酰吡咯、2-乙酰基-1-甲基吡咯、愈創木酚、苯乙醇等等。成分百分含量有差別。

以16個樣品中的含量大于0.5 %的33個揮發性成分百分含量為指標，采用平方歐式距離（Euclidean distance）為度量標準，以組間連接法為組群合并標準，采用spss19.0軟件進行了聚類分析，分析結果見圖2。

當閾值為5時，樣品可以分為9類；當閾值為10時，樣品被分為了5組，1組：4、8、3、7、13、1、9、11；二組：5、6、14、12；三組：15、16；四組：2；五組：10。從結果看出，用咖啡的揮發性成分為指標來對咖啡進行聚類分析可以在一定程度上反映這些地區咖啡香氣成分的相似性，該方法還需要進一步研究。

表1不同產地咖啡的主要香氣成分及其含量Table 1 The main aroma compounds and content of coffee from different habitats content

續表1不同產地咖啡的主要香氣成分及其含量Continue table 1 The main aroma compounds and content of coffee from different habitats content

圖2聚類圖Fig.2 Clustering figure

以16個樣品的33種含量大于0.5 %的主要香氣成分含量構成16×33的矩陣，利用SPSS19.0軟件進行主成分分析。選取了5個主成分，第一主成分方差貢獻率是27.164 %，第二主成分方差貢獻率是25.066 %，第三主成分方差貢獻率是13.23 %，第四主成分方差貢獻率是9.362 %，第五主成分方差貢獻率是6.336 %。第一主成分中特征向量較大的有：苯酚（0.921）、4-乙基-2-甲氧基苯酚（0.835）、愈創木酚（0.770）、3-甲基-2-乙基順式丁烯二酸酐（0.743）、2-乙基-5-甲基吡嗪（0.725）、乙酸糠酯（0.691）、2，3-二甲基吡嗪（0.625）、2-乙基-3，5-二甲基吡嗪（0.509）。這些揮發性香氣成分中苯酚類成分都具有強烈的烘烤氣息，強烈煙熏似香甜香氣，有略有草藥和苯酚氣味，而吡嗪類成分具有強烈的烘烤氣息，具有烤香，堅果香，爆玉米花，咖啡等香味特征。第二、三主成分中特征向量較大的是吡咯類，吡咯類中的2-乙酰基吡咯具有烤焦香，N-甲基-2-乙酰基吡咯具有咖啡的焦苦香，N-取代的羰基吡咯衍生物具有烤堅果的焦香氣味，及特征咖啡香。這個第一、二、三主成分可以基本反映出咖啡的香氣特征。而咖啡香氣成分中百分含量最大的成分糠醇（平均百分含量31 %）味苦辣，從主成分分析結果中看出對于主成分的特征向量貢獻很小。

3　結論

在研究中對16個地區的中度烘焙的咖啡進行了香氣成分分析，分析了76種揮發性成分。可以看出各地區的咖啡揮發性香氣成分基本相似，含量有差別。這主要是因為咖啡的香氣成分主要從咖啡的烘焙過程中產生，未烘焙的生咖啡豆是沒有任何香氣的，在烘焙過程中，主要發生了美拉德和焦糖化反應，產生了香氣揮發性成分。美拉德反應是羥基和氨基的反應，對于生咖啡豆來說，主要是蛋白質、氨基酸和糖的反應。生咖啡豆中這些成分有差別，但是差別不大，所以在經過烘焙過程時，發生的美拉德反應過程差別不大，即，美拉德反應的反應物一樣，在相同的條件下，反應產物也基本一樣。而含量和成分的差別主要是因為烘焙的程度不同，即反應程度不同。

對咖啡的香氣成分進行了聚類分析和主成分分析。通過聚類分析找到不同地區咖啡的相似性，通過主成分分析找到對咖啡香氣影響較大的成分。在聚類分析中，聚為一類的咖啡在香氣成分分析中有相似性，這要求樣品有代表性，這個研究將繼續進行。在主成分分析中，找到了對于咖啡香氣影響較大的成分如：苯酚類、吡嗪類、吡啶類。對于百分含量較大的成分如糠醇經過分析發現對于咖啡的香氣貢獻很小。

參考文獻：

[1]加菲.咖啡是一種樹[J].中外食品, 2007(2): 82

[2]朱永興,姜愛芹.咖啡、可可和茶的全球發展比較研究[J].茶葉科學,2010,30(6):493-500

[3]孫娟,熊惠波.世界咖啡產銷情況及中國咖啡產業發展分析[J].世界農業,2010(2):38-40

[4]周艷飛,陳治華.運轉產業鏈加快云南咖啡產業發展[J].中國熱帶農業,2010(5):27-30

[5]鐘科軍,魏萬之,郭方遒,等.GC—MS及主成分分析法用于咖啡香精的指紋圖譜分析和微差樣品的識別[J].分析實驗室,2006,25 (8):119-122

[6]詹家芬,陸舍銘,曲國福,等.老撾咖啡的揮發和半揮發性成分提取分析[J].食品研究與開發,2008,29(2):125-128

[7] Ryan D, Shellie R, Tranchida P, et al. Analysis of roasted coffee bean volatiles by using comprehensive two-dimensional gas chromatography-time-of-flight mass spectrometry[J]. Journal of Chromatogr A, 2004, 1054(1): 57-65

[8] Baggenstoss J, Poisson L, Kaegi R, et al. Coffee roasting and aroma formation: application of different time-temperature conditions[J]. J Agric Food Chem, 2008, 56(14): 5836-5846

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[10] ISABEL LO魧PEZ-GALILEA, NICOLE FOURNIER,CONCEPCIO魧N CID, et al. Changes in Headspace Volatile Concentrations of Coffee Brews Caused by the Roasting Process and the Brewing Procedure[J]. J Agric Food Chem, 2006, 54(22): 560-8566

[11] JOON-KWAN MOON , TAKAYUKI SHIBAMOTO. Role of Roasting Conditions in the Profile of Volatile Flavor Chemicals Formed from Coffee Beans[J]. J Agric Food Chem, 2009, 57(12): 823-5831

Analysis of Aroma Components of Coffee from Different Habitats

ZHOU Bin，REN Hong-tao*
（Yunnan Flavor&Fragrance Research&Development Center，Kunming 650051，Yunnan，China）

Abstract：16 kinds of baked coffee volatile components and its content were analyzed，and the difference between the coffee bean aroma components from different habitats was studied. The volatile aroma components of each sample were extracted by simultaneous distillation and extraction method. The volatile components in coffee were analyzed by gas chromatography-mass spectrometry. The data in this study were analyzed both quantitatively and qualitatively. The SPSS19.0 software was used for data clustering analysis and principal components analysis. From the data analysis，the aroma components of different habitats coffee in moderate baking are similar，high content of components such as：methyl-Pyrazine，2-Furanmethanol，5-methyl-2-Furancarboxaldehyde，2-ethyl-5-methyl- Pyrazine，2-ethyl-3，5-dimethyl-Pyrazine and so on.The content of the ingredients was different.We found using cluster analysis could reflect the similarity of volatile aroma components of the coffee from different habitats .According to results of principal component analysis，the extracted first 5 principal components could be used to explain the aroma quality of coffee.

Key words：coffee；volatile components；GC-MS；clustering analysis；principal component analysis

收稿日期：2014-09-26

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.02.032

*通信作者：任洪濤（1974—），男（漢），副研究員，學士，研究方向：香料化學。

作者簡介：周斌（1977—），男（漢），副研究員，碩士，研究方向：食品分析化學。

基金項目：云南省應用基礎研究計劃（2011FZ095）