利用分子感官科学技术鉴定咖啡风味物质

赵钜阳，李欣，范婷婷

1. 哈尔滨商业大学旅游烹饪学院（哈尔滨 150000）；2. 榕城海关（福州 350001）

咖啡香气浓郁，口感醇厚，不同的咖啡豆经烘焙、研磨后的风味各不相同。咖啡风味的研究较为片面化，仅检测及鉴定风味物质的成分，对于不良气味物质无法分离去除；检测技术较为新颖，但多采用单一技术进行检测；通过分子感官科学技术，可以较全面地对咖啡风味系统的分析，定量地分析咖啡的感官品质特征及其强度，客观准确地评价咖啡的风味品质。

分子感官科学由Steinhaus and Schieberle首次提出[1]，它是一门集食品风味化学、分析化学、感官鉴评科学等学科交叉知识于一体的系统性科学，从分子层面定性、定量地研究食品的感官品质及描述风味，揭示食品特征气味的化学本质，构建出风味重组物[2]。分子感官科学也称为感官导向风味分析[3]。分子感官科学技术包括感官鉴评方法与检测技术，结合气相色谱-质谱检测技术的香气提取物稀释分析、气相色谱-嗅闻检测技术对香味物质定性定量测定[4]，且利用高效液相色谱技术、液相色谱-质谱联用技术及核磁共振技术结合定量描述分析法与滋味稀释分析法对滋味物质检测。如对气味物质提取、分离、分析的每一操作中，分子感官科学始终将仪器分析与人的感官评价相结合，以人为主，仪器为辅，得到已确定成分的气味重组物[45]。

时代的进步和科学技术的发展带来分子感官科学技术的成熟和更新换代，研究的深度及范围不断地扩大，研究表明该技术成功应用于咖啡，不仅能提供理论基础，便于科研工作者，更是咖啡行业的领先技术，越来越多学者使用该项技术，但却没有真正掌握、理解分子感官科学。研究咖啡风味应从分子层面出发，预测其出现的感官现象，解释现象背后的机理，开发更多不同风味、适应市场需求的咖啡饮品。

1 咖啡风味物质

咖啡豆，指由2颗椭圆形的种子相对组成的咖啡的果实。最早生长在非洲，咖啡豆含有咖啡因、单宁酸和含氮化合物等[5]。咖啡与可可、茶称为世界三大饮料，被分为阿拉比卡和罗布斯塔两大品系[6]。新鲜的咖啡果采摘后，将过熟果、干果、霉菌果及异物分拣出来，使用晒床轻微初始干燥24 h，用脱皮机脱外果皮，手动分拣未脱果皮的豆子、果皮及异物最后晾晒架自然干燥，保持通风，夜晚移至口袋内密封储存，干燥时间8 d[7]。得到初加工的咖啡豆，经过高温烘焙，经过咖啡研磨机地研磨，得到粉质细腻的咖啡粉，经热水冲泡，得到香味浓郁、口感纯正的咖啡[8]。咖啡的香气和滋味是评价咖啡风味的重要指标，也是评价咖啡优劣的指标，风味物质虽然大多没有营养价值，但构成食品质量必不可少的因素之一[9]。

生咖啡豆本没有香气，与烘焙豆相比缺少颜色和风味特性[10]，咖啡豆产香的3个阶段，即吸热干燥阶段、烘焙阶段、快速冷却阶段[11]。由不同焙炒时间可将其划分为极浅、浅、浅中、中、中深、深、极深和法式重度八类[12]。产香物质有呋喃类、吡嗪类、吡啶类、吡咯类、醛酮类及酚类和有机酸等挥发性物质[13]。优质的咖啡香气丰富浓郁、口感顺滑、层次感强[14]。

咖啡滋味主要包括酸度、苦味及口感，因此，水果般的酸度、自然的苦味和醇厚的口感通常被认为是一种优质的咖啡风味。咖啡豆中甲酸等有机酸，其含量的多少对咖啡pH和可滴定酸度影响较大，Basavaraj等[15]使用pH计检测酸度；咖啡因是一种生物碱化合物，也是一种较为重要的苦味物质风味物质[16]；口感描述咖啡滋味，食物的适口性尤其重要，因此说口感是评价咖啡风味的重要指标，最明显的感官即为稠度，常与总固形物、可溶性固形物含量相关，也与脂肪或脂肪酸含量组成有关[17]。

2 分子感官科学技术在咖啡香气分析的应用

2.1 感官评价技术的应用

2.1.1 香气提取物稀释分析法

仪器分析技术所得结果并不能较为准确地解释某一感官的总体状况，也不能解释各感官间的相互作用关系，因此感官评定在食品检测中有着不可替代的作用。仪器分析技术的手段只是辅助验证的手段，因此感官评价为主体。

香气提取物稀释分析法（AEDA）最初是由Grosch[18]提出。主要的操作是将香气提取物按一定的稀释率进行逐步稀释[19]，逐步分析稀释后的样品，评价员通过嗅闻，闻不到香气为止，记录此时的稀释度，最低浓度时仍可以闻到的香气成分即为样品的关键香气物质[20]。AEDA法可得每种香气物质的香气稀释因子（FD因子）和贡献度，FD因子与香气浓度成正比，即FD因子越大，贡献度越大[21]。Mareike等[44]利用香气提取分析法研究酶解绿原酸对咖啡消化率的影响，发现4种香气活性成分：乙基吡嗪（霉味）、麦芽酚（焦糖味）、1-糠基吡咯（焦味）及2, 5-二甲基苯酚（皮革味）具有较高的FD因子，结果表明酶处理对烘焙咖啡粉的整体香气有着微弱的影响。Aileen等[42]检测到咖啡气味中酚类（坚果和甜味）物质具有最高FD，如愈创木酚（烟熏，也是强效气味剂）；且微量的巴西咖啡特有的2-苯乙醇（花，蜂蜜）、埃塞俄比亚咖啡独有的正己醇（果味）、危地马拉咖啡独特的2-甲氧基-3-异丙基吡嗪（泥土味）等被测出。

香气提取物稀释法是一种操作手段，需与仪器结合使用；同时，可用于香气重组，即通过识别待测样品的气味成分，利用不同剂量化学物质的结合，使得咖啡或其他产品的气味更加浓郁，推动开发不同的香气类型产品，如含咖啡风味的果饮、面点制品等。

2.2 检测分析技术的应用

2.2.1 气相色谱-质谱联用技术

气相色谱利用待分离的各种气体物质的吸附能力的不同进行分析检测；质谱则是一种测量离子荷质比的分析方法；气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）结合2种分析技术，发挥色谱的快速、高效分离与质谱的高度特异性、高灵敏度特点，达到精确检测与分析咖啡挥发性风味化合物的目的[22]。

气相色谱-质谱联用技术可用来分析易挥发、小分子的化合物。因此，首选GC-MS检测复杂的咖啡样品的香气成分。董文江等[23]结合GC-MS的检测技术分析云南咖啡豆中挥发性成分分析，共鉴定出酸类8种、酮类3种、醇类10种、碳氢类2种等42种挥发性物质，而云南咖啡香气物质的差异低于滋味物质。

GC-MS的美国国家标准与技术研究所（NIST）的标准谱库尚不完善，在某一峰值可查的化合物存在多种，无法精确待测的气味；质谱也无法分辨很多异构体（尤其是位置异构），干扰气味物质的分析。因此需要在标准图谱库里检索保留指数KI*，与计算保留指数KI相比较，以明确该化合物。GC-MS常结合HSSPME使用，分析效率更高，结果更为精准。

2.2.2 气相色谱-嗅闻技术

气相色谱-嗅闻技术（GC-O）由Fuller等[24]发明。GC-O技术可以解决GC-MS局限性，它是一种气味检测法，人的鼻子作为检测器。它不但可以检测复杂样品的香气物质，而且能直接检测出相应的香气物质的气味强度，最终确定贡献度[25]。Aileen等[42]利用GC-O发现哥伦比亚咖啡中的2-甲基-2-四氢呋喃酮（含坚果、甜香风味）的存在，解释咖啡具有坚果香味。Sung-tong等[43]通过GC-O证实2-甲基-2-丁烯醛、Z-2-辛烯醛和3-甲基-1-丁醇等气味物质的存在，且含量较多。

气相色谱-嗅闻技术虽然能够很好地将感官与技术相结合即人与仪器的结合，但是仍然存在缺陷，如评价员的嗅觉敏感度、记忆能力存在差异，需要在限定的时间内对分离的所有馏分进行嗅闻，对嗅觉与记忆能力的要求严苛，且气相色谱仪不能完全分离所有的挥发性气体，结果可靠性低。因此，对于气相色谱应尽快改进它的性能，嗅闻方面应加强评价员的嗅觉训练，使得科研结果更精准。

3 分子感官科学技术在咖啡滋味分析的应用

3.1 感官评价技术的应用

3.1.1 定量描述分析法

定量描述分析法（QDA）是常用的一种描述型感官评定方法，评定咖啡样品的风味特征与风味强度，继而系统研究咖啡的感官品质与风味组分、仪器分析结果之间的关系。Kreuml等[30]利用定量描述分析评定储存9个月和18个月后30种烘焙咖啡感官质量。结果显示烘焙咖啡豆储存9个月后，正相关气味和风味属性的强度降低，而负相关气味和风味属性显著增加，18个月后，氧化过程的腐臭气味和味道甚至更为明显。Ribeiro等[31]利用定量描述性感官分析法分析51个阿拉比卡烘焙咖啡样品的NIR光谱产生数学模型，预测咖啡饮料的酸度、苦味、风味、清洁度、本体和整体质量的分数。结果表明，咖啡因和绿原酸与苦味有关；绿原酸与酸度和风味有关；清洁度和整体质量与咖啡因、葫芦巴碱、绿原酸、多糖、蔗糖和蛋白质有关。

定量描述分析法不仅将样品进行定性分析，还能将定量与定性结合起来。定量描述分析在咖啡的滋味感官评价中未得到深入研究，对咖啡的呈味物质还存在盲区，因此定量描述分析在咖啡中的应用有意义，有助于深入全面地了解咖啡豆在烘焙过程中变化的机理。

3.1.2 滋味稀释分析法

滋味稀释分析法（TDA）最初是由Hofmann[26]在鉴定食品中苦味物质时开创的，利用舌头评定对滋味物质的稀释溶液，标度评级滋味的强度，确定滋味物质的阈值，计算样品溶液的滋味稀释因子（TD）[27]。Frank等[32]为阐明咖啡中强烈的苦味分子，通过滋味稀释分析筛选形成的反应产物中的苦味化合物，并分离和纯化最苦味的物质。结果鉴定出10种苦味化合物，分别为1，3-双（3’，4’-二羟基苯基）丁烷、反式-1, 3-双（3’，4’-二羟基苯基）-1-丁烯和8种多羟基化苯基茚满，其中5种衍生物是首次报道。Frank等[33]利用滋味稀释法筛选和鉴定烘焙咖啡中的苦味物质，结果表明咖啡的苦味物质是3-O-咖啡酰-γ-奎宁、4-O-咖啡酰-γ-奎宁、4-O-咖啡酰-毛霉酰-γ-奎宁、5-O-咖啡酰-毛霉酰-γ-奎宁、5-O-咖啡酰-epi-δ-奎宁、3-O-阿魏酰-γ-奎宁、4-O-阿魏酰-γ-奎宁、3, 4-O-二咖啡酰-γ-奎宁、4, 5-O-二咖啡酰-毛霉酰-γ-奎宁、3, 5-O-二咖啡酰-epi-δ-奎宁。

通过滋味稀释分析法可以筛选出咖啡中的主要滋味活性物质，如生物碱呈苦味物质，能使咖啡中已知或未知滋味化合物的浓度得到有效控制。但人的主观因严重素影响整个评定，味觉灵敏度各有差异，易受环境影响，造成稀释分析的结果不精确。因此，在使用此方法前，应对测试人员进行培训，减少误差。

3.2 检测分析技术的应用

3.2.1 高效液相色谱技术

传统的液相色谱主要是用于分离分析大量的热不稳定的化合物，引入气相色谱的理论后，液相色谱有了更快的检测效率、更高的灵敏度、更准确的分析结果，最终成为高效液相色谱技术（HPLC）[28]。胡浩等[34]利用高效液相色谱技术测定咖啡在不同烘焙风味下6种绿原酸含量规律，在生咖啡豆中总绿原酸含量最高，意式烘焙后最低。Tran等[35]采用高效液相色谱法测定不同烘焙条件下6种生物活性胺的含量，结果表明，在咖啡生豆中存在4种生物活性胺，烘焙处理使咖啡豆生物活性胺含量先减少后增加；其中维也纳式烘焙方式产生的生物胺总含量最低，法式烘焙时产生组胺物质，组胺含量随烘焙程度的加深而增高。组胺具有难闻的气味和不好的口感，不利于咖啡香气的形成。Viapiana等[36]通过建立高效液相色谱与指纹图谱测定生物活性成分，试验结果表明香豆酸和可可碱的含量最低，而可可碱是呈酸物质，说明咖啡口感偏中性。Giulia等[37]用高效液相色谱比较2种冷提取方法——冷酿造法和冷滴注法提取咖啡因和肉桂酸进行定量。

高效液相色谱是一项较为可信的技术，用于分离各组分，进行定量定性分析，由于技术的限制，对未知成分不能较好的定性，推动了咖啡呈味物质的检测发展，对咖啡风味饮料的开发有积极的影响，为其他液体饮品提供了参考依据。

3.2.2 液相色谱-质谱联用技术

液相色谱-质谱联用技术（LC-MS）是用液相色谱进行分离，质谱进行检测的技术，咖啡风味化合物分离分析常使用这项技术用于分离热不稳定、高沸点的风味化合物，鉴定风味物质的组分[29]。Perrone等[38]通过液相色谱-质谱法，检测并利用信噪比计算烘焙咖啡中咖啡因、胡芦巴碱、烟酸和蔗糖的检出限分别为11.9，36.4，18.5 ng/mL和5.0 ng/mL。对11个咖啡样品（普通或不含咖啡因的绿咖啡、磨碎的烤咖啡和速溶咖啡）的分析结果与文献相符。结果表明，该方法适用于市场上不同类型的咖啡，是一种快速可靠的常规咖啡分析方法。

现阶段，液相色谱-质谱联用技术已进化为高效液相色谱-质谱联用技术，其精准度、检测速度得到有效提高。Caprioli等[39]首次将高效液相色谱-串联质谱联用技术应用于浓缩咖啡中5种异黄酮的提取，异黄酮为苦味的呈味物质，也是生物活性物质，该方法证实高效液相色谱-质谱联用系统用于检测咖啡等复杂基质中生物活性物质的高度特异性和选择性。

3.2.3 核磁共振技术

质谱分析可鉴定咖啡中一般滋味化合物结构，但由于部分滋味化合物活性相差很大，结构较复杂、存在同分异构体，质谱分析技术无法鉴别，核磁共振技术（NMR）可以检测这类难以鉴定的滋味物质。咖啡中咖啡因、甲酸和三角碱通过使用核磁共振技术进行定量分析[40]。DEL CAMPO G G等[41]利用核磁共振描述对咖啡中一些主要或次要化合物的滴定测定。这些咖啡的核磁共振谱显示，它们含有4.2%咖啡因、2.6%甲酸、2.4%三瓜氨酸和7.3% 5-HMF。

核磁共振技术不仅能定性分析，还可以定量分析，且较为精准，因此咖啡中未知的呈味物质可以较好确定，推动咖啡成分的确定、提取、分离等技术的进步，为不同成分的呈味物质定性定量分析提供技术性的指导。

4 结语与展望

分子感官科学技术被用于描述咖啡风味特征物质和感官品质，将其用于咖啡风味的品质控制、消费者喜好的把握尚未开展深入研究，开发的咖啡产品较少，大多为饮品。

此外分子感官科学技术存在局限性，如咖啡在感官评价时，会出现时效性和主观性，由于咖啡内含物质丰富，大多数的咖啡带有苦味、酸味等，少数咖啡还有涩味等，评价咖啡某一特定滋味时，易受到其他滋味的影响，因此感官评价是需要一定的时间间隔；人们的喜好略有不同，因此评价员在评价时易受到主观意识影响，所以需要更精密的仪器辅助。随着时间的推移，分子感官科学技术的发展也越来越成熟，科研人员可以利用其改善咖啡的口感，满足消费者喜好，推进咖啡市场的发展，该技术将会更广泛地应用于咖啡风味品质的研究，以及一些新功能、新领域的开发。