咖啡豆的化学组分差异与感官品质的相关性分析

胡双芳，卫亚西，邢精精，佟世生，牛银雪，刘 萍，*

（1.中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京100083；2.北京城市学院生物医药学部，北京100083）

咖啡是世界三大饮料之一，在全球贸易中，咖啡贸易的重要性堪与汽油相比[1]。Maria[2]研究发现用生豆中咖啡因和总氨基酸含量即可分辨出阿拉比卡种与罗布斯塔种咖啡豆。Ky[3]研究表明阿拉比卡种咖啡的蔗糖和葫芦巴碱含量高于罗布斯塔种，而咖啡因和绿原酸含量则较低。阿拉比卡种咖啡被认为具有更浓郁的花/水果香，具有更好的感官品质，也具有更高是市场售价[4]。

对同一品种的咖啡豆，Farah[5]研究表明同一烘焙程度咖啡豆中葫芦巴碱的含量随着咖啡品质下降而降低，相关系数为0.93。咖啡因与差的风味品质呈负相关，但与好的风味品质没有相关性，绿原酸含量高则咖啡品质低。Franca[6]研究表明好品质的咖啡生豆具有较低的咖啡因含量。但在轻度烘焙的阿拉比卡豆中，品质最高的咖啡豆其咖啡因含量也相对最高。在同一烘焙程度下葫芦巴碱含量高则咖啡的品质更高，而绿原酸含量高则咖啡品质下降。Franca[6]研究表明好品质的咖啡豆其蛋白质含量更高，但Macrae[7]研究显示，蛋白质含量的高低与咖啡风味品质间没有必然的联系。

除了不同品种的咖啡豆间具有显著差异外，同一品种如被广泛认可的阿拉比卡种，不同产区咖啡的品质有十分显著的差异[8]。在近几十年研究者们试图通过各种方法辨别不同产区咖啡豆，包括气质[9]、近红外光谱[10]、测定葫芦巴碱含量[11]和氨基酸含量及比例[12]等。然而不同产区咖啡豆的化学组分差异与感官品质的差异性却没有得到系统的研究，本文结果对通过化学组分差异评价不同产区咖啡品质高低具有参考作用。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

咖啡豆 其中云南小粒豆产自云南保山小粒豆产区，其他种类咖啡豆均为进口咖啡豆，信息见表1；NaOH、HCl、3，5-二硝基水杨酸、酒石酸钾钠、苯酚、偏重亚硫酸钠、氧化镁等 均为分析纯，购自北京化工厂；葡萄糖标品 购自上海市易欣生物科技有限公司；咖啡因标品、绿原酸标品、葫芦巴碱标品 均为色谱纯，购自贵州迪大生物科技有限公司。

表1 咖啡豆种类名称及产地Table1 The origin and brand of different kinds of coffee beans

DZKW-C型水浴锅 北京中科星宇商贸有限公司；TU-1901型双光束紫外可见光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司；GENE CAFÉCBR-101型咖啡烘焙机 Genesis Co.，Ltd.；TSK-1171型滴漏式咖啡机 灿坤实业有限公司；KDY-9820型凯式定氮仪 北京瑞邦兴业科技有限公司；KXL-1010型控温消煮炉 北京市通润源机电技术有限公司；安捷伦高效液相色谱 安捷伦公司。

1.2 实验方法

1.2.1 咖啡豆的烘焙 根据前期研究，烘焙条件为烘焙初始温度设为150℃，随后每分钟升高5℃进行梯度升温，达到最高温度250℃时恒温一段时间，低温区主要是水分和其他本身的挥发性物质的挥发，高温阶段为咖啡豆中主要风味前体物反应的阶段。以250℃恒温7min为例，则其温度与时间的对应关系为下表2所示。

表2 烘焙过程明细表Table2 The roasting process

1.2.2 咖啡中蛋白质含量的测定 GB 5009.5-2010食品安全国家标准食品中蛋白质的测定。

1.2.3 咖啡中还原糖的测定方法[13]取0.2g咖啡样品于20m L容量瓶中，用蒸馏水定容，置于50℃水浴锅中水浴40m in，不时地摇匀，趁热过滤得浸提液。取待测液及蒸馏水（对照）各2m L于25m L具塞试管中，加入1.5m L DNS显色剂，塞好试管，沸水浴7m in，流水冷却后在540nm波长下测定其吸光值，以葡萄糖做标准曲线，计算还原糖含量。操作时间控制在2h之内。

1.2.4 咖啡中葫芦巴碱和咖啡因含量的测定[14]称取烘焙好的咖啡粉末（1.0±0.1）g，称取（4.5±0.5）g氧化镁匀质于100m L水中，90℃水浴20min，不停的搅拌。冷却后将体积补足，分离过滤。稀释5倍后用0.45μm的滤头过滤。用反向HPLC测定样品中葫芦巴碱和咖啡因的含量，其中流动相为磷酸缓冲液（20mmol/L，pH4.3）∶乙腈=9∶1，流速为1m L/min，柱温为25℃，检测波长：254nm，柱子为Agilent Eclipse XDBC18（5μm，4.6mm×250mm）。

1.2.5 分光光度法测定咖啡中的绿原酸[15]准确称取2.0g咖啡样品和0.4gβ-环糊精于具塞三角瓶中，加入一定比例的水，恒温水浴一定时间取出，定容至100m L，过滤，滤液在4000r/min离心5m in，取上清液备用。取1m L滤液至25m L的容量瓶中，定容至刻度，做5个平行样，采用紫外可见分光光度法测定绿原酸含量，波长为330nm。

1.2.6 咖啡的感官评定 本文中按照随机实验的原则[16]，所有咖啡样品由随机的15名有咖啡饮用习惯并接受专门训练的同学组成的评价小组进行品评。每个样品经研磨至中等粒度后，用TSK-1171滴漏式咖啡机制备咖啡滤液并在滴漏完成后达到饮用温度时迅速进行品尝以保持萃取和品尝条件的稳定性。CoE（cupping of excellence）又称咖啡标准杯测法，是由SCAA（Specialty Coffee Association of America）举办的咖啡品鉴大赛之一。本实验中依据CoE的评价标准，评价小组成员对咖啡样品的干净度、酸味、甜味、口感、风味、后味、平衡感和整体感受8个指标按1～9分喜好程度打分，其中1代表很不喜欢、9代表十分喜欢，将每项结果相加所得总分即为咖啡最终感官评分。

1.2.7 数据分析 用SPSS16.0对数据进行皮尔森相关系数等统计分析。Pearson相关性系数用来衡量定距变量间的线性关系。相关系数的绝对值越大，相关性越强，相关系数越接近于1或-1，相关度越强，相关系数越接近于0，相关度越弱。通常情况下通过以下取值范围判断变量的相关强度：相关系数0.8～1.0极强相关；0.6～0.8强相关；0.4～0.6中等程度相关；0.2～0.4弱相关；0.0～0.2极弱相关或无相关。

2 结果与讨论

2.1 咖啡感官评定结果

咖啡感官评定的结果如表3，黄金曼特宁和哥伦比亚咖啡豆经烘焙后具有较好的风味品质，其次为苏门答腊曼特宁、西达摩、肯尼亚AA、巴西米纳斯和云南小粒豆。而对于不同品种的咖啡豆，依照表1进行烘焙，根据表3的结果得出最佳烘焙条件为：黄金曼特宁250℃维持5m in，哥伦比亚250℃维持7m in，苏门答腊曼特宁250℃维持5～7m in，西达摩250℃维持7min，肯尼亚AA 250℃维持7min，苏威拉西250℃维持6m in，巴西米纳斯250℃维持5m in，云南小粒豆250℃维持4～5min。

2.2 咖啡生豆的主要化学指标

图1 咖啡主要化学指标结果Fig.1 The chemical attributes of green coffee beans from different origins

如图1可知，黄金曼特宁中还原糖含量最高，其次为巴西米纳斯、苏门答腊曼特宁、哥伦比亚、肯尼亚AA、西达摩和云南小粒豆，这与杯测中体现的余味与醇厚感成正相关。而不同产地来源的咖啡中蛋白质含量以及咖啡液pH却没有显著性差异。

2.3 咖啡烘焙损失率

如表4所示，烘焙损失率随着烘焙程度的加深而增加，但是同样的烘焙条件，不同品种咖啡生豆的烘焙损失率也存在着明显的差异。以250℃恒温5m in为例，如表4所示，烘焙损失率为14.55%～18.33%之间，其中云南小粒豆的烘焙损失率最高。烘焙中损失率越高表明烘焙过程中物质挥发出来的越多，这些物质大部分为咖啡豆中的水分，其次是挥发性的非风味物质组分和挥发性风味物质。

2.4 感官评定结果与化学组分的关系

研究表明，对同一种咖啡而言，还原糖含量的下降量与咖啡感官品质的升高量成正相关[17]。随着烘焙的进行，与咖啡生豆相比，咖啡豆中还原糖含量（见图1）均有明显下降。其中黄金曼特宁和西达摩咖啡豆还原糖含量最高时，其风味品质也最高；哥伦比亚咖啡豆却在还原糖含量处于最低值时达到最佳的风味品质。而Pearson相关性检验结果表明，还原糖含量的高低并不能直接表明咖啡品质的好坏。

经过烘焙后，咖啡豆中绿原酸含量随着烘焙程度的加深并无明显的变化趋势，但是在黄金曼特宁、哥伦比亚、肯尼亚AA咖啡豆中，绿原酸含量处于三个不同烘焙程度的最高值时，其感官评分值也最高。A.Farah[5]在研究巴西咖啡的化学组分与咖啡杯测品质之间关系时得出，咖啡好的杯测品质与巴西咖啡生豆中绿原酸的含量成正比，r=0.93。但Pearson相关性检验结果表明，咖啡好的杯测品质与咖啡生豆中绿原酸含量的线性相关性不显著，r=0.432，因此这种正相关性并不能推而广之。

经过烘焙，咖啡豆的物质组成发生了很大变化，蛋白质含量的减少，源于参与了美拉德和斯托克斯降解等反应。在实验所涉及的7种不同产区咖啡豆中，不同烘焙程度和不同品种咖啡间pH的差异不大。

经SPSS 16.0的Pearson相关性分析，感官评分与咖啡因含量、葫芦巴碱含量的线性相关性具有显著性，均为成负相关，相关系数分别为r=0.855和r= 0.366。其中葫芦巴碱的含量大体上随着烘焙程度的加深而递减，与Casal[18]研究结果一致。

表3 不同咖啡的感官评分Table3 The sensory evaluation results of different coffee beans

表4 烘焙损失率Table4 Weight losses of coffee beans during roasting

表5 烘焙后咖啡豆化学组分表（n=3）Table5 Chemical compounds of roasted coffee beans（n=3）

表6 Pearson相关性分析Table6 Pearson correlation analysis

2.5 咖啡化学组分的损失量与咖啡感官品质评分的关系

咖啡风味的形成十分复杂，至今仍没有认识透彻。咖啡生豆中包含的与咖啡风味形成相关的化合物主要有生物碱类如葫芦巴碱、绿原酸、碳水化合物、蛋白质等，其变化量的多少与咖啡风味物质和咖啡最后的风味品质密切相关。以咖啡生豆计，不同品种不同烘焙程度咖啡的各化学组分损失量如下表7所示。烘焙过程中大部分咖啡豆总蛋白量下降，与Macrae研究一致[7]，还原糖含量随着烘焙程度的加深迅速下降[19]。

经Pearson线性相关性检验，咖啡感官好的风味品质与咖啡因损失量、葫芦巴碱损失量、绿原酸损失量、还原糖损失量的正相关性均为极显著，与蛋白质损失量的线性相关性不显著。经烘焙后的咖啡豆的感官品质与其蛋白质含量和蛋白质损失量均无相关性。但蛋白质和氨基酸对于还原糖通过美拉德反应转化为芳香前体物质是必不可少的[20]，因此如何将这些蛋白质在烘焙过程中更好的利用起来，将有助于提高咖啡烘焙后的品质。

3 结论

经Pearson线性相关性检验，咖啡感官评分高低与咖啡因含量和葫芦巴碱含量的线性相关性具有显著性，均成负相关，相关系数分别为r=0.855和r= 0.366。同时咖啡感官好的风味品质与咖啡因损失量（r=0.897）、葫芦巴碱损失量（r=0.848）、绿原酸损失量（r=0.933）、还原糖损失量（r=0.713）正相关性均为极显著，与蛋白质损失量的线性相关性不显著。这一结果在实验所选的7种咖啡豆中具有普遍性，较之前学者从单一咖啡品种得到的相关性关系更具有推广价值，有助于通过对咖啡豆化学组分的测定初略估计咖啡的感官品质好坏。由于数据量的限制，数学建模的应用仍存在问题，如用SPSS16.0建立的多元线性回归模型的预测值与实际值相差较大（模拟过程未写出），因此需要使用更大的数据量借助Matlab等工具进行数学建模分析，建立咖啡豆化学组分或烘焙过程中化学组分损失量与咖啡品质的回归模型。

[1]曹克嘉.漫谈咖啡[J].中国食品信息，1989（4）：23-24.

表7 咖啡主要化学组分的损失量Table7 The losses of coffee compounds of roasted coffee beans

表8 Pearson相关性分析Table8 Pearson correlation analysis

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