摘要： 采用Fourier變換紅外光譜對(duì)不同產(chǎn)區(qū)、 不同海拔的5組淺中烘焙的咖啡豆樣品進(jìn)行分析， 根據(jù)官能團(tuán)的紅外光譜特征峰分析樣品主要成分; 為進(jìn)一步分析5組樣品的成分差異， 對(duì)原始光譜進(jìn)行二階導(dǎo)數(shù)處理， 結(jié)合聚類分析理論建立平均偏離分析方法， 計(jì)算出5組樣品間的平均偏離大小并進(jìn)行分析. 結(jié)果表明： 5組樣品的紅外光譜特征峰峰形相似， 即主要成分相同； 根據(jù)紅外光譜得到平均偏離大小與產(chǎn)區(qū)海拔差值呈正相關(guān). 研究結(jié)果為分析咖啡豆產(chǎn)區(qū)和海拔提供鑒別依據(jù)， 并對(duì)紅外光譜研究提供一定參考.

關(guān)鍵詞： Fourier變換紅外光譜； 平均偏離法； 聚類分析； 咖啡豆

中圖分類號(hào)： O433.4" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A" 文章編號(hào)： 1671-5489（2024）04-0980-05

Analysis of Coffee Bean Components Based onFourier Transform Infrared Spectroscopy

YU Yue， HU Changcheng

（College of Physics， Jilin University， Changchun 130012， China）

Abstract： Fourier transform infrared spectroscopy was used to analyze five groups of light-roasted coffee bean samples from different producing areas and different alti

tudes. The main components of the samples were analyzed according to the infrared spectral characteristic peaks of functional groups. In order to further analyze the compositional differenc

es of the five groups of samples， the original spectra were subjected to second-order derivative processing. The average devi

ation analysis method was established based on the theory of cluster analysis， and the average deviation between the five groups of samples was calculated and a

nalyzed. The results show that the infrared spectral characteristic peaks of the five groups of samples have similar peak shap

es， that is， the main components are the same， the average deviation from the infrared spectrum is positively correlated with the altitude difference of the pr

oducing area. The research results provide identification basis for analyzing producing areas and the altitude of the coffee bean， and provide certain reference value for the study of infrared spectrum.

Keywords： Fourier transform infrared spectroscopy; mean deviation method; cluster analysis; coffee bean

咖啡豆經(jīng)烘焙磨粉可制作咖啡飲品， 它除了用作飲品， 還用于提取咖啡堿和咖啡油等， 在醫(yī)藥和食品加工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［1|4］. 牙買加、 巴西、 哥倫比亞和埃塞俄比亞等地為咖啡豆的主要產(chǎn)地［5］， 于1898年引入中國(guó)海南文昌開始種植， 目前咖啡產(chǎn)業(yè)在中國(guó)迎來了快速發(fā)展時(shí)期， 咖啡的品質(zhì)已引起人們廣泛關(guān)注. 研究表明， 咖啡豆的品種、 種植地的緯度和海拔對(duì)咖啡的品質(zhì)影響較大［6］.

目前， 針對(duì)咖啡的研究成果較多： 鮑一丹等［7］利用近紅外高光譜成像技術(shù)對(duì)咖啡豆的鑒別進(jìn)行了研究， 并建立了5種判別分析模型； 劉亞玲等［8］針對(duì)不同烘焙程度的咖啡豆， 利用熱裂解-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析其化學(xué)組成; 董盈紅［9］利用Fourier變換紅外光譜對(duì)保山小?？Х榷惯M(jìn)行了鑒別研究； 蒲泓君等［10］利用氣相色譜法對(duì)咖啡中硫丹及其代謝物農(nóng)藥殘留進(jìn)行了定性和定量檢測(cè).

紅外光譜分析法是鑒定化合物及其結(jié)構(gòu)的重要方法之一［11|14］， 通過觀察紅外吸收峰的位置可分析分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 確定化學(xué)基團(tuán)鑒別結(jié)構(gòu)組成， 并具有快速、 高效和簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)［15］. 利用光譜的指紋特性［16］， 人們?cè)趯?duì)各樣本的研究中發(fā)揮了重要作用， 并廣泛用于農(nóng)副產(chǎn)品分析以及作物種子生理研究［17］. 目前利用紅外光譜的研究十分廣泛， 例如文獻(xiàn)［18］利用中紅外梳狀Fourier變換紅外光譜觀測(cè)了碘甲烷ν4波段的譜線位置和強(qiáng)度； 文獻(xiàn)［19］利用Fourier變換角分辨反射光譜揭示了Inp平板型光子晶體的中紅外色散關(guān)系.

本文利用中紅外波段的Fourier變換紅外光譜進(jìn)行成分分析， 并根據(jù)聚類分析理論建立紅外光譜平均偏離法［20］， 利用該方法分析咖啡豆的產(chǎn)地信息， 從而為鑒別咖啡提供了參考方法， 并可用于其他農(nóng)作物或食品研究， 對(duì)紅外光譜在物理和化學(xué)領(lǐng)域的研究有一定的參考價(jià)值［21-26］.

1 測(cè)試方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件

設(shè)備： 德國(guó)布魯克公司VERTEX 80v型Fourier變換紅外光譜儀； 中紅外分束器的波數(shù)范圍為400～4 000 cm-1； 硫酸三甘肽晶體的紅外檢測(cè)器（DTGS檢測(cè)器）， 掃描次數(shù)為16次， 分辨率為4 cm-1； 英國(guó)Specac公司壓片機(jī)（光譜純溴化鉀）； 應(yīng)用光譜測(cè)定軟件（OPUS軟件）.條件： 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度20～26 ℃， 濕度為30%±5%.

1.2 樣品和制備

本文選擇來自不同產(chǎn)區(qū)的5組咖啡豆， 原材料的產(chǎn)區(qū)和海拔列于表1. 經(jīng)210～215 ℃淺中烘焙后研磨成粉末， 按質(zhì)量比為1∶150的比例與光譜純的溴化鉀均勻混合， 依次放入瑪瑙研缽中研磨， 將樣品置于壓片機(jī)上施加約1.5 t的壓力壓制成片［23］. 每組樣品測(cè)量3次， 扣除背景后取平均值， 并進(jìn)行歸一化處理.

2 結(jié)果與分析

2.1 5組不同產(chǎn)區(qū)咖啡豆的Fourier變換紅外光譜特征

分別測(cè)試5組來自不同產(chǎn)區(qū)咖啡豆的Fourier變換紅外吸收光譜， 對(duì)同一組樣品求平均值， 結(jié)果如圖1所示.

由圖1可見， 5組咖啡豆的光譜相似： 在3 435 cm-1附近有較強(qiáng)的吸收峰， 這是由于多糖和蛋白質(zhì)中的—OH和—NH2的伸縮振動(dòng)所致; 在2 925，2 858 cm-1附近有較強(qiáng)的吸收峰， 這是由于—CH2的對(duì)稱伸縮振動(dòng)和—CH3的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)所致， 歸屬為脂質(zhì)、 蛋白質(zhì)和碳水化合物； 在1 741 cm-1附近的吸收峰為鏈狀飽和羧酸酯的CO伸展振動(dòng)所致; 在1 654 cm-1附近的吸收峰為蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅱ帶的CO伸縮振動(dòng)和N—H伸縮振動(dòng)及蛋白質(zhì)CN伸縮振動(dòng)所致; 在1 500～1 200 cm-1內(nèi)的吸收峰為蛋白質(zhì)、 脂肪酸和多糖的混合振動(dòng)吸收區(qū)； 在1 251 cm-1附近為PO伸縮振動(dòng)或PO2-的不對(duì)稱拉伸振動(dòng)和酰胺Ⅲ的N—H和C—N的伸縮振動(dòng)吸收峰; 在1 161 cm-1附近的吸收峰為糖類C—O—C的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰. 當(dāng)σ=1 900～600 cm-1時(shí)， 5組咖啡豆的二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜如圖2所示. 由圖2可見， 5組不同產(chǎn)區(qū)的咖啡存在一定差別.

2.2 不同產(chǎn)區(qū)海拔咖啡豆平均偏離分析

將紅外光譜的橫坐標(biāo)波數(shù)和縱坐標(biāo)吸光度作為樣本的2個(gè)特征值進(jìn)行聚類分析， 可分析不同產(chǎn)區(qū)咖啡豆親疏遠(yuǎn)近， 采用聚類分析法中最常用的方法歐氏距離（簡(jiǎn)稱距離）進(jìn)行分析， 將x和y的歐氏距離定義為

D（x，y）=∑di=1‖xi-yi‖=∑dl=1xi-yi2，（1）

其中d為特征空間的維數(shù). 由式（1）可見， 樣本的相似度高低與歐氏距離成正比， 將2個(gè)不平行曲線x和y總的偏離距離分配到每個(gè)點(diǎn)上， 即

S=∑ni=1‖xi-yi‖，δ=Sn，（2）

平均偏離的表達(dá)式為

S=∑ni=1‖xi-yi‖，δ=∑Ni=1‖‖（xi-yi）‖-S/N‖N，（3）

其中xi和yi為2組光譜每個(gè)點(diǎn)的吸光度， S為2個(gè)紅外光譜間的整體偏離， δ為平均偏離.

根據(jù)公式（3）， 用Python編寫程序， 將Fourier變換光譜中每組數(shù)據(jù)經(jīng)平滑、 平均和歸一化處理， 導(dǎo)入編寫的平均偏離程序中， 得到不同樣本間的平均偏離大小， 5組咖啡豆間的平均偏離大小列于表2. 由表2可見， 平均偏離大小隨海拔差的增大而增大.海拔與平均偏離的關(guān)系如圖3所示. 由圖3可見， 第1組米納斯產(chǎn)區(qū)與第5組蕙蘭產(chǎn)區(qū)的光譜偏離距離最大， 相鄰產(chǎn)區(qū)均相對(duì)較小， 且平均偏離大小隨海拔差的增大而增大.將海拔和平均偏離大小經(jīng)線性擬合可見， 二者呈正相關(guān). 因此通過平均偏離大小可分析鑒別不同產(chǎn)地和海拔的咖啡豆.綜上， 本文用Fourier變換紅外光譜研究了5組不同產(chǎn)區(qū)的咖啡豆， 根據(jù)紅外光譜特征峰分析樣品的主要成分， 并建立了光譜平均偏離法. 結(jié)果表明： 5組樣品的主要成分相似， 平均偏離大小隨海拔差的增大而增大. 通過該方法可準(zhǔn)確分析咖啡的產(chǎn)地信息， 從而為鑒別咖啡提供了參考方法， 并可用于其他農(nóng)作物或食品研究， 對(duì)紅外光譜在物理和化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究有一定的參考價(jià)值.

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（責(zé)任編輯： 王 ?。?/p>