咖啡豆烘焙過程中油脂脂肪酸組成、揮發性風味及活性成分的演變規律

董聰慧，董文江，程金煥，胡榮鎖，何紅艷，陳小愛，龍宇宙，黃家雄，陳 罡，陳艦飛

（1.寧夏大學食品與葡萄酒學院，寧夏 銀川 750021；2.中國熱帶農業科學院香料飲料研究所，海南 萬寧 571533；3.海南省特色熱帶作物適宜性加工與品質控制重點實驗室，海南 萬寧 571533；4.云南省農業科學院熱帶亞熱帶經濟作物研究所，云南 保山 678600；5.普洱富民農業裝備有限公司，云南 普洱 665000）

咖啡為茜草科咖啡屬常綠灌木或小喬木植物，原產于埃塞俄比亞，主要分布在熱帶和亞熱帶地區。咖啡具有獨特的風味和功能特性，是世界三大飲料之一。目前已有70多個國家種植咖啡，通常商業栽培品種主要是阿拉比卡咖啡（Coffea arabicaL.）和羅布斯塔咖啡（Coffea canephoraL.）[1]。根據國際咖啡組織（ICO，2020）數據，2018年全球生產了約940萬 t咖啡。我國咖啡種植主要集中在云南、海南和四川等地，產量達到15萬 t，其中云南省生產的小粒種阿拉比卡咖啡占全國產量的95%以上。咖啡含有綠原酸、葫蘆巴堿和咖啡因等多種生物活性成分，具有提神醒腦、抗氧化、降血脂、降低心血管疾病風險等作用[2]。咖啡香氣一直是研究熱點，然而生豆本身無香氣，生豆經烘焙后發生美拉德、焦糖化等系列化學反應，使其形成咖啡特有的色澤、風味和口感[3]。因此，烘焙是咖啡加工中必不可少的一步。

咖啡豆的色澤主要取決于烘焙條件和品種，是劃分烘焙度的重要標志，可分為極淺、淺、淺中、中、中深極深和法式重度8 類[3-4]。在烘焙過程中咖啡中有機酸、脂質、含氮化合物等前體物質發生不同程度的美拉德反應、焦糖化反應等化學反應生成呋喃類、吡嗪類、醇類、吡咯類、吡啶類、醛酮類、硫化物、酚類及酯類等揮發性香氣化合物[5-7]。如Hu Gulin等[6]通過掃描電子顯微鏡、核磁共振和感官分析，分別闡明不同烘焙度的阿拉伯咖啡豆的物理形態變化、主要化學成分和杯測分值。通過多元分析法對數據進行統計分析，表明三聚氰胺、糖類、蘋果酸鹽、奎尼酸、γ-丁內酯和乙酸鹽有可能成為新的烘焙標志物，并討論了感官指標和成分之間的復雜關系。Jin Weiping等[8]主要研究了烘焙過程中咖啡豆微觀結構和主要化學成分的變化規律。Spreng等[9]采用超高效液相色譜-電噴霧電離-四極桿飛行時間串聯質譜從烘焙咖啡豆中鑒定出11種吡嗪類化合物結構，并研究了烘焙過程中咖啡豆美拉德反應機制的形成途徑。

油脂是烘焙咖啡豆中最重要的成分之一，被認為是烘焙香氣和風味的重要載體[9]。咖啡的揮發性化合物因種植地點、氣候條件、植物種類等而異，特別是咖啡豆的烘焙程度，從而對咖啡油脂的香氣產生巨大影響[10]。酰基甘油是咖啡油脂中的主要成分（80%），其次是非皂化化合物，如二萜類、甾醇和生育酚（15%～18%）；游離脂肪酸（0.5%～4.2%）；以及蠟脂（1.5%～2.5%）和數百種揮發性化合物[11-12]。Hurtado等[13]采用超臨界流體萃取法從烘焙咖啡豆中提取咖啡油脂，研究了脂肪酸和揮發性香氣組成及變化。Dong Wenjiang等[14]研究了不同提取方法對綠咖啡油脂理化指標、脂肪酸、生育酚、二萜、抗氧化活性和總酚含量的影響。

經大量實驗研究表明烘焙工藝對油料種子及植物油揮發性成分具有顯著影響，對油脂風味的形成至關重要。烘焙導致油料種子發生美拉德反應，使油脂內呋喃類、吡嗪類等雜環類物質增多，給油脂帶來特殊的堅果香、焙烤香。目前，烘焙結合氣相色譜-質譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）聯用分析已廣泛應用于油料種子油脂及香氣分析。如Lin等[15]研究了烘烤溫度和時間對杏仁油脂肪酸、酚類物質組成、美拉德反應和抗氧化等性質的影響，其結果顯示隨烘焙度增加杏仁油抗氧化活性、活性成分及褐變指數也隨之增加；Yu Jie等[16]研究對比紅外線焙燒與傳統滾筒焙燒對初榨菜籽油氧化穩定性和風味的影響。結果表明：紅外熱處理的樣品具有較低的酸值和過氧化物值，較高的氧化穩定性指數和清除自由基活性。侯雙瑞等[17]研究了不同烘焙工藝對杏仁油理化品質的影響，研究表明低溫（130、160 ℃）短時（5、10 min）烘焙得到的杏仁油品質有所提高，高溫190 ℃隨烘焙時間的延長烘焙得到的杏仁油品質逐漸降低。

由于在烘焙過程中咖啡豆經歷高溫長時間烘焙，在高溫和有氧條件下，咖啡豆發生一系列物理化學反應，包括美拉德、熱降解、油脂氧化等，從而影響油脂的感官品質，且烘焙處理對咖啡油脂脂肪酸組成及揮發性成分的影響尚不明確。而現階段國內外研究較多的是生豆中提取的綠咖啡油脂，而對于烘焙咖啡豆中提油的研究較少。因此，本實驗以云南小粒種咖啡豆試材，對其進行不同程度的烘焙處理，并測定各條件下咖啡油脂得率、酸價、碘值、皂化值、茴香胺值、色澤、氣味、透明度和脂肪酸組成；采用頂空固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用技術比較測定油中揮發性成分；此外通過高效液相色譜和福林-酚法測定活性成分生育酚、二萜和總酚含量及組成。本研究旨在為烘焙咖啡豆提取油脂的加工工藝改進及產品研發提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

生咖啡豆產自云南省農業科學院熱帶亞熱帶經濟作物研究所咖啡試驗基地，品種為卡蒂姆7963。

石油醚、無水乙醇、二氯甲烷、氫氧化鉀、正己烷、三氟化硼甲醇（均為分析純） 廣東西隴化工股份有限公司；甲醇、甲基叔丁基醚、正庚烷（均為色譜純）德國默克集團；咖啡醇、α-生育酚、γ-生育酚、δ-生育酚標準品 上海阿拉丁生化科技股份有限公司；咖啡豆醇和β-生育酚標準品 上海源葉科技有限公司；

1.2 儀器與設備

PROBATINO Typ 2SSH型咖啡豆烘焙機 德國Probat儀器公司；VTA-6S3型咖啡豆研磨機 德國Mahlkonig儀器公司；WF32-16mm精密色差儀 深圳市威福光電科技有限公司；AL 204型電子分析天平 梅特勒-托利多儀器有限公司；Master-s-plus UVF型全自動超純水系統 上海和泰儀器有限公司；R-215旋轉蒸發儀瑞士Buchi有限公司；7890A-5975C GC-MS聯用儀、1290超高效液相色譜儀 美國Agilent公司；E2695-W2475高效液相色譜儀 美國Waters公司；Lighttells CM-100 咖啡烘焙色度儀 上海大正器具有限公司。

1.3 方法

1.3.1 烘焙咖啡豆的制備

使用咖啡豆烘焙機制備樣品，準確稱量500.0 g生咖啡豆倒入烘焙機中，設定火力為7，風門為1.2，入鍋溫度為180 ℃，烘焙時間7.83～21.17 min。烘焙結束后放置冷卻裝置，快速冷卻至室溫。采用CM-100色差儀測定其顏色變化，烘焙程度的確定基于色差儀測定結果，以證明咖啡豆處于所需的烘焙狀態。根據SCAA（美國Agtron專業咖啡協會-SCAA，2010）將樣品劃分為由淺至深8 個不同烘焙度，每個烘焙度平行制備3 個樣品，密封在陰涼通風處保存。將烘焙好的咖啡豆研磨，過40 目篩，盛放于咖啡包裝袋中，封口備用，樣品信息如表1所示。

表1 不同烘焙度咖啡豆樣品信息Table 1 Information about eight coffee samples with different roasting degrees

1.3.2 咖啡油脂提取

參考宋恭帥等方法[18]，并稍作修改。將8種不同烘焙度的咖啡豆研磨，過40 目篩后準確稱量100.0 g咖啡粉于500 mL錐形瓶中，加入300.0 mL石油醚（沸程60～90 ℃），放置于45 ℃恒溫水浴振蕩器中提取1 h，濾紙過濾，重復提取2 次，合并濾液。過濾后使用旋轉蒸發儀蒸發溶劑，旋至無液滴滴下后收集咖啡油脂，分裝并轉移至5 mL棕色玻璃瓶中，置于-80 ℃超低溫冰箱冷藏備用。咖啡油脂得率按式（1）計算：

式中：m1為咖啡油脂質量/g；m2為所用咖啡粉質量/g。

1.3.3 理化性質的測定

酸價：根據GB 5009.229—2016《食品中酸價的測定》進行；皂化值：根據GB/T 5534—2008《動植物油脂皂化值的測定》進行；碘值：根據GB/T 5532—2008《動植物油脂碘值的測定》進行；茴香胺值：根據GB 24304—2009《動植物油脂 茴香胺值的測定》進行；氣味、透明度：根據GB/T 5525—2008《植物油脂氣味、滋味、透明度鑒定法》進行。

1.3.4 色差測定

參考侯雙瑞等[17]方法并稍作修改。準確量取4.0 mL咖啡油脂樣品，置于樣品槽內。采用色差儀測定咖啡油脂色澤，包括L*、a*、b*、c*和ho。每個樣品分別測定3 次，計算平均值用于后續分析。使用數碼照相機對8種烘焙度的咖啡油脂樣品拍照，以照片形式記錄樣品的色澤信息，并與色差計測定結果進行對比。

1.3.5 脂肪酸組成測定[19]

樣品處理：脂肪酸組成參照GB 5009.168—2016《食品中脂肪酸的測定》進行分析。準確稱量1.00 g咖啡油脂按國標進行脂肪皂化和脂肪酸甲酯化。

GC檢測條件：CP-Sil 88色譜柱（100 m×0.25 mm，0.20 μm）；升溫程序：初始溫度10 ℃保持13 min，以10 ℃/min增加到180 ℃，保持6 min，以1 ℃/min增加到200 ℃，保持20 min，然后以4 ℃/min增加到230 ℃，保持10.5 min。接口溫度和離子源溫度均為250 ℃。氦氣為載氣，流量1 mL/min，進樣量1 μL。

1.3.6 揮發性成分分析[18]

樣品處理：準確稱取2.0 g咖啡油脂樣品于頂空進樣瓶中，上機待測。

GC條件：DB-WAX色譜柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；載氣He；流速1.0 mL/min；進樣口溫度250 ℃；不分流進樣。程序升溫：起始溫度40 ℃，以3 ℃/min升至160 ℃，保留1 min后以10 ℃/min升至200 ℃，保持10 min；再以15 ℃/min升至250 ℃，保留1 min。MS條件：接口溫度250 ℃；離子源溫度230 ℃；電子能量70 eV；質量掃描范圍m/z35～450。

定性和定量方法：供試樣品根據GC-MS分析得到的各色譜峰，通過計算機譜庫檢索（NIST17），結合化合物保留指數進行定性，并根據揮發性成分的峰面積歸一化定量。

1.3.7 活性成分測定

1.3.7.1 總酚測定[17]

采用福林-酚比色法測定咖啡油脂中的總酚含量，結果以沒食子酸當量表示，單位為mg/100 g。標準曲線：配制質量濃度為25、50、75、100、125、150 μg/mL的沒食子酸標準溶液，制作標準曲線。

樣品前處理：精確稱取0.2 g咖啡油脂于離心管中，加入異丙醇2.0 mL，充分混勻。取0.5 mL混合液與新的離心管加入1.0 mL甲醇，混勻1 min后于50 ℃水浴鍋萃取30 min，然后5 000 r/min離心5 min，取上層甲醇相溶液定容至5 mL，作為待測液。

樣品測定：取1.0 mL待測液，加入0.5 mL蒸餾水，1.0 mL的福林-酚試劑，反應2 min后，再分別加入3.0 mL 12% Na2CO3，充分混勻1 min，室溫下避光反應1 h取出后于分光光度計于波長765 nm處測定吸光度，所測樣液中總酚按式（2）計算：

式中：Cx為測定樣品溶液中沒食子酸質量濃度/（mg/mL）；C0為樣品溶液質量濃度/（mg/mL）。

1.3.7.2 生育酚測定[20]

生育酚含量：按GB/T 26635—2011《動植物油脂 生育酚及生育三烯酚含量測定 高效液相色譜法》測定。標準曲線：將α-、γ-、β-、δ-生育酚標準品用甲醇配制成0.5、1、5、10、20、50、100 μg/mL標準品溶液，以標準液質量濃度為橫坐標，峰面積為縱坐標繪制標準曲線，通過標準品溶液的保留時間及標準曲線對生育酚進行定性和定量，含量以mg/100 g表示。

樣品處理：準確稱取0.5 g咖啡油脂樣品用2.0 mL正己烷稀釋，在高效液相色譜分析前采用0.22 μm濾膜過濾。

檢測條件：色譜分離在配備3300蒸發光散射檢測器的高效液相色譜系統上進行，色譜柱為Zorbax Eclispe Plus C18（4.6 mm×250 mm，5 μm）。激發波長為295 nm，發射波長為330 nm，進樣量為10 μL，流速為1.0 mL/min。

1.3.7.3 二萜測定

參考Belandria等[21]方法并稍作修改。標準曲線：將咖啡醇、咖啡豆醇標準品用正己烷配制成0.5、1、5、10、20、50、100 μg/mL標準品溶液，采用超高效液相色譜檢測，以標準液質量濃度為橫坐標，峰面積為縱坐標繪制標準曲線，含量以mg/g表示。

樣品處理：稱取0.1 g咖啡油脂樣品，加入2.0 mL 2.5 mol/L氫氧化鉀的甲醇溶液，80 ℃水浴1 h進行皂化反應，冷卻后加入2.0 mL去離子水和2.0 mL甲基叔丁基醚提取不皂化物，混勻并收集上清液，重復提取3 次，合并上清液。旋轉蒸發濃縮后，加入5.0 mL正己烷溶解，過0.22 μm濾膜后，采用超高效液相色譜檢測。

檢測條件：Zorbax Eclispe Plus C18（4.6 mm×100 mm，3.5 μm）；流動相為甲醇和水，85%甲醇等梯度洗脫10 min，后運行時間6 min。柱溫25 ℃，流速0.7 mL/min，進樣量10 μL，二極管陣列檢測波長210 nm。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2019軟件進行數據的整理與計算；數據的顯著性分析均采用SPSS 24.0軟件進行處理和分析，并采用Origin 2021軟件作圖。所有實驗均進行3 次重復實驗，結果以表示。

2 結果與分析

2.1 咖啡豆烘焙過程中油脂得率變化

由圖1可以看出，隨烘焙度增加咖啡油脂得率整體呈上升趨勢，烘焙度編號在45～95時，油脂得率緩慢增加；而在烘焙度編號為25～45時，油脂得率顯著提高，可達9.01%。其原因可能是咖啡豆在烘焙過程中，大量的前體物質受熱發生化學反應，水蒸氣、揮發性風味物質和CO2大量聚集，使咖啡豆內部結構隨著烘焙強度的提高而發生變化，孔徑增大[20]，從而提高油脂得率。Hurtado等[13]采用超臨界流體萃取法從烘焙度為45阿拉比卡咖啡豆中提取咖啡油，最佳條件下的油脂得率為8.9%。姚宏燕等[22]研究結果表明，隨著烘烤溫度升高和烘烤時間的延長，奇亞籽出油率也呈現上升趨勢，與本研究結果趨勢一致。

圖1 不同烘焙度咖啡油脂得率變化Fig. 1 Changes in oil yield from roasted coffee with different roasting degrees

2.2 咖啡豆烘焙過程中油脂色澤的變化分析

表2 不同烘焙度咖啡油脂的色澤變化Table 2 Color variation of coffee oils with different roasting degrees

L*表示亮度，a*值、b*值和c*值分別表示顏色由綠到紅、由藍到黃的色彩變化，色彩角ho表示顏色由紅橙區域到深褐色區域的變化[17]。如表2所示，在烘焙過程中由于發生焦糖化反應和美拉德反應，咖啡油脂的顏色隨烘焙度增加逐漸加深。咖啡油脂亮度隨烘焙程度增加而降低，色澤加深。咖啡豆烘焙度編號為25、35時，其相應油脂的色澤偏黃，而烘焙度編號為75～25其相應的油脂色澤偏紅棕色。隨烘焙程度的加深，油脂色澤受烘焙影響較大。在烘焙度編號25～45時，可觀察到咖啡豆表面出現部分碳化及破損，發生了較深程度的褐變反應，同時伴隨炭化，因此產生了更多的色素物質。姚宏燕等[22]研究了烘烤過程對奇亞籽油的色澤的影響，隨著溫度的升高或時間的延長，反應形最終產物類黑精色素等高分子色素等會使奇亞籽油的色澤加深。

如圖2所示，8種不同烘焙度咖啡油脂在反應在黃綠值上存在差異，且油品透明度差異也較大。其澄清度隨烘焙度加深先澄清后變渾濁，其原因可能是咖啡豆中的羰基和氨基化合物受熱發生美拉德反應，生成棕褐色的聚合大分子質量終產物類黑精[23]，而咖啡油脂由微渾濁又變至澄清可能是由于高溫下焦糖化反應產物的降解[24]。

圖2 不同烘焙度咖啡油脂樣品Fig. 2 Pictures of roasted coffee oil samples with different roasting degrees

2.3 咖啡豆烘焙過程中油脂理化指標的變化

2.3.1 咖啡豆烘焙過程中油脂酸價的變化

圖3 不同烘焙度咖啡豆相應的咖啡油脂酸價變化Fig. 3 Changes in acid value of roasted coffee oil with different roasting degrees

如圖3所示，咖啡油脂酸價隨烘焙程度的增加整體呈上升趨勢，但在烘焙度為極淺度到淺中度時咖啡油脂酸價無顯著差異，其值在1.60～1.66 mg/g之間，并未呈增加趨勢。原因是在烘焙過程中，促進酸價升高和降低的因素同時存在，油脂中不飽和脂高溫氧化成氫過氧化物，氫過氧化物易分解產生醛、酮，醛繼續被氧化生成酸，導致酸價升高；飽和脂肪酸被氧化產生醛，繼而被氧化成酸，酸價升高；而氫過氧化物分解產生的小分子揮發性酸和脂防酸聚合導致游離脂肪酸減少，酸值降低[25]。因此可能是在極淺度到淺中度下咖啡油脂分解為游離脂肪酸的速度與減少的速度相差不大，所以酸價未有明顯變化。酸價從中度到法式重度時逐漸增大，且在極深度時達到最大3.75 mg/g。此結果與陳祎平等[26]測定的咖啡油脂酸價相差不大，其通過加熱的穩定性實驗測定加熱前后咖啡油和大豆油酸價均升高，加熱前其油酸價分別為2.47 mg/g和1.53 mg/g，加熱后其酸價分別增加了0.46 mg/g和2.13 mg/g，相較而言油脂在加熱過程中產生氫過氧化物及游離脂肪酸相對于大豆油較少，結果表明相較于大豆油咖啡油的穩定性較好。在侯雙瑞等[17]的研究結果中也得到相同的規律，在烘焙過程中，隨著烘焙時間延長制備得到的2種杏仁油的酸值均呈增加的趨勢。總而言之，8種不同烘焙度咖啡油酸價都低于4 mg/g，均符合食用植物油國家標準。隨著烘焙度的加深在不同程度上均促進了咖啡油中多不飽和脂肪酸的氧化分解，溫度越高，氧化分解速率越快，酸價越高。

2.3.2 咖啡豆烘焙過程中油脂碘值的變化

圖4 不同烘焙度咖啡豆相應的咖啡油脂碘值變化Fig. 4 Changes in iodine value of roasted coffee oil with different roasting degrees

由圖4可知，烘焙度編號為25的咖啡油脂碘值最低，僅為（83.12±3.58）g/100 g，烘焙度編號為95咖啡油脂最高，其碘值為（142.04±7.55）g/100 g，表明咖啡油脂均含有較多的不飽和脂肪酸。隨著咖啡豆烘焙度的增加，咖啡油脂的碘值逐漸降低，這是由于溫度的升高加劇了油脂的氧化和水解導致。陳祎平等[26]采用索氏抽提法從咖啡渣中提取的咖啡油脂碘值為90.11 g/100 g，其結果與文獻中報道的差異可能與植物品種和原料預處理有關。與龍婷等[23]研究的烘焙茶籽油中碘值變化規律類似，隨烘焙度的加深茶籽油碘值逐漸降低。而這種下降主要是由于脂肪氧化引起脂肪酸雙鍵破壞，不飽和雙鍵減少，不飽和脂肪酸含量降低引起。

2.3.3 咖啡豆烘焙過程中油脂茴香胺值的變化

圖5 不同烘焙度咖啡豆相應的咖啡油脂茴香胺值變化Fig. 5 Changes in anisidine value of roasted coffee oil with different roasting degrees

茴香胺值能評估油脂次級氧化，醛羰基鍵在脂質次級氧化過程中形成。如圖5所示，烘焙度為極淺度時咖啡油脂樣品的茴香胺值為3.40，隨著烘焙程度為淺中度時，茴香胺值最高為16.26。油脂的氧化程度隨烘焙度增加而升高，由于烘焙過程中產生較多的醛酮類物質導致茴香胺值上升；而當烘焙度在淺中度增至法式重度時，茴香胺值呈下降趨勢，其原因是隨烘焙程度的進一步加深，高溫條件下會使二級產物分解，咖啡油脂茴香胺值又呈下降趨勢，所以油脂在氧化過程中形成氫過氧化物的同時又伴隨著它的分解，咖啡油脂茴香胺值的變化隨烘焙度增加，呈先增加后降低的趨勢。結果與侯雙瑞等[17]研究的烘焙工藝對杏仁油茴香胺值的變化規律一致，且杏仁油的茴香胺值隨烘焙溫度的升高呈先升高后降低，并在150 ℃時達到最大值。

2.3.4 咖啡豆烘焙過程中油脂皂化值的變化

圖6 不同烘焙度咖啡豆相應的咖啡油脂皂化值變化Fig. 6 Changes in saponification value of roasted coffee oil with different roasting degrees

一般皂化值愈高，說明脂肪酸分子質量愈小；皂化值愈低，則脂肪酸分子質量愈大或含有較多的不皂化物[27]。由圖6可知，8種不同烘焙度咖啡油脂樣品的皂化值范圍為在373.07～475.92 mg/g，經顯著性分析可知，烘焙程度對咖啡油脂皂化值的影響差異不顯著（P＞0.05），隨著烘焙溫度升高及時間延長，8種咖啡油脂的皂化值逐漸減小，說明受烘焙條件的影響，咖啡油脂中的甾醇、脂溶性維生素、色素、酚類等不皂化物增多，而導致皂化值降低[21]。

2.4 咖啡豆烘焙過程中油脂脂肪酸組成的變化

根據Kobelnilk等[28]的研究，咖啡油脂的成分，特別是脂肪酸的含量，可以被認為是區分咖啡品種的標志物。除地理環境及不同品種等因素外，烘焙過程也可能影響咖啡油脂的脂質組成。從烘焙咖啡豆中提取油脂的相關研究表明：咖啡油脂脂飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸的組成，主要為硬脂酸、棕櫚酸、油酸、亞油酸、亞麻酸和花生酸等[28-30]。為研究烘焙過程對咖啡豆油脂脂肪酸的影響，如表3所示，共鑒定出11種脂肪酸：十四烷酸（C14:0）十五烷酸（C15:0）、棕櫚酸（C16:0）、硬脂酸（C18:0）、油酸（C18:1）、亞油酸（C18:2）、α-亞麻酸（C18:3）、二十一烷酸（C21:0）、二十二烷酸（C22:0）、二十三烷酸（C23:0）和二十四烷酸（C24:0）。如圖7a所示，主要脂肪酸為亞油酸（43.06%～64.39%）、硬脂酸（12.67%～21.37%）、棕櫚酸（15.23%～27.55%）和油酸（9.03%～17.20%）。其中飽和脂肪酸8種，分別為十四烷酸、十五烷酸、十六碳酸（棕櫚酸）和十八碳酸（硬脂酸）等，占比24.27%～42.85%；不飽和脂肪酸3種，分別為油酸、亞油酸和α-亞麻酸，其中油酸為單不飽和脂肪酸，占比9.03%～17.20%；咖啡油脂中不飽和脂肪酸占比為57.78%～74.02%，表明咖啡油脂含有豐富的不飽和脂肪酸，具有較高的營養價值。植物油中單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸的比值越高越有利于油脂的穩定。亞油酸（C18:2）和α-亞麻酸（C18:3）是人類營養必需的多不飽和脂肪酸，占比45.65%～68.16%。研究結果表明亞油酸含量較高，均在40%以上，隨烘焙度增加其含量呈增漲趨勢，在烘焙度為法式重度時其含量達到最大值為64.39%；本研究中α-亞麻酸（C18:3）含量與亞油酸含量變化趨勢一致，由1.53%增至3.78%，在烘焙度為法式重度時達到最大值。在常見的動植物油脂中通常不含有亞麻酸，或含量很低。如：米糠油中亞麻酸含量小于1.0%；杏仁油中亞麻酸含量小于0.2%[17]。且亞麻酸對人體還具有降血壓、降血脂、預防心血管疾病、抑制癌癥、提高智力等作用，因此咖啡油脂在保健品和食品方面具有廣闊的應用前景。據報道Hurtado等[13]鑒定了烘焙度為45阿拉比卡咖啡豆提取的咖啡油脂脂肪酸含量，主要脂肪酸為棕櫚酸（46.1%）、亞油酸（32.9%）、油酸（8.0%）、硬脂酸（6.6%）和花生四烯酸（1.9%）。其結果與文獻中報道的差異可能與植物品種和原料預處理有關。

總而言之，隨著咖啡豆烘焙度的增加其相應的咖啡油脂飽和脂肪酸含量變化不大，在烘焙度至深度及以上時其飽和脂肪酸含量快速降低，不飽和脂肪酸含量變化整體程上升趨勢。咖啡豆烘焙過程油脂圖7b中多不飽和脂肪酸含量存在顯著差異。由表3可知，不同的烘焙條件對咖啡油脂脂肪酸組成影響不大；對各脂肪酸含量影響較大，部分數組之間具有顯著性差異。

表3 不同烘焙度咖啡油脂脂肪酸組成及相對含量變化Table 3 Changes in fatty acid composition of roasted coffee oil with different roasting degrees %

圖7 不同烘焙度咖啡油脂脂肪酸組成（a）和飽和脂肪酸與不飽和脂肪酸（b）的變化Fig. 7 Changes in fatty acid composition (a) and SFA and UFA (b)contents of roasted coffee oil with different roasting degrees

2.5 咖啡豆烘焙過程中油脂揮發性成分的變化

2.5.1 揮發性成分種類變化分析

不同的品種和處理方法會導致咖啡揮發性成分的差異，但其產生機理一致，即通過美拉德反應、斯特萊克降解和自動氧化等過程形成，這些成分賦予咖啡油脂不同的香氣[31]。如圖8所示，8種咖啡油脂樣品峰強度差異性較大，表明烘焙程度對咖啡油脂揮發性成分種類及含量有一定影響。8種咖啡油脂樣品中共檢出94種揮發性物質，其中烘焙度為極深度的咖啡油脂樣品檢出揮發性成分種類最多共64種，而烘焙度為極淺度油樣品僅檢出25種。

8種不同烘焙度咖啡油脂樣品相對含量較高的均為吡嗪類、呋喃類、酮類。隨著烘焙度的加深咖啡油脂揮發性成分種類越多，其原因可能是咖啡豆在烘焙過程中，大量的前體物質受熱發生化學反應，水蒸氣、揮發性風味物質和CO2大量聚集，因此咖啡豆的內部結構隨著烘焙強度的提高而發生變化，使咖啡豆孔徑不斷增加，更易于香氣成分的揮發[31]。

圖8 不同烘焙度咖啡油脂的GC-MS總離子流色譜圖Fig. 8 Total ion current chromatograms of volatile substances in roasted coffee oil with different roasting degrees

2.5.2 揮發性成分含量變化分析

由表4、圖9a可知，在咖啡豆烘焙度為極深度的咖啡油脂中揮發性成分種類最多，共鑒定出吡嗪類13種，呋喃類15種，酮類8種，雜環類2種，酯類5種，吡咯類3種，酚類4種，吡啶類4種，醛類4種，含硫化合物1種，醇類1種，吲哚2種以及烯類2種成分。其中吡嗪類、酮類和呋喃類占比49.30%。烘焙度為極淺度的咖啡油脂，共鑒定出呋喃類4種，吡嗪類10種，占比45.88%，與烘焙度為極深度的咖啡油脂相比，各類物質明顯減少。不同烘焙度咖啡油脂揮發性成分主要差別在于吡嗪類、呋喃類、酮類、醛類和酯類等。

結果顯示8種不同烘焙度咖啡油脂中相對含量較高的揮發性化合物分別為2-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪、2,5-二甲基-3-乙基吡嗪、2-乙酰基吡嗪、2-乙酰基呋喃、糠醛、吡啶等。在極淺度、淺度、淺中度烘焙時4-甲基吡咯(1,2-a)吡嗪、2-正丁基呋喃、3-苯基呋喃、5-甲基-2-乙酰基呋喃和2,2-二糠基醚等均未被未檢出；苯甲醛、二糠基二硫醚、2,2-二甲基-3-庚烯等而僅在中度時產生，這也許是咖啡油脂的特征香氣成分；如3-乙基苯酚、2-乙烯基-6-甲基吡嗪、4-羥基-3-甲基苯乙酮等化合物在深度及法式重度烘焙時才產生，這些可能是咖啡在較高溫烘焙下產生的特征香氣成分。不同的烘焙度咖啡豆含有自身的揮發性物質，這導致不同的烘焙度咖啡油脂有不同的特征香氣。在極淺、淺度和淺中度烘焙時，吡嗪類和呋喃類為主要的揮發性物質。與呂文佳等[32]研究中咖啡主要烘焙風味物質的形成及變化規律結果類似，研究結果表明在極淺度～淺中度時咖啡豆中的揮發性成分也主要為吡嗪類和呋喃類；與不同烘焙度咖啡油脂中的揮發性成分相對應。于醛類和酮類物質具有羰基結構，性質較為活潑，容易在高溫條件下與其他物質發生反應，因此繼續受熱使醛類和酮類物質含量下降[3]。在中度及中深度烘焙時，呋喃類、吡咯類、酮類、醛類等起主要作用，所以在中度烘焙的條件下，咖啡具有更多的果香味、花香和奶油味，隨著烘焙程度的加深，這類的香氣逐漸減少。而在深度、極深度和法式重度烘焙時，主要是吡咯類、酯類、吡啶和酚類等起作用。

表4 不同烘焙度咖啡油脂揮發性成分及其相對含量Table 4 Volatile composition of roasted coffee oil with different roasting degrees

續表4

續表4

吡嗪類化合物為咖啡油脂中含量最豐富的物質，8種不同烘焙度咖啡油脂樣品檢測出吡嗪類物質11～13種，烘焙程度對種類影響不大但其相對含量變化較大，在17.50%～37.41%，它們是由咖啡中的氨基酸與還原糖在高溫條件下發生美拉德反應產生，具有花生醬味、焙烤味、堅果味以及爆米花味等氣味特征[32]。烘焙度為極淺度的咖啡油脂吡嗪相對含量為37.41%，具有濃郁的堅果香味，隨烘焙度加深吡嗪類物質相對含量減少其堅果風味也會隨之減少。吡嗪通常具有堅果、泥土、烘烤和綠色香氣；吡啶具有魚腥味；揮發性呋喃呈現麥芽和甜味烘烤香氣，不同于吡咯（通過氨基酸或葫蘆巴堿熱解生成），主要由碳水化合物的美拉德反應、脂質熱氧化、抗壞血酸和硫胺素在烘焙過程中熱降解形成[33]。不同烘焙度咖啡油脂成分種類及相對含量如圖9b～g所示，其中嘧啶、酚類、酮類化合物總含量隨烘焙度增加呈現上升趨勢，且在烘焙度為法式重度時達到峰值；醛類化合物總含量隨烘焙加深呈現先上升后下降的變化趨勢，且在烘焙度為淺中度時增至最大值；而吡嗪類和醇類化合物總含量隨烘焙度加深呈現先下降再上升變化趨勢，在烘焙度為極淺度時達到峰值，而在深度時最低，與醛類化合物變化趨勢相反（圖9b～g）。由于吡嗪生成所需的反應活化能較低，所以在淺度烘焙時吡嗪類化合物含量較高，并且隨著烘焙增加其含量呈減小趨勢，吡嗪類化合物之所以減少有可能是因為受熱使六元環結構斷裂，生成含氮的烯烴類二碳和三碳化合物，并隨后揮發[5]。但當烘焙度至深度時，吡嗪類化合物出現緩慢上升的趨勢，其原因可能是再高溫發現2-乙酰基-3-甲基吡嗪和2-乙烯基-6-甲基吡嗪等新物質的產生。而酮類和醛類物質較為活潑，其減小主要是由長時間受熱分解引起，或在高溫下條件下與其他物質發生反應，生成新物質。

圖9 不同烘焙度咖啡油脂中各類揮發性成分種類（a）和主要揮發性成分含量的變化（b～g）Fig. 9 Changes in the type and content of volatile components in roasted coffee oil with different roasting degrees

2.6 烘焙程度對咖啡油脂活性成分含量的影響

關于咖啡醇和咖啡豆醇的研究表明，咖啡醇和咖啡豆醇具有抗氧化、消炎和保護肝臟的作用，它們是咖啡脂質組分物質中特有的二萜類物質，對健康有積極的作用[34]。據文獻報道，咖啡醇含量為1.82～13.08 mg/g、咖啡豆醇含量為0～12.65 mg/g是綠咖啡豆和烘焙咖啡豆中的主要二萜類化合物[35]。如表5所示，咖啡醇隨烘焙加深其含量變化先上升后降低。當烘焙度由極淺度增至深度時，咖啡醇含量呈增長狀態，當烘焙度為深度時達到最大值14.30 mg/g，隨烘焙度繼續增加其含量開始減少。而咖啡豆醇隨烘焙度增加，其含量是逐漸降低且變化量不大，在法式重度和極深度樣品中未檢測到，可能是由于高溫長時作用導致其結構被破壞，分解為脫氫咖啡醇和脫氫咖啡豆醇[37]。本研究中咖啡醇含量變化與Dias等[36]得出的結果一致，該研究表明，烘焙時間為2～10 min，溫度230 ℃條件下阿拉比卡咖啡中咖啡醇和咖啡豆醇的含量變化，其結果表明在烘焙時間為8 min時增至最大6.44 mg/g，隨后迅速減小。總而言之，烘焙等工藝參數對咖啡二萜含量有明顯的影響。

生育酚是植物油中一種重要的天然抗氧化劑，它不僅能阻斷自由基的產生，還能抑制單線態氧的產生，對植物油多不飽和脂肪酸氧化變質具有保護作用[37]。本實驗共檢測出3種生育酚，分別為δ-生育酚、α-生育酚、γ-生育酚，3種生育酚含量在烘焙過程中均呈下降趨勢，δ-生育酚是咖啡油脂中的主要生育酚，占生育酚總量的57%，其次為α-生育酚、γ-生育酚。3種生育酚含量隨烘焙增加呈下降趨勢，均在烘焙度為極淺度時達到最大值。洪啟迪等[38]測生豆中δ-生育酚、γ-生育酚和α-生育酚含量分別為（3.05±0.36）、（33.19±0.47）mg/100 g和（13.51±0.20）mg/100 g。烘焙度為極淺度和淺度咖啡油脂中的δ-生育酚和γ-生育酚含量均高于生豆咖啡油中的生育酚含量，說明經過適當烘焙可提高咖啡油脂中生育酚含量。

咖啡油脂中含有豐富的酚類物質，對油脂的氧化穩定性具有重要作用，同時具有抗炎癥、抗腫瘤、預防前列腺疾病等功效。由表5可以看出，咖啡油脂總酚含量隨烘焙程度增加呈增長趨勢，8種不同烘焙度咖啡油總酚含量差異較大，烘焙度為法式重度的咖啡油脂總酚含量為15.96 mg/100 g是極淺度樣品的2 倍多。黃建花等[39]測定了13種植物油的總酚含量，其總酚含量介于9.83～387.40 mg/kg，咖啡的總酚含量比椰子油、棕仁油、茶籽油、棕櫚油等植物油略高，與玉米油總酚含量相近，具有良好的營養價值。

表5 不同烘焙度咖啡油脂中活性成分的含量Table 5 Contents of bioactive ingredients in roasted coffee oil with different roasting degrees

2.7 相關性分析

為進一步探究咖啡豆烘焙過程中油脂理化性質、活性成分及脂肪酸等各指標間的相關性，對其進行Pearson相關性分析[40]，如圖10所示，圖中紅色表示正相關，藍色表示負相關，橢圓越扁顏色越深表示其相關性越大，無星號則表示兩者無相關性。咖啡醇、咖啡豆醇、總二萜、總生育酚、α-、δ-及γ-生育酚、飽和脂肪酸呈極顯著正相關（P＜0.01），這些指標都隨烘焙度增加而減小；而總酚、茴香胺值、酸價、總生育酚和不飽和脂肪酸呈極顯著負相關。皂化值和碘值與多個指標無相關性，表明烘焙度對咖啡油脂皂化值、碘值影響不大。由此可進一步說明咖啡豆在烘焙過程中油脂品質變化與烘焙程度密切相關，各指標的變化有明顯的對應關系。

圖10 烘焙過程中咖啡油脂理化指標、活性成分、脂肪酸的相關性Fig. 10 Correlation between physicochemical indicators, bioactive ingredients and fatty acids of roasted coffee oil during roasting

3 結 論

對咖啡豆進行8種不同烘焙條件預處理，制備得到咖啡油脂作為待測樣品。首先測定了咖啡油脂的理化指標，包括脂肪酸組成；之后研究了烘焙程度對咖啡油脂活性物質二萜、生育酚、總酚的影響及變化規律；采用GC-MS法分析了咖啡油脂揮發性成分的組成；最后，對其進行了Pearson相關性分析。

通過測定咖啡油脂的常規理化指標和脂肪酸組成，研究烘焙度對咖啡油脂品質的影響。結果表明，咖啡油脂中富含不飽和脂肪酸，占總脂肪酸的57.78%～74.02%，其中亞油酸含量最高。咖啡油脂的酸價在1.60～3.75 mg/g之間，茴香胺值在3.40～16.26之間。隨著烘焙度的增加，咖啡油脂酸價呈增加趨勢，而茴香胺值在極淺度～淺中度烘焙時先快速增加，隨后值又減小，說明適當的淺度烘焙能夠抑制油脂的氧化。咖啡油脂碘值在（83.12±3.58）～（142.04±7.55）g/100 g之間，說明咖啡油脂含有豐富的不飽和脂肪酸，營養價值較高。咖啡油脂皂化值范圍為373.07～475.92 mg/g。感官品質測定結果表明，隨著烘焙溫度升高，咖啡油脂顏色變深，都表現出堅果香味和焙烤香味；烘焙度較淺時，氣味偏清香、色澤明亮且澄清，烘焙度加深時油顏色更深呈褐色，表現出更豐富濃郁的堅果香。

采用GC-MS通過8種不同烘焙度咖啡油脂揮發性成分，共檢出94種揮發性物質。從極淺度到法式重度的咖啡油脂樣品中分別檢出25、33、36、53、54、59、64種和58種揮發性成分。不同烘焙度導致咖啡揮發性成分的差異，但其產生機理一致，即通過美拉德反應、斯特萊克降解和自動氧化等過程形成，這些成分賦予咖啡油脂不同的香氣，主要差別在于吡嗪類、呋喃類、酮類、醛類和酯類等。不同的烘焙度咖啡油脂有不同的特征香氣，在極淺、淺度和淺中度烘焙時，吡嗪類和呋喃類為主要的揮發性物質；在中度及中深度烘焙時，呋喃類、吡咯類、酮類、醛類等起主要作用，且隨烘焙的增加這些揮發性成分會逐漸減少；而在深度、極深度和法式重度烘焙時，主要是吡咯類、酯類、吡啶和酚類等起作用。因此咖啡油脂的香氣也會隨之變化，淺度烘焙時咖啡具有更多的果香味、花香和奶油味，隨著烘焙程度的加深，這類的香氣逐漸減少，烘焙及焦糖味加深。

咖啡醇和咖啡豆醇是咖啡脂質組分物質中特有的二萜類物質，對健康有積極的作用，咖啡豆醇隨烘焙加深其含量變化先上升后降低，當烘焙度為深度時達到最大值14.30 mg/g；咖啡油脂中共檢測出3種生育酚，分別為α-、δ-和γ-生育酚，δ-生育酚是烘焙咖啡油脂中的主要生育酚，占總生育酚含量的57%；咖啡油脂總酚含量隨烘焙程度增加呈增長趨勢，8種不同烘焙度咖啡油脂總酚含量差異較大。咖啡油脂中存在的咖啡醇、咖啡豆醇、總酚和生育酚等天然活性成分，有抗炎癥、消炎和抗腫瘤等功效，使其具有開發成功能性保健產品的潛力。

綜上所述，本研究可為咖啡烘焙加工工藝改進及產品質量提升提供理論依據，對制備不同風味、不同感官特征且富含營養成分的高品質咖啡油脂具有指導意義。