張枝潤 ，馬關潤，杜 萍，孫 卉 ，郭鐵英，白學慧 ，蘇琳琳*

（1.云南省德宏熱帶農(nóng)業(yè)科學研究所，云南德宏 678600；2.云南省分析測試研究中心，昆明 650000）

生咖啡豆的香氣并不突出，但經(jīng)過烘焙后發(fā)生一系列的化學反應，賦予了咖啡獨特的風味，深深地吸引著消費者。據(jù)文獻報道，咖啡品種與種植環(huán)境顯著影響咖啡豆發(fā)育過程中積累的生化成分和品質［1-2］，同時配合不同的加工手段，咖啡風味和品質呈多樣性［3-4］。王燕華等［5］利用HS -GC -IMS 對不同產(chǎn)區(qū)咖啡豆烘焙前后的VOCs（Volatile Organic Compounds）進行分析，發(fā)現(xiàn)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%。尤其是糠醇、γ-丁內(nèi)酯、2-乙?；秽然衔锎罅吭黾?，而乙醇、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)出復雜的氣味。張豐等［6］對云南不同地區(qū)烘焙咖啡豆揮發(fā)性成分的HS-SPME/GC-MS 分析，鑒定出65 種揮發(fā)性物質,其中呋喃類物質含量最高，硫化物和呋喃酮類物質含量較少。

目前已報道的咖啡香氣成分在800 種以上，多為含氧、含氮和含硫的雜環(huán)化化合物如呋喃、吡啶、噻吩、吡咯、萜烯、醛類和酚類等［7］。國內(nèi)外關于咖啡香氣成分的研究已有200 多年的歷史，早期主要集中在咖啡風味物質的分離和鑒定，目的是防止和延緩焙炒咖啡豆風味物質變化；氣相色譜出現(xiàn)后，微量的揮發(fā)性成分陸續(xù)被鑒別出來，生豆和烘焙豆間香氣成分的相關性及新的風味物質發(fā)現(xiàn)成為關注點。近年來,頂空固相微萃取氣相色譜-質譜（HS-SPME/GC-MS）和頂空氣相色譜離子遷移色譜（HS-GC-IMS）技術廣泛運用于咖啡香氣成分的表征［8-11］。這些檢測技術能高效、簡便、準確、靈敏的對咖啡的揮發(fā)性成分進行定量和定性分析，再結合對呈香分子的分析更能系統(tǒng)地對咖啡中的揮發(fā)性成分進行研究，為后期的風味感官評價積累更多的基礎數(shù)據(jù)。由此可見，為了更全面地挖掘咖啡的揮發(fā)性成分并對咖啡中揮發(fā)性成分的呈香分子進行表征，針對不同產(chǎn)區(qū)和品種烘焙豆的呈香分子相關性分析是十分有必要的。本文通過感官評定和HSSPME/GC-MS 對5 個小粒種咖啡品系的咖啡豆揮發(fā)性成分進行差異聚類和主成分分析，探究不同咖啡品種的揮發(fā)性成分及香氣分子的相關性，為后期不同咖啡品種的綜合利用和推廣提供依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料和方法

1.1 材料和儀器

1.1.1 實驗材料

咖啡豆采自云南德宏和保山800 m 海拔區(qū)域種植的5 個咖啡品種（芒市地區(qū)薩奇姆系列樣品編號為：DTARI 390-M、DTARI 399-M、DTARI 402-M，卡蒂姆系列樣品編號為：DTARI 155-M，7963-M；保山地區(qū)薩奇姆系列樣品編號為：DTARI 390-B、DTARI 399-B、DTARI 402-B；卡蒂姆系列的樣品編號為：DTARI 155-B、7963-B）。脫皮后，在廣口發(fā)酵桶中加入自來水剛好沒過帶膠豆，室溫下發(fā)酵24 h ，洗凈膠質，清水浸泡12 h，去水，晾曬，水分11%左右脫殼，分級篩選，抽真空密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.1.2 實驗儀器

Agilent 安捷倫氣相-質譜儀（GC-MS 5977B）；GEHAKA 咖啡水分測定儀（G600i）；12～18 目 Pin-HALENSE 咖啡分選篩；PROBAT 咖啡豆烘焙機（WERKE BRZ 2）；PinHALENSE 研 磨 機（ML-1NAX）；PROBAT 測色儀（COLORETTE 3B）。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備

采用Probat 樣品機進行樣品烘焙。烘焙參數(shù)：火力為7，風門為2，轉速60 r/min，生豆量為100 g，入豆溫 165℃，烘焙時間 12 min 左右，中深度烘焙，失水率12%～15%，取30 g 樣品研磨，測定色度。烘焙豆密封保存，備用。

檢測前對樣品進行研磨。研磨要求：70%～75%的顆粒通過孔徑為0.85 mm 的咖啡杯測校準網(wǎng)篩。

1.2.2 HS-SPME/GC-MS 分析條件

HS－SPME：PAL3 進樣器，稱取樣品粉末2.0 g，于20 mL 樣品瓶中，加密封蓋，進樣器內(nèi)加熱振蕩，加熱時間20 min，加熱溫度 60 ℃，纖維頭DVB/C WR 80 μm，black；纖 維 頭 老 化 站 溫 度250℃，老化時間2 min；樣品解析時間2 min，老化時間2 min。

GC-MS 條件：色譜柱（Agilent 19091 N-136，60 m×250 μm×0.25 μm，安捷倫，HP-INNOWax）；程序升溫條件：45℃（1 min）-50℃（4℃/min）-120℃（2 min，4℃/min）-200℃（2 min，15℃/min）-260℃（9 min）；載氣為氦氣，分流比1∶1，分流流量 10 mL/min；

MS 離子源溫度230℃；四極桿150℃。質譜條件: 接口溫度為250℃，離子源溫度為230℃，電子能量為70 eV，掃描范圍為40～450 m/z。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

通過與 NIST 08 譜庫比對，選擇匹配度大于80 的化合物，化合物與文獻對照，完成對揮發(fā)性物質的呈香性分析。采用峰面積歸一化法進行定量分析。對樣品的不同類型的揮發(fā)性成分進行聚類分析，探究不同品種間的相關性；對樣品間呈香分子的組成及含量進行主成分分析，探究香氣分子與品種的相關性。采用Origin 9.8 進行聚類分析和主成分分析的圖譜處理

2 結果與分析

2.1 揮發(fā)性成分

采用HS-SPME/GC-MS 技術對德宏芒市和保山潞江壩試驗地內(nèi)的3 個咖啡薩奇姆系列品種（DTARI 390，399，402）與卡蒂姆系列品種（DTARI 155、7963）咖啡豆中的揮發(fā)性物質進行檢測，結果見表1。共鑒定出化合物78 種，采用峰面積歸一法，已鑒定成分含量均在80%以上。

表1 樣品化合物揮發(fā)性組分測定結果 %

續(xù)表1 樣品化合物揮發(fā)性組分測定結果 %

DTARI 390-M 鑒定出 59 種，相對含量為85.11%，主要以吡嗪類為主，呋喃類和酚類的相對含量占比也較高，其中N-甲基吡咯為特有；DTARI 399-M 鑒定出65 種，相對含量為84.91%，以吡嗪類為主，醇類、酚類顯著低于其他樣品。DTARI 402-M 鑒定出59 種，相對含量為89.14%，以吡嗪類為主，相對含量為檢測樣品中最高。

DTARI 155-M 鑒定出 63 種，相對含量為89.86%，其中醛類相對含量為檢測樣品中最高；卡蒂姆7963-M 鑒定出60 種，相對含量為86.63%，其中酚類相對含量為檢測樣品中最低。DTARI 390-B 鑒定出60 種，相對含量為88.31%，各組分含量相對均衡，其中呋喃類相對含量為檢測樣品中最高；DTARI 399-B 鑒定出58 種，相對含量為86.49%，其中醇類相對含量為檢測樣品中最高；DTARI 402-B 鑒定出 58 種，相對含量為 87.32%，以吡嗪為主；DTARI 155-B 鑒定出63 種，相對含量為89.74%，其中以酮類為主，吡嗪相對含量為檢測樣品中低。

卡蒂姆7963-B 鑒定出55 種，相對含量為83.82%；酮類相對含量為檢測樣品中低。樣品中的VOCs 主要以吡嗪類為主，占總含量的21%～26%；其次為醇類、醛類和酮類，含量均在10%以上，酯類、呋喃類、吡啶類的含量相對較少，在5%左右，醚類的含量最少，均小于1%。其中40 種成分在不同樣品中均檢測到，分別為間甲酚、吡啶、2-甲基吡嗪、乙偶姻、2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪、2-乙基吡嗪、3-己醇、2,3-二甲基吡嗪、2-羥基-3-戊酮、1-羥基-2-丁酮、2-乙基-6-甲基吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪、2,3,5-三甲基吡嗪、醋酸、乙酰氧基-2-丙酮、糠醛、乙酸糠醇酯、2-乙?；秽?、1-乙酰氧基-2-丁酮、乙酸糠酯、5-甲基呋喃醛、5-甲基-2-乙?；秽-甲基-2-吡咯甲醛、2-乙?；拎?、4-羥基丁酸內(nèi)酯、糠醇、3-甲基丁酸、2-糠基-5-甲基呋喃、二甲基馬來酸酐、環(huán)戊烯、3,3-二甲基丙烯酸、3-甲基環(huán)戊烯醇酮、1-糠基吡咯、2-甲基-5-丙酰呋喃、乙基環(huán)戊烯醇酮、麥芽醇、二糠基醚、對乙烯基愈瘡木酚、咖啡因?？反肌⒓谆蚁┗拎?、2-呋喃基甲醇乙酸酯、醋酸、乙酰氧基-2-丙酮、糠醛、2-甲基吡嗪在樣品中的相對含量均較高。

2.2 揮發(fā)性成分聚類分析

對樣品的不同組分間相對含量進行統(tǒng)計分析（圖1），聚類分析顯示保山和芒市卡蒂姆7963組分含量相近，為一類；DTARI 399 組分含量相近，聚為一類，說明這兩個品種的揮發(fā)性成分的相關性較高，推斷這兩個品種的揮發(fā)性成分主要受品種本身特性影響，氣候對其香氣形成的影響相對較?。磺疫@兩個品種聚為第二類，可能是由于這兩個品種具有更高的親緣性。而品種DTARI 390 和155 在兩個產(chǎn)區(qū)的樣品能夠聚為一類，說明這兩個品種的香氣成分前體物質的形成受環(huán)境的影響比較大。同樣品種在不同的區(qū)域產(chǎn)生聚類，說明品種和種植環(huán)境對咖啡風味的形成具有重要的導向作用，在進行品種推廣時應結合品種與氣候環(huán)境間的相互關系，推薦適合的品種，最大限度地發(fā)揮咖啡品種本身的優(yōu)勢，因時因地選種優(yōu)質品種。

圖1 樣品揮發(fā)性成分聚類分析

2.3 呈香分子與風味特性分析

通過揮發(fā)性成分分析與查閱文獻對比，發(fā)現(xiàn)共有25 種成分與咖啡的香氣存在相關性（表2）。結果顯示，同一品種的咖啡香氣分子組分類型在芒市地區(qū)的要比保山的多1～2 種，而且呈香分子的相對含量相對較高。不同的香氣分子提供不同的香型特征，也賦予不同產(chǎn)區(qū)和品種不同的風味特征。

表2 樣品呈香分子香型分析

影響咖啡香氣特征的揮發(fā)性成分主要為醇類、酮類、醛類、吡嗪類和酸類等組分，糠醇、麥芽醇賦予咖啡柔和的焦糖、巧克力和草莓的香氣；糠醛、5-甲基呋喃醛賦予咖啡香甜、類似烤面包類的焙烤香氣；酮類分子賦予咖啡巧克力、可可、奶油、焦糖香，其中2,3-戊二酮為保山地區(qū)樣品特有，賦予該地區(qū)咖啡巧克力和奶油型風味，3-己酮為芒市地區(qū)樣品特有，賦予該地區(qū)咖啡醚香、葡萄和葡萄酒香氣。4-羥基-2,5-二甲基-3(2H)呋喃酮賦予了咖啡香甜的水果香氣，略焦糖底蘊，芒市地區(qū)樣品的含量高于保山的；吡嗪類化合物賦予咖啡堅果、榛子、炒花生、土豆等風味；酸性化合物主要為醋酸和壬酸，賦予咖啡淡脂肪和椰香，還略帶酒酯香［9-11］。此外，樣品中還有茶葉、香辛料、槭樹、啤酒風味。樣品香氣種類豐富。

2.4 香氣分子的主成分分析

通過對呈香物質組成的降維分析，探究品種、氣候類型與咖啡豆香氣的相關性。PCA 分值圖和載荷圖（圖2）顯示，PC1 和PC2 的主成分貢獻率分別為45.9%和20.1%。3-己酮、3-甲基丁酸、壬酸、麥芽醇等與芒市地區(qū)的樣品相關性高，2,3-戊二酮，2-乙?；量⒓谆h(huán)戊烯酮等保山地區(qū)的樣品相關性高。以上這些物質對樣品的產(chǎn)區(qū)分類貢獻較大，可以作為不同產(chǎn)區(qū)樣品分類的一個鑒別依據(jù)。吡嗪類和對羥基苯甲醛與兩個地區(qū)種植的卡蒂姆7963 的相關性高，該類物質可作為7963 品種鑒別的特征性化合物。

圖2 樣品呈香物質的PCA分子圖

3 結論與討論

本實驗采用HS-SPME/GC-MS 技術對云南德宏和保山兩個同海拔范圍內(nèi)栽培的5 個咖啡品種的烘焙豆進行揮發(fā)性成分的分析，鑒定出78 種揮發(fā)性成分，分別為酮類16 種，吡嗪類15 種，醇類6種，醛類 5 種，呋喃類 6 種，酸 5 種，酯 5 種，吡咯 5種，酚類3 種，其他醚類、烷等12 種，樣品中吡嗪類的相對含量均較高，酯的相對含量存在一定的地域性差異，保山地區(qū)樣品略高于芒市的樣品。同品種中，芒市樣品吡嗪類、酚類的相對含量高于保山。其中，糠醇、甲基乙烯基吡嗪、2-呋喃基甲醇乙酸酯、醋酸、乙酰氧基-2-丙酮、糠醛、2-甲基吡嗪在各樣品中的相對含量均比較高，但各組分在樣品間的含量存在差異。通過對樣品間VOCs 的對比分析，發(fā)現(xiàn)品種 7963 和 DTARI 399 的揮發(fā)性成分在不同氣候種植區(qū)的差異較小，說明地域對其VOCs 作用要小于品種自身基因的影響；DTARI 390 和DTARI 155 在同一個氣候條件下的VOCs 相關性高，說明這兩個品種的VOCs 含量與環(huán)境的相關性高。本研究進一步證實了咖啡品種和氣候對咖啡風味存在影響，并從化學計量的角度對其進行分析，為后期進行不同區(qū)域咖啡風味識別、新品種咖啡的種植區(qū)域優(yōu)選及新產(chǎn)品的開發(fā)提供了理論數(shù)據(jù)的支撐。