利用分子感官科學(xué)技術(shù)鑒定咖啡風(fēng)味物質(zhì)

趙鉅陽，李欣，范婷婷

1. 哈爾濱商業(yè)大學(xué)旅游烹飪學(xué)院（哈爾濱 150000）；2. 榕城海關(guān)（福州 350001）

咖啡香氣濃郁，口感醇厚，不同的咖啡豆經(jīng)烘焙、研磨后的風(fēng)味各不相同。咖啡風(fēng)味的研究較為片面化，僅檢測及鑒定風(fēng)味物質(zhì)的成分，對于不良?xì)馕段镔|(zhì)無法分離去除；檢測技術(shù)較為新穎，但多采用單一技術(shù)進(jìn)行檢測；通過分子感官科學(xué)技術(shù)，可以較全面地對咖啡風(fēng)味系統(tǒng)的分析，定量地分析咖啡的感官品質(zhì)特征及其強(qiáng)度，客觀準(zhǔn)確地評價咖啡的風(fēng)味品質(zhì)。

分子感官科學(xué)由Steinhaus and Schieberle首次提出[1]，它是一門集食品風(fēng)味化學(xué)、分析化學(xué)、感官鑒評科學(xué)等學(xué)科交叉知識于一體的系統(tǒng)性科學(xué)，從分子層面定性、定量地研究食品的感官品質(zhì)及描述風(fēng)味，揭示食品特征氣味的化學(xué)本質(zhì)，構(gòu)建出風(fēng)味重組物[2]。分子感官科學(xué)也稱為感官導(dǎo)向風(fēng)味分析[3]。分子感官科學(xué)技術(shù)包括感官鑒評方法與檢測技術(shù)，結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜檢測技術(shù)的香氣提取物稀釋分析、氣相色譜-嗅聞檢測技術(shù)對香味物質(zhì)定性定量測定[4]，且利用高效液相色譜技術(shù)、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)及核磁共振技術(shù)結(jié)合定量描述分析法與滋味稀釋分析法對滋味物質(zhì)檢測。如對氣味物質(zhì)提取、分離、分析的每一操作中，分子感官科學(xué)始終將儀器分析與人的感官評價相結(jié)合，以人為主，儀器為輔，得到已確定成分的氣味重組物[45]。

時代的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展帶來分子感官科學(xué)技術(shù)的成熟和更新?lián)Q代，研究的深度及范圍不斷地擴(kuò)大，研究表明該技術(shù)成功應(yīng)用于咖啡，不僅能提供理論基礎(chǔ)，便于科研工作者，更是咖啡行業(yè)的領(lǐng)先技術(shù)，越來越多學(xué)者使用該項技術(shù)，但卻沒有真正掌握、理解分子感官科學(xué)。研究咖啡風(fēng)味應(yīng)從分子層面出發(fā)，預(yù)測其出現(xiàn)的感官現(xiàn)象，解釋現(xiàn)象背后的機(jī)理，開發(fā)更多不同風(fēng)味、適應(yīng)市場需求的咖啡飲品。

1 咖啡風(fēng)味物質(zhì)

咖啡豆，指由2顆橢圓形的種子相對組成的咖啡的果實。最早生長在非洲，咖啡豆含有咖啡因、單寧酸和含氮化合物等[5]?？Х扰c可可、茶稱為世界三大飲料，被分為阿拉比卡和羅布斯塔兩大品系[6]。新鮮的咖啡果采摘后，將過熟果、干果、霉菌果及異物分揀出來，使用曬床輕微初始干燥24 h，用脫皮機(jī)脫外果皮，手動分揀未脫果皮的豆子、果皮及異物最后晾曬架自然干燥，保持通風(fēng)，夜晚移至口袋內(nèi)密封儲存，干燥時間8 d[7]。得到初加工的咖啡豆，經(jīng)過高溫烘焙，經(jīng)過咖啡研磨機(jī)地研磨，得到粉質(zhì)細(xì)膩的咖啡粉，經(jīng)熱水沖泡，得到香味濃郁、口感純正的咖啡[8]?？Х鹊南銡夂妥涛妒窃u價咖啡風(fēng)味的重要指標(biāo)，也是評價咖啡優(yōu)劣的指標(biāo)，風(fēng)味物質(zhì)雖然大多沒有營養(yǎng)價值，但構(gòu)成食品質(zhì)量必不可少的因素之一[9]。

生咖啡豆本沒有香氣，與烘焙豆相比缺少顏色和風(fēng)味特性[10]，咖啡豆產(chǎn)香的3個階段，即吸熱干燥階段、烘焙階段、快速冷卻階段[11]。由不同焙炒時間可將其劃分為極淺、淺、淺中、中、中深、深、極深和法式重度八類[12]。產(chǎn)香物質(zhì)有呋喃類、吡嗪類、吡啶類、吡咯類、醛酮類及酚類和有機(jī)酸等揮發(fā)性物質(zhì)[13]。優(yōu)質(zhì)的咖啡香氣豐富濃郁、口感順滑、層次感強(qiáng)[14]。

咖啡滋味主要包括酸度、苦味及口感，因此，水果般的酸度、自然的苦味和醇厚的口感通常被認(rèn)為是一種優(yōu)質(zhì)的咖啡風(fēng)味?？Х榷怪屑姿岬扔袡C(jī)酸，其含量的多少對咖啡pH和可滴定酸度影響較大，Basavaraj等[15]使用pH計檢測酸度；咖啡因是一種生物堿化合物，也是一種較為重要的苦味物質(zhì)風(fēng)味物質(zhì)[16]；口感描述咖啡滋味，食物的適口性尤其重要，因此說口感是評價咖啡風(fēng)味的重要指標(biāo)，最明顯的感官即為稠度，常與總固形物、可溶性固形物含量相關(guān)，也與脂肪或脂肪酸含量組成有關(guān)[17]。

2 分子感官科學(xué)技術(shù)在咖啡香氣分析的應(yīng)用

2.1 感官評價技術(shù)的應(yīng)用

2.1.1 香氣提取物稀釋分析法

儀器分析技術(shù)所得結(jié)果并不能較為準(zhǔn)確地解釋某一感官的總體狀況，也不能解釋各感官間的相互作用關(guān)系，因此感官評定在食品檢測中有著不可替代的作用。儀器分析技術(shù)的手段只是輔助驗證的手段，因此感官評價為主體。

香氣提取物稀釋分析法（AEDA）最初是由Grosch[18]提出。主要的操作是將香氣提取物按一定的稀釋率進(jìn)行逐步稀釋[19]，逐步分析稀釋后的樣品，評價員通過嗅聞，聞不到香氣為止，記錄此時的稀釋度，最低濃度時仍可以聞到的香氣成分即為樣品的關(guān)鍵香氣物質(zhì)[20]。AEDA法可得每種香氣物質(zhì)的香氣稀釋因子（FD因子）和貢獻(xiàn)度，F(xiàn)D因子與香氣濃度成正比，即FD因子越大，貢獻(xiàn)度越大[21]。Mareike等[44]利用香氣提取分析法研究酶解綠原酸對咖啡消化率的影響，發(fā)現(xiàn)4種香氣活性成分：乙基吡嗪（霉味）、麥芽酚（焦糖味）、1-糠基吡咯（焦味）及2, 5-二甲基苯酚（皮革味）具有較高的FD因子，結(jié)果表明酶處理對烘焙咖啡粉的整體香氣有著微弱的影響。Aileen等[42]檢測到咖啡氣味中酚類（堅果和甜味）物質(zhì)具有最高FD，如愈創(chuàng)木酚（煙熏，也是強(qiáng)效氣味劑）；且微量的巴西咖啡特有的2-苯乙醇（花，蜂蜜）、埃塞俄比亞咖啡獨有的正己醇（果味）、危地馬拉咖啡獨特的2-甲氧基-3-異丙基吡嗪（泥土味）等被測出。

香氣提取物稀釋法是一種操作手段，需與儀器結(jié)合使用；同時，可用于香氣重組，即通過識別待測樣品的氣味成分，利用不同劑量化學(xué)物質(zhì)的結(jié)合，使得咖啡或其他產(chǎn)品的氣味更加濃郁，推動開發(fā)不同的香氣類型產(chǎn)品，如含咖啡風(fēng)味的果飲、面點制品等。

2.2 檢測分析技術(shù)的應(yīng)用

2.2.1 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)

氣相色譜利用待分離的各種氣體物質(zhì)的吸附能力的不同進(jìn)行分析檢測；質(zhì)譜則是一種測量離子荷質(zhì)比的分析方法；氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS）結(jié)合2種分析技術(shù)，發(fā)揮色譜的快速、高效分離與質(zhì)譜的高度特異性、高靈敏度特點，達(dá)到精確檢測與分析咖啡揮發(fā)性風(fēng)味化合物的目的[22]。

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)可用來分析易揮發(fā)、小分子的化合物。因此，首選GC-MS檢測復(fù)雜的咖啡樣品的香氣成分。董文江等[23]結(jié)合GC-MS的檢測技術(shù)分析云南咖啡豆中揮發(fā)性成分分析，共鑒定出酸類8種、酮類3種、醇類10種、碳?xì)漕?種等42種揮發(fā)性物質(zhì)，而云南咖啡香氣物質(zhì)的差異低于滋味物質(zhì)。

GC-MS的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的標(biāo)準(zhǔn)譜庫尚不完善，在某一峰值可查的化合物存在多種，無法精確待測的氣味；質(zhì)譜也無法分辨很多異構(gòu)體（尤其是位置異構(gòu)），干擾氣味物質(zhì)的分析。因此需要在標(biāo)準(zhǔn)圖譜庫里檢索保留指數(shù)KI*，與計算保留指數(shù)KI相比較，以明確該化合物。GC-MS常結(jié)合HSSPME使用，分析效率更高，結(jié)果更為精準(zhǔn)。

2.2.2 氣相色譜-嗅聞技術(shù)

氣相色譜-嗅聞技術(shù)（GC-O）由Fuller等[24]發(fā)明。GC-O技術(shù)可以解決GC-MS局限性，它是一種氣味檢測法，人的鼻子作為檢測器。它不但可以檢測復(fù)雜樣品的香氣物質(zhì)，而且能直接檢測出相應(yīng)的香氣物質(zhì)的氣味強(qiáng)度，最終確定貢獻(xiàn)度[25]。Aileen等[42]利用GC-O發(fā)現(xiàn)哥倫比亞咖啡中的2-甲基-2-四氫呋喃酮（含堅果、甜香風(fēng)味）的存在，解釋咖啡具有堅果香味。Sung-tong等[43]通過GC-O證實2-甲基-2-丁烯醛、Z-2-辛烯醛和3-甲基-1-丁醇等氣味物質(zhì)的存在，且含量較多。

氣相色譜-嗅聞技術(shù)雖然能夠很好地將感官與技術(shù)相結(jié)合即人與儀器的結(jié)合，但是仍然存在缺陷，如評價員的嗅覺敏感度、記憶能力存在差異，需要在限定的時間內(nèi)對分離的所有餾分進(jìn)行嗅聞，對嗅覺與記憶能力的要求嚴(yán)苛，且氣相色譜儀不能完全分離所有的揮發(fā)性氣體，結(jié)果可靠性低。因此，對于氣相色譜應(yīng)盡快改進(jìn)它的性能，嗅聞方面應(yīng)加強(qiáng)評價員的嗅覺訓(xùn)練，使得科研結(jié)果更精準(zhǔn)。

3 分子感官科學(xué)技術(shù)在咖啡滋味分析的應(yīng)用

3.1 感官評價技術(shù)的應(yīng)用

3.1.1 定量描述分析法

定量描述分析法（QDA）是常用的一種描述型感官評定方法，評定咖啡樣品的風(fēng)味特征與風(fēng)味強(qiáng)度，繼而系統(tǒng)研究咖啡的感官品質(zhì)與風(fēng)味組分、儀器分析結(jié)果之間的關(guān)系。Kreuml等[30]利用定量描述分析評定儲存9個月和18個月后30種烘焙咖啡感官質(zhì)量。結(jié)果顯示烘焙咖啡豆儲存9個月后，正相關(guān)氣味和風(fēng)味屬性的強(qiáng)度降低，而負(fù)相關(guān)氣味和風(fēng)味屬性顯著增加，18個月后，氧化過程的腐臭氣味和味道甚至更為明顯。Ribeiro等[31]利用定量描述性感官分析法分析51個阿拉比卡烘焙咖啡樣品的NIR光譜產(chǎn)生數(shù)學(xué)模型，預(yù)測咖啡飲料的酸度、苦味、風(fēng)味、清潔度、本體和整體質(zhì)量的分?jǐn)?shù)。結(jié)果表明，咖啡因和綠原酸與苦味有關(guān)；綠原酸與酸度和風(fēng)味有關(guān)；清潔度和整體質(zhì)量與咖啡因、葫蘆巴堿、綠原酸、多糖、蔗糖和蛋白質(zhì)有關(guān)。

定量描述分析法不僅將樣品進(jìn)行定性分析，還能將定量與定性結(jié)合起來。定量描述分析在咖啡的滋味感官評價中未得到深入研究，對咖啡的呈味物質(zhì)還存在盲區(qū)，因此定量描述分析在咖啡中的應(yīng)用有意義，有助于深入全面地了解咖啡豆在烘焙過程中變化的機(jī)理。

3.1.2 滋味稀釋分析法

滋味稀釋分析法（TDA）最初是由Hofmann[26]在鑒定食品中苦味物質(zhì)時開創(chuàng)的，利用舌頭評定對滋味物質(zhì)的稀釋溶液，標(biāo)度評級滋味的強(qiáng)度，確定滋味物質(zhì)的閾值，計算樣品溶液的滋味稀釋因子（TD）[27]。Frank等[32]為闡明咖啡中強(qiáng)烈的苦味分子，通過滋味稀釋分析篩選形成的反應(yīng)產(chǎn)物中的苦味化合物，并分離和純化最苦味的物質(zhì)。結(jié)果鑒定出10種苦味化合物，分別為1，3-雙（3’，4’-二羥基苯基）丁烷、反式-1, 3-雙（3’，4’-二羥基苯基）-1-丁烯和8種多羥基化苯基茚滿，其中5種衍生物是首次報道。Frank等[33]利用滋味稀釋法篩選和鑒定烘焙咖啡中的苦味物質(zhì)，結(jié)果表明咖啡的苦味物質(zhì)是3-O-咖啡酰-γ-奎寧、4-O-咖啡酰-γ-奎寧、4-O-咖啡酰-毛霉酰-γ-奎寧、5-O-咖啡酰-毛霉酰-γ-奎寧、5-O-咖啡酰-epi-δ-奎寧、3-O-阿魏酰-γ-奎寧、4-O-阿魏酰-γ-奎寧、3, 4-O-二咖啡酰-γ-奎寧、4, 5-O-二咖啡酰-毛霉酰-γ-奎寧、3, 5-O-二咖啡酰-epi-δ-奎寧。

通過滋味稀釋分析法可以篩選出咖啡中的主要滋味活性物質(zhì)，如生物堿呈苦味物質(zhì)，能使咖啡中已知或未知滋味化合物的濃度得到有效控制。但人的主觀因嚴(yán)重素影響整個評定，味覺靈敏度各有差異，易受環(huán)境影響，造成稀釋分析的結(jié)果不精確。因此，在使用此方法前，應(yīng)對測試人員進(jìn)行培訓(xùn)，減少誤差。

3.2 檢測分析技術(shù)的應(yīng)用

3.2.1 高效液相色譜技術(shù)

傳統(tǒng)的液相色譜主要是用于分離分析大量的熱不穩(wěn)定的化合物，引入氣相色譜的理論后，液相色譜有了更快的檢測效率、更高的靈敏度、更準(zhǔn)確的分析結(jié)果，最終成為高效液相色譜技術(shù)（HPLC）[28]。胡浩等[34]利用高效液相色譜技術(shù)測定咖啡在不同烘焙風(fēng)味下6種綠原酸含量規(guī)律，在生咖啡豆中總綠原酸含量最高，意式烘焙后最低。Tran等[35]采用高效液相色譜法測定不同烘焙條件下6種生物活性胺的含量，結(jié)果表明，在咖啡生豆中存在4種生物活性胺，烘焙處理使咖啡豆生物活性胺含量先減少后增加；其中維也納式烘焙方式產(chǎn)生的生物胺總含量最低，法式烘焙時產(chǎn)生組胺物質(zhì)，組胺含量隨烘焙程度的加深而增高。組胺具有難聞的氣味和不好的口感，不利于咖啡香氣的形成。Viapiana等[36]通過建立高效液相色譜與指紋圖譜測定生物活性成分，試驗結(jié)果表明香豆酸和可可堿的含量最低，而可可堿是呈酸物質(zhì)，說明咖啡口感偏中性。Giulia等[37]用高效液相色譜比較2種冷提取方法——冷釀造法和冷滴注法提取咖啡因和肉桂酸進(jìn)行定量。

高效液相色譜是一項較為可信的技術(shù)，用于分離各組分，進(jìn)行定量定性分析，由于技術(shù)的限制，對未知成分不能較好的定性，推動了咖啡呈味物質(zhì)的檢測發(fā)展，對咖啡風(fēng)味飲料的開發(fā)有積極的影響，為其他液體飲品提供了參考依據(jù)。

3.2.2 液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)

液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（LC-MS）是用液相色譜進(jìn)行分離，質(zhì)譜進(jìn)行檢測的技術(shù)，咖啡風(fēng)味化合物分離分析常使用這項技術(shù)用于分離熱不穩(wěn)定、高沸點的風(fēng)味化合物，鑒定風(fēng)味物質(zhì)的組分[29]。Perrone等[38]通過液相色譜-質(zhì)譜法，檢測并利用信噪比計算烘焙咖啡中咖啡因、胡蘆巴堿、煙酸和蔗糖的檢出限分別為11.9，36.4，18.5 ng/mL和5.0 ng/mL。對11個咖啡樣品（普通或不含咖啡因的綠咖啡、磨碎的烤咖啡和速溶咖啡）的分析結(jié)果與文獻(xiàn)相符。結(jié)果表明，該方法適用于市場上不同類型的咖啡，是一種快速可靠的常規(guī)咖啡分析方法。

現(xiàn)階段，液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)已進(jìn)化為高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)，其精準(zhǔn)度、檢測速度得到有效提高。Caprioli等[39]首次將高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)應(yīng)用于濃縮咖啡中5種異黃酮的提取，異黃酮為苦味的呈味物質(zhì)，也是生物活性物質(zhì)，該方法證實高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)用于檢測咖啡等復(fù)雜基質(zhì)中生物活性物質(zhì)的高度特異性和選擇性。

3.2.3 核磁共振技術(shù)

質(zhì)譜分析可鑒定咖啡中一般滋味化合物結(jié)構(gòu)，但由于部分滋味化合物活性相差很大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、存在同分異構(gòu)體，質(zhì)譜分析技術(shù)無法鑒別，核磁共振技術(shù)（NMR）可以檢測這類難以鑒定的滋味物質(zhì)?？Х戎锌Х纫?、甲酸和三角堿通過使用核磁共振技術(shù)進(jìn)行定量分析[40]。DEL CAMPO G G等[41]利用核磁共振描述對咖啡中一些主要或次要化合物的滴定測定。這些咖啡的核磁共振譜顯示，它們含有4.2%咖啡因、2.6%甲酸、2.4%三瓜氨酸和7.3% 5-HMF。

核磁共振技術(shù)不僅能定性分析，還可以定量分析，且較為精準(zhǔn)，因此咖啡中未知的呈味物質(zhì)可以較好確定，推動咖啡成分的確定、提取、分離等技術(shù)的進(jìn)步，為不同成分的呈味物質(zhì)定性定量分析提供技術(shù)性的指導(dǎo)。

4 結(jié)語與展望

分子感官科學(xué)技術(shù)被用于描述咖啡風(fēng)味特征物質(zhì)和感官品質(zhì)，將其用于咖啡風(fēng)味的品質(zhì)控制、消費者喜好的把握尚未開展深入研究，開發(fā)的咖啡產(chǎn)品較少，大多為飲品。

此外分子感官科學(xué)技術(shù)存在局限性，如咖啡在感官評價時，會出現(xiàn)時效性和主觀性，由于咖啡內(nèi)含物質(zhì)豐富，大多數(shù)的咖啡帶有苦味、酸味等，少數(shù)咖啡還有澀味等，評價咖啡某一特定滋味時，易受到其他滋味的影響，因此感官評價是需要一定的時間間隔；人們的喜好略有不同，因此評價員在評價時易受到主觀意識影響，所以需要更精密的儀器輔助。隨著時間的推移，分子感官科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也越來越成熟，科研人員可以利用其改善咖啡的口感，滿足消費者喜好，推進(jìn)咖啡市場的發(fā)展，該技術(shù)將會更廣泛地應(yīng)用于咖啡風(fēng)味品質(zhì)的研究，以及一些新功能、新領(lǐng)域的開發(fā)。