不同產(chǎn)地咖啡豆中揮發(fā)性成分的HS—SPME—GC/MS法分析

戴藝+盧金清+李肖爽+梁歡+蔡君龍

摘要：采用頂空固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析了不同產(chǎn)地咖啡豆中的揮發(fā)性化學(xué)成分，以峰面積歸一化法計算各組分的相對含量，并通過化學(xué)計量法處理。初步鑒定出97種化合物，不同產(chǎn)地咖啡豆揮發(fā)性成分有一定差異，采用主成分分析及聚類分析法能有效區(qū)分巴西、哥倫比亞、印度尼西亞3個產(chǎn)地的咖啡豆。該方法適用于咖啡豆揮發(fā)性成分的快速分析，可為咖啡豆的質(zhì)量評價提供參考。

關(guān)鍵詞：咖啡豆；揮發(fā)性成分；固相微萃取；主成分分析；聚類分析

中圖分類號：R284.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）18-4422-05

咖啡豆為茜草科（Rubiaceae）咖啡屬（Coffea）植物小果咖啡（Coffea arabica L.）、中果咖啡（C.canephora Pierre ex Froehn）及大果咖啡（C.liberica Bull. Ex Hien）的種子[1]，主產(chǎn)于巴西、哥倫比亞。咖啡豆暗綠色或暗棕色，有特異香氣，味微苦、澀，活性成分具有抗菌、抗氧化、保護(hù)心血管系統(tǒng)的藥理作用[2-4]，具有醒神、利尿、健胃等功效，已收錄于《中華本草》和《中藥大辭典》。咖啡豆因其味道甘醇，香味獨特，深受人們喜愛，同時由于咖啡豆中含有濃郁的揮發(fā)性香氣成分，廣泛應(yīng)用于香精香料行業(yè)。由于揮發(fā)性成分的組成、相對含量與產(chǎn)地和貯存條件關(guān)系密切，故本試驗采用固相微萃取（SPME）與氣質(zhì)聯(lián)用（GC/MS）技術(shù)對巴西、哥倫比亞、印尼3個產(chǎn)地10個批次咖啡豆中揮發(fā)性成分進(jìn)行鑒別，并結(jié)合化學(xué)計量法進(jìn)行統(tǒng)計分析，為分析咖啡豆的品質(zhì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器

Agilent 6890/5973氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國安捷倫公司）；NIST系列標(biāo)準(zhǔn)譜庫；100 μm聚二甲基硅氧烷（PDMS）萃取頭（美國Supelco公司），手動固相微萃取（SPME）進(jìn)樣器裝置（美國Supelco公司）；15 mL樣品瓶；電子天平（Sartorius，ALC-210.2）。

1.2 材料

巴西產(chǎn)咖啡豆（編號為1～5）、哥倫比亞產(chǎn)咖啡豆（編號為6、7）、印尼產(chǎn)咖啡豆（編號為8～10）由武漢黃鶴樓香精香料有限公司提供，經(jīng)湖北中醫(yī)藥大學(xué)生藥教研室鑒定為茜草科（Rubiaceae）植物咖啡屬（Coffea）小果咖啡（Coffea arabica L.）種子。

1.3 方法

1.3.1 頂空固相微萃取條件 取1 g樣品，研碎，置于15 mL配有聚四氟乙烯膠墊的頂空瓶中，用PDMS萃取纖維頭的手動進(jìn)樣器插入瓶內(nèi)，140 ℃平衡10 min，將萃取頭頂空萃取30 min，取出，立即插入色譜儀進(jìn)樣口（溫度250 ℃）解吸3 min。

1.3.2 GC-MS的分析 色譜條件：HP-5MS石英毛細(xì)管色譜柱（50 m×0.2 mm×0.33 μm），程序升溫：初始溫度為40 ℃，以8 ℃/min升至110℃，再以3 ℃/min升至125 ℃，最后以10 ℃/min升至240 ℃（保持3 min），進(jìn)樣口溫度250 ℃，載氣氦氣，流速1 mL/min，不分流進(jìn)樣。質(zhì)譜條件： EI源，離子源230 ℃，四級桿150 ℃，電子能量70 eV，倍增管電壓1.2 kV，接口溫度280 ℃，質(zhì)量范圍35～550 amu。

1.3.3 統(tǒng)計學(xué)處理 采用主成分分析和系統(tǒng)聚類法分析樣品數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果

經(jīng)化學(xué)工作站數(shù)據(jù)處理及用面積歸一化法從各總離子流圖（圖1）中計算各組分相對百分含量，各峰質(zhì)譜圖經(jīng)NIST譜庫檢索，并與文獻(xiàn)[5-7]核對，確定各個組分，初步鑒定97種化合物。結(jié)果表明，不同產(chǎn)地的咖啡豆揮發(fā)性成分種類和相對含量存在差異，但均含有咖啡因（1H-Purine-2，6-dione， 3，7-dihydro-1，3，7-trimethy）、2-呋喃甲醇（2-Furanmethanol）、2-呋喃甲醇乙酸鹽（2-Furanmethanol， acetate）、2，6-二乙基吡嗪（Pyrazine，2，6-diethyl-）等21種主要成分（表1）。以21個共有峰峰面積作為變量，得到10×21數(shù)據(jù)矩陣，使用SPSS19.0軟件進(jìn)行主成分分析和聚類分析。

2.1 主成分分析結(jié)果

將二維數(shù)據(jù)矩陣導(dǎo)入到SPSS19.0軟件進(jìn)行多變量統(tǒng)計分析。第一主成分的方差貢獻(xiàn)率為54.146%，第二主成分的方差貢獻(xiàn)率為23.996%，第三主成分的方差貢獻(xiàn)率為11.729%，前3個主成分的累計方差貢獻(xiàn)率為89.871%。圖2為10批次咖啡豆的前2個主成分的空間分布圖。從圖2中可以看出，同一產(chǎn)地的樣品在分布上相對集中，不同產(chǎn)地的樣品在分布上則有明顯差異。結(jié)果表明，采用主成分分析法能夠有效地區(qū)分巴西、哥倫比亞和印尼的咖啡豆。

2.2 系統(tǒng)聚類分析結(jié)果

利用 SPSS19.0軟件，采用Wards聚類法，以Euclidean 距離為測度、峰面積百分率為基準(zhǔn)，對10個批次3個產(chǎn)地的咖啡豆進(jìn)行聚類分析。結(jié)果如圖3所示，樣本層次聚類分析聚成3類，樣品1、2、3、4、5聚為一類，樣品6、7聚為一類，樣品8、9、10聚為一類。該圖直觀地顯示了整個聚類過程，縮小了憑借主觀判斷造成的誤差。聚類分析結(jié)果表明，不同產(chǎn)地的咖啡豆具有明顯差異，同一產(chǎn)地的咖啡豆在化學(xué)成分上具有相似性。

3 討論

本試驗采用頂空固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析了巴西、哥倫比亞和印度尼西亞3個產(chǎn)地的咖啡豆，該方法前處理簡單，快速準(zhǔn)確，無需有機(jī)試劑。共鑒定出了97種化合物，21種為共有成分，其中相對百分含量最高的為咖啡因，現(xiàn)代研究表明，咖啡因具有抗憂郁、控制體重、醒腦提神等作用，且烘焙前后含量基本不變[8]。3個產(chǎn)地咖啡因的平均含量分別為15.39%、8.02%、7.22%，其中巴西產(chǎn)咖啡豆中咖啡因的含量明顯高于其他產(chǎn)地。這可能是由于咖啡豆的種植土壤、氣候等生境條件不同，使植物次生代謝過程存在差異。endprint

采用主成分分析法和聚類分析法對HS-SPME-GC/MS數(shù)據(jù)處理，該方法不僅可綜合反映相同產(chǎn)地咖啡豆的關(guān)系，而且可以反映不同產(chǎn)地藥材間的差異，使分析結(jié)果更為直觀、客觀。

參考文獻(xiàn)：

[1] 南京中醫(yī)藥大學(xué).中藥大辭典（上冊）[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

[2] DAGLIA M， CUZZONI MT， DACARRO C. Antibacterial activity of coffee[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry， 1994，42（10）：2270-2272.

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[4] WATANABE T， ARAI Y， MIT SUI Y， et al. The blood pressure-lowering effect and safety of chlorogenic acid from green coffee bean extract in essential hypertension[J]. Clinical and Experimental Hypertension，2006，28（5）：439-449.

[5] 李 婷.咖啡豆的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究（D）.武漢：湖北中醫(yī)藥大學(xué)， 2012.

[6] 胡榮鎖，初 眾，谷風(fēng)林，等.海南主要地域生咖啡豆揮發(fā)性化學(xué)成分對比研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2013，33（2）：548-553.

[7] 劉明培.煙用香精香料咖啡豆料液GC-MS指紋圖譜研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[8] BELITZ H D， GROSCH W， SCHIEBERLE P. Food Chemistry [M]. Berlin： Springer Berlin Heidelberg， 2009： 938-970.endprint

采用主成分分析法和聚類分析法對HS-SPME-GC/MS數(shù)據(jù)處理，該方法不僅可綜合反映相同產(chǎn)地咖啡豆的關(guān)系，而且可以反映不同產(chǎn)地藥材間的差異，使分析結(jié)果更為直觀、客觀。

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采用主成分分析法和聚類分析法對HS-SPME-GC/MS數(shù)據(jù)處理，該方法不僅可綜合反映相同產(chǎn)地咖啡豆的關(guān)系，而且可以反映不同產(chǎn)地藥材間的差異，使分析結(jié)果更為直觀、客觀。

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