不同产地咖啡豆中挥发性成分的HS—SPME—GC/MS法分析

戴艺+卢金清+李肖爽+梁欢+蔡君龙

摘要：采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用技术分析了不同产地咖啡豆中的挥发性化学成分，以峰面积归一化法计算各组分的相对含量，并通过化学计量法处理。初步鉴定出97种化合物，不同产地咖啡豆挥发性成分有一定差异，采用主成分分析及聚类分析法能有效区分巴西、哥伦比亚、印度尼西亚3个产地的咖啡豆。该方法适用于咖啡豆挥发性成分的快速分析，可为咖啡豆的质量评价提供参考。

关键词：咖啡豆；挥发性成分；固相微萃取；主成分分析；聚类分析

中图分类号：R284.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）18-4422-05

咖啡豆为茜草科（Rubiaceae）咖啡属（Coffea）植物小果咖啡（Coffea arabica L.）、中果咖啡（C.canephora Pierre ex Froehn）及大果咖啡（C.liberica Bull. Ex Hien）的种子[1]，主产于巴西、哥伦比亚。咖啡豆暗绿色或暗棕色，有特异香气，味微苦、涩，活性成分具有抗菌、抗氧化、保护心血管系统的药理作用[2-4]，具有醒神、利尿、健胃等功效，已收录于《中华本草》和《中药大辞典》。咖啡豆因其味道甘醇，香味独特，深受人们喜爱，同时由于咖啡豆中含有浓郁的挥发性香气成分，广泛应用于香精香料行业。由于挥发性成分的组成、相对含量与产地和贮存条件关系密切，故本试验采用固相微萃取（SPME）与气质联用（GC/MS）技术对巴西、哥伦比亚、印尼3个产地10个批次咖啡豆中挥发性成分进行鉴别，并结合化学计量法进行统计分析，为分析咖啡豆的品质提供参考。

1 材料与方法

1.1 仪器

Agilent 6890/5973气相色谱-质谱联用仪（美国安捷伦公司）；NIST系列标准谱库；100 μm聚二甲基硅氧烷（PDMS）萃取头（美国Supelco公司），手动固相微萃取（SPME）进样器装置（美国Supelco公司）；15 mL样品瓶；电子天平（Sartorius，ALC-210.2）。

1.2 材料

巴西产咖啡豆（编号为1～5）、哥伦比亚产咖啡豆（编号为6、7）、印尼产咖啡豆（编号为8～10）由武汉黄鹤楼香精香料有限公司提供，经湖北中医药大学生药教研室鉴定为茜草科（Rubiaceae）植物咖啡属（Coffea）小果咖啡（Coffea arabica L.）种子。

1.3 方法

1.3.1 顶空固相微萃取条件 取1 g样品，研碎，置于15 mL配有聚四氟乙烯胶垫的顶空瓶中，用PDMS萃取纤维头的手动进样器插入瓶内，140 ℃平衡10 min，将萃取头顶空萃取30 min，取出，立即插入色谱仪进样口（温度250 ℃）解吸3 min。

1.3.2 GC-MS的分析 色谱条件：HP-5MS石英毛细管色谱柱（50 m×0.2 mm×0.33 μm），程序升温：初始温度为40 ℃，以8 ℃/min升至110℃，再以3 ℃/min升至125 ℃，最后以10 ℃/min升至240 ℃（保持3 min），进样口温度250 ℃，载气氦气，流速1 mL/min，不分流进样。质谱条件： EI源，离子源230 ℃，四级杆150 ℃，电子能量70 eV，倍增管电压1.2 kV，接口温度280 ℃，质量范围35～550 amu。

1.3.3 统计学处理 采用主成分分析和系统聚类法分析样品数据。

2 结果

经化学工作站数据处理及用面积归一化法从各总离子流图（图1）中计算各组分相对百分含量，各峰质谱图经NIST谱库检索，并与文献[5-7]核对，确定各个组分，初步鉴定97种化合物。结果表明，不同产地的咖啡豆挥发性成分种类和相对含量存在差异，但均含有咖啡因（1H-Purine-2，6-dione， 3，7-dihydro-1，3，7-trimethy）、2-呋喃甲醇（2-Furanmethanol）、2-呋喃甲醇乙酸盐（2-Furanmethanol， acetate）、2，6-二乙基吡嗪（Pyrazine，2，6-diethyl-）等21种主要成分（表1）。以21个共有峰峰面积作为变量，得到10×21数据矩阵，使用SPSS19.0软件进行主成分分析和聚类分析。

2.1 主成分分析结果

将二维数据矩阵导入到SPSS19.0软件进行多变量统计分析。第一主成分的方差贡献率为54.146%，第二主成分的方差贡献率为23.996%，第三主成分的方差贡献率为11.729%，前3个主成分的累计方差贡献率为89.871%。图2为10批次咖啡豆的前2个主成分的空间分布图。从图2中可以看出，同一产地的样品在分布上相对集中，不同产地的样品在分布上则有明显差异。结果表明，采用主成分分析法能够有效地区分巴西、哥伦比亚和印尼的咖啡豆。

2.2 系统聚类分析结果

利用 SPSS19.0软件，采用Wards聚类法，以Euclidean 距离为测度、峰面积百分率为基准，对10个批次3个产地的咖啡豆进行聚类分析。结果如图3所示，样本层次聚类分析聚成3类，样品1、2、3、4、5聚为一类，样品6、7聚为一类，样品8、9、10聚为一类。该图直观地显示了整个聚类过程，缩小了凭借主观判断造成的误差。聚类分析结果表明，不同产地的咖啡豆具有明显差异，同一产地的咖啡豆在化学成分上具有相似性。

3 讨论

本试验采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用技术分析了巴西、哥伦比亚和印度尼西亚3个产地的咖啡豆，该方法前处理简单，快速准确，无需有机试剂。共鉴定出了97种化合物，21种为共有成分，其中相对百分含量最高的为咖啡因，现代研究表明，咖啡因具有抗忧郁、控制体重、醒脑提神等作用，且烘焙前后含量基本不变[8]。3个产地咖啡因的平均含量分别为15.39%、8.02%、7.22%，其中巴西产咖啡豆中咖啡因的含量明显高于其他产地。这可能是由于咖啡豆的种植土壤、气候等生境条件不同，使植物次生代谢过程存在差异。endprint

采用主成分分析法和聚类分析法对HS-SPME-GC/MS数据处理，该方法不仅可综合反映相同产地咖啡豆的关系，而且可以反映不同产地药材间的差异，使分析结果更为直观、客观。

参考文献：

[1] 南京中医药大学.中药大辞典（上册）[M].上海：上海科学技术出版社，2006.

[2] DAGLIA M， CUZZONI MT， DACARRO C. Antibacterial activity of coffee[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry， 1994，42（10）：2270-2272.

[3] BUDRYN G， ZYELEWICZ D， NEBESNY E， et al. Influence of addition of green tea and green coffee extracts on theproperties of fine yeast pastry fried products[J]. Food Research International，2013，50（1）：149-160.

[4] WATANABE T， ARAI Y， MIT SUI Y， et al. The blood pressure-lowering effect and safety of chlorogenic acid from green coffee bean extract in essential hypertension[J]. Clinical and Experimental Hypertension，2006，28（5）：439-449.

[5] 李 婷.咖啡豆的质量标准研究（D）.武汉：湖北中医药大学， 2012.

[6] 胡荣锁，初 众，谷风林，等.海南主要地域生咖啡豆挥发性化学成分对比研究[J].光谱学与光谱分析，2013，33（2）：548-553.

[7] 刘明培.烟用香精香料咖啡豆料液GC-MS指纹图谱研究[D]. 武汉：华中科技大学，2011.

[8] BELITZ H D， GROSCH W， SCHIEBERLE P. Food Chemistry [M]. Berlin： Springer Berlin Heidelberg， 2009： 938-970.endprint

采用主成分分析法和聚类分析法对HS-SPME-GC/MS数据处理，该方法不仅可综合反映相同产地咖啡豆的关系，而且可以反映不同产地药材间的差异，使分析结果更为直观、客观。

参考文献：

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[3] BUDRYN G， ZYELEWICZ D， NEBESNY E， et al. Influence of addition of green tea and green coffee extracts on theproperties of fine yeast pastry fried products[J]. Food Research International，2013，50（1）：149-160.

[4] WATANABE T， ARAI Y， MIT SUI Y， et al. The blood pressure-lowering effect and safety of chlorogenic acid from green coffee bean extract in essential hypertension[J]. Clinical and Experimental Hypertension，2006，28（5）：439-449.

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[6] 胡荣锁，初 众，谷风林，等.海南主要地域生咖啡豆挥发性化学成分对比研究[J].光谱学与光谱分析，2013，33（2）：548-553.

[7] 刘明培.烟用香精香料咖啡豆料液GC-MS指纹图谱研究[D]. 武汉：华中科技大学，2011.

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采用主成分分析法和聚类分析法对HS-SPME-GC/MS数据处理，该方法不仅可综合反映相同产地咖啡豆的关系，而且可以反映不同产地药材间的差异，使分析结果更为直观、客观。

参考文献：

[1] 南京中医药大学.中药大辞典（上册）[M].上海：上海科学技术出版社，2006.

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[5] 李 婷.咖啡豆的质量标准研究（D）.武汉：湖北中医药大学， 2012.

[6] 胡荣锁，初 众，谷风林，等.海南主要地域生咖啡豆挥发性化学成分对比研究[J].光谱学与光谱分析，2013，33（2）：548-553.

[7] 刘明培.烟用香精香料咖啡豆料液GC-MS指纹图谱研究[D]. 武汉：华中科技大学，2011.

[8] BELITZ H D， GROSCH W， SCHIEBERLE P. Food Chemistry [M]. Berlin： Springer Berlin Heidelberg， 2009： 938-970.endprint