不同烘焙強度對云南咖啡主要揮發香氣成分的影響

呂文佳，翟曉娜，楊剴舟，2，冷小京，*

（1.中國農業大學食品科學與營養工程學院/食品質量與安全北京實驗室，北京 100083；2.北京茱古拉咖啡有限公司，北京 100085）

不同烘焙強度對云南咖啡主要揮發香氣成分的影響

呂文佳1，翟曉娜1，楊剴舟1，2，冷小京1，*

（1.中國農業大學食品科學與營養工程學院/食品質量與安全北京實驗室，北京 100083；2.北京茱古拉咖啡有限公司，北京 100085）

以云南保山鐵比卡、卡蒂姆2個品種咖啡豆為原料，使用固相微萃取-氣相色質譜聯用的方法，測定在不同烘焙強度下，2種咖啡豆的主要揮發香氣成分，即吡啶、愈創木酚、2-甲基吡嗪、2，6-二甲基吡嗪、2-乙基-3，5-二甲基吡嗪、呋喃甲醇、5-甲基糠醛及麥芽酚的質量比變化；并使用掃描電鏡，觀察到咖啡豆內部多孔結構孔徑可隨烘焙強度的增強而變大，提高了香氣成分的揮發率。

云南咖啡；香氣成分；氣相色質譜聯用；掃描電鏡

編者按：風味是食品的重要品質，也是區分食品品種的關鍵指標。風味分析是開發食品和食用香精的重要基礎工作，也是鑒定食品品質、食用香精的關鍵技術，更是確定食品加工制造工藝和實現食品加工制造良好控制的基礎和核心，因此風味分析是食品科學領域研究的重點和熱點。本期選擇了涉及食品風味分析的3個重要方向的3篇研究論文，分別研究了云南保山鐵比卡、卡蒂姆2個品種咖啡豆在不同烘焙強度的香氣成分，鮮山楂果肉中的揮發性成分和蛋白酶酶解條斑紫菜為原料的熱反應紫菜香精的香氣成分的提取、分離及鑒定；探究了主要風味物質的變化規律。希望此方面的研究能為相關食品和食用香精產品開發、質量評估、生產加工等方面工作提供有益借鑒。（主持人：曹雁平教授）

咖啡原為國外傳統飲品，如今越來越受到國人的關注和喜愛。我國的咖啡產業正逐步發展，云南境內的保山、普洱、德宏等地，憑借其獨特的地理條件已經成為我國主要的咖啡豆出產基地［1］，核心種植品種有鐵比卡、卡蒂姆、黃波旁等。諸品種中的鐵比卡為埃塞俄比亞最古老的原生品種，風味表現較好，為精品咖啡的代表，而卡蒂姆產量高，耐葉銹病能力強，成為重要的商業用豆種［2］。

咖啡豆在烘焙加工過程中，所含成分如綠原酸、葫蘆巴堿、多糖、脂肪和蛋白質等物質會發生不同程度的美拉德、Strecker降解、焦糖化等化學反應，生成包括呋喃類、吡嗪類、吡啶類、吡咯類、醛酮類、硫化物、酚類和有機酸等揮發性呈香物質，形成咖啡的特征風味［3］。目前關于咖啡烘焙后所產生風味物質的數據，大多來源于對國外品種的研究，對云南地區品種的研究較少。因此，本文以云南保山鐵比卡和卡蒂姆2種代表性生豆為原料，通過不同時間溫度組合進行烘焙，并使用電鏡掃描追蹤微觀結構的變化，探究其主要風味物質的變化規律，為進一步優化咖啡烘焙加工工藝做準備。

1 材料及儀器

1.1 實驗材料

實驗中采用云南保山潞江鐵比卡咖啡生豆和卡蒂姆咖啡生豆，見表1。

表1 2種咖啡生豆產地信息、規格及處理方式Tab.1 Origin，size and processing method of coffee green beans

吡啶、愈創木酚、2-甲基吡嗪、2，6-二甲基吡嗪、2-乙基-3，5-二甲基吡嗪、呋喃甲醇、5-甲基糠醛、麥芽酚標品均購自Sigma-Aldrich（Milwaukee，WI）和Fluka（Buchs，Swizerland）公司，甲醇（色譜級）購于北京化學試劑廠。

1.2 實驗儀器及設備

GENE CAFé CBR-101型咖啡烘焙機，Genesis Co.Ltd.；R-220型日本小富士磨豆機，日本皇家株式會社；450-GC-220-MS型氣相色譜-質譜聯用儀，美國Varian公司；DB-WAX型石英毛細管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），美國Agilent公司；固相微萃取手柄及SPME萃取頭、75 μm二乙烯基苯/碳分子篩/聚二甲基硅氧烷（DVB/CAR/ PDMS）纖維柱，美國Supelco公司；分析天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；數控超聲波水浴鍋，昆山市超聲儀器有限公司；電熱恒溫鼓風干燥箱，上海博泰實驗設備有限公司；NH310型電腦數控色差儀，深圳三恩馳科技有限公司；JSM-6301F型場發射掃描電子顯微鏡，日本電子株式會社。

1.3 樣品制備

稱取100 g咖啡豆分別于160，180，200，220，250℃五個溫度下分別烘焙5，15，25 min，液氮冷卻后稱重，并置于-20℃下貯藏備用。

2 實驗方法

2.1 烘焙損失測定方法

烘焙后的咖啡豆用液氮冷卻，稱重，并計算烘焙損失。

式（1）中，A1為烘焙前質量，g；A2為烘焙后質量，g。

2.2 色差值測定法

將咖啡豆研磨成粉，研磨刻度為1號。取30 g咖啡粉于粉盒內，用色差計測量L值（亮度值）。每個樣品分別測量3次。

2.3 咖啡粉中的主要香氣成分測定方法

2.3.1 頂空固相微萃取

準確稱取0.1 g咖啡粉置于10 mL樣品瓶中，在70℃下平衡10 min。將固相微萃取裝置的萃取頭插入250℃的GC進樣口，老化30 min后插入裝有咖啡粉的樣品瓶中，于70℃下吸附20 min，吸附完成后將萃取頭插入GC-MS進樣口中，解吸10 min后取出。

2.3.2 有機溶劑萃取

準確稱取10 g咖啡粉，加入100 mL無水甲醇，超聲浸提30 min，過濾，定容至100 mL，加入無水Na2SO4脫水，之后過40 μm濾膜，用微量進樣器取2 μL濾液進樣至GC-MS進行分析。

2.3.3 氣相色譜-質譜儀條件

GC條件：載氣為氦氣，恒流流速1 mL/min。進樣方式：不分流進樣。升溫程序：溶劑延遲時間6 min，起始溫度44℃，以3℃/min速度上升至107℃，保持1 min，之后以3℃/min速度上升至155℃，隨后以20℃/min的速度上升至235℃。

MS條件：電子轟擊離子源，電子能量70 eV，離子源溫度250℃，進樣口溫度250℃，電子掃描質量范圍45～650 u。

2.3.4 主要香氣成分定性定量分析

香氣物質的定性分析：利用質譜全離子掃描圖譜，依據已有標樣的色譜保留時間和質譜信息、NIST檢索圖譜庫比對結果對咖啡中主要香氣成分進行定性分析。

香氣物質的定量分析：利用已有的標準化合物制備的標準曲線（質譜選擇離子掃描的峰面積/化合物的質量分數）對咖啡主要香氣成分進行定量分析。

2.3.5 主要香氣成分揮發率

式（2）中，B為某種香氣成分固相微萃取法測得質量比，μg/g；C為該香氣成分有機溶劑浸提法測得質量比，μg/g。

2.4 掃描電鏡觀察

將咖啡豆用液氮冷卻，敲擊使其自然斷裂成碎片，將碎片斷裂面朝上粘貼于樣品臺上，在鼓風干燥箱中105℃烘干1 h，置于離子濺射儀的樣品艙中噴金30 min。之后置于掃描電子顯微鏡下觀察其微觀結構。

2.5 數據處理

采用Origin 8.0對主要香氣成分含量進行數據處理，采用IMAGE J圖像處理軟件對電鏡照片中咖啡豆內部孔徑平均面積進行計算。

3 結果與分析

3.1 烘焙損失測定

2個品種在不同烘焙強度下的損失見圖1。從圖1可以看出，2個品種的咖啡豆的烘焙損失都隨著烘焙時間的延長及烘焙溫度的提高而提高?？Х壬怪兴仲|量分數為8%～13%［4］，多糖質量分數約為43%～45%，蔗糖質量分數約為6%～9%，蛋白質質量分數約占11%～13%，綠原酸質量分數約占5%～8%。在烘焙過程中，咖啡豆的水分首先受熱蒸發，隨后發生還原糖與氨基酸的美拉德反應，Strecker降解反應，多糖、綠原酸、葫蘆巴堿受熱分解等，生成大量的CO2及風味物質。烘焙損失主要是由于咖啡豆中水分的散失和CO2的逸出［5］。在160，180，200℃條件下，水分蒸發及化學反應速率較慢，烘焙損失較低，但當烘焙溫度升高至220和250℃時，烘焙損失迅速提高。說明在較高溫度下，咖啡豆內部化學反應速率更快，這與Franca等［5］的研究結果一致。

圖1 不同烘焙強度下的烘焙損失Fig.1 Roasting loss of coffee beans under different roasting strength

3.2 色差值測定

隨著烘焙溫度的提高和烘焙時間的延長，咖啡豆的顏色逐漸變深，由生豆的淡綠色變為黃褐色，再變成棕褐色，最后成為黑色。亮度值（L值）也隨著烘焙強度的提高而降低（L值=100表示白色，L值=0表示黑色，即L值越低，顏色越深）見圖2?？Х群姹哼^程中顏色的變化主要由美拉德反應產物和焦糖化反應引起?？Х榷怪械聂驶桶被衔锸軣岚l生美拉德反應，生成棕褐色的聚合大分子量終產物類黑精［6］；焦糖化是指糖類在高溫條件下發生降解，產物經聚合或縮合生成黏稠狀黑色或褐色物質的過程［7］。由圖2可以看出，隨著烘焙時間的延長及烘焙溫度的升高，美拉德產物類黑精及焦糖化產物逐漸積累，L值逐漸降低。圖2a中，鐵比卡的烘焙溫度分別為180，200，220℃時，當烘焙時間由5 min延長至15 min，L值分別由64.05降至54.50，59.95降至47.76，53.66降至40.46。圖2b中卡蒂姆的L值變化與鐵比卡類似，意味著烘焙時間的延長導致了類黑精含量的增加［8］。

3.3 主要香氣成分測定

咖啡中揮發性香氣成分引起的主要感官特性有烘烤味、煙熏味、堅果味和焦糖味，通過GC-MS得到的2種云南咖啡揮發性香氣成分中，呋喃甲醇具有烘烤味，吡啶、愈創木酚具有煙熏味，2-甲基吡嗪、2， 6-二甲基吡嗪和2-乙基-3，5-二甲基吡嗪具有堅果味，5-甲基糠醛和麥芽酚具有焦糖味［9］。

呋喃甲醇屬于呋喃類化合物，具有烘烤味，是咖啡香氣中較為重要的香氣成分。圖3為采用頂空固相微萃取測得的2種云南咖啡豆中呋喃甲醇的質量比變化。從圖3可以看出，烘焙時間為5 min時，隨著溫度的提高，2種咖啡豆中呋喃甲醇的質量比都顯著上升，分別由0.28，0.37 μg/g上升至19.87，18.50 μg/g。當烘焙時間延長為15，25 min時，隨著烘焙溫度的提高，呋喃甲醇的質量比先升高，在220℃時達到最大，隨后在250℃時迅速下降，這個現象與Moon等［9］的觀察結果一致。在烘焙過程中，咖啡生豆中的己糖和戊糖受熱分解形成呋喃甲醇，并不斷累積。但當溫度過高，烘焙時間過長時，前體物質含量逐漸減少，呋喃甲醇會在烘焙過中裂解形成CO2并逸出，含量因而減少［10］。

圖2 不同烘焙強度下咖啡豆的L值變化Fig.2 Evolution of lightness of coffee beans under different roasting strength

圖3 不同烘焙強度下咖啡豆中呋喃甲醇的質量比Fig.3 Concentration of furfuryl alcohol under different roasting strength

圖4和圖5分別為在不同烘焙強度下云南咖啡中吡啶和愈創木酚的質量比變化，這2種香氣成分都具有煙熏味。吡啶的前體物質為葫蘆巴堿［11］或羥基氨基酸［12］，而愈創木酚的形成是由于咖啡生豆中的綠原酸受熱分解形成4-乙烯基愈創木酚，進一步受熱后氧化脫羧生成愈創木酚和CO2［13］。從圖4、圖5中可以看出，除鐵比卡中的愈創木酚外（圖5a），當烘焙溫度較低，為160，180，200℃時，吡啶及愈創木酚的質量比較低，且延長烘焙時間對兩者的質量比并無顯著性提高；當烘焙溫度升高至220和250℃時，吡啶和愈創木酚的質量比顯著性上升，并隨著烘焙時間的延長而大幅度提高，均在250℃25 min時達到較高水平。在此條件下，鐵比卡和卡蒂姆中吡啶的質量比達到生豆的67倍和87倍，愈創木酚的質量比也分別達到1.29 μg/g和1.09 μg/g。Baggenstoss等［14］在實驗中發現，吡啶的生成需要較高的溫度，一旦開始生成，由于咖啡中存在大量的前體物質，其含量會隨著時間的延長不斷上升。Dorfner等［13］采用滾筒式烘焙機在225℃條件下進行烘焙，并利用激光共振電離—時間飛行質譜對咖啡烘焙過程中產生的愈創木酚進行檢測，發現在持續5 min后，愈創木酚的質量比才迅速上升，這是由于4-乙烯基愈創木酚的氧化脫羧反應需要較高的能量。

圖4 不同烘焙強度下咖啡豆中吡啶的質量比Fig.4 Concentration of pyridine under different roasting strength

圖5 不同烘焙強度下咖啡豆中愈創木酚的質量比Fig.5 Concentration of guaiacol under different roasting strength

圖6、圖7和圖8分別為不同烘焙強度下云南咖啡豆中2-甲基吡嗪，2，6-二甲基吡嗪和2-乙基-3，5-二甲基吡嗪質量比的變化。在咖啡香氣成分中，吡嗪類化合物為較重要的一類化合物，具有堅果味。van Boekel［15］的研究表明，咖啡烘焙過程中產生的烷基吡嗪，主要是由含羥基的氨基酸，如絲氨酸和蘇氨酸受熱分解而形成的［12］。

圖6 不同烘焙強度下咖啡豆中2-甲基吡嗪的質量比Fig.6 Concentration of 2-methylpyrazine under different roasting strength

同時，吡嗪和烷基吡嗪也是美拉德反應的產物。由于吡嗪生成所需的反應活化能較低，所以在180℃時吡嗪類化合物已顯著提高，并且隨著烘焙溫度的提高質量比進一步上升，但當烘焙溫度升高至220℃時，吡嗪類化合物出現下降的趨勢（圖7a，7b，8a），這與Hashim等［16］測定阿拉比卡咖啡豆中多種烷基吡嗪的結果一致，在187，199，205，207，213℃烘焙10 min后，幾種烷基吡嗪的質量比在205℃時達到最大，之后隨溫度上升而下降。吡嗪類化合物之所以減少有可能是因為受熱使六元環結構斷裂，生成含氮的烯烴類二碳和三碳化合物，并隨后揮發［17］。另外，從圖6～圖8可以看出，鐵比卡中吡嗪類化合物質量比高于同一烘焙條件下卡蒂姆中的質量比，如在220℃15 min條件下，鐵比卡中的2-甲基吡嗪，2，6-二甲基吡嗪和2-乙基-3，5-二甲基吡嗪質量比分別為1.95，1.59，0.75 μg/g，而卡蒂姆，3者的質量比分別為1.24，1.03，0.22 μg/g。說明鐵比卡中含有較多的吡嗪類化合物前體物質。

圖7 不同烘焙強度下咖啡豆中2，6-二甲基吡嗪的質量比Fig.7 Concentration of 2，6-dimethylpyrazine under different roasting strength

圖8 不同烘焙強度下咖啡豆中2-乙基-3，5-二甲基吡嗪的質量比Fig.8 Concentration of 2-ethyl-3，5-dimethylpyrazine under different roasting strength

圖9 不同烘焙強度下咖啡豆中5-甲基糠醛的質量比Fig.9 Concentration of 5-methylfurfural under different roasting strength

圖9和圖10分別為不同烘焙強度下云南咖啡中5-甲基糠醛和麥芽酚的質量比變化，兩者均具有令人愉悅的焦糖味。5-甲基糠醛屬于呋喃類化合物，為呋喃甲醛衍生物，主要由還原糖和氨基酸發生美拉德反應而生成；麥芽酚屬于吡喃類化合物，D-葡萄糖，D-果糖與脯氨酸發生美拉德反應生成的2，3-二氫-3，5-二羥基-6-甲基-吡喃-4-酮［18］，為麥芽酚的前體物質［19］。由圖9可以看出，5-甲基糠醛在烘焙溫度較低的條件下（160℃和180℃），生成量較少，當烘焙溫度大于200℃時，質量比顯著上升，并隨著烘焙溫度的提高，生成較多5-甲基糠醛所需的時間也越少，鐵比卡在200℃25 min，220℃15min和250℃5 min分別達到6.73，8.59，7.43 μg/g，但如果在較高溫度下延長烘焙時間，5-甲基糠醛的質量比會迅速下降，在220℃25min、250℃15 min和250℃25 min下分別降到2.47，1.74，0.94 μg/g，卡蒂姆中5-甲基糠醛質量比變化趨勢與之相同?？Х榷怪?-甲基糠醛的質量比隨著烘焙程度先上升后下降是由于在糠醛類衍生物會隨著受熱而分解為糠酸，并進一步轉化為CO2逸出。麥芽酚的生成受溫度影響較大，由圖10可以看出，在250℃5 min條件下，麥芽酚達到最大生成量，在2種咖啡豆中分別為1.55，1.88 μg/g，遠高于220℃的生成量，但在250℃繼續延長烘焙時間至15 min和25 min時，麥芽酚質量比大幅度下降，這可能是由于受熱分解或逸出造成的。

圖10 不同烘焙強度下咖啡豆中麥芽酚的質量比Fig.10 Concentration of maltol under different roasting strength

3.4 不同烘焙強度對咖啡豆微觀結構的影響

通過掃描電鏡觀察發現，咖啡豆內部微觀結構具有多孔性。在咖啡烘焙過程中，水分逐漸蒸發，大量的前體物質受熱發生化學反應，水蒸氣、揮發性風味物質和CO2大量聚集，使咖啡豆內部壓力逐漸增大，孔徑變大，咖啡豆整體體積增加［20］。隨著烘焙溫度的提高和烘焙時間的延長，咖啡豆內部結構發生了明顯變化，孔徑變大，孔間隙變小，如圖11?？妆谥饕砂肜w維素（甘露糖、半乳糖、阿拉伯糖等）和纖維素構成［21］，在高溫烘焙過程中也受熱裂解，孔壁的厚度逐漸減小，并伴隨著氣體沖出孔洞，使多孔結構被破壞，孔壁斷裂，形成較大的孔洞（250℃25 min）。

圖11 不同烘焙強度下咖啡豆電鏡掃描圖Fig.11 SEM micrographs of coffee beans under different roasting strength

通過對比固相微萃取和甲醇提取咖啡中的香氣成分的質量比，分別計算出揮發率，并結合不同烘焙條件下電鏡掃描圖中咖啡豆內部平均孔徑面積，發現隨著烘焙程度的增加，平均孔徑面積逐漸增加（如圖12），鐵比卡和卡蒂姆的平均孔徑面積由生豆中的347.18，294.80 μm2分別增加到250℃25 min中的2022.78，2017.21μm2，同時吡啶、2-甲基吡嗪、5-甲基糠醛的揮發率也呈現上升的趨勢。160℃5 min條件下，烘焙程度較低，香氣成分有所生成，但由于此時咖啡豆孔徑擴張程度較小，抑制了香氣成分的揮發，而當烘焙條件為200℃15 min時，揮發率顯著提高，溫度進一步提高至250℃時，孔徑面積大幅度上升，鐵比卡的香氣成分揮發率繼續上升，而卡蒂姆香氣成分略有下降，可能是由于卡蒂姆在高溫長時間條件下生成的香氣成分在烘焙過程中損失較大，使測得的揮發香氣成分質量比較小。

圖12 不同烘焙強度下咖啡豆內部平均孔徑面積與主要香氣成分揮發率Fig.12 Average area of pores in coffee beans and release abilities of main aroma compounds under different roasting strength

4 結論

隨著咖啡烘焙溫度的上升和烘焙時間的延長，云南保山鐵比卡和卡蒂姆咖啡豆的烘焙質量損失變化范圍為3.07%～27.94%和3.26%～28.71%，L值變化范圍為34.48%～61.16%和36.61%～61.85%。2種咖啡豆中具有烘烤味的呋喃甲醇、具有堅果味的2-甲基吡嗪、2，6-二甲基吡嗪和2-乙基-3，5-二甲基吡嗪，具有焦糖味的5-甲基糠醛、麥芽酚的質量比都隨著烘焙強度的提高先上升后下降，在220℃15 min、220℃25 min和250℃5 min達到較高水平，而具有煙熏味的吡啶和愈創木酚的質量比隨著烘焙強度的提高而不斷提高，并在250℃25 min達到最高值。同時咖啡豆的內部結構隨著烘焙強度的提高而發生變化，其孔徑不斷增加，更易于香氣成分的揮發。

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Effect of Different Roasting Strength on Main Volatile Aroma Compounds in Yunnan Coffee Beans

Lü Wenjia1，ZHAI Xiaona1，YANG Kaizhou1，2，LENG Xiaojing1，*
（1.College of Food Science and Nutritional Engineering/Beijing Laboratory for Food Quality and Safety，China Agricultural University，Beijing 100083，China；2.Beijing Chocolat Coffee Co.Ltd.，Beijing 100085，China）

The Typica and Catimor coffee beans in Baoshan，Yunnan province were chosen as the experimental materials to measure the concentrations of main volatile aroma compounds under the different roasting strength.Headspace solid phase microextracion and gas chromatography-mass spectrometry（GCMS）were applied to analyze the concentrations of pyridine，guaiacol furfuryl alcohol，2-methylpyrazine，2，6-dimethylpyrazine，2-ethyl-3，5-dimethylpyrazine，furfuryl alcohol，5-methylfurfural，and maltol.According to the result of scanning electron microscope（SEM），the size of micropores in coffee beans increased with roasting strength，improving the release abilities of main aroma compounds.

Yunnan coffee beans；aroma compounds；gas chromatography-mass spectrometry；SEM

檀彩蓮）

TS273

A

10.3969/j.issn.2095-6002.2015.03.004

2095-6002（2015）03-0013-09

呂文佳，翟曉娜，楊剴舟，等.不同烘焙強度對云南咖啡主要揮發香氣成分的影響［J］.食品科學技術學報，2015，33（3）：13-21.

Lü Wenjia，ZHAI Xiaona，YANG Kaizhou，et al.Effect of different roasting strength on main volatile aroma compounds in Yunnan coffee beans［J］.Journal of Food Science and Technology，2015，33（3）：13-21.

2015-04-20

國家自然科學基金資助項目（31171771）。

呂文佳，女，碩士研究生，研究方向為農產品加工與貯藏工程；

*冷小京，男，教授，博士，主要從事可食用膜、食品微膠囊及納米膠囊等方面的研究。

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