咖啡豆的化學組分差異與感官品質的相關性分析

胡雙芳，衛亞西，邢精精，佟世生，牛銀雪，劉 萍，*

（1.中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京100083；2.北京城市學院生物醫藥學部，北京100083）

咖啡是世界三大飲料之一，在全球貿易中，咖啡貿易的重要性堪與汽油相比[1]。Maria[2]研究發現用生豆中咖啡因和總氨基酸含量即可分辨出阿拉比卡種與羅布斯塔種咖啡豆。Ky[3]研究表明阿拉比卡種咖啡的蔗糖和葫蘆巴堿含量高于羅布斯塔種，而咖啡因和綠原酸含量則較低。阿拉比卡種咖啡被認為具有更濃郁的花/水果香，具有更好的感官品質，也具有更高是市場售價[4]。

對同一品種的咖啡豆，Farah[5]研究表明同一烘焙程度咖啡豆中葫蘆巴堿的含量隨著咖啡品質下降而降低，相關系數為0.93。咖啡因與差的風味品質呈負相關，但與好的風味品質沒有相關性，綠原酸含量高則咖啡品質低。Franca[6]研究表明好品質的咖啡生豆具有較低的咖啡因含量。但在輕度烘焙的阿拉比卡豆中，品質最高的咖啡豆其咖啡因含量也相對最高。在同一烘焙程度下葫蘆巴堿含量高則咖啡的品質更高，而綠原酸含量高則咖啡品質下降。Franca[6]研究表明好品質的咖啡豆其蛋白質含量更高，但Macrae[7]研究顯示，蛋白質含量的高低與咖啡風味品質間沒有必然的聯系。

除了不同品種的咖啡豆間具有顯著差異外，同一品種如被廣泛認可的阿拉比卡種，不同產區咖啡的品質有十分顯著的差異[8]。在近幾十年研究者們試圖通過各種方法辨別不同產區咖啡豆，包括氣質[9]、近紅外光譜[10]、測定葫蘆巴堿含量[11]和氨基酸含量及比例[12]等。然而不同產區咖啡豆的化學組分差異與感官品質的差異性卻沒有得到系統的研究，本文結果對通過化學組分差異評價不同產區咖啡品質高低具有參考作用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

咖啡豆 其中云南小粒豆產自云南保山小粒豆產區，其他種類咖啡豆均為進口咖啡豆，信息見表1；NaOH、HCl、3，5-二硝基水楊酸、酒石酸鉀鈉、苯酚、偏重亞硫酸鈉、氧化鎂等 均為分析純，購自北京化工廠；葡萄糖標品 購自上海市易欣生物科技有限公司；咖啡因標品、綠原酸標品、葫蘆巴堿標品 均為色譜純，購自貴州迪大生物科技有限公司。

表1 咖啡豆種類名稱及產地Table1 The origin and brand of different kinds of coffee beans

DZKW-C型水浴鍋 北京中科星宇商貿有限公司；TU-1901型雙光束紫外可見光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；GENE CAFéCBR-101型咖啡烘焙機 Genesis Co.，Ltd.；TSK-1171型滴漏式咖啡機 燦坤實業有限公司；KDY-9820型凱式定氮儀 北京瑞邦興業科技有限公司；KXL-1010型控溫消煮爐 北京市通潤源機電技術有限公司；安捷倫高效液相色譜 安捷倫公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 咖啡豆的烘焙 根據前期研究，烘焙條件為烘焙初始溫度設為150℃，隨后每分鐘升高5℃進行梯度升溫，達到最高溫度250℃時恒溫一段時間，低溫區主要是水分和其他本身的揮發性物質的揮發，高溫階段為咖啡豆中主要風味前體物反應的階段。以250℃恒溫7min為例，則其溫度與時間的對應關系為下表2所示。

表2 烘焙過程明細表Table2 The roasting process

1.2.2 咖啡中蛋白質含量的測定 GB 5009.5-2010食品安全國家標準食品中蛋白質的測定。

1.2.3 咖啡中還原糖的測定方法[13]取0.2g咖啡樣品于20m L容量瓶中，用蒸餾水定容，置于50℃水浴鍋中水浴40m in，不時地搖勻，趁熱過濾得浸提液。取待測液及蒸餾水（對照）各2m L于25m L具塞試管中，加入1.5m L DNS顯色劑，塞好試管，沸水浴7m in，流水冷卻后在540nm波長下測定其吸光值，以葡萄糖做標準曲線，計算還原糖含量。操作時間控制在2h之內。

1.2.4 咖啡中葫蘆巴堿和咖啡因含量的測定[14]稱取烘焙好的咖啡粉末（1.0±0.1）g，稱取（4.5±0.5）g氧化鎂勻質于100m L水中，90℃水浴20min，不停的攪拌。冷卻后將體積補足，分離過濾。稀釋5倍后用0.45μm的濾頭過濾。用反向HPLC測定樣品中葫蘆巴堿和咖啡因的含量，其中流動相為磷酸緩沖液（20mmol/L，pH4.3）∶乙腈=9∶1，流速為1m L/min，柱溫為25℃，檢測波長：254nm，柱子為Agilent Eclipse XDBC18（5μm，4.6mm×250mm）。

1.2.5 分光光度法測定咖啡中的綠原酸[15]準確稱取2.0g咖啡樣品和0.4gβ-環糊精于具塞三角瓶中，加入一定比例的水，恒溫水浴一定時間取出，定容至100m L，過濾，濾液在4000r/min離心5m in，取上清液備用。取1m L濾液至25m L的容量瓶中，定容至刻度，做5個平行樣，采用紫外可見分光光度法測定綠原酸含量，波長為330nm。

1.2.6 咖啡的感官評定 本文中按照隨機實驗的原則[16]，所有咖啡樣品由隨機的15名有咖啡飲用習慣并接受專門訓練的同學組成的評價小組進行品評。每個樣品經研磨至中等粒度后，用TSK-1171滴漏式咖啡機制備咖啡濾液并在滴漏完成后達到飲用溫度時迅速進行品嘗以保持萃取和品嘗條件的穩定性。CoE（cupping of excellence）又稱咖啡標準杯測法，是由SCAA（Specialty Coffee Association of America）舉辦的咖啡品鑒大賽之一。本實驗中依據CoE的評價標準，評價小組成員對咖啡樣品的干凈度、酸味、甜味、口感、風味、后味、平衡感和整體感受8個指標按1～9分喜好程度打分，其中1代表很不喜歡、9代表十分喜歡，將每項結果相加所得總分即為咖啡最終感官評分。

1.2.7 數據分析 用SPSS16.0對數據進行皮爾森相關系數等統計分析。Pearson相關性系數用來衡量定距變量間的線性關系。相關系數的絕對值越大，相關性越強，相關系數越接近于1或-1，相關度越強，相關系數越接近于0，相關度越弱。通常情況下通過以下取值范圍判斷變量的相關強度：相關系數0.8～1.0極強相關；0.6～0.8強相關；0.4～0.6中等程度相關；0.2～0.4弱相關；0.0～0.2極弱相關或無相關。

2 結果與討論

2.1 咖啡感官評定結果

咖啡感官評定的結果如表3，黃金曼特寧和哥倫比亞咖啡豆經烘焙后具有較好的風味品質，其次為蘇門答臘曼特寧、西達摩、肯尼亞AA、巴西米納斯和云南小粒豆。而對于不同品種的咖啡豆，依照表1進行烘焙，根據表3的結果得出最佳烘焙條件為：黃金曼特寧250℃維持5m in，哥倫比亞250℃維持7m in，蘇門答臘曼特寧250℃維持5～7m in，西達摩250℃維持7min，肯尼亞AA 250℃維持7min，蘇威拉西250℃維持6m in，巴西米納斯250℃維持5m in，云南小粒豆250℃維持4～5min。

2.2 咖啡生豆的主要化學指標

圖1 咖啡主要化學指標結果Fig.1 The chemical attributes of green coffee beans from different origins

如圖1可知，黃金曼特寧中還原糖含量最高，其次為巴西米納斯、蘇門答臘曼特寧、哥倫比亞、肯尼亞AA、西達摩和云南小粒豆，這與杯測中體現的余味與醇厚感成正相關。而不同產地來源的咖啡中蛋白質含量以及咖啡液pH卻沒有顯著性差異。

2.3 咖啡烘焙損失率

如表4所示，烘焙損失率隨著烘焙程度的加深而增加，但是同樣的烘焙條件，不同品種咖啡生豆的烘焙損失率也存在著明顯的差異。以250℃恒溫5m in為例，如表4所示，烘焙損失率為14.55%～18.33%之間，其中云南小粒豆的烘焙損失率最高。烘焙中損失率越高表明烘焙過程中物質揮發出來的越多，這些物質大部分為咖啡豆中的水分，其次是揮發性的非風味物質組分和揮發性風味物質。

2.4 感官評定結果與化學組分的關系

研究表明，對同一種咖啡而言，還原糖含量的下降量與咖啡感官品質的升高量成正相關[17]。隨著烘焙的進行，與咖啡生豆相比，咖啡豆中還原糖含量（見圖1）均有明顯下降。其中黃金曼特寧和西達摩咖啡豆還原糖含量最高時，其風味品質也最高；哥倫比亞咖啡豆卻在還原糖含量處于最低值時達到最佳的風味品質。而Pearson相關性檢驗結果表明，還原糖含量的高低并不能直接表明咖啡品質的好壞。

經過烘焙后，咖啡豆中綠原酸含量隨著烘焙程度的加深并無明顯的變化趨勢，但是在黃金曼特寧、哥倫比亞、肯尼亞AA咖啡豆中，綠原酸含量處于三個不同烘焙程度的最高值時，其感官評分值也最高。A.Farah[5]在研究巴西咖啡的化學組分與咖啡杯測品質之間關系時得出，咖啡好的杯測品質與巴西咖啡生豆中綠原酸的含量成正比，r=0.93。但Pearson相關性檢驗結果表明，咖啡好的杯測品質與咖啡生豆中綠原酸含量的線性相關性不顯著，r=0.432，因此這種正相關性并不能推而廣之。

經過烘焙，咖啡豆的物質組成發生了很大變化，蛋白質含量的減少，源于參與了美拉德和斯托克斯降解等反應。在實驗所涉及的7種不同產區咖啡豆中，不同烘焙程度和不同品種咖啡間pH的差異不大。

經SPSS 16.0的Pearson相關性分析，感官評分與咖啡因含量、葫蘆巴堿含量的線性相關性具有顯著性，均為成負相關，相關系數分別為r=0.855和r= 0.366。其中葫蘆巴堿的含量大體上隨著烘焙程度的加深而遞減，與Casal[18]研究結果一致。

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

表4 烘焙損失率Table4 Weight losses of coffee beans during roasting

表5 烘焙后咖啡豆化學組分表（n=3）Table5 Chemical compounds of roasted coffee beans（n=3）

表6 Pearson相關性分析Table6 Pearson correlation analysis

2.5 咖啡化學組分的損失量與咖啡感官品質評分的關系

咖啡風味的形成十分復雜，至今仍沒有認識透徹。咖啡生豆中包含的與咖啡風味形成相關的化合物主要有生物堿類如葫蘆巴堿、綠原酸、碳水化合物、蛋白質等，其變化量的多少與咖啡風味物質和咖啡最后的風味品質密切相關。以咖啡生豆計，不同品種不同烘焙程度咖啡的各化學組分損失量如下表7所示。烘焙過程中大部分咖啡豆總蛋白量下降，與Macrae研究一致[7]，還原糖含量隨著烘焙程度的加深迅速下降[19]。

經Pearson線性相關性檢驗，咖啡感官好的風味品質與咖啡因損失量、葫蘆巴堿損失量、綠原酸損失量、還原糖損失量的正相關性均為極顯著，與蛋白質損失量的線性相關性不顯著。經烘焙后的咖啡豆的感官品質與其蛋白質含量和蛋白質損失量均無相關性。但蛋白質和氨基酸對于還原糖通過美拉德反應轉化為芳香前體物質是必不可少的[20]，因此如何將這些蛋白質在烘焙過程中更好的利用起來，將有助于提高咖啡烘焙后的品質。

3 結論

經Pearson線性相關性檢驗，咖啡感官評分高低與咖啡因含量和葫蘆巴堿含量的線性相關性具有顯著性，均成負相關，相關系數分別為r=0.855和r= 0.366。同時咖啡感官好的風味品質與咖啡因損失量（r=0.897）、葫蘆巴堿損失量（r=0.848）、綠原酸損失量（r=0.933）、還原糖損失量（r=0.713）正相關性均為極顯著，與蛋白質損失量的線性相關性不顯著。這一結果在實驗所選的7種咖啡豆中具有普遍性，較之前學者從單一咖啡品種得到的相關性關系更具有推廣價值，有助于通過對咖啡豆化學組分的測定初略估計咖啡的感官品質好壞。由于數據量的限制，數學建模的應用仍存在問題，如用SPSS16.0建立的多元線性回歸模型的預測值與實際值相差較大（模擬過程未寫出），因此需要使用更大的數據量借助Matlab等工具進行數學建模分析，建立咖啡豆化學組分或烘焙過程中化學組分損失量與咖啡品質的回歸模型。

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表7 咖啡主要化學組分的損失量Table7 The losses of coffee compounds of roasted coffee beans

表8 Pearson相關性分析Table8 Pearson correlation analysis

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