咖啡豆烘焙过程中油脂脂肪酸组成、挥发性风味及活性成分的演变规律

董聪慧，董文江，程金焕，胡荣锁，何红艳，陈小爱，龙宇宙，黄家雄，陈 罡，陈舰飞

（1.宁夏大学食品与葡萄酒学院，宁夏 银川 750021；2.中国热带农业科学院香料饮料研究所，海南 万宁 571533；3.海南省特色热带作物适宜性加工与品质控制重点实验室，海南 万宁 571533；4.云南省农业科学院热带亚热带经济作物研究所，云南 保山 678600；5.普洱富民农业装备有限公司，云南 普洱 665000）

咖啡为茜草科咖啡属常绿灌木或小乔木植物，原产于埃塞俄比亚，主要分布在热带和亚热带地区。咖啡具有独特的风味和功能特性，是世界三大饮料之一。目前已有70多个国家种植咖啡，通常商业栽培品种主要是阿拉比卡咖啡（Coffea arabicaL.）和罗布斯塔咖啡（Coffea canephoraL.）[1]。根据国际咖啡组织（ICO，2020）数据，2018年全球生产了约940万 t咖啡。我国咖啡种植主要集中在云南、海南和四川等地，产量达到15万 t，其中云南省生产的小粒种阿拉比卡咖啡占全国产量的95%以上。咖啡含有绿原酸、葫芦巴碱和咖啡因等多种生物活性成分，具有提神醒脑、抗氧化、降血脂、降低心血管疾病风险等作用[2]。咖啡香气一直是研究热点，然而生豆本身无香气，生豆经烘焙后发生美拉德、焦糖化等系列化学反应，使其形成咖啡特有的色泽、风味和口感[3]。因此，烘焙是咖啡加工中必不可少的一步。

咖啡豆的色泽主要取决于烘焙条件和品种，是划分烘焙度的重要标志，可分为极浅、浅、浅中、中、中深极深和法式重度8 类[3-4]。在烘焙过程中咖啡中有机酸、脂质、含氮化合物等前体物质发生不同程度的美拉德反应、焦糖化反应等化学反应生成呋喃类、吡嗪类、醇类、吡咯类、吡啶类、醛酮类、硫化物、酚类及酯类等挥发性香气化合物[5-7]。如Hu Gulin等[6]通过扫描电子显微镜、核磁共振和感官分析，分别阐明不同烘焙度的阿拉伯咖啡豆的物理形态变化、主要化学成分和杯测分值。通过多元分析法对数据进行统计分析，表明三聚氰胺、糖类、苹果酸盐、奎尼酸、γ-丁内酯和乙酸盐有可能成为新的烘焙标志物，并讨论了感官指标和成分之间的复杂关系。Jin Weiping等[8]主要研究了烘焙过程中咖啡豆微观结构和主要化学成分的变化规律。Spreng等[9]采用超高效液相色谱-电喷雾电离-四极杆飞行时间串联质谱从烘焙咖啡豆中鉴定出11种吡嗪类化合物结构，并研究了烘焙过程中咖啡豆美拉德反应机制的形成途径。

油脂是烘焙咖啡豆中最重要的成分之一，被认为是烘焙香气和风味的重要载体[9]。咖啡的挥发性化合物因种植地点、气候条件、植物种类等而异，特别是咖啡豆的烘焙程度，从而对咖啡油脂的香气产生巨大影响[10]。酰基甘油是咖啡油脂中的主要成分（80%），其次是非皂化化合物，如二萜类、甾醇和生育酚（15%～18%）；游离脂肪酸（0.5%～4.2%）；以及蜡脂（1.5%～2.5%）和数百种挥发性化合物[11-12]。Hurtado等[13]采用超临界流体萃取法从烘焙咖啡豆中提取咖啡油脂，研究了脂肪酸和挥发性香气组成及变化。Dong Wenjiang等[14]研究了不同提取方法对绿咖啡油脂理化指标、脂肪酸、生育酚、二萜、抗氧化活性和总酚含量的影响。

经大量实验研究表明烘焙工艺对油料种子及植物油挥发性成分具有显著影响，对油脂风味的形成至关重要。烘焙导致油料种子发生美拉德反应，使油脂内呋喃类、吡嗪类等杂环类物质增多，给油脂带来特殊的坚果香、焙烤香。目前，烘焙结合气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）联用分析已广泛应用于油料种子油脂及香气分析。如Lin等[15]研究了烘烤温度和时间对杏仁油脂肪酸、酚类物质组成、美拉德反应和抗氧化等性质的影响，其结果显示随烘焙度增加杏仁油抗氧化活性、活性成分及褐变指数也随之增加；Yu Jie等[16]研究对比红外线焙烧与传统滚筒焙烧对初榨菜籽油氧化稳定性和风味的影响。结果表明：红外热处理的样品具有较低的酸值和过氧化物值，较高的氧化稳定性指数和清除自由基活性。侯双瑞等[17]研究了不同烘焙工艺对杏仁油理化品质的影响，研究表明低温（130、160 ℃）短时（5、10 min）烘焙得到的杏仁油品质有所提高，高温190 ℃随烘焙时间的延长烘焙得到的杏仁油品质逐渐降低。

由于在烘焙过程中咖啡豆经历高温长时间烘焙，在高温和有氧条件下，咖啡豆发生一系列物理化学反应，包括美拉德、热降解、油脂氧化等，从而影响油脂的感官品质，且烘焙处理对咖啡油脂脂肪酸组成及挥发性成分的影响尚不明确。而现阶段国内外研究较多的是生豆中提取的绿咖啡油脂，而对于烘焙咖啡豆中提油的研究较少。因此，本实验以云南小粒种咖啡豆试材，对其进行不同程度的烘焙处理，并测定各条件下咖啡油脂得率、酸价、碘值、皂化值、茴香胺值、色泽、气味、透明度和脂肪酸组成；采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用技术比较测定油中挥发性成分；此外通过高效液相色谱和福林-酚法测定活性成分生育酚、二萜和总酚含量及组成。本研究旨在为烘焙咖啡豆提取油脂的加工工艺改进及产品研发提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

生咖啡豆产自云南省农业科学院热带亚热带经济作物研究所咖啡试验基地，品种为卡蒂姆7963。

石油醚、无水乙醇、二氯甲烷、氢氧化钾、正己烷、三氟化硼甲醇（均为分析纯） 广东西陇化工股份有限公司；甲醇、甲基叔丁基醚、正庚烷（均为色谱纯）德国默克集团；咖啡醇、α-生育酚、γ-生育酚、δ-生育酚标准品 上海阿拉丁生化科技股份有限公司；咖啡豆醇和β-生育酚标准品 上海源叶科技有限公司；

1.2 仪器与设备

PROBATINO Typ 2SSH型咖啡豆烘焙机 德国Probat仪器公司；VTA-6S3型咖啡豆研磨机 德国Mahlkonig仪器公司；WF32-16mm精密色差仪 深圳市威福光电科技有限公司；AL 204型电子分析天平 梅特勒-托利多仪器有限公司；Master-s-plus UVF型全自动超纯水系统 上海和泰仪器有限公司；R-215旋转蒸发仪瑞士Buchi有限公司；7890A-5975C GC-MS联用仪、1290超高效液相色谱仪 美国Agilent公司；E2695-W2475高效液相色谱仪 美国Waters公司；Lighttells CM-100 咖啡烘焙色度仪 上海大正器具有限公司。

1.3 方法

1.3.1 烘焙咖啡豆的制备

使用咖啡豆烘焙机制备样品，准确称量500.0 g生咖啡豆倒入烘焙机中，设定火力为7，风门为1.2，入锅温度为180 ℃，烘焙时间7.83～21.17 min。烘焙结束后放置冷却装置，快速冷却至室温。采用CM-100色差仪测定其颜色变化，烘焙程度的确定基于色差仪测定结果，以证明咖啡豆处于所需的烘焙状态。根据SCAA（美国Agtron专业咖啡协会-SCAA，2010）将样品划分为由浅至深8 个不同烘焙度，每个烘焙度平行制备3 个样品，密封在阴凉通风处保存。将烘焙好的咖啡豆研磨，过40 目筛，盛放于咖啡包装袋中，封口备用，样品信息如表1所示。

表1 不同烘焙度咖啡豆样品信息Table 1 Information about eight coffee samples with different roasting degrees

1.3.2 咖啡油脂提取

参考宋恭帅等方法[18]，并稍作修改。将8种不同烘焙度的咖啡豆研磨，过40 目筛后准确称量100.0 g咖啡粉于500 mL锥形瓶中，加入300.0 mL石油醚（沸程60～90 ℃），放置于45 ℃恒温水浴振荡器中提取1 h，滤纸过滤，重复提取2 次，合并滤液。过滤后使用旋转蒸发仪蒸发溶剂，旋至无液滴滴下后收集咖啡油脂，分装并转移至5 mL棕色玻璃瓶中，置于-80 ℃超低温冰箱冷藏备用。咖啡油脂得率按式（1）计算：

式中：m1为咖啡油脂质量/g；m2为所用咖啡粉质量/g。

1.3.3 理化性质的测定

酸价：根据GB 5009.229—2016《食品中酸价的测定》进行；皂化值：根据GB/T 5534—2008《动植物油脂皂化值的测定》进行；碘值：根据GB/T 5532—2008《动植物油脂碘值的测定》进行；茴香胺值：根据GB 24304—2009《动植物油脂 茴香胺值的测定》进行；气味、透明度：根据GB/T 5525—2008《植物油脂气味、滋味、透明度鉴定法》进行。

1.3.4 色差测定

参考侯双瑞等[17]方法并稍作修改。准确量取4.0 mL咖啡油脂样品，置于样品槽内。采用色差仪测定咖啡油脂色泽，包括L*、a*、b*、c*和ho。每个样品分别测定3 次，计算平均值用于后续分析。使用数码照相机对8种烘焙度的咖啡油脂样品拍照，以照片形式记录样品的色泽信息，并与色差计测定结果进行对比。

1.3.5 脂肪酸组成测定[19]

样品处理：脂肪酸组成参照GB 5009.168—2016《食品中脂肪酸的测定》进行分析。准确称量1.00 g咖啡油脂按国标进行脂肪皂化和脂肪酸甲酯化。

GC检测条件：CP-Sil 88色谱柱（100 m×0.25 mm，0.20 μm）；升温程序：初始温度10 ℃保持13 min，以10 ℃/min增加到180 ℃，保持6 min，以1 ℃/min增加到200 ℃，保持20 min，然后以4 ℃/min增加到230 ℃，保持10.5 min。接口温度和离子源温度均为250 ℃。氦气为载气，流量1 mL/min，进样量1 μL。

1.3.6 挥发性成分分析[18]

样品处理：准确称取2.0 g咖啡油脂样品于顶空进样瓶中，上机待测。

GC条件：DB-WAX色谱柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；载气He；流速1.0 mL/min；进样口温度250 ℃；不分流进样。程序升温：起始温度40 ℃，以3 ℃/min升至160 ℃，保留1 min后以10 ℃/min升至200 ℃，保持10 min；再以15 ℃/min升至250 ℃，保留1 min。MS条件：接口温度250 ℃；离子源温度230 ℃；电子能量70 eV；质量扫描范围m/z35～450。

定性和定量方法：供试样品根据GC-MS分析得到的各色谱峰，通过计算机谱库检索（NIST17），结合化合物保留指数进行定性，并根据挥发性成分的峰面积归一化定量。

1.3.7 活性成分测定

1.3.7.1 总酚测定[17]

采用福林-酚比色法测定咖啡油脂中的总酚含量，结果以没食子酸当量表示，单位为mg/100 g。标准曲线：配制质量浓度为25、50、75、100、125、150 μg/mL的没食子酸标准溶液，制作标准曲线。

样品前处理：精确称取0.2 g咖啡油脂于离心管中，加入异丙醇2.0 mL，充分混匀。取0.5 mL混合液与新的离心管加入1.0 mL甲醇，混匀1 min后于50 ℃水浴锅萃取30 min，然后5 000 r/min离心5 min，取上层甲醇相溶液定容至5 mL，作为待测液。

样品测定：取1.0 mL待测液，加入0.5 mL蒸馏水，1.0 mL的福林-酚试剂，反应2 min后，再分别加入3.0 mL 12% Na2CO3，充分混匀1 min，室温下避光反应1 h取出后于分光光度计于波长765 nm处测定吸光度，所测样液中总酚按式（2）计算：

式中：Cx为测定样品溶液中没食子酸质量浓度/（mg/mL）；C0为样品溶液质量浓度/（mg/mL）。

1.3.7.2 生育酚测定[20]

生育酚含量：按GB/T 26635—2011《动植物油脂 生育酚及生育三烯酚含量测定 高效液相色谱法》测定。标准曲线：将α-、γ-、β-、δ-生育酚标准品用甲醇配制成0.5、1、5、10、20、50、100 μg/mL标准品溶液，以标准液质量浓度为横坐标，峰面积为纵坐标绘制标准曲线，通过标准品溶液的保留时间及标准曲线对生育酚进行定性和定量，含量以mg/100 g表示。

样品处理：准确称取0.5 g咖啡油脂样品用2.0 mL正己烷稀释，在高效液相色谱分析前采用0.22 μm滤膜过滤。

检测条件：色谱分离在配备3300蒸发光散射检测器的高效液相色谱系统上进行，色谱柱为Zorbax Eclispe Plus C18（4.6 mm×250 mm，5 μm）。激发波长为295 nm，发射波长为330 nm，进样量为10 μL，流速为1.0 mL/min。

1.3.7.3 二萜测定

参考Belandria等[21]方法并稍作修改。标准曲线：将咖啡醇、咖啡豆醇标准品用正己烷配制成0.5、1、5、10、20、50、100 μg/mL标准品溶液，采用超高效液相色谱检测，以标准液质量浓度为横坐标，峰面积为纵坐标绘制标准曲线，含量以mg/g表示。

样品处理：称取0.1 g咖啡油脂样品，加入2.0 mL 2.5 mol/L氢氧化钾的甲醇溶液，80 ℃水浴1 h进行皂化反应，冷却后加入2.0 mL去离子水和2.0 mL甲基叔丁基醚提取不皂化物，混匀并收集上清液，重复提取3 次，合并上清液。旋转蒸发浓缩后，加入5.0 mL正己烷溶解，过0.22 μm滤膜后，采用超高效液相色谱检测。

检测条件：Zorbax Eclispe Plus C18（4.6 mm×100 mm，3.5 μm）；流动相为甲醇和水，85%甲醇等梯度洗脱10 min，后运行时间6 min。柱温25 ℃，流速0.7 mL/min，进样量10 μL，二极管阵列检测波长210 nm。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2019软件进行数据的整理与计算；数据的显著性分析均采用SPSS 24.0软件进行处理和分析，并采用Origin 2021软件作图。所有实验均进行3 次重复实验，结果以表示。

2 结果与分析

2.1 咖啡豆烘焙过程中油脂得率变化

由图1可以看出，随烘焙度增加咖啡油脂得率整体呈上升趋势，烘焙度编号在45～95时，油脂得率缓慢增加；而在烘焙度编号为25～45时，油脂得率显著提高，可达9.01%。其原因可能是咖啡豆在烘焙过程中，大量的前体物质受热发生化学反应，水蒸气、挥发性风味物质和CO2大量聚集，使咖啡豆内部结构随着烘焙强度的提高而发生变化，孔径增大[20]，从而提高油脂得率。Hurtado等[13]采用超临界流体萃取法从烘焙度为45阿拉比卡咖啡豆中提取咖啡油，最佳条件下的油脂得率为8.9%。姚宏燕等[22]研究结果表明，随着烘烤温度升高和烘烤时间的延长，奇亚籽出油率也呈现上升趋势，与本研究结果趋势一致。

图1 不同烘焙度咖啡油脂得率变化Fig. 1 Changes in oil yield from roasted coffee with different roasting degrees

2.2 咖啡豆烘焙过程中油脂色泽的变化分析

表2 不同烘焙度咖啡油脂的色泽变化Table 2 Color variation of coffee oils with different roasting degrees

L*表示亮度，a*值、b*值和c*值分别表示颜色由绿到红、由蓝到黄的色彩变化，色彩角ho表示颜色由红橙区域到深褐色区域的变化[17]。如表2所示，在烘焙过程中由于发生焦糖化反应和美拉德反应，咖啡油脂的颜色随烘焙度增加逐渐加深。咖啡油脂亮度随烘焙程度增加而降低，色泽加深。咖啡豆烘焙度编号为25、35时，其相应油脂的色泽偏黄，而烘焙度编号为75～25其相应的油脂色泽偏红棕色。随烘焙程度的加深，油脂色泽受烘焙影响较大。在烘焙度编号25～45时，可观察到咖啡豆表面出现部分碳化及破损，发生了较深程度的褐变反应，同时伴随炭化，因此产生了更多的色素物质。姚宏燕等[22]研究了烘烤过程对奇亚籽油的色泽的影响，随着温度的升高或时间的延长，反应形最终产物类黑精色素等高分子色素等会使奇亚籽油的色泽加深。

如图2所示，8种不同烘焙度咖啡油脂在反应在黄绿值上存在差异，且油品透明度差异也较大。其澄清度随烘焙度加深先澄清后变浑浊，其原因可能是咖啡豆中的羰基和氨基化合物受热发生美拉德反应，生成棕褐色的聚合大分子质量终产物类黑精[23]，而咖啡油脂由微浑浊又变至澄清可能是由于高温下焦糖化反应产物的降解[24]。

图2 不同烘焙度咖啡油脂样品Fig. 2 Pictures of roasted coffee oil samples with different roasting degrees

2.3 咖啡豆烘焙过程中油脂理化指标的变化

2.3.1 咖啡豆烘焙过程中油脂酸价的变化

图3 不同烘焙度咖啡豆相应的咖啡油脂酸价变化Fig. 3 Changes in acid value of roasted coffee oil with different roasting degrees

如图3所示，咖啡油脂酸价随烘焙程度的增加整体呈上升趋势，但在烘焙度为极浅度到浅中度时咖啡油脂酸价无显著差异，其值在1.60～1.66 mg/g之间，并未呈增加趋势。原因是在烘焙过程中，促进酸价升高和降低的因素同时存在，油脂中不饱和脂高温氧化成氢过氧化物，氢过氧化物易分解产生醛、酮，醛继续被氧化生成酸，导致酸价升高；饱和脂肪酸被氧化产生醛，继而被氧化成酸，酸价升高；而氢过氧化物分解产生的小分子挥发性酸和脂防酸聚合导致游离脂肪酸减少，酸值降低[25]。因此可能是在极浅度到浅中度下咖啡油脂分解为游离脂肪酸的速度与减少的速度相差不大，所以酸价未有明显变化。酸价从中度到法式重度时逐渐增大，且在极深度时达到最大3.75 mg/g。此结果与陈祎平等[26]测定的咖啡油脂酸价相差不大，其通过加热的稳定性实验测定加热前后咖啡油和大豆油酸价均升高，加热前其油酸价分别为2.47 mg/g和1.53 mg/g，加热后其酸价分别增加了0.46 mg/g和2.13 mg/g，相较而言油脂在加热过程中产生氢过氧化物及游离脂肪酸相对于大豆油较少，结果表明相较于大豆油咖啡油的稳定性较好。在侯双瑞等[17]的研究结果中也得到相同的规律，在烘焙过程中，随着烘焙时间延长制备得到的2种杏仁油的酸值均呈增加的趋势。总而言之，8种不同烘焙度咖啡油酸价都低于4 mg/g，均符合食用植物油国家标准。随着烘焙度的加深在不同程度上均促进了咖啡油中多不饱和脂肪酸的氧化分解，温度越高，氧化分解速率越快，酸价越高。

2.3.2 咖啡豆烘焙过程中油脂碘值的变化

图4 不同烘焙度咖啡豆相应的咖啡油脂碘值变化Fig. 4 Changes in iodine value of roasted coffee oil with different roasting degrees

由图4可知，烘焙度编号为25的咖啡油脂碘值最低，仅为（83.12±3.58）g/100 g，烘焙度编号为95咖啡油脂最高，其碘值为（142.04±7.55）g/100 g，表明咖啡油脂均含有较多的不饱和脂肪酸。随着咖啡豆烘焙度的增加，咖啡油脂的碘值逐渐降低，这是由于温度的升高加剧了油脂的氧化和水解导致。陈祎平等[26]采用索氏抽提法从咖啡渣中提取的咖啡油脂碘值为90.11 g/100 g，其结果与文献中报道的差异可能与植物品种和原料预处理有关。与龙婷等[23]研究的烘焙茶籽油中碘值变化规律类似，随烘焙度的加深茶籽油碘值逐渐降低。而这种下降主要是由于脂肪氧化引起脂肪酸双键破坏，不饱和双键减少，不饱和脂肪酸含量降低引起。

2.3.3 咖啡豆烘焙过程中油脂茴香胺值的变化

图5 不同烘焙度咖啡豆相应的咖啡油脂茴香胺值变化Fig. 5 Changes in anisidine value of roasted coffee oil with different roasting degrees

茴香胺值能评估油脂次级氧化，醛羰基键在脂质次级氧化过程中形成。如图5所示，烘焙度为极浅度时咖啡油脂样品的茴香胺值为3.40，随着烘焙程度为浅中度时，茴香胺值最高为16.26。油脂的氧化程度随烘焙度增加而升高，由于烘焙过程中产生较多的醛酮类物质导致茴香胺值上升；而当烘焙度在浅中度增至法式重度时，茴香胺值呈下降趋势，其原因是随烘焙程度的进一步加深，高温条件下会使二级产物分解，咖啡油脂茴香胺值又呈下降趋势，所以油脂在氧化过程中形成氢过氧化物的同时又伴随着它的分解，咖啡油脂茴香胺值的变化随烘焙度增加，呈先增加后降低的趋势。结果与侯双瑞等[17]研究的烘焙工艺对杏仁油茴香胺值的变化规律一致，且杏仁油的茴香胺值随烘焙温度的升高呈先升高后降低，并在150 ℃时达到最大值。

2.3.4 咖啡豆烘焙过程中油脂皂化值的变化

图6 不同烘焙度咖啡豆相应的咖啡油脂皂化值变化Fig. 6 Changes in saponification value of roasted coffee oil with different roasting degrees

一般皂化值愈高，说明脂肪酸分子质量愈小；皂化值愈低，则脂肪酸分子质量愈大或含有较多的不皂化物[27]。由图6可知，8种不同烘焙度咖啡油脂样品的皂化值范围为在373.07～475.92 mg/g，经显著性分析可知，烘焙程度对咖啡油脂皂化值的影响差异不显著（P＞0.05），随着烘焙温度升高及时间延长，8种咖啡油脂的皂化值逐渐减小，说明受烘焙条件的影响，咖啡油脂中的甾醇、脂溶性维生素、色素、酚类等不皂化物增多，而导致皂化值降低[21]。

2.4 咖啡豆烘焙过程中油脂脂肪酸组成的变化

根据Kobelnilk等[28]的研究，咖啡油脂的成分，特别是脂肪酸的含量，可以被认为是区分咖啡品种的标志物。除地理环境及不同品种等因素外，烘焙过程也可能影响咖啡油脂的脂质组成。从烘焙咖啡豆中提取油脂的相关研究表明：咖啡油脂脂饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的组成，主要为硬脂酸、棕榈酸、油酸、亚油酸、亚麻酸和花生酸等[28-30]。为研究烘焙过程对咖啡豆油脂脂肪酸的影响，如表3所示，共鉴定出11种脂肪酸：十四烷酸（C14:0）十五烷酸（C15:0）、棕榈酸（C16:0）、硬脂酸（C18:0）、油酸（C18:1）、亚油酸（C18:2）、α-亚麻酸（C18:3）、二十一烷酸（C21:0）、二十二烷酸（C22:0）、二十三烷酸（C23:0）和二十四烷酸（C24:0）。如图7a所示，主要脂肪酸为亚油酸（43.06%～64.39%）、硬脂酸（12.67%～21.37%）、棕榈酸（15.23%～27.55%）和油酸（9.03%～17.20%）。其中饱和脂肪酸8种，分别为十四烷酸、十五烷酸、十六碳酸（棕榈酸）和十八碳酸（硬脂酸）等，占比24.27%～42.85%；不饱和脂肪酸3种，分别为油酸、亚油酸和α-亚麻酸，其中油酸为单不饱和脂肪酸，占比9.03%～17.20%；咖啡油脂中不饱和脂肪酸占比为57.78%～74.02%，表明咖啡油脂含有丰富的不饱和脂肪酸，具有较高的营养价值。植物油中单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸的比值越高越有利于油脂的稳定。亚油酸（C18:2）和α-亚麻酸（C18:3）是人类营养必需的多不饱和脂肪酸，占比45.65%～68.16%。研究结果表明亚油酸含量较高，均在40%以上，随烘焙度增加其含量呈增涨趋势，在烘焙度为法式重度时其含量达到最大值为64.39%；本研究中α-亚麻酸（C18:3）含量与亚油酸含量变化趋势一致，由1.53%增至3.78%，在烘焙度为法式重度时达到最大值。在常见的动植物油脂中通常不含有亚麻酸，或含量很低。如：米糠油中亚麻酸含量小于1.0%；杏仁油中亚麻酸含量小于0.2%[17]。且亚麻酸对人体还具有降血压、降血脂、预防心血管疾病、抑制癌症、提高智力等作用，因此咖啡油脂在保健品和食品方面具有广阔的应用前景。据报道Hurtado等[13]鉴定了烘焙度为45阿拉比卡咖啡豆提取的咖啡油脂脂肪酸含量，主要脂肪酸为棕榈酸（46.1%）、亚油酸（32.9%）、油酸（8.0%）、硬脂酸（6.6%）和花生四烯酸（1.9%）。其结果与文献中报道的差异可能与植物品种和原料预处理有关。

总而言之，随着咖啡豆烘焙度的增加其相应的咖啡油脂饱和脂肪酸含量变化不大，在烘焙度至深度及以上时其饱和脂肪酸含量快速降低，不饱和脂肪酸含量变化整体程上升趋势。咖啡豆烘焙过程油脂图7b中多不饱和脂肪酸含量存在显著差异。由表3可知，不同的烘焙条件对咖啡油脂脂肪酸组成影响不大；对各脂肪酸含量影响较大，部分数组之间具有显著性差异。

表3 不同烘焙度咖啡油脂脂肪酸组成及相对含量变化Table 3 Changes in fatty acid composition of roasted coffee oil with different roasting degrees %

图7 不同烘焙度咖啡油脂脂肪酸组成（a）和饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸（b）的变化Fig. 7 Changes in fatty acid composition (a) and SFA and UFA (b)contents of roasted coffee oil with different roasting degrees

2.5 咖啡豆烘焙过程中油脂挥发性成分的变化

2.5.1 挥发性成分种类变化分析

不同的品种和处理方法会导致咖啡挥发性成分的差异，但其产生机理一致，即通过美拉德反应、斯特莱克降解和自动氧化等过程形成，这些成分赋予咖啡油脂不同的香气[31]。如图8所示，8种咖啡油脂样品峰强度差异性较大，表明烘焙程度对咖啡油脂挥发性成分种类及含量有一定影响。8种咖啡油脂样品中共检出94种挥发性物质，其中烘焙度为极深度的咖啡油脂样品检出挥发性成分种类最多共64种，而烘焙度为极浅度油样品仅检出25种。

8种不同烘焙度咖啡油脂样品相对含量较高的均为吡嗪类、呋喃类、酮类。随着烘焙度的加深咖啡油脂挥发性成分种类越多，其原因可能是咖啡豆在烘焙过程中，大量的前体物质受热发生化学反应，水蒸气、挥发性风味物质和CO2大量聚集，因此咖啡豆的内部结构随着烘焙强度的提高而发生变化，使咖啡豆孔径不断增加，更易于香气成分的挥发[31]。

图8 不同烘焙度咖啡油脂的GC-MS总离子流色谱图Fig. 8 Total ion current chromatograms of volatile substances in roasted coffee oil with different roasting degrees

2.5.2 挥发性成分含量变化分析

由表4、图9a可知，在咖啡豆烘焙度为极深度的咖啡油脂中挥发性成分种类最多，共鉴定出吡嗪类13种，呋喃类15种，酮类8种，杂环类2种，酯类5种，吡咯类3种，酚类4种，吡啶类4种，醛类4种，含硫化合物1种，醇类1种，吲哚2种以及烯类2种成分。其中吡嗪类、酮类和呋喃类占比49.30%。烘焙度为极浅度的咖啡油脂，共鉴定出呋喃类4种，吡嗪类10种，占比45.88%，与烘焙度为极深度的咖啡油脂相比，各类物质明显减少。不同烘焙度咖啡油脂挥发性成分主要差别在于吡嗪类、呋喃类、酮类、醛类和酯类等。

结果显示8种不同烘焙度咖啡油脂中相对含量较高的挥发性化合物分别为2-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪、2,5-二甲基-3-乙基吡嗪、2-乙酰基吡嗪、2-乙酰基呋喃、糠醛、吡啶等。在极浅度、浅度、浅中度烘焙时4-甲基吡咯(1,2-a)吡嗪、2-正丁基呋喃、3-苯基呋喃、5-甲基-2-乙酰基呋喃和2,2-二糠基醚等均未被未检出；苯甲醛、二糠基二硫醚、2,2-二甲基-3-庚烯等而仅在中度时产生，这也许是咖啡油脂的特征香气成分；如3-乙基苯酚、2-乙烯基-6-甲基吡嗪、4-羟基-3-甲基苯乙酮等化合物在深度及法式重度烘焙时才产生，这些可能是咖啡在较高温烘焙下产生的特征香气成分。不同的烘焙度咖啡豆含有自身的挥发性物质，这导致不同的烘焙度咖啡油脂有不同的特征香气。在极浅、浅度和浅中度烘焙时，吡嗪类和呋喃类为主要的挥发性物质。与吕文佳等[32]研究中咖啡主要烘焙风味物质的形成及变化规律结果类似，研究结果表明在极浅度～浅中度时咖啡豆中的挥发性成分也主要为吡嗪类和呋喃类；与不同烘焙度咖啡油脂中的挥发性成分相对应。于醛类和酮类物质具有羰基结构，性质较为活泼，容易在高温条件下与其他物质发生反应，因此继续受热使醛类和酮类物质含量下降[3]。在中度及中深度烘焙时，呋喃类、吡咯类、酮类、醛类等起主要作用，所以在中度烘焙的条件下，咖啡具有更多的果香味、花香和奶油味，随着烘焙程度的加深，这类的香气逐渐减少。而在深度、极深度和法式重度烘焙时，主要是吡咯类、酯类、吡啶和酚类等起作用。

表4 不同烘焙度咖啡油脂挥发性成分及其相对含量Table 4 Volatile composition of roasted coffee oil with different roasting degrees

续表4

续表4

吡嗪类化合物为咖啡油脂中含量最丰富的物质，8种不同烘焙度咖啡油脂样品检测出吡嗪类物质11～13种，烘焙程度对种类影响不大但其相对含量变化较大，在17.50%～37.41%，它们是由咖啡中的氨基酸与还原糖在高温条件下发生美拉德反应产生，具有花生酱味、焙烤味、坚果味以及爆米花味等气味特征[32]。烘焙度为极浅度的咖啡油脂吡嗪相对含量为37.41%，具有浓郁的坚果香味，随烘焙度加深吡嗪类物质相对含量减少其坚果风味也会随之减少。吡嗪通常具有坚果、泥土、烘烤和绿色香气；吡啶具有鱼腥味；挥发性呋喃呈现麦芽和甜味烘烤香气，不同于吡咯（通过氨基酸或葫芦巴碱热解生成），主要由碳水化合物的美拉德反应、脂质热氧化、抗坏血酸和硫胺素在烘焙过程中热降解形成[33]。不同烘焙度咖啡油脂成分种类及相对含量如图9b～g所示，其中嘧啶、酚类、酮类化合物总含量随烘焙度增加呈现上升趋势，且在烘焙度为法式重度时达到峰值；醛类化合物总含量随烘焙加深呈现先上升后下降的变化趋势，且在烘焙度为浅中度时增至最大值；而吡嗪类和醇类化合物总含量随烘焙度加深呈现先下降再上升变化趋势，在烘焙度为极浅度时达到峰值，而在深度时最低，与醛类化合物变化趋势相反（图9b～g）。由于吡嗪生成所需的反应活化能较低，所以在浅度烘焙时吡嗪类化合物含量较高，并且随着烘焙增加其含量呈减小趋势，吡嗪类化合物之所以减少有可能是因为受热使六元环结构断裂，生成含氮的烯烃类二碳和三碳化合物，并随后挥发[5]。但当烘焙度至深度时，吡嗪类化合物出现缓慢上升的趋势，其原因可能是再高温发现2-乙酰基-3-甲基吡嗪和2-乙烯基-6-甲基吡嗪等新物质的产生。而酮类和醛类物质较为活泼，其减小主要是由长时间受热分解引起，或在高温下条件下与其他物质发生反应，生成新物质。

图9 不同烘焙度咖啡油脂中各类挥发性成分种类（a）和主要挥发性成分含量的变化（b～g）Fig. 9 Changes in the type and content of volatile components in roasted coffee oil with different roasting degrees

2.6 烘焙程度对咖啡油脂活性成分含量的影响

关于咖啡醇和咖啡豆醇的研究表明，咖啡醇和咖啡豆醇具有抗氧化、消炎和保护肝脏的作用，它们是咖啡脂质组分物质中特有的二萜类物质，对健康有积极的作用[34]。据文献报道，咖啡醇含量为1.82～13.08 mg/g、咖啡豆醇含量为0～12.65 mg/g是绿咖啡豆和烘焙咖啡豆中的主要二萜类化合物[35]。如表5所示，咖啡醇随烘焙加深其含量变化先上升后降低。当烘焙度由极浅度增至深度时，咖啡醇含量呈增长状态，当烘焙度为深度时达到最大值14.30 mg/g，随烘焙度继续增加其含量开始减少。而咖啡豆醇随烘焙度增加，其含量是逐渐降低且变化量不大，在法式重度和极深度样品中未检测到，可能是由于高温长时作用导致其结构被破坏，分解为脱氢咖啡醇和脱氢咖啡豆醇[37]。本研究中咖啡醇含量变化与Dias等[36]得出的结果一致，该研究表明，烘焙时间为2～10 min，温度230 ℃条件下阿拉比卡咖啡中咖啡醇和咖啡豆醇的含量变化，其结果表明在烘焙时间为8 min时增至最大6.44 mg/g，随后迅速减小。总而言之，烘焙等工艺参数对咖啡二萜含量有明显的影响。

生育酚是植物油中一种重要的天然抗氧化剂，它不仅能阻断自由基的产生，还能抑制单线态氧的产生，对植物油多不饱和脂肪酸氧化变质具有保护作用[37]。本实验共检测出3种生育酚，分别为δ-生育酚、α-生育酚、γ-生育酚，3种生育酚含量在烘焙过程中均呈下降趋势，δ-生育酚是咖啡油脂中的主要生育酚，占生育酚总量的57%，其次为α-生育酚、γ-生育酚。3种生育酚含量随烘焙增加呈下降趋势，均在烘焙度为极浅度时达到最大值。洪启迪等[38]测生豆中δ-生育酚、γ-生育酚和α-生育酚含量分别为（3.05±0.36）、（33.19±0.47）mg/100 g和（13.51±0.20）mg/100 g。烘焙度为极浅度和浅度咖啡油脂中的δ-生育酚和γ-生育酚含量均高于生豆咖啡油中的生育酚含量，说明经过适当烘焙可提高咖啡油脂中生育酚含量。

咖啡油脂中含有丰富的酚类物质，对油脂的氧化稳定性具有重要作用，同时具有抗炎症、抗肿瘤、预防前列腺疾病等功效。由表5可以看出，咖啡油脂总酚含量随烘焙程度增加呈增长趋势，8种不同烘焙度咖啡油总酚含量差异较大，烘焙度为法式重度的咖啡油脂总酚含量为15.96 mg/100 g是极浅度样品的2 倍多。黄建花等[39]测定了13种植物油的总酚含量，其总酚含量介于9.83～387.40 mg/kg，咖啡的总酚含量比椰子油、棕仁油、茶籽油、棕榈油等植物油略高，与玉米油总酚含量相近，具有良好的营养价值。

表5 不同烘焙度咖啡油脂中活性成分的含量Table 5 Contents of bioactive ingredients in roasted coffee oil with different roasting degrees

2.7 相关性分析

为进一步探究咖啡豆烘焙过程中油脂理化性质、活性成分及脂肪酸等各指标间的相关性，对其进行Pearson相关性分析[40]，如图10所示，图中红色表示正相关，蓝色表示负相关，椭圆越扁颜色越深表示其相关性越大，无星号则表示两者无相关性。咖啡醇、咖啡豆醇、总二萜、总生育酚、α-、δ-及γ-生育酚、饱和脂肪酸呈极显著正相关（P＜0.01），这些指标都随烘焙度增加而减小；而总酚、茴香胺值、酸价、总生育酚和不饱和脂肪酸呈极显著负相关。皂化值和碘值与多个指标无相关性，表明烘焙度对咖啡油脂皂化值、碘值影响不大。由此可进一步说明咖啡豆在烘焙过程中油脂品质变化与烘焙程度密切相关，各指标的变化有明显的对应关系。

图10 烘焙过程中咖啡油脂理化指标、活性成分、脂肪酸的相关性Fig. 10 Correlation between physicochemical indicators, bioactive ingredients and fatty acids of roasted coffee oil during roasting

3 结 论

对咖啡豆进行8种不同烘焙条件预处理，制备得到咖啡油脂作为待测样品。首先测定了咖啡油脂的理化指标，包括脂肪酸组成；之后研究了烘焙程度对咖啡油脂活性物质二萜、生育酚、总酚的影响及变化规律；采用GC-MS法分析了咖啡油脂挥发性成分的组成；最后，对其进行了Pearson相关性分析。

通过测定咖啡油脂的常规理化指标和脂肪酸组成，研究烘焙度对咖啡油脂品质的影响。结果表明，咖啡油脂中富含不饱和脂肪酸，占总脂肪酸的57.78%～74.02%，其中亚油酸含量最高。咖啡油脂的酸价在1.60～3.75 mg/g之间，茴香胺值在3.40～16.26之间。随着烘焙度的增加，咖啡油脂酸价呈增加趋势，而茴香胺值在极浅度～浅中度烘焙时先快速增加，随后值又减小，说明适当的浅度烘焙能够抑制油脂的氧化。咖啡油脂碘值在（83.12±3.58）～（142.04±7.55）g/100 g之间，说明咖啡油脂含有丰富的不饱和脂肪酸，营养价值较高。咖啡油脂皂化值范围为373.07～475.92 mg/g。感官品质测定结果表明，随着烘焙温度升高，咖啡油脂颜色变深，都表现出坚果香味和焙烤香味；烘焙度较浅时，气味偏清香、色泽明亮且澄清，烘焙度加深时油颜色更深呈褐色，表现出更丰富浓郁的坚果香。

采用GC-MS通过8种不同烘焙度咖啡油脂挥发性成分，共检出94种挥发性物质。从极浅度到法式重度的咖啡油脂样品中分别检出25、33、36、53、54、59、64种和58种挥发性成分。不同烘焙度导致咖啡挥发性成分的差异，但其产生机理一致，即通过美拉德反应、斯特莱克降解和自动氧化等过程形成，这些成分赋予咖啡油脂不同的香气，主要差别在于吡嗪类、呋喃类、酮类、醛类和酯类等。不同的烘焙度咖啡油脂有不同的特征香气，在极浅、浅度和浅中度烘焙时，吡嗪类和呋喃类为主要的挥发性物质；在中度及中深度烘焙时，呋喃类、吡咯类、酮类、醛类等起主要作用，且随烘焙的增加这些挥发性成分会逐渐减少；而在深度、极深度和法式重度烘焙时，主要是吡咯类、酯类、吡啶和酚类等起作用。因此咖啡油脂的香气也会随之变化，浅度烘焙时咖啡具有更多的果香味、花香和奶油味，随着烘焙程度的加深，这类的香气逐渐减少，烘焙及焦糖味加深。

咖啡醇和咖啡豆醇是咖啡脂质组分物质中特有的二萜类物质，对健康有积极的作用，咖啡豆醇随烘焙加深其含量变化先上升后降低，当烘焙度为深度时达到最大值14.30 mg/g；咖啡油脂中共检测出3种生育酚，分别为α-、δ-和γ-生育酚，δ-生育酚是烘焙咖啡油脂中的主要生育酚，占总生育酚含量的57%；咖啡油脂总酚含量随烘焙程度增加呈增长趋势，8种不同烘焙度咖啡油脂总酚含量差异较大。咖啡油脂中存在的咖啡醇、咖啡豆醇、总酚和生育酚等天然活性成分，有抗炎症、消炎和抗肿瘤等功效，使其具有开发成功能性保健产品的潜力。

综上所述，本研究可为咖啡烘焙加工工艺改进及产品质量提升提供理论依据，对制备不同风味、不同感官特征且富含营养成分的高品质咖啡油脂具有指导意义。