基于GC-IMS对不同品种咖啡豆挥发性有机物指纹图谱分析

杨 莉，杨卫星，李 茜，樊竹青，李华健，李学玲*

（1.普洱学院 生物与化学学院，云南 普洱 665000；2.云南农业大学 食品科学技术学院，云南 昆明 650100；3.文山州农业科学院，云南 文山 663000）

咖啡属于茜草科植物，原产地为埃塞俄比亚，生于热带或亚热带，我国云南和海南为主要栽培地区[1-2]。阿拉比卡、罗布斯特和利比里亚是咖啡豆的三大品种，其中阿拉比卡和罗布斯特咖啡种植最广泛，也最具有经济价值[3]。目前咖啡的生产量和消费量在世界三大饮料作物中位居首位，成为石油之后，世界第二的原料型产品[4-6]。咖啡挥发性组分的类型及含量直接决定了咖啡特征性香气的表型，咖啡香气是判断咖啡等级的一个重要指标[7-10]。生咖啡豆风味较差，需要经过适当的烘焙处理，促使风味前体物质发生系列化学反应，生成醇类、酯类、醛酮类、呋喃类、吡啶类、吡嗪类、吡咯类、酚酸类及硫化物等挥发性香气化合物，形成咖啡的特征风味[11-13]。弘子姗等[14]采用顶空气相色谱-离子迁移谱法（headspace gas chromatography-ion mobility spectrometry，HS-GC-IMS）技术证实了生咖啡豆粉、烘焙咖啡豆粉及熟咖啡豆粉之间挥发性物质差异成分，区分生、熟咖啡豆粉品种及地理来源差异。周斌等[15]对不同产地咖啡豆香气成分组成进行分析，发现不同地区的咖啡挥发性香气成分基本相似，含量有差别。王莹等[16]研究了兴隆咖啡烘焙过程中香气物质变化规律，根据挥发性成分的不同可区分不同烘焙度咖啡。现有研究发现影响咖啡风味的可挥发物质成分约有400多种，其中约50%是醛类物质，约20%是酮类物质，约8%酯类物质，约7%是杂环化合物，约2%是二甲基硫化物，还有少量其他类有机物以及有特殊气味的硫化物[17-19]。

目前，对咖啡风味评价大多依赖于感官评价，难以作为可靠的数据分析基础，因此需要借助电子鼻、电子舌、气相色谱-质谱联用、气相色谱-嗅闻等仪器进行分析[20-22]。气相色谱-离子迁移谱法（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）是一种分辨率高、灵敏度强、分析高效、操作简便的快速检测技术，样品无需复杂预处理，在常压电场作用下可直接进行检测[23-25]，已广泛应用于果蔬、肉类、乳品饮料等的产地溯源、品质评价、食品掺假[26-27]等领域，而将GC-IMS用于咖啡挥发性有机物的分析研究报道较少。

该研究利用顶空气相色谱（HS-GC）-离子迁移谱（GCIMS）技术对4个不同品种咖啡生豆样品（A1、B1、C1、D1）及其经烘焙后熟豆样品（A2、B2、C2、D2）挥发性风味物质进行检测和分析，并对其进行主成分分析（principal componentanalysis，PCA）。以期比较不同品种咖啡豆挥发性风味物质之间的差异，为咖啡品种筛选、品质评价等方面提供理论依据，为咖啡烘焙加工工艺改进及产品研发提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

咖啡豆（78667、卡蒂姆、耶加卡杜拉、哥伦比亚波邦）样品：来自于普洱市思茅区木乃河工业园区咖啡庄园，均为水洗豆，其中，生咖啡豆打粉（80目）样品分别编号为A1、B1、C1、D1；生咖啡豆烘焙后打粉（80目）样品分别编号为A2、B2、C2、D2）。每个样品平行2次。

无水乙醇、乙腈（均为分析纯）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；丙酮、2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮（均为分析纯）：北京国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

Flavour Spec1H1-00053型GC-IMS联用仪：德国G.A.S公司；SANTOKER R500E烘焙机：北京三豆客科技有限公司；CTC-PAL自动进样装置：瑞士CTC Analytics AG公司；AL204型电子分析天平：梅特勒托利多仪器有限公司；FW-80型高速万能粉碎机：北京市医疗仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 咖啡豆烘焙条件

气源为液化石油气，火力为0.5 kPa，风门为4，转速为60 r/min。烘焙生豆质量约1 kg，入豆温度180～190 ℃，烘焙时间15～20 min，中深度烘焙。烘焙日期2022年12月23日，咖啡豆粉碎过80目筛。

1.3.2 HS-GC-IMS测定条件

HS条件：称取1 g咖啡豆粉末样品，置于20 mL顶空瓶中，40 ℃孵育20 min后进样。采用自动顶空进样方式，顶空孵化温度40 ℃；孵化时间20 min；孵化转速500 r/min；顶空进样针温度85 ℃；进样量200 μL[14]。

GC条件：MXT-5色谱柱（15 m×0.53 mm，1 μm）；柱温60 ℃；分析时间30 min；载气为高纯氮气（N2）（纯度≥99.999%）；柱流速初始为2 mL/min，保持2 min，2～10 min柱流速线性增加至100 mL/min，10～20 min柱流速线性增加至150 mL/min。

IMS条件：漂移管长度98 mm；管内线性电压500 V/cm；漂移管温度45 ℃；漂移气为高纯氮气（N2）（纯度≥99.999%）飘移气体流速150 mL/min[15]。

1.3.3 数据处理

采用LAV软件与GC-IMS Library Search软件内置的美国国家标准技术研究所（national institute of standards and technology，NIST）和IMS数据，根据保留时间/迁移时间进行二维谱图物质定性分析。采用Reporter和Gallery插件程序构建挥发性有机物的差异图谱和指纹图谱，比较不同样品间挥发性有机物差异进行相对定量。采用Dynamic PCA plug-ins插件程序进行主成分分析（PCA）。采用Excel 2019对数据进行处理。

2 结果与分析

2.1 咖啡挥发性有机物差异对比

采用GC-IMS仪器LAV分析软件中的Reporter 插件程序对不同咖啡豆挥发性成分进行三维对比，横坐标左侧红色竖线为反应离子峰（reaction ion peak，RIP）。RIP峰两侧的每一个点代表一种挥发性有机物。颜色代表物质的浓度，白色表示浓度较低，红色表示浓度较高，颜色越深表示浓度越大。不同咖啡挥发性有机物GC-IMS分析谱图见图1。由图1可知，生豆与熟豆挥发性有机物差异较大。

图1 不同咖啡豆挥发性有机物GC-IMS二维谱图Fig.1 GC-IMS two-dimensional spectrumof volatile organic compounds in different coffeebeans

为了更清晰地展现样品间挥发性香气成分的差异，通过GC-IMS方法进行检测，采用差异模式对比，结果见图2。

图2 不同咖啡豆挥发性有机物GC-IMS谱图Fig.2 GC-IMS spectra of volatile organic compounds in different coffeebeans

由图2可知，以样品A1为参照，样品B1、C1、D1中挥发性化合物相对含量与参照样品相当，样品A2、B2、C2、D2中挥发性化合物相对含量高于参照样品，说明咖啡豆样品经过烘焙熟制后，产生了新物质。为了明确对比咖啡豆样品中具体的差异物质，选取所有反应离子峰进行指纹图谱对比。

2.2 不同咖啡挥发性有机物GC-IMS定性分析

从GC-IMS分析谱图和差异图，可以明显看出，不同品种咖啡的挥发性香气成分存在明显差异，但依旧无法明确各信号峰所具体对应的挥发性物质，因此需要对图谱中的特征性物质进行定性分析。

GC-IMS从不同品种咖啡豆样品共检测出104种挥发性有机物，根据NIST数据库和IMS数据库比对后，结果见表1。由表1可知，定性检测出81种挥发性有机物，其中，酯类21种，醇类13种，酮类11种，醛类11种，酸类7种，醚类3种，烯类3种，呋喃类3种，吡啶类3种，吡嗪类2种，其他化合物4种。

表1 不同咖啡豆挥发性有机物GC-IMS定性分析结果Table 1 Results of GC-IMS qualitative analysis of volatile organic compounds in different coffeebeans

2.3 不同咖啡样品的HS-GC-IMS指纹图谱

为进一步分析比较咖啡样品之间挥发性有机物差异，用LAV软件中GalleryPlot插件生成不同咖啡样品特征挥发性成分的指纹图谱，以识别不同咖啡样品的特征峰区域。每一行代表一个样品中不同挥发性有机物的信号峰；每一列代表同一挥发性有机物在不同样品中的信号峰，每个特征峰的颜色代表强度，蓝色为背景，红色代表物质成分，红色越深表示含量越高。不同咖啡样品挥发性有机物的指纹图谱见图3。

图3 不同咖啡豆挥发性有机物指纹图谱Fig.3 Fingerprint of volatile organic compounds in different coffeebeans

由于咖啡豆样品挥发性有机物种类及含量差距较大，将明显差异的物质从左往右依次分为A、B、C、D、E、F、G、H、I、J十个区域，由图3可知，A区域中标出的挥发性有机物在8个咖啡豆样品中均有检出且含量相对较高，共有的风味物质有丙酮、3-呋喃甲醇、丙烯酸乙酯，其中丙烯酸乙酯具有强烈的果香味，奠定了咖啡豆样品总体的香气基调；B区域中标出的挥发性有机物为咖啡豆样品A1、B1、C1、D1中共有的香气化合物，主要为醛类物质、酯类物质，还含有部分醇类物质、酸类物质，其中丁酸甲酯呈现干酪香气；烯丙基腈、丙醛呈现刺激性气味；乙酸乙酯呈现水果香味；C区域中标出的物质在咖啡豆样品A2、B1、B2、D2中含量较高的物质，主要包括3-羟基-2-丁酮、正戊醛，赋予咖啡奶油的香气和特殊的香味；D区域中标出的物质丁酸甲酯、乙酸甲酯为咖啡豆样品D1特征物质，分别呈现干酪的香气及芳香气味；E区域中标出的物质为咖啡豆样品A2、B2、C2、D2中含量较高的物质，其中乙酸苏合香酯具有强烈的栀子花香；丁位己内酯、2-乙酰吡咯、2,6-二甲基吡啶、2,3-戊二酮、2-甲基吡嗪呈现焦香的气味；柠檬烯呈现柠檬的香气；庚酸、1-庚醇、1-丁醇呈现油脂的香气；丁酸丁酯、甲酸丁酯、乙酸乙酯、丙酸异戊酯呈现水果的香味；甲酸乙酯呈现芳香气味；F区域中标出的物质为咖啡豆样品A2、C2、D2中含量较高的物质，四氢噻吩-3-酮、正己醇、1-丁醇、2,3-丁二酮呈现脂香气味；丙酸丙酯呈现果香气味；G区域中标出的物质为咖啡豆样品A2、C2中含量较高的物质，当归内酯呈现烟草的气味；丁酸乙酯、3-甲基丁醛等呈现果香气味；样品H区域中标出的物质为咖啡豆样品B2的特征物质，为2-甲基丙烯醛、3-甲基-2-丁烯醛；I区域中标出的物质为咖啡豆样品B2、D2中含量较高的物质，2-庚酮等具有脂香的味道；丙酸异丁酯、丁酸异戊酯呈现果香味道；2-乙基呋喃、2-庚基呋喃、2-乙酰基呋喃、2-呋喃甲醇等呋喃类化合物呈现焦香气味；丁二酸二乙酯有愉快的香味；J区域中标出的物质为咖啡豆样品D2特征物质，糠（基）硫醇、2,6-二甲基吡啶呈现焦香气味；丁酸具有难闻的气味。咖啡豆在烘焙过程中发生化学反应产生了咖啡特有的香气成分物质，烘焙过的咖啡豆样品中含有强烈焦香气味的物质，多为呋喃类化合物和含氮含硫类化合物，为美拉德反应的产物，个别样品具有水果的香气、脂香以及花香，丰富咖啡豆样品的整体风味。

2.4 不同咖啡样品GC-MIS主成分分析

用LAV软件中的Dynamic PCA插件进行不同咖啡样品的主成分分析结果见图4。由图4可知，PC1和PC2的方差贡献率分别为93%、2%，累计方差贡献率为95%，说明主成分可基本完全反映咖啡豆样品组间的所有特征，可以反映不同品种咖啡豆之间挥发性物质差异的因素。其中咖啡豆样品B2和D2组，样品A2和C2组间差距较小，聚在一起，表明不同种类咖啡之间的风味物质相似。而样品A1和D2组间相差甚远，表明咖啡豆之间的风味存在较大差异。这一结果说明采用HS-GC-IMS方法结合PCA，能较好判别和区分不同品种咖啡豆样品。

图4 不同咖啡豆样品的挥发性风味物质主成分分析结果Fig.4 Principal component analysis results of volatile flavor components of different coffeebeans samples

3 结论

该研究利用HS-GC-GC-IMS技术对4个不同品种咖啡生豆样品（A1、B1、C1、D1）及其经烘焙后熟豆样品（A2、B2、C2、D2）挥发性风味物质进行检测和分析，结果表明，可定性检出81种挥发性风味物质。GC-IMS指纹图谱表明，样品D1特征风味物质为丁酸甲酯、乙酸甲酯；样品A2、C2特征风味物质为当归内酯，丁酸乙酯、3-甲基丁醛；样品B2特征风味物质为2-甲基丙烯醛、3-甲基-2-丁烯醛；样品D2特征风味物质为2-呋喃甲硫醇、2,6-二甲基吡啶。PCA结果表明，样品B2、D2及A2、C2距离接近，样品A1、D2距离较远。GC-IMS技术具有简单、快速、无损等特点，该技术为咖啡豆的品种识别、产地追溯、品质控制等方面的判别提供支撑。