基于气相离子迁移谱的复合咖啡渣吸附剂的留香研究

江津津 贾强 陈烽华 欧爱芬 赖梓健

摘要 为吸附冰箱冷藏臭等异味，筛选以阿拉比卡咖啡渣、多孔淀粉和咖啡粉末香精为主要原料研制出食品级除异味复合吸附剂，并探究其香气成分、香气浓度和留香能力。利用正交试验优化吸附剂配方，采用气相离子迁移谱和感官量化描述分析对不同配方的复合吸附剂的香气成分、香气浓度进行分析，将吸附剂应用于冰箱冷藏室，比较应用前后的香气特征和浓度。结果表明，由90.5%纯咖啡渣、9.0%多孔淀粉和0.5%咖啡粉末香精复配得到的吸附剂在应用前后都具有典型的咖啡香气，所含特征化合物为苯甲酸乙酯、愈创木酚、异松油烯、苯乙酮、2-乙酰基呋喃、2，5-二甲基吡嗪、甲基吡嗪、异丁醇、2-丁酮、糠醛、3-羟基-2-丁酮等。运用气相离子迁移谱法分析样品的整体气味浓度差异可以有效表征该复合咖啡渣吸附剂的留香能力，添加1%（质量百分比）以下的咖啡固体粉末香精可以有效增强吸附剂的香气浓度和留香能力。

关键词 咖啡渣;复合吸附剂;香气成分;香气浓度;留香能力;气相离子迁移谱;感官量化描述分析

中图分类号 TS209  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）10-0164-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.10.037

Study on the Aroma Retention of Composite Adsorbent for Coffee Grounds Based on Gas Phase Ion Mobility Spectrometry

JIANG Jin-jin，JIA Qiang，CHEN Feng-hua et al

（College of Food Science and Food Health， Guangzhou City Polytechnic， Guangzhou，Guangdong 510405）

Abstract In order to adsorb food odors， a food grade odor removal complex adsorbent was developed by using Arabica coffee dregs， porous starch and coffee powder essence， and its aroma components， aroma concentration and fragrance retention ability were explored. The formulation of adsorbent was optimized by orthogonal test. The aroma components and aroma concentration of composite adsorbents with different formulations were analyzed by gas-phase ion mobility spectrum and sensory quantitative description analysis. The adsorbent was applied to the refrigerator， and the aroma characteristics and concentration before and after application were compared. The results showed that the sorbent obtained from 90.5% pure coffee dregs， 9.0% porous starch and 0.5% coffee powder essence had typical aroma of coffee before and after application. The characteristic compounds were ethyl benzoate， guaiacol， isopinene， acetophenone， 2-acetyl furan， 2，5-two methyl pyrazine， methyl pyrazine， isobutanol， 2-butanone， furfural， 3-hydroxyl-2-butanone and so on. Using gas phase ion mobility spectrometry to analyze the difference of the overall odor concentration of the samples could effectively characterize the aroma retention ability of the composite coffee dregs adsorbent. Adding 1% of coffee solid powder flavor could effectively enhance the aroma concentration and retention ability of the adsorbent.

Key words Coffee grounds;Composite adsorbent;Aroma components;Aroma concentration;Aroma retention ability;Gas-phase ion mobility spectrometry;Sensory quantitative descriptive analysis

基金項目 广东省普通高校特色创新项目（2018GKTSCX030）;广州市科技计划基础与应用基础研究项目（202102080487）;广州城市职业学院工程技术研究开发中心建设项目（KYG202103）;广州城市职业学院质量工程项目（ZY2019001）。

作者简介 江津津（1977-），女，浙江宁波人，副教授，博士，从事食品风味与水产发酵技术研究。

收稿日期 2021-08-26;修回日期 2021-10-18

随着食品冷却冷藏技术的广泛运用，“冷藏臭”和“串味”逐渐成为影响冷藏食品感官品质的重要因素，这也是居民冰箱储存食物及餐饮服务单位的冷藏管理中的食品安全隐患之一[1-2]。“冷藏臭”可通过吸附剂祛除或抑制，常规吸附剂包括活性炭、黏土材料（膨润土、高岭石）、沸石、硅质材料（硅微石、明矾石、珍珠岩）、农业废物（蔗渣、玉米芯、稻壳和椰子壳）、工业废物（废碳浆、金属氢氧化物污泥）、生物吸附剂（壳聚糖、淀粉、环糊精、棉花）等[3-4]。

据国际咖啡组织（international coffee organization，ICO）统计，每1 t咖啡豆可以生成650 kg咖啡渣，每制备1 kg速溶咖啡会生成2 kg湿咖啡渣[5]。面对废弃物大于可食用物的资源浪费问题，许多研究者对咖啡渣的综合利用进行了研究[6]。咖啡豆烘焙过程由于咖啡因、丹宁酸、多酚等的溶解，会形成均匀分布的孔洞，使咖啡渣能够用于吸附异味，且自带咖啡豆烘焙香气[7-8]。

多孔淀粉是一种新型有机吸附剂和包埋材料，广泛用于医药、农药、印刷、日用化工、化妆品和食品行业[9-10]。多孔

淀粉是由天然生淀粉经过水解处理，其颗粒表面形成小孔，并一直延伸到颗粒内部形成类似马蜂窝状的中空颗粒，具有良好的吸附性[11]，可作为食品级原料替代活性炭等常规吸附剂配合咖啡渣起到吸附异味的作用。咖啡粉末香精是具有咖啡特征香气的多种挥发性化合物的混合物，其香气浓烈、成本低，有助于提高吸附剂的特征香气。

该研究应用气相离子迁移谱技术[12-15]分析由咖啡渣、多孔淀粉及咖啡粉末香精组合的复合吸附剂的留香能力，用三维迁移谱图和指纹图谱比较不同样品的整体气味浓度和挥发性化合物差异，用气味感应峰强的总和定量表征样品的气味浓度，以期获得性能最佳的复合咖啡渣吸附剂，为咖啡加工废弃物的综合利用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

咖啡渣，选用阿拉比卡咖啡豆的咖啡渣，由瑞幸咖啡（广州天河购书中心店）提供;食品级咖啡粉末香精（河南万邦实业有限公司，深圳市晨馨香精香料有限公司制造）;98%的玉米多孔淀粉（批号ZLSW200518-2，西安泽朗生物科技有限公司）;12 cm×16 cm规格的无纺布精装袋和天然稻壳购自京东商城。

1.2 仪器与设备

FlavourSpec风味分析仪（济南海能仪器股份有限公司）;DHG 9030A电热鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）;BCD-88CM冰箱（美的集团）。

1.3 试验方法

1.3.1 感官量化描述分析。

采用感官定量描述分析（sensory quantitative descriptive analysis，QDA）法[16-17]进行感官评价。由12位志愿者组成感官评价小组，先对评价员进行筛选，排除气味判断异常人员1名，对11名感官评价员进行风味品评培训后开始测评，每次评定独立进行，环境一致，评定员间无干扰。对样品的苦味、咖啡味、奶油味、焦香味、酸味等进行评分，分数由0～10给出，“0”代表没感觉到此味道，“10”代表此种味道浓厚。再对样品的整体气味浓度进行感官评分，满分为100分。每个样品取3次平行，第1次分析后应用30 d后分别再取样进行第2次分析，按照差异分析评分（ANOVA）的方法，对不同样品进行感官评定，以咖啡味、焦香味和奶油味的综合评分来评定留香性能。

1.3.2 香气浓度和组成检测。

应用顶空-气相离子迁移谱（headspace gas chromatography ion mobility spectroscopy，HS-GC-IMS）检测各样品的整体香气浓度和香气组成，并分析其差异。取1 g样品置于20 mL顶空瓶中，60 ℃孵育20 min后进样，使用FlavourSpec风味分析仪分析样品的风味浓度，GC-IMS分析参数：分析时间为20 min;色谱柱类型为MXT-5（15.00 m×0.53 mm，1 μm）;柱温60 ℃，载气/漂移气N2，IMS温度45 ℃。自动顶空进样单元参数：进样体积200 μL，孵育时间为20 min，孵育温度为60 ℃，进样针温度为65 ℃，孵化转速为500 r/min。GC-IMS载气、漂移气参数：漂移气150 mL/min，载气2 mL/min，20 min后，载气流速改为100 mL/min。

气味化合物的定量检测采用VOCal分析软件;指纹图谱中化合物的定性分析则依据内置的NIST数据库和IMS数据库;应用Reporter插件对比样品之间的三维俯视图的差异;用Gallery Plot插件定量比较不同样品之间的挥发性有机物差异;用峰强度总和的数值来表征吸附剂的总体香气浓度。

1.3.3 食品级复合咖啡渣吸附剂和吸附包的制备。

将咖啡渣平摊置于电热鼓风干燥箱中60 ℃干燥3 h后，将咖啡渣、多孔淀粉和咖啡粉末香精按照正交设计的比例混合均匀，上述三者总和不足100%的试验组，用干燥后的天然稻壳补足至100%，制得食品级复合咖啡渣吸附剂，然后进行QDA分析和HS-GC-IMS检测。第1次检测后，将复合咖啡渣吸附剂以70 g/包封装到无纺布精装袋，得到食品级复合咖啡渣吸附包。将各吸附包分别放入相同規格的无异味冰箱冷藏室30 d后，取出吸附包中的复合咖啡渣吸附剂，再次进行QDA分析和GC-IMS检测。

1.3.4 正交试验设计。

选取对产品品质影响较大的3个因素，即咖啡渣添加量（A）、多孔淀粉添加量（B）、咖啡粉末香精添加量（C）进行L9（34）正交试验，探究各因素对复合咖啡渣吸附剂的整体香气品质的影响，香气浓度采用感官评定的方法进行打分，确定复合吸附剂的最佳工艺配方，其中咖啡粉末香精添加量依据烘焙食品中咖啡香精的添加规律从0～1.0%的范围选定，咖啡渣的添加比例设置为80%～90%。正交试验因素和水平见表1。

1.4 数据统计方法

采用SPSS 12.0和Excel 2010进行数据处理，并对各结果的平均值进行差异显著性分析（ANOVA），设置6个平行，取95%置信度（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 正交试验

以香气浓度感官评分为響应值，从表2中R值可以看出，对复合吸附包品质影响的因素主次关系为C>A>B，在一定的添加量范围以内，多孔淀粉的添加对复合吸附剂香气品质的影响最小。比较k值可以得出，达到最优效果的配方组合为A2B2C1。

2.2 感官量化描述分析

为了验证正交试验结果，更好地应用咖啡渣的香气和吸附功效，也为了剔除正交试验中补足比例添加的天然稻壳对吸附剂的影响。根据正交最优组合条件制备6组不同配方的吸附剂样品，1号样品为100%纯咖啡渣，2号样品为80.0%纯咖啡渣+20.0%多孔淀粉，3号样品为80.0%纯咖啡渣+19.5%多孔淀粉+0.5%咖啡粉末香精，4号样品为85.0%纯咖啡渣+14.2%多孔淀粉+0.8%咖啡粉末香精，5号样品为90.0%纯咖啡渣+9.0%多孔淀粉+1.0%咖啡粉末香精，6号样品为90.5%纯咖啡渣+9.0%多孔淀粉+0.5%咖啡粉末香精。样品表观性状为带有烘焙咖啡香气的深棕色粉末和掺有少量白色粉末的深棕色粉末。

为了比较吸附剂样品应用前后的整体香气的差异，11名感官评价员对6组吸附剂样品进行了香气的感官量化描述分析（QDA）。图1是6组样品应用前和应用后的QDA结果。在应用前，样品5和样品6的香气雷达图轮廓较丰满，样品2和样品3的气味雷达图轮廓较小。样品5的咖啡味和奶油味最浓郁，焦香味分值仅次于样品1，苦味分值低于样品6和样品1。样品6的苦味分值最高，焦香味与样品5相当，咖啡味比样品5和样品4低。应用30 d后，从咖啡味的评分来看，样品6>样品5=样品1，这3种样品都具有典型的烘焙咖啡风味，而样品2和样品3的咖啡味分值很低;从焦香味的评分来看，样品1>样品6>样品5;从奶油味的评分来看，样品5>样品4>样品6。从咖啡味、焦香味和奶油味综合来看，样品6和样品5具有更强的留香能力。

2.3 HS-GC-IMS对复合咖啡渣吸附剂留香能力的检测

2.3.1 香气整体浓度的气相离子迁移谱三维成像图。

图2是不同复合咖啡渣吸附包在应用前后的气味浓度的气相离子迁移谱三维谱图，对比可以看出，在放置于冰箱之前，6种样品的挥发性香气化合物种类和含量都比较丰富，均含有40种以上的主要挥发性化合物，从三维谱图的特征匹配和立体匹配度（图2）可以看出，6种样品的气味浓度没有明显的差异;在应用30 d后，挥发性香气化合物种类和含量都比应用前明显减少，香气浓度明显降低。

2.3.2 挥发性有机物指纹图谱与定性结果。

为了进一步探究咖啡渣吸附剂在复合配比后的香气特征和吸附应用效果，结合正交试验结果和QDA分析结果，用VOCal软件和Gallery Plot插件对样品1、2、3、6的指纹图谱进行定性和定量分析，比较不同样品所含的挥发性有机物差异。图3为样品5在应用前后的指纹图谱，图中每个点代表1种挥发性有机物，通过建立标准曲线后进一步定量分析。根据数据库对样品所含挥发性化合物进行定性分析，结果显示，样品1、2、3、6中均检出代表咖啡香气特征的挥发性醛和酮类。从含量上来看，样品1中的醛类、酮类、硫化物和呋喃类化合物含量比其他样品高，由于样品1是100%纯咖啡渣，故而体现咖啡焦香香韵的化合物也较为突出。样品2中的乙醇、2-庚酮、2-戊酮、乙酸乙酯、2-甲基丙酸乙酯、柠檬烯、丁醛等物质的含量较高;样品3中苯乙醛、2，3-二乙基-5-甲基吡嗪等物质的含量较高;样品6中苯甲酸乙酯、愈创木酚、异松油烯、苯乙酮、2-乙酰基呋喃、2，5-二甲基吡嗪、甲基吡嗪、异丁醇、2-丁酮、糠醛、3-羟基-2-丁酮等物质的含量比其他样品高。样品3和样品6均是添加了咖啡粉末香精的样品，由于香精所含的挥发性化合物丰富，所以这2组样品检出的化合物与没有加香精的样品相比差异较大。尤其是样品6，其挥发性化合物的种类虽然没有样品1多，但是咖啡的特征香气化合物如芳香醛、酚类、呋喃、吡嗪、吡咯等挥发性化合物[18-22]的种类比样品2和样品3多。定性分析结果表明，6组样品在应用了30 d后，所含挥发性化合物的种类发生了明显的变化，样品1所含挥发性化合物还是醛类和酮类为主，但是以辛醛、苯甲醛、糠醛、E-2-戊烯醛、2-甲基丁醛、3-甲基丁醛、6-甲基-5-庚烯-2-酮、环己酮、丙酮、乙酸丁酯等物质为主;样品2中化合物检出为乙酸丙酯、己醛、戊醛、1-戊醇、2-戊基呋喃等，且这些物质的含量较高，与应用前完全不同;样品3中检出了癸醛、壬醛、甲基丙醛、α-松油烯、γ-丁内酯、2-呋喃甲醇、丙酸、乙酸、2-丁酮、异丁醇、1-己醇等。样品6仍然检出较多咖啡香气特征化合物，如糠醛等挥发性醛和2，5-二甲基吡嗪等。样品在应用前后所含的挥发性化合物转变的原因十分复杂，不仅与化合物的挥发和阈值有关，还与吸附作用相关。咖啡粉末香精气味浓郁，但与咖啡渣的自然香气有较大差异，添加了咖啡粉末香精的样品的挥发性化合物变化则与咖啡粉末香精添加量直接相关，为了有效吸附屏蔽异味并留香持久，根据正交试验筛选的最佳结果，建议香精添加为0.5%。上述检测分析结果与QDA结果和正交试验筛选的参数基本吻合。

2.3.3 样品应用前后的整体香气浓度和化合物种类。

由表3可知，在应用前，香气总体浓度最强的是样品5，气味浓度峰强总和值为45 213，但是各样品在应用前的气味浓度差异不大。应用30 d后，样品6的香气浓度最高，说明样品6留香能力最强。从应用后的气味浓度来看，样品4和样品5的留香效果均优于纯咖啡渣成分的样品1，也优于不含咖啡粉末香精的样品2;结合正交试验结果，食品级复合咖啡渣吸附剂在添加了适宜含量的咖啡粉末香精之后，应用后的整体香气浓度有明显提高（P<0.05）;QDA分析结果表明，添加了粉末香精的样品在焦香、奶油香和咖啡味这3项指标上有更好的表现，应用30 d后的香气残留也更明显，添加咖啡粉末香精可以增加吸附剂的典型咖啡香气和留香能力。

3 结论

该研究所优选出的咖啡渣、多孔淀粉和咖啡粉末香精复合吸附剂富含糠醛、苯甲酸乙酯、愈创木酚、异松油烯、苯乙酮、2-乙酰基呋喃、2，5-二甲基吡嗪、甲基吡嗪、异丁醇、2-丁酮、糠醛、3-羟基-2-丁酮等具有咖啡香的特征化合物。在应用30 d后，配方为90.5%纯咖啡渣、9.0%多孔淀粉和0.5%咖啡粉末香精的样品6有最佳的留香效果，可作为除异味吸附剂用于解决冰箱的冷藏臭问题。该研究优选出的食品级咖啡渣复合吸附剂安全无毒，香气宜人，吸附异味效果显著，又可以对咖啡加工副产物咖啡渣进行高效的综合利用，对环境友好，所用多孔淀粉和粉末香精配料价格低廉，吸附和增香效果好。该研究的应用前景广阔，下一步将深入研究该吸附剂的有效期、剂量和应用空间体积的关系以及增补替换包装的实际问题。

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