基于感官评定和电子鼻技术对天然咖啡挥发性风味特征的研究

王一凡，廖鲜艳，姚 敏，王书慧，高海燕，*（.上海大学生命科学学院，上海00444；.爱普香料集团股份有限公司，上海0809）

基于感官评定和电子鼻技术对天然咖啡挥发性风味特征的研究

王一凡1，廖鲜艳1，姚 敏2，王书慧1，高海燕1，*
（1.上海大学生命科学学院，上海200444；2.爱普香料集团股份有限公司，上海201809）

为研究不同咖啡的风味特征，利用感官评定及电子鼻技术对常见的6种天然咖啡风味进行了测定，并对两者的相关性进行了分析。研究结果表明，哥伦比亚咖啡具有最强烈的焦糖味和树脂味；意式浓咖啡具有最强烈的巧克力味、花香味及草香味；肯尼亚咖啡具有最强烈的果香味；越南咖啡具有最强烈的坚果味、木炭味及辛香味。不同产地的咖啡气味差异明显，通过电子鼻技术利用主成分分析法（PCA）能够对其进行有效区分。在总体的挥发性风味特征方面，意式浓咖啡、爪哇咖啡、肯尼亚咖啡、曼特宁咖啡这4种咖啡相似，而越南咖啡和哥伦比亚咖啡较为相似。相关性结果显示传感器S8与花香味、果香味、草香味相关性较好，传感器S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S9、S10与木炭味有一定的相关性，其中S1、S2的相关性最强。

咖啡，感官评定，电子鼻，风味

咖啡原产于埃塞俄比亚，是特色热带农产品。近几年来，咖啡的贸易量值持续增长，消费市场巨大，其产量、消费量、产值均居世界三大饮料作物（咖啡、可可、茶）之首。咖啡风味浓郁、种类多样，且功效独特，其消费群体不断扩大，正在逐步渗透到全球非传统消费区，成为时下的流行饮品，在全球拥有广大的市场空间[1]。由于天然咖啡粉风味较弱，在食品中用量较大，且天然咖啡的供应关系日益紧张，因此许多研究人员致力于对咖啡风味的研究，以期寻找天然咖啡的替代品，并将其应用于糖果、饮料等食品中，赋予食品咖啡特有的风味。

对于食品风味的研究方法有感官评定法、电子鼻技术、气相色谱-质谱联用法、气相色谱-嗅闻联用技术等，这些方法具有各自的特点，比如感官评定用于食品颜色、质地、挥发性风味等的研究是一种简单、快速、有效的方法，可解决一般理化分析所不能解决的复杂的生理感受问题，但由于感官评定是一种以人的感觉作评判的实验，存在着易受干扰和结果不稳定性等因素，使得实验结果出现一定的偏差[2]。而电子鼻是一种用来对食品中的复杂风味和很多挥发性成分进行分析、识别和检测的仪器，具有客观、快捷、重复性好的特点，其通过一个带有部分特异性结合的模式识别系统的化学传感器列阵进行简单或复杂的气味识别[3]。气相色谱-质谱联用法、气相色谱-嗅闻联用技术可精确地确定食品中的挥发性风味成分，但所需仪器昂贵，检测时间相对较长。在咖啡风味的研究方面，研究人员利用感官评定、电子鼻、GCMS等方法对不同咖啡的进行了研究[4-8]。这些研究主要集中于咖啡风味的感官测定或者挥发性成分种类和数量的测定，所测咖啡种类有限，而有关电子鼻与感官评定相结合对咖啡风味进行的研究未见报道。

本研究通过感官评定与电子鼻系统对不同天然咖啡样品之间挥发性风味的差异进行比较分析，确定不同咖啡样品的风味特征，以期为咖啡香精的研究与生产提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

实验材料 实验选取的咖啡为商业咖啡中最为主要的两大类，即阿拉比卡咖啡与罗布斯塔咖啡，其中四种阿拉比卡咖啡分别为：哥伦比亚咖啡、意式浓咖啡、曼特宁咖啡、肯尼亚咖啡，两种罗布斯塔咖啡 爪哇咖啡、越南咖啡（以上咖啡均为市售），实验时，六种咖啡均分为三个平行样品。

JJ-1型精密增力电动搅拌器 上海浦东物理光学仪器厂；YH—II型调温电热套 江苏省建湖县近湖镇教学仪器厂；BS124S型电子天平 赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；电子鼻系统 上海昂申智能科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备 将每一种咖啡粉，称取10g咖啡粉末并量取90g蒸馏水置于三口烧瓶中，并控制温度在100℃，加热搅拌30min。得到六种不同种类的液体咖啡并置于样品瓶中，放入冰箱冷藏，待分析。

众将都怀疑自己听错了。一将领跪下，说：“元帅，我知道你投降，是想保全全城百姓，可你想过没有，你投降了，家人怎么办？他们都要被杀头！不能降啊！”

实验开始前，将样品从冰箱取出，使其升至室温，每种咖啡样品用样品瓶呈送，并用3位随机数字编号，同表1一并随机呈送给品评人员。品评人员三男三女共六名，平均年龄22岁，每名品评人员在实验前都经过专业训练。实验时，六名评价员单独品评咖啡，对每种样品就各种风味指标的强度进行打分。

1.2.2 评分标尺的建立 实验采用线性标度为评分标尺。参考马永强等的方法[9]，在一根长度为15cm的线段上，以距离两端各1.5cm的地方作为起止点，在此线段上，根据风味强度的不同，在相应的地方作上标记。数据录入电脑时，以整条长15cm线段的0点为起点，以0点到标记处的距离作为数值录入电脑进行分析。

1.2.3 描述词汇的建立 品评人员各自对样品进行品评，然后独立记录能反映样品感官特征的不同参数（即描述词汇），并参考咖啡风味轮，最终确定9个参数分别是坚果香、巧克力香、焦糖、木炭、辛香、树脂、花香、果香、草香。

1.3 数据处理

收集每个品评员对6种咖啡的评价结果，进行数据统计，取各咖啡样品的不同风味指标的平均值作为强度，并绘制风味蛛形图。

表1 咖啡风味指标评价表Table 1 Evaluation of flavor index of coffee

1.4 电子鼻测定

电子鼻测定的咖啡样品前处理方法与感官评定的一致。测定时，取置于样品瓶中的六种咖啡样品于室温下进行数据采集。以洁净干燥空气为载气，设置电子鼻测定仪采样时间为180s，气体流量为0.3L/min，等待时间为10s，清洗时间为60s。每个样品重复采集5次，取稳定后的3次数据。

1.5 数据分析

数据分析主要包括主成分分析、系统聚类分析。通过对数据的分析，找出感官属性与传感器之间的相关性。采用电子鼻自带软件进行主成分分析，利用PEW软件分析感官属性与传感器之间的相关性，并用统计分析软件SPSS19.0进行系统聚类分析。

2 结果与讨论

对六种咖啡的感官属性进行评定，结果如表2所示。

从表2中可看出，不同咖啡样品同种风味指标（坚果味、巧克力味、焦糖味、木炭味、辛香味、树脂味、花香味、果香味、草香味）之间都具有极显著差异（p＜0.01）。哥伦比亚咖啡焦糖味最强，果香味最弱。意式浓咖啡草香味最强，焦糖味最弱。爪哇咖啡焦糖味最强，花香味最弱。肯尼亚咖啡草香味最强，巧克力味最弱。越南咖啡木炭味最强，花香味最弱。曼特宁咖啡坚果味最强，辛香味最弱。九种风味属性能较好地解释不同咖啡样品的风味特征。

图1 六种咖啡风味剖面图Fig.1 Flavor profiles of six kinds of coffee

表2 咖啡样品感官评定结果Table 2 Sensory evaluation results of coffee

通过风味剖面图对六种咖啡的风味进行整体评价，从图1中可看出，六种咖啡的不同风味指标构成的咖啡综合风味不尽相同，九个风味指标之间存在差异。哥伦比亚咖啡具有最强烈的焦糖味和树脂味；意式浓咖啡具有最强烈的巧克力味、花香味及草香味；肯尼亚咖啡具有最强烈的果香味；越南咖啡具有最强烈的坚果味、木炭味及辛香味。

2.2 电子鼻对不同咖啡风味特征的研究

2.2.1 电子鼻雷达图响应结果 图2为电子鼻对六种咖啡挥发性风味的传感器响应雷达图。由图2可知，传感器S1、S2、S4、S6、S8对六种咖啡的挥发性气味响应值较高。哥伦比亚咖啡、越南咖啡这两种咖啡与意式浓咖啡、爪哇咖啡、肯尼亚咖啡、曼特宁咖啡这四种咖啡在传感器S1、S2、S5、S6、S7、S10上的响应值有较大差异，响应值差异越大，表明传感器对六种咖啡挥发性气味的区分效果越好。其中越南咖啡在各传感器上的感应值最为显著，其在S1、S2、S4、S6、S9、S10上有最高的响应值，分别为2.08、1.64、1.40、1.54、1.38、1.50。意式浓咖啡、爪哇咖啡、肯尼亚咖啡、曼特宁咖啡四种咖啡的雷达图响应曲线重合度较高，说明上述四种咖啡整体的挥发性气味较为相似，但根据图1所示，此四种咖啡在部分风味指标存在显著差异，因此电子鼻结果所示的相似的原因可能是由于不同挥发性成分之间的相互作用产生的。

图2 六种咖啡挥发性风味的传感器响应雷达图Fig.2 Radar charts of volatile flavor of six kinds of coffee

2.2.2 主成分分析 主成分分析是将提取的传感器多指标的信息进行数据转换和降维，并对降维后的特征向量进行线性分类，最后在PCA分析散点图上显示主要的两维散点图[10]。

对电子鼻采集得到的数据进行主成分分析，结果如图3所示。第一主成分为96.8%，第二主成分为3.2%，第一、第二主成分之和为100%，表明不同咖啡的挥发性气味差异明显，而此差异能在这第一、第二主成分构成的平面上充分展示。图3显示电子鼻区分指数（DI）为91.2%，区分指数最大值为100%，其值越大表明不同组数据之间区分度越好，一般≥80%表示能够有效区分。图3中DI值为91.2%，表明不同咖啡的电子鼻数据之间无重叠，区分度较好。进一步分析图3可以看出，六种咖啡样品主要分布在两个区域，其中意式浓咖啡、爪哇咖啡、肯尼亚咖啡、曼特宁咖啡分布在左半区，每个样品的三个平行均能很好地聚在一起形成独立的区域，部分样品虽然接近但无重叠，区分度较高，说明这四种咖啡的挥发性气味虽有不同，但存在一定的相似性；越南咖啡和哥伦比亚咖啡分布在右半区，但两者距离较远，与其他四种咖啡也距离较远，说明越南咖啡和哥伦比亚咖啡与其他咖啡的挥发性气味差异较大，气味比较特殊，而这两种咖啡之间的气味差异也比较容易区分。

图3 六种咖啡主成分分析图Fig.3 PCA charts of six kinds of coffee

2.2.3 系统聚类分析 聚类分析（CA）是按“物以类聚”原则研究事物分类的一种多元统计分析方法，根据样品的多指标、多个观察数据，定量地确定样品、指标之间存在的相似性或亲疏关系，并据此连结这些样品或指标归成大小类群[11]。由图4可知，当标度为5时，可将六种咖啡样品的挥发性气味分为3类，意式浓咖啡、爪哇咖啡、肯尼亚咖啡、曼特宁咖啡聚为一类，相似度最高；越南咖啡和哥伦比亚咖啡各自为一类。而当标度为10时，越南咖啡和哥伦比亚咖啡聚为一类，此结果与主成分分析结果相一致。因此，意式浓咖啡、爪哇咖啡、肯尼亚咖啡、曼特宁咖啡这4种咖啡挥发性风味特征相似，在传感器上响应值相近，而越南咖啡和哥伦比亚咖啡较为相似，在传感器上的响应值较前4种咖啡高。

图4 六种咖啡挥发性气味的聚类分析图Fig.4 CA charts of volatiles of six kinds of coffee

2.3 感官属性与传感器响应的相关性分析

为更好地研究咖啡的风味特征，将感官评定与电子鼻的分析相结合，对两者进行PLS分析，以电子鼻10个不同的传感器（S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10）作为x变量，感官属性（坚果味、巧克力味、焦糖味、木炭味、辛香味、树脂味、花香味、果香味、草香味）作为y变量，如图5所示。在图5上传感器与感官属性距离越近，说明样品与传感器的相关性越强[10]。由图5可知，传感器S8与花香味、果香味、草香味相关性较好；传感器S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S9、S10都与木炭味有一定的相关性，但S1、S2相关性最强。

图5 感官评定结果与10根传感器的PLS分析图Fig.5 PLS charts of correlations between sensory evaluation and 10 sensors

3 结论

采用感官评定与电子鼻测定两种方法，对哥伦比亚咖啡、意式浓咖啡、爪哇咖啡、肯尼亚咖啡、越南咖啡、曼特宁咖啡六种天然咖啡的挥发性风味特征进行了分析。主要结论如下：

3.1 六种咖啡具有不同的风味特征，哥伦比亚咖啡具有最强烈的焦糖味和树脂味；意式浓咖啡具有最强烈的巧克力味、花香味及草香味；肯尼亚咖啡具有最强烈的果香味；越南咖啡具有最强烈的坚果味、木炭味及辛香味。

3.2 电子鼻技术能够对不同产地的咖啡气味进行有效区分，PCA分析法可用于不同咖啡挥发性气味的模式识别分析，能将不同咖啡样品明显区分开来，说明电子鼻具有辨别不同咖啡样品的能力。

3.3 在总体的挥发性风味特征方面，意式浓咖啡、爪哇咖啡、肯尼亚咖啡、曼特宁咖啡这4种咖啡相似，而越南咖啡和哥伦比亚咖啡较为相似。

3.4 相关性结果显示传感器S8与花香味、果香味、草香味相关性较好；传感器S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S9、S10都与木炭味有一定的相关性，其中S1、S2相关性最强。

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Study on the character of volatile flavor of natural coffee based on sensory evaluation and electronic nose technology

WANG Yi-fan1，LIAO Xian-yan1，YAO Min2，WANG Shu-hui1，GAO Hai-yan1，*
（1.School of Life Sciences，Shanghai University，Shanghai 200444，China；2.Apple Flavor and Fragrance Group Co.，Ltd.，Shanghai 201809，China）

The study investigated 6 kinds of natural coffees based on sensory evaluation and electronic nose technology to study on the character of flavor of different coffees，which correlation was also analyzed.The result showed that there were the strongest caramel and resin flavor in Colombian coffee.Espresso released the most intense chocolate flavor，fragrance of flowers and grass fragrance.The most obvious fruit aroma appeared in Kenya coffee as well as nutty flavor and spice flavor，charcoal in Vietnam coffee.The coffee aroma of different origin was obviously different，which could be effectively distinguished by electronic nose and the PCA analysis method could be used as pattern recognition analysis for identifying different volatile coffee odor evidently，which illustrated that the electronic nose had the capability of distinguishing of different coffee samples.In terms of general characteristics of volatile flavor，espresso，Javan coffee，Kenya coffee and mandheling coffee were similar，and Vietnam coffee and Colombian coffee were similar.Results of correlation revealed there were good correlations between sensors S8 with fragrance of flowers，fruit aroma，grass fragrance，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S9，S10 with charcoal.S1 and S2 had the best correlations with charcoal.

coffee；sensory evaluation；electronic nose technology；volatile flavor

TS273

A

1002-0306（2014）14-0166-04

10.13386/j.issn1002-0306.2014.14.028

2013－11－11 *通讯联系人

王一凡（1988-），男，硕士研究生，主要从事美拉德反应型香精制备方面的研究。