咖啡作为全球最受欢迎的饮品之一,其风味特征深受产地与萃取方式的影响[1]。 近年来,冷萃技术作为一种新兴的低温萃取方法,因能带来更柔和的酸度[2]、更突出的甜感和果香[3-4],而广泛获得市场关注。 尽管已有研究开始探讨冷萃与热萃咖啡的差异,例如陈仲娜等[5] 通过热脱附-气相色谱-质谱联用(automated thermal desorption-gas chromatography-mass spectrometry,ATD-GC-MS)对比分析云南阿拉比卡咖啡冷萃和热萃的香气差异,发现两者挥发性成分的种类和含量具有明显差异。 杨傲林等[6]基于表情符号的消费者测评结合顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用(headspace solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry,HS-SPME-GC-MS)比较分析冷萃和热萃对咖啡品质的影响,结果表明冷萃咖啡香气协调,在风味上更胜一筹,消费者的接受度更高。 然而,这些研究大多集中于宏观感官描述或单一产地的分析,对于不同产地阿拉比卡咖啡在热萃与冷萃过程中香气组成差异的系统性研究仍较为缺乏。
鉴于此,本研究扩大产地研究范围,聚焦于巴西、云南、耶加雪菲三大代表性产地的阿拉比卡咖啡,横向对比不同产地咖啡在热萃与冷萃条件下的香气差异,揭示产地特性与萃取方式的交互作用对香气的影响;通过结合HS-SPME-GC-MS 技术与多元统计分析,全面解析不同实验条件下咖啡萃取液中挥发性香气成分的组成特征、含量变化及差异规律,明确不同产地咖啡在萃取后得到的咖啡萃取液中的关键呈香物质及其组成差异;另外,在对咖啡香气组成及关键呈香物质进行系统性解析和精准定位的基础上,进一步探讨香气物质与感官属性之间的潜在相关性,旨在深入探究萃取方式对咖啡香气成分的影响,并揭示不同产地咖啡的独特风味特征,为咖啡产品的开发提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
云南、巴西、耶加雪菲咖啡粉(阿拉比卡种、中度烘焙、细粉),市售;正构烷烃标准品(C7 ～C30),色谱纯,北京百灵威科技有限公司;癸酸乙酯,纯度＞99%,上海麦克林生化科技股份有限公司;NaCl,分析纯,烟台市双双化工有限公司;纯净水,娃哈哈集团有限公司。
1.2 仪器与设备
8890-5977B 气相色谱-质谱联用仪,美国安捷伦科技有限公司;57328-U SPME 萃取头组件,德国达姆施塔特默克集团;DF-101S 集热式恒温加热磁力搅拌器,河南省予华仪器有限公司;BSA323S 电子天平,赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;DHJF-1002 低温恒温搅拌反应浴、SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵,郑州长城科工贸有限公司;PEN3 电子鼻,德国AIRSENSE 公司。
1.3 实验方法
1.3.1 咖啡萃取液的制备
准确称取一定量咖啡粉,按比例加入一定温度纯净水,保温一段时间后抽滤,收集滤液并放入4 ℃冰箱备用。
1.3.2 单因素试验设计
热萃：以挥发性香气成分总量为考察指标,研究粉水质量比(1 ∶8、1 ∶10、1 ∶12、1 ∶14、1 ∶16)、萃取时间(1、3、5、7、9 min)、萃取温度(80、85、90、95、100 ℃)对咖啡萃取液挥发性香气成分总量的影响。
冷萃：以挥发性香气成分总量为考察指标,研究粉水质量比(1 ∶8、1 ∶10、1 ∶12、1 ∶14、1 ∶16)、萃取时间(8、12、16、20、24 h)、萃取温度(4、12、20、28、36 ℃)对咖啡萃取液挥发性香气成分总量的影响。
1.3.3 正交试验设计
在单因素试验结果的基础上,以粉水质量比(A)、萃取时间(B)、萃取温度(C)3 个因素为考察因素,以咖啡萃取液挥发性香气成分总量为考察指标,采用L9(34)标准正交表进行正交试验,采用极差分析的方法对实验结果进行处理,确定各因素的主次顺序和各因素的最优水平组合。 试验因素水平设置如电子版增强出版附表1 和附表2 所示(https：/ /doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.045946,下同)。
1.3.4 验证试验
对正交试验所得的最优水平组合进行3 次重复试验以验证正交试验结果的准确性,并以此最优条件对3 种咖啡分别进行热萃和冷萃,得到热萃巴西咖啡(热-巴西)、热萃云南咖啡(热-云南)、热萃耶加雪菲咖啡(热-耶加雪菲)、冷萃巴西咖啡(冷-巴西)、冷萃云南咖啡(冷-云南)和冷萃耶加雪菲咖啡(冷-耶加雪菲)6 种不同的咖啡萃取液。
1.3.5 HS-SPME-GC-MS 分析
HS-SPME 条件：参考文献[7]并作修改,取5 mL咖啡萃取液于顶空瓶中,加入2 g NaCl,加入内标,加盖密封,随后将顶空瓶在60 ℃下平衡20 min,然后插入萃取针吸附20 min,最后将萃取针插入进样口解吸5 min。
GC 条件：采用8890A-5977B 气相色谱-质谱联用仪,DB-5MS 毛细管柱(60 m ×250 μm,0.25 μm);进样口温度280 ℃;载气为高纯度氦气(99.999%),流速1.0 mL/min;不分流;升温程序：初始温度为40 ℃,保持5 min,以3 ℃/min 升至82 ℃,保持3 min,以3 ℃/min 升至109 ℃,保持0 min,以1.5 ℃/min 升至120 ℃,保持0 min,以3 ℃/min 升至160 ℃,保持0 min,以10 ℃/min 升至260 ℃,保持0 min。
MS 条件：采用全扫描模式,传输线温度280 ℃;离子源温度230 ℃;四极杆温度150 ℃;离子源为XTR-EI 源,电子能量70 eV;扫描范围35 ～550 amu。
定性分析：基于NST20 数据库,选择匹配度≥70的挥发性成分并结合保留指数(retention index,RI),可接受误差不超过3%[8]。 保留指数计算如公式(1)所示：
式中：n 为正构烷烃碳原子数;tn 和t(n +1)分别为对应正构烷烃的保留时间;t 为各挥发性化合物的保留时间(tn ＜t ＜t(n +1))。
定量分析：采用内标半定量法计算各组分的相对含量。
1.3.6 电子鼻分析
采用PEN 3 电子鼻对咖啡萃取液的气味进行分析,电子鼻传感器名称和性能描述见附表3。 准确称5 mL 咖啡液于20 mL 顶空瓶中,60 ℃平衡10 min 后进行检测。 以清洁干燥空气为载体,气体以0.3 L/min的流速输送至传感器,采样时间120 s;进样准备时间5 s;样品清洗时间60 s;每个样品平行测定3 次。
1.3.7 OAV 分析
OAV 可以衡量香气物质对整体香气的贡献度,进而可以确定关键香气物质,OAV ＜1 表示该化合物对整体风味无明显作用;OAV≥1 表示该化合物对整体风味有实际贡献,且在一定范围内,OAV 越大表明其对整体风味贡献程度越高[9]。 通过查阅https：/ /www. vcf-online. nl/OFTVCompoundSearchResult. cfm及《化合物嗅觉阈值汇编》(第二版)获得各香气成分的嗅觉阈值[10],通过查阅 https：/ /www. thegoodscentscompany.com/search.php 获得各香气成分的香气描述,OAV 的计算如公式(2)所示：
式中：Ci为某挥发性成分含量,mg/kg;Ti 为该挥发性成分在水中的阈值,mg/kg。
1.3.8 感官评价
根据美国精品咖啡协会(Specialty Coffee Association of America,SCAA)与世界咖啡研究所提出的第二版咖啡风味轮和《咖啡风味化学》[11]并结合实际萃取出来的咖啡液的香气属性,最终确定出坚果香、烤香、焦甜香、辛香、果香、花香和青香7 个香气描述词汇并进行感官评价。 评价小组依据GB/T 16291.1—2012《感官分析选拔、培训与管理评价员一般导则第1 部分：优选评价员》筛选出11 名参评人员(6 男5 女)。 将得到的咖啡萃取液无序编号后进行嗅觉感官评价,0 ～9 表示香气从没有到极强,对11 名参评人员的各香气感官得分求平均值,代表最终的香气强度。
1.4 数据处理
使用Origin 2022 进行绘图;通过SPSS 22.0 完成统计分析;电子鼻传感器主成分分析(principal component analysis,PCA)由Winmuster 软件进行;由SIMCA 14.1 软件完成正交偏最小二乘判别分析(orthogonal partial least squares-discriminant analysis,OPLSDA);TBtools 绘制聚类热图,上述试验数据均平行测定3 次以上。
2 结果与分析
2.1 单因素试验分析
由图1-a 可知,热萃咖啡液的挥发性香气成分总量随纯净水用量的增加呈现先上升后下降的趋势,当粉水质量比为1 ∶10 时,挥发性香气成分总量最高。可能是因为当粉水质量比为1 ∶8 时,纯净水用量较少,咖啡粉难以充分膨胀导致香气成分萃取不完全[12];当纯净水用量进一步增加,咖啡萃取液中香气成分总量降低。
图1 不同热萃条件对咖啡萃取液挥发性香气成分总量的影响
Fig.1 Effect of different hot brew conditions on the total volatile aroma compounds in coffee extracts
由图1-b 可知,热萃咖啡液的挥发性香气成分总量随萃取时间的延长而增加,当萃取时间达到5 min时,大部分可溶性物质已溶解于水中[13],香气萃取基本完成,继续延长萃取时间无显著增益。
由图1-c 可知,热萃咖啡液的挥发性香气成分总量随萃取温度的升高而增加,当萃取温度达到95 ℃时,挥发性香气成分总量趋于稳定,咖啡的萃取率接近饱和[14]。
由图2-a ～图2-c 可知,冷萃咖啡液的挥发性香气成分总量随纯净水用量、萃取时间、萃取温度的升高呈现先上升后下降的趋势;由图2-a 可知,粉水质量比为1∶10 时,挥发性香气成分总量最高。 由图2-b可知,萃取时间为12 h 时,挥发性香气成分总量最高。 延长萃取时间有助于冷萃咖啡液的挥发性香气成分的萃取,但萃取时间过长,可能导致部分香气成分挥发损失[15]。 由图2-c 可知,萃取温度为12 ℃时,挥发性香气成分总量最高。 尽管温度升高可以加速咖啡可溶性固形物的萃取,但由于冷萃时间较长,较高的温度可能导致萃取液中的挥发性香气成分挥发或重新吸附回咖啡粉内[16],从而减少其释放量。
图2 冷萃不同因素对咖啡萃取液挥发性香气成分总量的影响
Fig.2 Effect of different cold brew conditions on the total volatile aroma compounds in coffee extracts
2.2 正交试验分析
正交试验结果及极差分析见附表4 和附表5。由附表4 可知,影响热萃咖啡液挥发性成分总量的因素主次顺序为粉水质量比(A) ＞萃取时间(B) ＞萃取温度(C),最优萃取条件为A2 B3 C3,即粉水质量比1∶10、萃取时间7 min、萃取温度100 ℃。 由附表5 可知,影响冷萃咖啡液挥发性成分总量的因素主次顺序为粉水质量比(A) ＞萃取时间(B) ＞萃取温度(C),最优萃取条件为A2B3C2,即粉水质量比1∶10、萃取时间16 h、萃取温度12 ℃。
2.3 验证试验
对正交试验得到的最优水平组合进行验证,重复3次实验,热萃咖啡液挥发性成分总量平均为13.352 μg/g,冷萃咖啡液挥发性成分总量平均为4. 200 μg/g,均高于正交试验各水平组合的实验值,表明该水平组合为最优水平组合。
2.4 电子鼻传感器分析结果
在最优条件下得到的6 种咖啡萃取液的电子鼻响应值雷达图如图3 所示。 不同咖啡萃取液的电子鼻传感器响应区域相同,但不同传感器响应值有所差异,其中W5S 和W1W 这2 个传感器响应值相对较高,其次是W2W、W1S 和W2S,表明不同的咖啡萃取液气味组成较为相似,主要由氮氧化合物、硫化物、有机硫化物、甲基类化合物以及醇类和醛酮类化合物组成,这5 个传感器能够为咖啡萃取液的气味检测与分析提供重要信息,这与文献[17]的研究结果相一致。
图3 六种咖啡萃取液电子鼻响应值雷达图
Fig.3 Radar chart of electronic nose response values for six coffee extracts
为了更好地分辨不同咖啡萃取液之间的差异,对不同咖啡萃取液的电子鼻响应值进行PCA,结果如图4 所示。 由图4-a 可知,第一、第二主成分的贡献率之和达到了97.2%,能够有效地反映不同咖啡萃取液的气味信息。 在PCA 中,距离较近或重叠在一起的样品相似度较高,热萃咖啡液和冷萃咖啡液分别位于各自的集中分布区,表明热萃咖啡液和冷萃咖啡液之间存在明显的分离;冷萃云南咖啡、冷萃巴西咖啡和冷萃耶加雪菲咖啡在图中距离较近,表明这3 种冷萃咖啡液的气味相似度较高;热萃巴西咖啡和热萃云南咖啡紧挨在一起,表明这2 种咖啡萃取液的气味相似度也较高。 由图4-b 可知,PC1 对总变量信息的92.97% 进行了解释, W5S 贡献度最高, 其次是W1W;PC2 对总变量信息的4.23%进行了解释,W1S的贡献度最高,其次是W2S,说明不同咖啡萃取液的氮氧化合物、甲基类化合物、硫化物以及醇类和醛酮类化合物可能具有显著差异。
图4 不同咖啡萃取液电子鼻PCA 得分图和Loading 图
Fig.4 PCA scores and Loading plot of electronic nose for different coffee extracts
2.5 不同咖啡萃取液挥发性香气成分分析
最优条件下得到的6 种咖啡萃取液的挥发性香气成分HS-SPME-GC-MS 分析结果见附表6。 由附表6 可知,在6 种咖啡萃取液中共检测出92 种香气成分,其中杂环类36 种、醇类12 种、酮类11 种、醛类12种、酚类8 种、酯类7 种、酸类3 种、其他类3 种。 为进一步确定各挥发性香气成分对咖啡萃取液的香气贡献,计算各香气成分的OAV,其中OAV ＞1 的香气成分有36 种。
不同的咖啡萃取液在化合物相对含量和OAV 上存在显著差异,杂环类化合物是6 种咖啡萃取液中种类和含量最多的物质,主要包括吡啶、吡嗪、呋喃和吡咯等。 由附表6 可知,热萃咖啡液中杂环类化合物的总含量为5. 903 ～7.599 mg/kg,冷萃咖啡液中该类化合物的总含量为1.634 ～2.646 mg/kg,热萃咖啡液中杂环类化合物总含量明显高于冷萃咖啡液,约为冷萃咖啡液的2 ～4 倍。 在36 种杂环化合物中,OAV ＞1的有13 种。 其中1-糠基吡咯的差异最显著,其在热萃咖啡液中的OAV 约为冷萃咖啡液的4 ～5 倍。 其次,糠醛、糠醇、2, 5-二甲基吡嗪和3-乙基-2, 5-二甲基吡嗪在热萃咖啡液中的OAV 均大于冷萃咖啡液。具体而言,糠醛在热萃咖啡液中的OAV 约为冷萃咖啡液的4 倍,糠醇在热萃咖啡液中的OAV 约为冷萃咖啡液的2 ～4 倍,但其OAV 较低,在热萃巴西咖啡中最高,为2.874。 2, 5-二甲基吡嗪和3-乙基-2, 5-二甲基吡嗪在热萃咖啡液中的OAV 分别为冷萃的2 ～4 倍和3 ～4 倍,它们的气味被描述为可可和烘烤坚果香气。 此外,2-乙酰基噻吩仅在热萃巴西咖啡中被检测到,含量为0.070 mg/kg,由于其较低的阈值,其OAV 高达868.858,为热萃巴西咖啡提供了浓郁的烘烤香。 2-乙酰基-3-甲基吡嗪仅在耶加雪菲咖啡中被检测到,其在热萃咖啡液中的OAV 约为冷萃咖啡液的3 倍,气味被描述为坚果、烘烤、蔬菜和焦糖香气。
在6 种咖啡萃取液中,醇类化合物的含量同样呈现热萃(0. 144 ～1. 044 mg/kg)高于冷萃(0. 087 ～0.668 mg/kg)的趋势。 由附表6 可知,OAV ＞1 的醇类化合物有4 种,分别为1-辛烯-3-醇、顺-芳樟醇氧化物、芳樟醇和香叶醇,其中芳樟醇的OAV 最高,在不同咖啡萃取液中均占醇类化合物总OAV 的90% 以上。 尽管如此,芳樟醇在热萃与冷萃咖啡液中的OAV 差异并不显著,其气味被描述为花香和柑橘香气。 香叶醇仅在耶加雪菲咖啡中被检测到,且在热萃咖啡液中的OAV 约为冷萃咖啡液的2 倍,其气味被描述为花香和果香。
酮类化合物在咖啡萃取液中的含量较低,且仅有3 种化合物的OAV ＞1,分别为2, 3-戊二酮、甲基环戊烯醇酮和β-大马酮。 由附表6 可知,热萃咖啡液中酮类化合物的含量范围为0. 142 ～0. 302 mg/kg,而冷萃咖啡液中该类化合物的含量范围为0. 051 ～0.073 mg/kg。 这表明热萃咖啡液中酮类化合物的含量明显高于冷萃咖啡液,约为冷萃咖啡液的3 ～4 倍。在3 种产地咖啡中,β-大马酮因其极低的阈值而具有极高的OAV,在不同咖啡萃取液中均占酮类化合物总OAV 的99%以上,在热萃巴西咖啡、热萃云南咖啡和热萃耶加雪菲咖啡中,其OAV 分别为5 613.828、8 891.029、5 531.962,均显著高于对应冷萃咖啡液的2 765.682、3 311. 916、3 375. 081。 β-大马酮的气味被描述为甜香和玫瑰花香。 此外,2, 3-戊二酮和甲基环戊烯醇酮仅在热萃云南咖啡中被检测到,其OAV 分别为1.285 和1.579。 2, 3-戊二酮的气味被描述为甜香、奶油、焦糖和坚果香气,而甲基环戊烯醇酮的气味被描述为焦糖和枫糖浆香气。
醛类化合物在咖啡萃取液中的含量较高,其在热萃咖啡液中的含量范围为2. 174 ～3. 351 mg/kg,在冷萃咖啡液中的含量为0. 534 ～0. 977 mg/kg,醛类化合物在热萃咖啡液中的含量明显高于冷萃咖啡液,约为冷萃咖啡液的3 ～4 倍。 由附表6 可知,其中OAV ＞1 的醛类化合物有7 种,这7 种醛类化合物在热萃咖啡液中的总OAV 高于冷萃咖啡液,约为冷萃咖啡液的3 ～4 倍,其中差异最显著的是正壬醛,其在热萃咖啡液中的OAV 约为冷萃咖啡液的2 ～6 倍,正壬醛的气味被描述为蜡质、玫瑰和橙皮香气。 其次是苯乙醛、N-甲基-2-吡咯甲醛和5-甲基-2-糠醛,它们在热萃咖啡液中OAV 分别为冷萃咖啡液的4 ～5 倍、3 ～4 倍和3 ～4 倍,苯乙醛的气味被描述为甜香、花香和可可香气,N-甲基-2-吡咯甲醛的气味被描述为烤坚果香气,5-甲基-2-糠醛的气味被描述为焦糖香、甜香和枫糖香气。 另外,2-甲基丁醛仅在冷萃咖啡液中被检出,其在冷萃巴西咖啡、冷萃云南咖啡和冷萃耶加雪菲咖啡中的OAV 分别为3. 473、16. 992 和6.409,2-甲基丁醛的气味被描述为发霉、可可、坚果和麦芽香气。 椰子醛仅在巴西咖啡中被检出,其热萃巴西咖啡中的OAV 为冷萃巴西咖啡的4 倍,椰子醛的气味被描述为椰子、黄油、奶油、蜡质和甜香。
酚类化合物在咖啡萃取液中的含量中等,其在热萃咖啡液中的含量(1.156 ～1.850 mg/kg)高于冷萃咖啡液(0. 285 ～0. 338 mg/kg),约为冷萃咖啡液的3 ～5 倍。 由附表6 可知,酚类化合物中OAV ＞1 的化合物有4 种,分别为邻甲酚、愈创木酚、4-乙基愈创木酚和4-乙烯基愈创木酚,其中差异显著的是邻甲酚和4-乙烯基愈创木酚,其在热萃咖啡液中的OAV分别为冷萃咖啡液的8 ～19 倍和5 ～12 倍,邻甲酚的气味被描述为发霉的酚醛塑料味、药用草本气味和皮革质气味,4-乙烯基愈创木酚的气味被描述为烟熏、木质、甜香、丁香和花香。 其次是愈创木酚和4-乙基愈创木酚,其在热萃咖啡液中的OAV 分别为冷萃咖啡液的3 ～5 倍和3 ～4 倍,愈创木酚的气味被描述为酚类、烟熏、香料、香草和木质香气,4-乙基愈创木酚的气味被描述为辛辣、烟熏培根、酚类和丁香。 另外,愈创木酚因其极低的阈值而具有较高的OAV,在不同咖啡萃取液中均占各自酚类化合物总OAV 的95%左右。
酯类化合物在6 种咖啡萃取液中的含量同样呈现热萃(0. 912 ～1. 423 mg/kg)高于冷萃(0. 287 ～0.649 mg/kg)的趋势,但其在热萃咖啡液中的OAV(12.920 ～18.339)要低于冷萃咖啡液(20.452 ～73.44),冷萃咖啡液中的OAV 约为热萃咖啡液的1. 5 ～3. 5倍。 由附表6 可知,酯类化合物中OAV ＞1 的化合物有4 种,分别为丁酸乙酯、3-甲基丁酸乙酯、乙酸糠酯和水杨酸甲酯,其中3-甲基丁酸乙酯的OAV 最高。3-甲基丁酸乙酯和丁酸乙酯仅在冷萃的3 种咖啡萃取液中检出,两者OAV 之和均占各自酯类化合物总OAV 的80%以上,冷萃咖啡中酯类化合物的OAV 要高于热萃,丁酸乙酯和3-甲基丁酸乙酯的气味均被描述为似苹果和菠萝样的甜香和果香。 在4 种OAV ＞1的酯类化合物中,水杨酸甲酯差异显著且仅在巴西和云南咖啡中检出,其在热萃咖啡液中的OAV 约为冷萃咖啡液的4 ～6 倍,但其在冷萃咖啡液中的OAV ＜1,在热萃咖啡液中的OAV 也较低,最高为1.925,水杨酸甲酯的气味被描述为似冬绿薄荷样的香气。 其次是乙酸糠酯,其在热萃咖啡液中的OAV 为冷萃咖啡液的2 ～3 倍,乙酸糠酯的气味被描述为香甜的香蕉和辣根的香气。
酸类化合物和其他类化合物的含量较低,且OAV ＞1 的仅有异戊酸一种物质。 由附表6 可知,异戊酸仅在耶加雪菲咖啡中OAV ＞1,其在热萃耶加雪菲咖啡中的OAV 约为冷萃耶加雪菲咖啡的2 倍,异戊酸的气味被描述为酸臭、奶酪和热带气息。
总体而言,热萃咖啡液中大多数化合物的相对含量和OAV 均高于冷萃咖啡液,尤其是杂环类、酚类和醛类化合物,这表明热萃可以更有效地激发具有烘焙香、烟熏味的香气成分;冷萃咖啡液中部分酯类的OAV 较高,赋予了其更明显的菠萝、苹果等果香及甜香,表明冷萃咖啡液能更好地保留果香和甜香特征,与文献[18]的研究相符合。
2.6 不同咖啡萃取液挥发性香气成分的差异分析
为分析最优条件下得到的6 种咖啡萃取液的差异香气成分,以92 种挥发性香气成分为自变量,不同咖啡萃取液为因变量,进行OPLS-DA,结果如图5-a所示,不同样品差异明显,
为0.964,
为0.985,Q2为0.948,因自变量R2 和预测指数Q2 均大于0.5,
和
差值小于0.3,说明该模型对不同咖啡萃取液挥发性香气成分的鉴别能力可靠、稳定性较高。 图5-b 为该模型200 次质量交叉验证检验结果,模型的预测指数Q2与Y 轴相交于负半轴,其截距为-0.737,说明该模型拟合有效,不存在模型过拟合现象,有较好的预测能力,可用来鉴别不同咖啡萃取液挥发性香气成分差异。 图5-c 为挥发性香气成分VIP 值分布图,VIP 值可以评估每个变量对样品分类的贡献,一般认为,VIP 值＞1 的香气成分为不同样品之间的差异香气成分,且VIP 值越大说明该香气成分在判别过程中的贡献越大,由图5-c 可知,VIP 值＞1 的有27 种,其中杂环类14 种、醇类4 种、醛类3 种、酚类3 种、酯类1 种、酸类1 种、其他类1 种。
图5 咖啡挥发性香气成分OPLS-DA 得分图、置换检验图和VIP 值图
Fig.5 OPLS-DA score plot, replacement test plot, and VIP value plot of volatile aroma compounds in coffee
为明确不同咖啡萃取液的关键差异香气成分,以P ＜0.05、VIP 值＞1、OAV ＞1 为标准,筛选出18 种关键差异香气成分,其中杂环类9 种、醇类3 种、醛类2 种、酚类2 种、酯类1 种、酸类1 种。 为了更直观地呈现不同咖啡萃取液的差异,将上述18 种关键差异香气成分绘制成热图并进行聚类分析,结果如图6 所示,所有样品被分为四类,分别为冷-耶加雪菲、冷-巴西和冷-云南、热-耶加雪菲、热-巴西和热-云南,不同萃取方式、不同产地的咖啡可以被18 种关键差异香气成分含量明显区分。 热萃咖啡液中18 种关键差异香气成分的含量普遍高于冷萃咖啡液,表明热萃可以更有效地激发咖啡的香气。 在3 种咖啡中,耶加雪菲咖啡液的18 种关键差异香气成分含量整体上高于巴西咖啡和云南咖啡,尤其是顺-芳樟醇氧化物、芳樟醇、香叶醇、异戊酸等关键特征香气成分,这些成分赋予咖啡花香和果香,其含量在耶加雪菲咖啡中远高于其他两种咖啡。 这一结果与耶加雪菲咖啡独特的花香和柑橘风味相一致。
图6 不同咖啡萃取液关键差异香气成分聚类热图
Fig.6 Clustering heatmap of key aroma compounds differing among coffee extracts
2.7 不同咖啡萃取液感官评价
对最优条件下得到的6 种咖啡萃取液进行感官评价,结果如图7 所示。 不同萃取方式之间存在显著差异,热萃咖啡液的感官得分总分高于冷萃咖啡液,但冷萃咖啡液在花香和果香方面的得分高于热萃咖啡液,表明热萃更有利于保留烘烤香和焦甜香特征,而冷萃更有利于保留咖啡的花香和果香香气特征。不同产地的咖啡萃取液之间也存在明显差异。 耶加雪菲咖啡在花香和果香方面的得分明显高于其他两地,但在坚果香和青香方面的得分要低于其他两地。云南咖啡和巴西咖啡差异较小,但云南咖啡总体感官得分要高于巴西咖啡。 3 个产地的咖啡均表现出以烤香、坚果香和焦甜香为主的复杂香气体系,但各有特点：巴西咖啡具有浓郁的烘焙香,云南咖啡略带花香和果香,而耶加雪菲咖啡则具有独特的柑橘香和花香,这些特征与三者的经典风味特征基本一致[19-20]。
图7 不同咖啡萃取液香气感官雷达图
Fig.7 Sensory radar chart of aromas in different coffee extracts
2.8 不同咖啡萃取液香气属性与关键差异香味成分的相关性分析
为探究关键差异香气成分对6 种不同咖啡萃取液感官评价结果的影响,对18 种关键差异香气成分和6 种不同咖啡萃取液感官评价结果进行Pearson 相关性分析,结果如图8 所示,2, 5-二甲基吡嗪与坚果香呈显著正相关;2-乙基-6-甲基吡嗪、3-乙基-2-甲基吡嗪、3-乙基-2, 5-二甲基吡嗪、5-甲基-2-糠醛、N-甲基-2-吡咯甲醛、愈创木酚和乙酸糠酯与烤香呈极显著正相关,1-糠基吡咯、糠醇和糠醛与烤香呈显著正相关;糠醛、5-甲基-2-糠醛和N-甲基-2-吡咯甲醛与焦甜香呈极显著正相关,3-乙基-2-甲基吡嗪、顺-芳樟醇氧化物、愈创木酚和乙酸糠酯与焦甜香呈显著正相关;2-甲氧基-3-异丁基吡嗪与青香呈极显著正相关,2-乙基-6-甲基吡嗪、3-乙基-2-甲基吡嗪、3-乙基-2, 5-二甲基吡嗪、糠醇、5-甲基-2-糠醛和愈创木酚与青香呈显著负相关;芳樟醇、香叶醇和异戊酸与果香呈显著正相关;芳樟醇与花香呈极显著正相关,香叶醇和异戊酸与花香呈显著正相关。 筛选出得到的18 种关键差异香气成分相互和合或修饰共同影响咖啡萃取液的香气特征,整体上看,大多数化合物与坚果香、烤香、焦甜香呈正相关关系;与青香、果香、花香呈负相关关系,咖啡的主要香气来源于杂环类化合物。
图8 感官评价与关键差异香气成分Pearson 相关性热图
Fig.8 Heatmap of Pearson correlations between sensory evaluation and key differentiating aroma compounds
注：*代表显著相关(P ＜0.05);**代表极显著相关(P ＜0.01)。
3 讨论
3.1 不同萃取方式对咖啡香气成分的影响
通过SPME-GC-MS 及OAV 分析可知,热萃与冷萃咖啡液中挥发性化合物的相对含量及OAV 存在显著差异。 具体而言,热萃咖啡液中杂环类、酚类和醛类化合物的相对含量及OAV 均高于冷萃咖啡液,而冷萃咖啡液中部分酯类化合物则表现出较高的OAV。 这一结果与既有研究存在一定相似之处,但也表现出明显不同。 例如,杨傲林等[6]与陆羽霜等[21]的研究指出,冷萃咖啡样品中大多数挥发性化合物的含量高于热萃咖啡样品。 造成上述差异的原因可能主要包括以下2 个方面：其一,萃取方法不同。 杨傲林等[6]所用样品为市售商业咖啡,其具体制作方式不明;陆羽霜等[21]采用冰滴法制备冷萃咖啡,而本研究则采用浸泡法。 萃取方式的不同可能对咖啡液中香气成分的组成与含量产生显著影响。 其二,咖啡豆的品种与产地差异。 不同产地和品种的咖啡豆在内在品质及风味特征上存在显著区别,也可能是导致结果差异的重要因素。
感官评价结果表明,热萃方式更有利于激发具有烘焙香和烟熏味的香气成分,而冷萃咖啡液则能较好地保留果香与甜香特征,这一发现与现有文献基本一致。 例如,Cai 等[22]的研究指出,冷萃咖啡具有更高的果香和甜味强度;Yang 等[23]的研究亦发现,采用超声辅助萃取获得的冷萃咖啡在甜味、花香和果香方面表现更为突出。
3.2 不同产地对咖啡香气成分的影响
Tsegay 等[24]对埃塞俄比亚31 份生咖啡豆样品中的挥发性化合物进行分析,共鉴定出81 种化合物,其中以反式芳樟醇氧化物、芳樟醇、2-甲氧基-4-乙烯基苯酚及顺式芳樟醇氧化物为主要成分。 这些化合物具有典型的花香与甜香特征,构成了耶加雪菲咖啡独特的风味轮廓。 类似地,Chen 等[25]与周斌等[20]的研究表明,云南阿拉比卡咖啡以果香、酸味、坚果及花香为主要香气特征。 而Mourão 等[26]的研究则显示,巴西咖啡以坚果、巧克力与焦糖风味为主要特征。 由此可见,三大产地咖啡在香气特征上呈现出明显分化：耶加雪菲咖啡以花香和果香为主导风味;巴西与云南咖啡则突出烘烤香特征,其中云南咖啡还兼具花果香调,这与本研究结果基本一致。 造成上述香气差异的原因可能与产地地理环境、品种特性及种植模式密切相关。
Hu 等[27]的研究指出,海拔升高会减弱咖啡的坚果与烘焙风味,同时增强甜味与焦糖香气。 耶加雪菲咖啡种植于埃塞俄比亚高海拔区域(1 700 ～2 200 m),云南咖啡种植于中高海拔地区(1 000 ～1 500 m),而巴西咖啡则主要种植于低海拔地区( ＜1 000 m)。 因此,海拔差异可能是导致三大产地咖啡香气显著分化的关键因素之一。 然而,咖啡风味是多种因素共同作用的结果,除海拔外,咖啡品种、土壤类型、气候条件及处理方法等亦对风味形成具有重要影响。 未来应进一步探讨各因素间的交互作用,以深入解析咖啡香气形成机制,为优化咖啡香气品质提供理论依据与实践指导。
4 结论
本研究对咖啡萃取条件进行了优化,并利用SPME-GC-MS 结合多元统计分析方法,从感官和香气物质方面分析了耶加雪菲、云南和巴西阿拉比卡咖啡经冷萃和热萃后的特征风味。 结果表明,热萃的最优条件为粉水质量比1 ∶10、萃取时间7 min、萃取温度100 ℃,冷萃的最优条件为粉水质量比1∶10、萃取时间16 h、萃取温度12 ℃。 在此最优萃取条件下,对不同咖啡萃取液的挥发性香气成分差异进行了分析,共鉴定出92 种挥发性成分,其中36 种物质的OAV 大于1。 热萃咖啡液中杂环类、酚类和醛类等挥发性香气成分含量和OAV 均高于冷萃,而冷萃中部分酯类的OAV 较高。 这表明热萃更有利于激发咖啡的烘烤类香气,而冷萃更有利于激发果香和花香类香气。 感官评价结果显示,不同产地的咖啡香气特征存在显著差异。 巴西咖啡具有浓郁的烤坚果香和烟熏香,但缺乏复杂的花果香修饰;云南咖啡具有浓郁的焦甜香和烘焙坚果香,且与果香结合较好,层次丰富,较为均衡。 耶加雪菲的香气则以花香和果香为主导,配以烘烤香和焦甜香,整体香气更为复杂。 Pearson 相关性分析表明,18 种关键差异香气成分共同影响咖啡萃取液的香气特征。 本研究进一步明晰了不同产地阿拉比卡咖啡的香气组分构成及特征差异,为咖啡萃取液的开发及应用提供科学依据。
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