咖啡風味受品種、烘焙條件等因素影響，主要由揮發(fā)性風味成分和非揮發(fā)性呈味成分兩部分組成。風味組學通過分析樣品中的揮發(fā)性物質(zhì)，全面反映風味整體變化，采用多元統(tǒng)計分析篩選關(guān)鍵風味標記物。超高效液相色譜（UPLC）與Q-Exactive HF-X質(zhì)譜儀聯(lián)用具有極高的靈敏度、分辨率和質(zhì)量精度，能夠有效用于咖啡中非揮發(fā)性呈味組分及其揮發(fā)性香味組分前體物質(zhì)的檢測分析。代謝組學檢測到的化合物數(shù)量巨大，而風味組學則與消費者的喜好進行對接。咖啡中大量的代謝組分，與風味組學方法相結(jié)合可挖掘與咖啡風味品質(zhì)相關(guān)的化合物，進而得到其標志物。
本研究以6 種不同烘焙度及咖啡豆配比的咖啡產(chǎn)品作為研究對象，通過SPME-GC-MS分析揮發(fā)性組分，通過UPLC-MS/MS檢測代謝小分子，輔以電子鼻及電子舌的電子感官技術(shù)相結(jié)合探明不同樣品香味和滋味的差異性，對咖啡風味品質(zhì)進行綜合性評價，篩選出不同類型咖啡的標志物，為工業(yè)化生產(chǎn)的品質(zhì)控制提供參考。
本研究以6 種不同烘焙度及咖啡豆配比的咖啡產(chǎn)品作為研究對象，通過SPME-GC-MS分析揮發(fā)性組分，通過UPLC-MS/MS檢測代謝小分子，輔以電子鼻及電子舌的電子感官技術(shù)相結(jié)合探明不同樣品香味和滋味的差異性，對咖啡風味品質(zhì)進行綜合性評價，篩選出不同類型咖啡的標志物，為工業(yè)化生產(chǎn)的品質(zhì)控制提供參考。
01 不同咖啡的氣味輪廓分析
利用電子鼻對不同烘焙程度以及不同產(chǎn)地咖啡的風味輪廓進行快速檢測分析，圖1A結(jié)果表明，傳感器W5S、W1W、W2W的響應值較大，這3種傳感器分別對氮氧化合物、有機硫化物和無機硫化物反應靈敏。各樣品在W1W、W2W傳感器響應值的差異更大，表明二者對咖啡揮發(fā)性氣味的區(qū)分效果更好。6種樣品的雷達圖輪廓相似，為分辨不同樣品是否存在差異性，利用PCA模型降維后進一步分析，不同咖啡樣品能夠得到初步區(qū)分。如圖1B所示，6 個樣品分為3 組，各組整體輪廓較為接近。K1～K4樣品具有相同的咖啡配比，烘焙程度依次增加。K1與K2咖啡輪廓相交，說明淺度烘焙樣品之間相似，與中度、中深度烘焙樣品的差異較大。電子鼻可以區(qū)分不同烘焙程度的咖啡。如圖1C所示，對氮氧化合物敏感的傳感器W5S與淺度烘焙的樣品呈正相關(guān)性。K3與K6咖啡同為中度烘焙；K4與K5咖啡同為中深度烘焙，然而K4與K6咖啡由于甲基類物質(zhì)的含量相似使二者輪廓有所重疊，同時K3與K5咖啡在硫化物成分含量的影響下輪廓相似。這說明不同種咖啡的調(diào)配會影響烘焙程度感觀的差異，使中度烘焙的咖啡具有與中深度烘焙類似的感官，反之亦然。
02 不同咖啡的滋味輪廓分析利用電子舌快速分析滋味輪廓，如圖2A所示。6種樣品的雷達圖輪廓類似，只有酸味傳感器的響應值為負，說明酸味對咖啡整體滋味的貢獻較小。各樣品在鮮味與咸味傳感器上的響應值差異最大，表明這兩種傳感器對滋味特征的區(qū)分效果最好。為根據(jù)滋味特征進一步區(qū)分6種咖啡，對電子舌傳感器響應值結(jié)果進行PCA（圖2B）。6種咖啡輪廓未重疊，滋味特征明顯，易被區(qū)分。K3、K5和K6咖啡在PC1的正方向，主要受鮮味、咸味、厚味影響；K1、K2和K4咖啡在PC1的負方向，主要由澀味、酸味、苦味影響（圖2C）。每個樣品聚類的距離與滋味特征接近度相關(guān)，有相同咖啡配比的K1～K4樣品，烘焙程度不同，距離較遠，說明電子舌可以區(qū)分不同烘焙度的咖啡。K5、K6咖啡分別與K1、K3咖啡輪廓接近，說明不同的咖啡配比在一定程度上能夠彌補烘焙程度的差異，使不同烘焙度的咖啡具有類似的滋味輪廓。
03 不同咖啡的揮發(fā)性化合物分析
咖啡中各揮發(fā)性成分的產(chǎn)生機理相同，即通過美拉德反應、斯特萊克降解和脂質(zhì)氧化等過程形成，可賦予咖啡不同的香氣。6 種咖啡樣品的66 種揮發(fā)性成分如表1所示。K1～K4咖啡隨著烘焙程度增加，揮發(fā)性化合物種類增多。這是由于輕度烘焙的熱加工時間較短，則各類反應持續(xù)的時間較短，所以產(chǎn)生的化合物較少。K5、K6咖啡的埃塞爾比亞咖啡豆配比更高，可能是導致其揮發(fā)性物質(zhì)種類較少的原因。K1～K4咖啡的呋喃類物質(zhì)含量均隨烘焙程度的增加呈先上升后下降的趨勢。吡嗪類物質(zhì)隨烘焙程度的增加而減少，可能是因為六元環(huán)受熱斷裂加劇，生成烯烴類進一步揮發(fā)。為進一步探究揮發(fā)性成分的差異，進行PLS-DA，尋找導致組間區(qū)別的影響變量。由圖3A可知，各樣品間輪廓沒有重疊，K1～K4咖啡隨著烘焙程度的增加，由PC1的負半軸遷移至正半軸；與其產(chǎn)地、混合配比不同的K5與K6咖啡十分接近，但仍不重疊。顯然利用GC-MS檢測得到的揮發(fā)性成分進行不同咖啡的鑒別與區(qū)分的效果優(yōu)于電子鼻。如圖3B所示，影響淺度烘焙咖啡香氣的化合物有2-乙基-3,5-二甲基吡嗪、2-己酮、2-乙基-1-己醇等。影響中度烘焙咖啡香氣的化合物有丙酮、戊酸甲酯、4-吡啶醇等。影響中深度烘焙咖啡香氣的化合物有愈創(chuàng)木酚、2,6-二甲基吡嗪、苯甲醛等。聚類熱圖結(jié)果與得分圖結(jié)果一致。K1咖啡的特異性化合物主要是酮類和酸類，如2-己酮和異戊酸，使其有酸味和醚味。K2咖啡的特異性化合物包括十九烷、4-乙基-5-甲基壬烷等烷烴類。K3咖啡的特異性物質(zhì)有戊酸甲酯，為其增添水果味。K4咖啡獨特的木質(zhì)香、堅果香及花香分別由酚類、吡嗪類和醇類帶來，例如丁香酚、2,6-二甲基吡嗪、2-乙基-1-己醇。
04 不同咖啡的代謝小分子分析
如圖4A所示，6 種咖啡中共檢測出388 種代謝小分子，其中有機酸及其衍生物92 種、核苷及類似物8 種、脂質(zhì)和類脂分子26 種和生物堿及其衍生物8 種。從中篩選出28 種直接與滋味相關(guān)的化合物見圖4B。糖類化合物能降低咖啡的苦澀，有助于保留咖啡的揮發(fā)性風味組分，增加咖啡的黏度。淺度烘焙的咖啡含有較多的木糖、甘露醇三糖和蜜二糖。麥芽三糖在中度烘焙咖啡中的含量較高。埃塞俄比亞地區(qū)豆種配比較云南地區(qū)豆種配比更高的混合咖啡樣品含有更多的新橙皮糖和蔗糖。氨基酸類物質(zhì)通過斯特克降解反應生成醛酮類，形成特有的香氣和滋味。淺度烘焙的咖啡中呈甜味的丙氨酸、脯氨酸與呈苦味的異亮氨酸、苯丙氨酸的含量較高。賴氨酸在各樣品中含量相似。色氨酸、精氨酸與酪氨酸在埃塞俄比亞豆種配比較多的咖啡樣品中含量較高。生物堿是咖啡中的主要苦味物質(zhì)，在埃塞俄比亞咖啡豆配比更高的咖啡中含量更高。中度烘焙的咖啡中肌苷含量較少。
通過PLS-DA對不同咖啡代謝小分子的關(guān)系進行綜合分析。由圖4C可知，K1、K2是淺度烘焙咖啡，在PC1的負半軸，中度、中深度烘焙咖啡在PC1的正半軸、原點附近，可以明顯區(qū)分。由圖4D可知，L-酪氨酸乙酯、色氨酸-丙氨酸、纈氨酸-天冬酰胺等12種氨基酸及肽類似物，巴豆酸、戟葉馬鞭草苷等5種脂類，鳥嘌呤、1-甲基腺苷等48 個化合物是引起各樣品差異的主要差異代謝物（變量投影重要性（VIP）＞1.5）。區(qū)分6 種不同咖啡的烘焙度及產(chǎn)地，可直接選用部分呈滋味化合物，如胞嘧啶核苷、賴氨酸、新橙皮糖等，但更多的是與咖啡的非呈滋味代謝物有關(guān)。有研究通過超高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜進行代謝組學分析得到36 種云南小?？Х扰c埃塞俄比亞咖啡的潛在標志物，包括多酚16 種、脂質(zhì)類8 種、糖類6 種以及少量生物堿類、有機酸類、萜類。
05 香味與滋味的相關(guān)性分
為探究咖啡中電子鼻傳感器、電子舌傳感器與揮發(fā)性香氣物質(zhì)、非揮發(fā)性滋味物質(zhì)之間的關(guān)系，采用Spearman相關(guān)性分析。如圖5A所示，明顯分為2組，對短鏈烷烴、氫化物、苯類、氨類敏感的傳感器與厚味、咸味和鮮味傳感器存在正相關(guān)性，其余傳感器與酸味、苦味和澀味傳感器呈正相關(guān)。不同產(chǎn)地的咖啡本身代謝成分不同，代謝中間產(chǎn)物可能是氣味前體成分，所以特征香氣成分與代謝成分直接相關(guān)。將篩選出的呈滋味代謝物與揮發(fā)性香氣組分進行相關(guān)性分析，如圖5B所示，從代謝物角度來看，可以分為3組，其中一組大多數(shù)是呈苦味物質(zhì)如腺苷、可可堿和肌苷，與乙酰丙酮、2-呋喃甲醇和5-甲基糠醛等呈強烈的正相關(guān)。另一組大部分是呈甜味物質(zhì)如1,4-D-木糖、脯氨酸和丙氨酸，與5-羥甲基糠醛和4-乙基-2-甲氧基苯酚等存在強烈相關(guān)性。從揮發(fā)性化合物角度來看，與呈滋味代謝物存在強烈相關(guān)性的物質(zhì)大多是呋喃、酚類與吡嗪類。
05 香味與滋味的相關(guān)性分
為探究咖啡中電子鼻傳感器、電子舌傳感器與揮發(fā)性香氣物質(zhì)、非揮發(fā)性滋味物質(zhì)之間的關(guān)系，采用Spearman相關(guān)性分析。如圖5A所示，明顯分為2組，對短鏈烷烴、氫化物、苯類、氨類敏感的傳感器與厚味、咸味和鮮味傳感器存在正相關(guān)性，其余傳感器與酸味、苦味和澀味傳感器呈正相關(guān)。不同產(chǎn)地的咖啡本身代謝成分不同，代謝中間產(chǎn)物可能是氣味前體成分，所以特征香氣成分與代謝成分直接相關(guān)。將篩選出的呈滋味代謝物與揮發(fā)性香氣組分進行相關(guān)性分析，如圖5B所示，從代謝物角度來看，可以分為3組，其中一組大多數(shù)是呈苦味物質(zhì)如腺苷、可可堿和肌苷，與乙酰丙酮、2-呋喃甲醇和5-甲基糠醛等呈強烈的正相關(guān)。另一組大部分是呈甜味物質(zhì)如1,4-D-木糖、脯氨酸和丙氨酸，與5-羥甲基糠醛和4-乙基-2-甲氧基苯酚等存在強烈相關(guān)性。從揮發(fā)性化合物角度來看，與呈滋味代謝物存在強烈相關(guān)性的物質(zhì)大多是呋喃、酚類與吡嗪類。
本研究全面分析了6 種不同咖啡的風味品質(zhì)差異。電子感官數(shù)據(jù)經(jīng)PC降維可用作咖啡工藝的相似性分類分析。影響淺度、中度、中深度烘焙咖啡的揮發(fā)性化合物分別為酚類、吡嗪類和醇類，酮類和酸類，烷烴類和酯類。L-酪氨酸乙酯、纈氨酸-天冬酰胺和巴豆酸等可作為區(qū)分不同產(chǎn)地咖啡粉及其混合樣本的差異代謝物。淺度烘焙的咖啡含有較多木糖、甘露醇三糖和蜜二糖。麥芽三糖在中度烘焙咖啡中的含量較高。蔗糖、精氨酸等在埃塞俄比亞地區(qū)豆種配比更高的咖啡樣品中含量更高。5-羥甲基糠醛、愈創(chuàng)木酚、2-呋喃甲醇等特征香氣成分與呈滋味的代謝成分如蔗糖、可可堿、L-酪氨酸強烈相關(guān)。本研究結(jié)果可從香味和滋味角度為咖啡的科學研究提供數(shù)據(jù)支撐，有助于更好地鑒定識別咖啡種類，為咖啡的工業(yè)化生產(chǎn)品質(zhì)控制提供潛在標志物，為咖啡風味品質(zhì)標準化評價的建立奠定基礎。
參考文獻：李鈺蓮,鄭建祎,黃旭輝,等.多組學技術(shù)融合電子感官的咖啡風味品質(zhì)分析[J].食品科學,2023,44(20):292-299.
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