祁正有 别玮 曾侣斌 张朝晖 李清华 邓道豪 宋杨

祁正有 ¹ 别 玮 ² 曾侣斌 ¹ 张朝晖 ^{2 *} 李清华 ¹ 邓道豪 ¹ 宋 杨 ³

摘 要 本研究采用三重四极杆气质联用仪和固相微萃取（Solid-Phase Microextraction，SPME）进样模式，结合香味数据库（Smart Aroma Database），鉴于食品中的气味物质大部分为带有羧基、羟基、羰基的强极性化合物，分析选用极性色谱柱InertCap Pure-Wax，对市售云南不同产地的3种小粒种咖啡豆中的气味成分进行测定。结果显示，3种咖啡豆样品中共检测出127种香气成分，分别采用不同的统计学方法对数据结果进行统计学分析，建立了咖啡豆中127种气味成分分析方法。结果表明，该方法操作简便、分析快速，可用于咖啡豆样品中气味成分的快筛鉴定与定量分析。

关键词 三重四极杆气质联用仪；香味数据库；小粒种咖啡豆；气味成分

Analysis of Odor Components in Coffee Beans Based on SPME-GC/MS/MS Combined with Aroma Database

QI Zheng-You¹ BIE Wei² ZENG Lv-Bin¹ ZHANG Zhao-Hui^2*

LI Qing-Hua¹ DENG Dao-Hao¹ SONG Yang³

Abstract A rapid and robust method combining solid-phase micro-extraction (SPME) with triple-quadrupole gas chromatography-tandem mass spectrometry (GC-MS/MS) was developed for untargeted screening and quantification of odor components in coffee arabica beans. Recognizing that most food odorants carry strongly polar functional groups (carboxyl, hydroxyl, carbonyl), an InertCap Pure-WAX polar column was selected. Three commercial lots of small-grain arabica beans from different Yunnan origins were analyzed with the aid of the Smart Aroma Database. A total of 127 aroma-active molecules were confidently identified. Multivariate statistical treatments were applied to differentiate the chemical signatures of the three lots. The results show that this method is simple to operate and rapid in analysis, and can be used for rapid screening, identification, and quantitative analysis of odor components in coffee bean samples.

Keywords triple-quadrupole gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS/MS); aroma database; small-grain arabica coffee beans; odor components

本论文由普洱咖啡质量安全1+X研究室资助

基金项目：中国海关科学技术研究中心自立科研课题（2024HX02）

第一作者：祁正有（1988—），男，汉族，云南普洱人，本科，工程师， 主要从事进出口食品检验相关工作， E-mail: 625601882@qq.com

通信作者：张朝晖（1968—），男，汉族，北京人，博士，研究员，主要从事食品安全检测相关研究工作，E-mail: zhangzhaohui biqtc@163.com

1. 思茅海关综合技术服务中心 普洱 665000

2. 中国海关科学技术研究中心 北京 100026

3. 岛津企业管理（中国）有限公司 上海 200131

1. Simao Customs Comprehensive Technology Service Center, Pu’er 665000

2. Science and Technology Research Center of China Customs, Beijing 100026

3.Shimadzu Management (China) Co., LTD, Shanghai 200131

咖啡是世界上最受欢迎的非酒精类饮料之一，与可可、茶同为流行于世界的主要饮品^[1-5]。咖啡的三大原生种分别是阿拉比卡种（Coffea arabica）、罗布斯塔种（Coffea canephora）和利比里亚种（Coffea liberica）。其中，阿拉比卡种咖啡又称小粒种咖啡，因强烈的香郁气味、苦涩味较弱、咖啡油脂含量适中、酸度较高、咖啡因含量低等特点受到消费者的青睐^[2]。

咖啡生产地大部分分布在赤道南北回归线之间，即热带或亚热带赤道以北25°及赤道以南30°，年平均气温在15～20.3℃之间、无霜降，降雨量在1600～2000 mm的地区。目前咖啡的主要生产国有70多个，大多数位于海拔300～400 m的地区，有时也在海拔2000～2500 m的高地栽种咖啡树，但在海拔1500 m以上的山坡所栽种者，品质较好^[6-8]。

近年来，随着我国咖啡产业的快速发展，咖啡生豆进口量及贸易金额呈现逐年增长态势，全球咖啡产量长期呈正增长趋势，贸易规模温和上升。

在我国，云南省的咖啡种植面积126.7万亩、产量14.6万吨，均占全国的98%以上，规模化种植咖啡的地区主要以普洱市、保山市、德宏傣族景颇族自治州为主^[9]。在咖啡豆品质的鉴定评价过程中，咖啡气味（风味）一直是评价咖啡豆品质优劣的重要指标之一^[10-11]。本研究收集了云南省德宏傣族景颇族自治州、普洱市、西双版纳傣族自治州种植加工的3个不同产地的商业级小粒种咖啡豆样品作为研究对象，每个产地采集3个样品，共9个样品。其中，咖啡豆1为德宏傣族景颇族自治州种植加工的咖啡豆，咖啡豆2为普洱市种植加工的咖啡豆，咖啡豆3为西双版纳傣族自治州种植加工的咖啡豆。

1 实验部分

1.1 仪器

三重四极杆气相色谱—质谱联用仪（GCMS-TQ8050 NX，日本岛津公司）；自动进样器（配有SPME进样单元）（AOC-6000，日本岛津公司）；实验室咖啡豆烘焙机（PROBAT PRE 1Z，德国PROBAT有限公司）；测色仪（Colorette 3b，德国PROBAT有限公司）。

1.2 标准品

保留时间校正标准品：正构烷烃（C₉-C₃₃）混合标准品；半定量校正标准品：4-溴氟苯、1，2-二氯苯-d4、苊-d10混合标准品。

1.3 分析条件

1.3.1 固相微萃取（Solid-Phase Microextraction，SPME）参数

固相微萃取进样器参数要求见表1。

1.3.2 三重四极杆气相色谱—质谱联用仪参数

色谱柱：InertCap Pure-Wax，30 m×0.25 mm×0.25 µm；柱温程序：50℃（5 min）_10℃/min_250℃（15 min）；进样口温度：250℃；载气控制：恒压模式，83.5 kPa；进样方式：分流进样；分流比：5∶1；离子源温度：200℃；接口温度：250℃；检测器电压：调谐电压+0.2 kV；采集方式：SCAN模式。

1.4 样品前处理

各咖啡豆样品经过中度烘焙，随机抽取适量烘焙好的咖啡豆样品用于测定色值，样品研磨至平均颗粒度≤0.6 mm，置于测色盘中，经平整处理，放到经校正（测色仪每使用2 h须进行1次校正）过的测色仪上进行测试，色值为75。剩余烘焙好咖啡豆样品经旋风磨粉碎，用于测定气味物质分析，样品过100目筛网（Ø200×50 mm、筛孔0.150 mm）^[10,12-17]。分别准确称量1.0 g置于20 mL顶空瓶中，压紧瓶盖密封后，按1.3中分析条件上机分析。

2 结果与讨论

2.1 气味系统方法建立流程

香味数据库包括模板方法、质谱库等文件。首先，使用Aroma_TQ_IC-Wax_AART方法文件测定正构烷烃标品，通过AART功能（自动调整化合物的保留时间）利用保留指数和正构烷烃的保留时间自动调整目标化合物的保留时间。正构烷烃样品色谱图如图1所示。

图1 正构烷烃色谱图

Fig.1 Chromatogram of normal alkanes

通过正构烷烃在色谱柱上的保留指数/保留时间再与目标物质的保留指数/保留时间建立相关性方程式，从而计算出未知样品中目标物质的出峰的保留时间。利用采集得到的正构烷烃数据、Aroma_TQ_IC-Wax_Template模板方法以及香味数据库建立498种气味成分的测定方法，GCMS-TQ8050 NX可利用该方法对样品中的气味成分进行定量筛查。

2.2 3个产地咖啡豆样品检测结果

分别对3个不同产地的咖啡豆样品进行测定，各样品色谱图如图2所示。3种样品中共检测出127种气味成分，具体结果见表2。本研究采用三重四极杆气质联用仪和SPME进样模式，结合香味数据库的技术优势，应用气相色谱仪—质谱联用技术测定咖啡豆中气味成分的特征碎片离子，通过香味数据库检索，对相应的气味物质进行定性半定量分析，部分共有组分质量色谱图如图3所示。

2.3 数据统计分析

2.3.1 韦恩图

统计采用韦恩图（Venn Diagram）是显示元素集合重叠区域的图示，可用于统计不同比对组别中共有和独有的物质数目。将筛选出的气味物质进行统计分析，绘制韦恩图如图4所示。3种咖啡豆样品所共有的气味组分50种，3种咖啡豆中独有的气味组分分别为12种、16种、15种。3个不同产地的云南小粒咖啡，经中度烘焙后气味上仍存在着显著差异，咖啡豆1的样品风味相对另外2个样品的要单一，咖啡豆3的风味最为丰富，造成气味差异的主要原因有海拔、土壤、日照时长、温度差等，具体不同气味的来源需通过进一步单因素分析后方可得出结论。分析结果中，乙酸含量均较高，对云南咖啡果酸味贡献度较大，充分体现了云南小粒咖啡“果酸味明显”的风味特点，3个不同产地咖啡豆样品中的γ-丁内酯含量相当，说明3个样品的烘焙程度相差较小，焦糖味和甜味均比较优越。咖啡豆2样品风味丰富柔和，咖啡豆1样品风味相对平和单调，咖啡豆3样品中因检测出丙酸（3807 ng/g）这种具有不良风味特征的风味物质，导致咖啡制作过程会产生辛辣味、腐臭味或大豆味等不愉悦感官体验。综合咖啡种植加工过程加以分析，咖啡豆3的样品之所以产生这种特殊风味，可能与咖啡采摘的成熟度不均匀、鲜果加工过程中产生缺陷豆或在烘焙前未严格去除咖啡缺陷豆等多方面因素有关。

不同颜色区域代表特有组分, 重叠区域代表共有组分

图4 3种咖啡豆样品气味组分韦恩图

Fig.4 Venn diagrams of the odor components of 3 coffee bean samples

2.3.2 PCA图

本研究分别以乙酸和γ-丁内酯的含量为PC1和PC2轴绘制PCA图，更加直观地反映不同样品的气味信息差异性。3个不同产地的咖啡豆样品的PCA分析结果如图5所示，可见PCA主成分统计学分析下，咖啡豆1和咖啡豆3主成分水平比较靠近，它们在原始数据中的特征越相似，说明此方法在样本测定中重现性较高，咖啡豆2的检测结果重现性相对较差，主要原因是噪声较多或变量间相关性较弱；同时，通过观察可以发现3个不同产地的咖啡豆样品主成分在图中样本点位置距离较远，气味分析结果存在较大差异，咖啡豆1和咖啡豆2的气味结果比较接近，咖啡豆3与另外2个咖啡豆样本的结果差异较大。通过PCA统计分析发现，3个不同产地的咖啡豆样品均具有独特的气味特征，在生产、加工、贸易过程中可结合SPME-GC/MSMS气味成分分析结果、PCA统计分析结果和杯测结果对咖啡品质进行综合评价。

图5 3种咖啡豆样品PCA分析图

Fig.5 PCA analysis diagrams of 3 coffee bean samples

3 结论

本研究采用三重四极杆气质联用仪和AOC-6000多功能自动进样器的SPME进样模式，结合香味数据库，对市售云南不同产地的3种小粒种咖啡豆中的气味成分进行分析测定，共检测出127种气味成分，并分别采用不同的统计学方法对数据结果进行统计学分析，建立了咖啡豆中127种气味成分分析方法。韦恩图显示了3种咖啡豆样品所共有的气味组分和特有的气味组分；PCA图显示了3种小粒种咖啡豆样品在气味组分上具有明显的区分度。本方法操作简便、分析快速，是一种有效分析咖啡香气的工具，实现了香气物质的快速检测及关键香气物质的鉴定，对咖啡、茶叶等产品不同产地、品种、工艺所导致香气变化的研究具有积极推动作用。

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表1 固相微萃取参数

Table 1 Solid-phase micro-extraction parameters

A: 产地为云南省德宏傣族景颇族自治州; B: 产地为云南省普洱市; C: 产地为云南省西双版纳傣族自治州

图2 3种不同产地咖啡豆色谱图

Fig.2 Chromatograms of coffee beans from 3 different origins

咖啡豆1

咖啡豆2

咖啡豆3

图3 部分共有组分质量色谱图（咖啡豆1样品）

Fig.3 Mass chromatogram of the selected common components (coffee bean sample 1)

表2 3种咖啡豆样品检测出气味物质信息

Table 2 Information of odor substances detected in three coffee bean samples

注: “—”表示未检出相应化合物.

表2（续）

表2（续）

表2（续）

第7卷 增刊

2025年12月