不同烘焙强度对云南咖啡主要挥发香气成分的影响

吕文佳，翟晓娜，杨剀舟，2，冷小京，*

（1.中国农业大学食品科学与营养工程学院/食品质量与安全北京实验室，北京 100083；2.北京茱古拉咖啡有限公司，北京 100085）

不同烘焙强度对云南咖啡主要挥发香气成分的影响

吕文佳1，翟晓娜1，杨剀舟1，2，冷小京1，*

（1.中国农业大学食品科学与营养工程学院/食品质量与安全北京实验室，北京 100083；2.北京茱古拉咖啡有限公司，北京 100085）

以云南保山铁比卡、卡蒂姆2个品种咖啡豆为原料，使用固相微萃取-气相色质谱联用的方法，测定在不同烘焙强度下，2种咖啡豆的主要挥发香气成分，即吡啶、愈创木酚、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-甲基糠醛及麦芽酚的质量比变化；并使用扫描电镜，观察到咖啡豆内部多孔结构孔径可随烘焙强度的增强而变大，提高了香气成分的挥发率。

云南咖啡；香气成分；气相色质谱联用；扫描电镜

编者按：风味是食品的重要品质，也是区分食品品种的关键指标。风味分析是开发食品和食用香精的重要基础工作，也是鉴定食品品质、食用香精的关键技术，更是确定食品加工制造工艺和实现食品加工制造良好控制的基础和核心，因此风味分析是食品科学领域研究的重点和热点。本期选择了涉及食品风味分析的3个重要方向的3篇研究论文，分别研究了云南保山铁比卡、卡蒂姆2个品种咖啡豆在不同烘焙强度的香气成分，鲜山楂果肉中的挥发性成分和蛋白酶酶解条斑紫菜为原料的热反应紫菜香精的香气成分的提取、分离及鉴定；探究了主要风味物质的变化规律。希望此方面的研究能为相关食品和食用香精产品开发、质量评估、生产加工等方面工作提供有益借鉴。（主持人：曹雁平教授）

咖啡原为国外传统饮品，如今越来越受到国人的关注和喜爱。我国的咖啡产业正逐步发展，云南境内的保山、普洱、德宏等地，凭借其独特的地理条件已经成为我国主要的咖啡豆出产基地［1］，核心种植品种有铁比卡、卡蒂姆、黄波旁等。诸品种中的铁比卡为埃塞俄比亚最古老的原生品种，风味表现较好，为精品咖啡的代表，而卡蒂姆产量高，耐叶锈病能力强，成为重要的商业用豆种［2］。

咖啡豆在烘焙加工过程中，所含成分如绿原酸、葫芦巴碱、多糖、脂肪和蛋白质等物质会发生不同程度的美拉德、Strecker降解、焦糖化等化学反应，生成包括呋喃类、吡嗪类、吡啶类、吡咯类、醛酮类、硫化物、酚类和有机酸等挥发性呈香物质，形成咖啡的特征风味［3］。目前关于咖啡烘焙后所产生风味物质的数据，大多来源于对国外品种的研究，对云南地区品种的研究较少。因此，本文以云南保山铁比卡和卡蒂姆2种代表性生豆为原料，通过不同时间温度组合进行烘焙，并使用电镜扫描追踪微观结构的变化，探究其主要风味物质的变化规律，为进一步优化咖啡烘焙加工工艺做准备。

1 材料及仪器

1.1 实验材料

实验中采用云南保山潞江铁比卡咖啡生豆和卡蒂姆咖啡生豆，见表1。

表1 2种咖啡生豆产地信息、规格及处理方式Tab.1 Origin，size and processing method of coffee green beans

吡啶、愈创木酚、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、麦芽酚标品均购自Sigma-Aldrich（Milwaukee，WI）和Fluka（Buchs，Swizerland）公司，甲醇（色谱级）购于北京化学试剂厂。

1.2 实验仪器及设备

GENE CAFÉ CBR-101型咖啡烘焙机，Genesis Co.Ltd.；R-220型日本小富士磨豆机，日本皇家株式会社；450-GC-220-MS型气相色谱-质谱联用仪，美国Varian公司；DB-WAX型石英毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），美国Agilent公司；固相微萃取手柄及SPME萃取头、75 μm二乙烯基苯/碳分子筛/聚二甲基硅氧烷（DVB/CAR/ PDMS）纤维柱，美国Supelco公司；分析天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；数控超声波水浴锅，昆山市超声仪器有限公司；电热恒温鼓风干燥箱，上海博泰实验设备有限公司；NH310型电脑数控色差仪，深圳三恩驰科技有限公司；JSM-6301F型场发射扫描电子显微镜，日本电子株式会社。

1.3 样品制备

称取100 g咖啡豆分别于160，180，200，220，250℃五个温度下分别烘焙5，15，25 min，液氮冷却后称重，并置于-20℃下贮藏备用。

2 实验方法

2.1 烘焙损失测定方法

烘焙后的咖啡豆用液氮冷却，称重，并计算烘焙损失。

式（1）中，A1为烘焙前质量，g；A2为烘焙后质量，g。

2.2 色差值测定法

将咖啡豆研磨成粉，研磨刻度为1号。取30 g咖啡粉于粉盒内，用色差计测量L值（亮度值）。每个样品分别测量3次。

2.3 咖啡粉中的主要香气成分测定方法

2.3.1 顶空固相微萃取

准确称取0.1 g咖啡粉置于10 mL样品瓶中，在70℃下平衡10 min。将固相微萃取装置的萃取头插入250℃的GC进样口，老化30 min后插入装有咖啡粉的样品瓶中，于70℃下吸附20 min，吸附完成后将萃取头插入GC-MS进样口中，解吸10 min后取出。

2.3.2 有机溶剂萃取

准确称取10 g咖啡粉，加入100 mL无水甲醇，超声浸提30 min，过滤，定容至100 mL，加入无水Na2SO4脱水，之后过40 μm滤膜，用微量进样器取2 μL滤液进样至GC-MS进行分析。

2.3.3 气相色谱-质谱仪条件

GC条件：载气为氦气，恒流流速1 mL/min。进样方式：不分流进样。升温程序：溶剂延迟时间6 min，起始温度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℃，随后以20℃/min的速度上升至235℃。

MS条件：电子轰击离子源，电子能量70 eV，离子源温度250℃，进样口温度250℃，电子扫描质量范围45～650 u。

2.3.4 主要香气成分定性定量分析

香气物质的定性分析：利用质谱全离子扫描图谱，依据已有标样的色谱保留时间和质谱信息、NIST检索图谱库比对结果对咖啡中主要香气成分进行定性分析。

香气物质的定量分析：利用已有的标准化合物制备的标准曲线（质谱选择离子扫描的峰面积/化合物的质量分数）对咖啡主要香气成分进行定量分析。

2.3.5 主要香气成分挥发率

式（2）中，B为某种香气成分固相微萃取法测得质量比，μg/g；C为该香气成分有机溶剂浸提法测得质量比，μg/g。

2.4 扫描电镜观察

将咖啡豆用液氮冷却，敲击使其自然断裂成碎片，将碎片断裂面朝上粘贴于样品台上，在鼓风干燥箱中105℃烘干1 h，置于离子溅射仪的样品舱中喷金30 min。之后置于扫描电子显微镜下观察其微观结构。

2.5 数据处理

采用Origin 8.0对主要香气成分含量进行数据处理，采用IMAGE J图像处理软件对电镜照片中咖啡豆内部孔径平均面积进行计算。

3 结果与分析

3.1 烘焙损失测定

2个品种在不同烘焙强度下的损失见图1。从图1可以看出，2个品种的咖啡豆的烘焙损失都随着烘焙时间的延长及烘焙温度的提高而提高。咖啡生豆中水分质量分数为8%～13%［4］，多糖质量分数约为43%～45%，蔗糖质量分数约为6%～9%，蛋白质质量分数约占11%～13%，绿原酸质量分数约占5%～8%。在烘焙过程中，咖啡豆的水分首先受热蒸发，随后发生还原糖与氨基酸的美拉德反应，Strecker降解反应，多糖、绿原酸、葫芦巴碱受热分解等，生成大量的CO2及风味物质。烘焙损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℃条件下，水分蒸发及化学反应速率较慢，烘焙损失较低，但当烘焙温度升高至220和250℃时，烘焙损失迅速提高。说明在较高温度下，咖啡豆内部化学反应速率更快，这与Franca等［5］的研究结果一致。

图1 不同烘焙强度下的烘焙损失Fig.1 Roasting loss of coffee beans under different roasting strength

3.2 色差值测定

随着烘焙温度的提高和烘焙时间的延长，咖啡豆的颜色逐渐变深，由生豆的淡绿色变为黄褐色，再变成棕褐色，最后成为黑色。亮度值（L值）也随着烘焙强度的提高而降低（L值=100表示白色，L值=0表示黑色，即L值越低，颜色越深）见图2。咖啡烘焙过程中颜色的变化主要由美拉德反应产物和焦糖化反应引起。咖啡豆中的羰基和氨基化合物受热发生美拉德反应，生成棕褐色的聚合大分子量终产物类黑精［6］；焦糖化是指糖类在高温条件下发生降解，产物经聚合或缩合生成黏稠状黑色或褐色物质的过程［7］。由图2可以看出，随着烘焙时间的延长及烘焙温度的升高，美拉德产物类黑精及焦糖化产物逐渐积累，L值逐渐降低。图2a中，铁比卡的烘焙温度分别为180，200，220℃时，当烘焙时间由5 min延长至15 min，L值分别由64.05降至54.50，59.95降至47.76，53.66降至40.46。图2b中卡蒂姆的L值变化与铁比卡类似，意味着烘焙时间的延长导致了类黑精含量的增加［8］。

3.3 主要香气成分测定

咖啡中挥发性香气成分引起的主要感官特性有烘烤味、烟熏味、坚果味和焦糖味，通过GC-MS得到的2种云南咖啡挥发性香气成分中，呋喃甲醇具有烘烤味，吡啶、愈创木酚具有烟熏味，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坚果味，5-甲基糠醛和麦芽酚具有焦糖味［9］。

呋喃甲醇属于呋喃类化合物，具有烘烤味，是咖啡香气中较为重要的香气成分。图3为采用顶空固相微萃取测得的2种云南咖啡豆中呋喃甲醇的质量比变化。从图3可以看出，烘焙时间为5 min时，随着温度的提高，2种咖啡豆中呋喃甲醇的质量比都显著上升，分别由0.28，0.37 μg/g上升至19.87，18.50 μg/g。当烘焙时间延长为15，25 min时，随着烘焙温度的提高，呋喃甲醇的质量比先升高，在220℃时达到最大，随后在250℃时迅速下降，这个现象与Moon等［9］的观察结果一致。在烘焙过程中，咖啡生豆中的己糖和戊糖受热分解形成呋喃甲醇，并不断累积。但当温度过高，烘焙时间过长时，前体物质含量逐渐减少，呋喃甲醇会在烘焙过中裂解形成CO2并逸出，含量因而减少［10］。

图2 不同烘焙强度下咖啡豆的L值变化Fig.2 Evolution of lightness of coffee beans under different roasting strength

图3 不同烘焙强度下咖啡豆中呋喃甲醇的质量比Fig.3 Concentration of furfuryl alcohol under different roasting strength

图4和图5分别为在不同烘焙强度下云南咖啡中吡啶和愈创木酚的质量比变化，这2种香气成分都具有烟熏味。吡啶的前体物质为葫芦巴碱［11］或羟基氨基酸［12］，而愈创木酚的形成是由于咖啡生豆中的绿原酸受热分解形成4-乙烯基愈创木酚，进一步受热后氧化脱羧生成愈创木酚和CO2［13］。从图4、图5中可以看出，除铁比卡中的愈创木酚外（图5a），当烘焙温度较低，为160，180，200℃时，吡啶及愈创木酚的质量比较低，且延长烘焙时间对两者的质量比并无显著性提高；当烘焙温度升高至220和250℃时，吡啶和愈创木酚的质量比显著性上升，并随着烘焙时间的延长而大幅度提高，均在250℃25 min时达到较高水平。在此条件下，铁比卡和卡蒂姆中吡啶的质量比达到生豆的67倍和87倍，愈创木酚的质量比也分别达到1.29 μg/g和1.09 μg/g。Baggenstoss等［14］在实验中发现，吡啶的生成需要较高的温度，一旦开始生成，由于咖啡中存在大量的前体物质，其含量会随着时间的延长不断上升。Dorfner等［13］采用滚筒式烘焙机在225℃条件下进行烘焙，并利用激光共振电离—时间飞行质谱对咖啡烘焙过程中产生的愈创木酚进行检测，发现在持续5 min后，愈创木酚的质量比才迅速上升，这是由于4-乙烯基愈创木酚的氧化脱羧反应需要较高的能量。

图4 不同烘焙强度下咖啡豆中吡啶的质量比Fig.4 Concentration of pyridine under different roasting strength

图5 不同烘焙强度下咖啡豆中愈创木酚的质量比Fig.5 Concentration of guaiacol under different roasting strength

图6、图7和图8分别为不同烘焙强度下云南咖啡豆中2-甲基吡嗪，2，6-二甲基吡嗪和2-乙基-3，5-二甲基吡嗪质量比的变化。在咖啡香气成分中，吡嗪类化合物为较重要的一类化合物，具有坚果味。van Boekel［15］的研究表明，咖啡烘焙过程中产生的烷基吡嗪，主要是由含羟基的氨基酸，如丝氨酸和苏氨酸受热分解而形成的［12］。

图6 不同烘焙强度下咖啡豆中2-甲基吡嗪的质量比Fig.6 Concentration of 2-methylpyrazine under different roasting strength

同时，吡嗪和烷基吡嗪也是美拉德反应的产物。由于吡嗪生成所需的反应活化能较低，所以在180℃时吡嗪类化合物已显著提高，并且随着烘焙温度的提高质量比进一步上升，但当烘焙温度升高至220℃时，吡嗪类化合物出现下降的趋势（图7a，7b，8a），这与Hashim等［16］测定阿拉比卡咖啡豆中多种烷基吡嗪的结果一致，在187，199，205，207，213℃烘焙10 min后，几种烷基吡嗪的质量比在205℃时达到最大，之后随温度上升而下降。吡嗪类化合物之所以减少有可能是因为受热使六元环结构断裂，生成含氮的烯烃类二碳和三碳化合物，并随后挥发［17］。另外，从图6～图8可以看出，铁比卡中吡嗪类化合物质量比高于同一烘焙条件下卡蒂姆中的质量比，如在220℃15 min条件下，铁比卡中的2-甲基吡嗪，2，6-二甲基吡嗪和2-乙基-3，5-二甲基吡嗪质量比分别为1.95，1.59，0.75 μg/g，而卡蒂姆，3者的质量比分别为1.24，1.03，0.22 μg/g。说明铁比卡中含有较多的吡嗪类化合物前体物质。

图7 不同烘焙强度下咖啡豆中2，6-二甲基吡嗪的质量比Fig.7 Concentration of 2，6-dimethylpyrazine under different roasting strength

图8 不同烘焙强度下咖啡豆中2-乙基-3，5-二甲基吡嗪的质量比Fig.8 Concentration of 2-ethyl-3，5-dimethylpyrazine under different roasting strength

图9 不同烘焙强度下咖啡豆中5-甲基糠醛的质量比Fig.9 Concentration of 5-methylfurfural under different roasting strength

图9和图10分别为不同烘焙强度下云南咖啡中5-甲基糠醛和麦芽酚的质量比变化，两者均具有令人愉悦的焦糖味。5-甲基糠醛属于呋喃类化合物，为呋喃甲醛衍生物，主要由还原糖和氨基酸发生美拉德反应而生成；麦芽酚属于吡喃类化合物，D-葡萄糖，D-果糖与脯氨酸发生美拉德反应生成的2，3-二氢-3，5-二羟基-6-甲基-吡喃-4-酮［18］，为麦芽酚的前体物质［19］。由图9可以看出，5-甲基糠醛在烘焙温度较低的条件下（160℃和180℃），生成量较少，当烘焙温度大于200℃时，质量比显著上升，并随着烘焙温度的提高，生成较多5-甲基糠醛所需的时间也越少，铁比卡在200℃25 min，220℃15min和250℃5 min分别达到6.73，8.59，7.43 μg/g，但如果在较高温度下延长烘焙时间，5-甲基糠醛的质量比会迅速下降，在220℃25min、250℃15 min和250℃25 min下分别降到2.47，1.74，0.94 μg/g，卡蒂姆中5-甲基糠醛质量比变化趋势与之相同。咖啡豆中5-甲基糠醛的质量比随着烘焙程度先上升后下降是由于在糠醛类衍生物会随着受热而分解为糠酸，并进一步转化为CO2逸出。麦芽酚的生成受温度影响较大，由图10可以看出，在250℃5 min条件下，麦芽酚达到最大生成量，在2种咖啡豆中分别为1.55，1.88 μg/g，远高于220℃的生成量，但在250℃继续延长烘焙时间至15 min和25 min时，麦芽酚质量比大幅度下降，这可能是由于受热分解或逸出造成的。

图10 不同烘焙强度下咖啡豆中麦芽酚的质量比Fig.10 Concentration of maltol under different roasting strength

3.4 不同烘焙强度对咖啡豆微观结构的影响

通过扫描电镜观察发现，咖啡豆内部微观结构具有多孔性。在咖啡烘焙过程中，水分逐渐蒸发，大量的前体物质受热发生化学反应，水蒸气、挥发性风味物质和CO2大量聚集，使咖啡豆内部压力逐渐增大，孔径变大，咖啡豆整体体积增加［20］。随着烘焙温度的提高和烘焙时间的延长，咖啡豆内部结构发生了明显变化，孔径变大，孔间隙变小，如图11。孔壁主要由半纤维素（甘露糖、半乳糖、阿拉伯糖等）和纤维素构成［21］，在高温烘焙过程中也受热裂解，孔壁的厚度逐渐减小，并伴随着气体冲出孔洞，使多孔结构被破坏，孔壁断裂，形成较大的孔洞（250℃25 min）。

图11 不同烘焙强度下咖啡豆电镜扫描图Fig.11 SEM micrographs of coffee beans under different roasting strength

通过对比固相微萃取和甲醇提取咖啡中的香气成分的质量比，分别计算出挥发率，并结合不同烘焙条件下电镜扫描图中咖啡豆内部平均孔径面积，发现随着烘焙程度的增加，平均孔径面积逐渐增加（如图12），铁比卡和卡蒂姆的平均孔径面积由生豆中的347.18，294.80 μm2分别增加到250℃25 min中的2022.78，2017.21μm2，同时吡啶、2-甲基吡嗪、5-甲基糠醛的挥发率也呈现上升的趋势。160℃5 min条件下，烘焙程度较低，香气成分有所生成，但由于此时咖啡豆孔径扩张程度较小，抑制了香气成分的挥发，而当烘焙条件为200℃15 min时，挥发率显著提高，温度进一步提高至250℃时，孔径面积大幅度上升，铁比卡的香气成分挥发率继续上升，而卡蒂姆香气成分略有下降，可能是由于卡蒂姆在高温长时间条件下生成的香气成分在烘焙过程中损失较大，使测得的挥发香气成分质量比较小。

图12 不同烘焙强度下咖啡豆内部平均孔径面积与主要香气成分挥发率Fig.12 Average area of pores in coffee beans and release abilities of main aroma compounds under different roasting strength

4 结论

随着咖啡烘焙温度的上升和烘焙时间的延长，云南保山铁比卡和卡蒂姆咖啡豆的烘焙质量损失变化范围为3.07%～27.94%和3.26%～28.71%，L值变化范围为34.48%～61.16%和36.61%～61.85%。2种咖啡豆中具有烘烤味的呋喃甲醇、具有坚果味的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、麦芽酚的质量比都随着烘焙强度的提高先上升后下降，在220℃15 min、220℃25 min和250℃5 min达到较高水平，而具有烟熏味的吡啶和愈创木酚的质量比随着烘焙强度的提高而不断提高，并在250℃25 min达到最高值。同时咖啡豆的内部结构随着烘焙强度的提高而发生变化，其孔径不断增加，更易于香气成分的挥发。

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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

檀彩莲）

TS273

A

10.3969/j.issn.2095-6002.2015.03.004

2095-6002（2015）03-0013-09

吕文佳，翟晓娜，杨剀舟，等.不同烘焙强度对云南咖啡主要挥发香气成分的影响［J］.食品科学技术学报，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

国家自然科学基金资助项目（31171771）。

吕文佳，女，硕士研究生，研究方向为农产品加工与贮藏工程；

*冷小京，男，教授，博士，主要从事可食用膜、食品微胶囊及纳米胶囊等方面的研究。

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