基于GC-IMS对不同品种咖啡豆挥发性有机物指纹图谱分析

（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）

摘要：该研究利用顶空气相色谱（HS-GC）-离子迁移谱（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，并对其进行主成分分析（PCA）。通过构建咖啡GC-IMS风味指纹图谱，比较不同品种咖啡豆挥发性风味物质之间的差异。结果表明，GC-IMS检出104种挥发性风味物质，其中81种风味物质可定性检出。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。表明该技术可用于咖啡豆的品种识别、产地追溯和品质控制等方面。

关键词：咖啡豆；气相色谱-离子迁移谱；挥发性有机物；指纹图谱

引文格式：杨莉，杨卫星，李茜，等.基于GC-IMS对不同品种咖啡豆挥发性有机物指纹图谱分析[J].中国酿造，2024，43（1）：255-260.

基金项目：2023年度云南省教育厅科学研究基金项目（2023J1243）；2022年普洱学院咖啡研究专项推荐项目（2022KFZX08）；普洱学院青年学术与技术带头人后备人才培养项目（QNRC21-04）

作者简介：杨莉（1995-），女，助教，硕士，研究方向为食品营养与卫生。

*通讯作者：李学玲（1984-），女，讲师，硕士，研究方向为民族医药与地方特色食品活性分析。

Fingerprint analysis of volatile organic compounds in different varieties ofcoffee beans by gas chromatography-ion mobility spectrometry

YANG Li1,YANG Weixing2,LI Xi1,FAN Zhuqing1,LI Huajian3,LI Xueling1*
(1.College of Biology and Chemistry,Pu'er University,Pu'er 665000,China;2.College of Food Science and Technology,Yunnan Agricultural University,Kunming 650100,China;3.Wenshan Academy of Agricultural Sciences,Wenshan 663000,China)

Abstract：In this study,the volatile flavor substances of 4 different varieties of raw coffee beans(A1,B1,C1,D1)and the 4 roasted coffee beans(A2,B2,C2, D2) were tested and analyzed by headspace gas chromatography(HS-GC)-ion migration spectrometry(IMS), and the principal component analysis(PCA)was performed.By constructing GC-IMS flavor fingerprint of coffees,the differences in volatile flavor substances among different varieties of coffees were compared.The results showed that 104 volatile flavor substances were detected by GC-IMS, among of which 81 compounds could be qualitatively detected.The GC-IMS fingerprint showed that the characteristic flavor substances of sample D1 were methyl butyrate and methyl acetate,the characteristic flavor substances of samples A2 and C2 were angelica lactone,ethyl butyrate and 3-methylbutyral,the characteristic flavor substances of sample B2 were 2-methylacrolein and 3-methyl-2-butenal, and the characteristic flavor substances of sample D2 were 2-furanmethanethioland 2,6-dimethyl pyridine.PCA results showed that sample B2 was similar to samples D2,A2 and C2, while samples A1 and D2 were different,indicating that the technology could be used for variety identification,origin tracing and quality control of coffee beans.

Key words：coffee bean;gas chromatography-ion migration spectrometry;volatile organic compound;fingerprint

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]。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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