咖啡风味受品种、烘焙条件等因素影响，主要由挥发性风味成分和非挥发性呈味成分两部分组成。风味组学通过分析样品中的挥发性物质，全面反映风味整体变化，采用多元统计分析筛选关键风味标记物。超高效液相色谱（UPLC）与Q-Exactive HF-X质谱仪联用具有极高的灵敏度、分辨率和质量精度，能够有效用于咖啡中非挥发性呈味组分及其挥发性香味组分前体物质的检测分析。代谢组学检测到的化合物数量巨大，而风味组学则与消费者的喜好进行对接。咖啡中大量的代谢组分，与风味组学方法相结合可挖掘与咖啡风味品质相关的化合物，进而得到其标志物。
本研究以6 种不同烘焙度及咖啡豆配比的咖啡产品作为研究对象，通过SPME-GC-MS分析挥发性组分，通过UPLC-MS/MS检测代谢小分子，辅以电子鼻及电子舌的电子感官技术相结合探明不同样品香味和滋味的差异性，对咖啡风味品质进行综合性评价，筛选出不同类型咖啡的标志物，为工业化生产的品质控制提供参考。
本研究以6 种不同烘焙度及咖啡豆配比的咖啡产品作为研究对象，通过SPME-GC-MS分析挥发性组分，通过UPLC-MS/MS检测代谢小分子，辅以电子鼻及电子舌的电子感官技术相结合探明不同样品香味和滋味的差异性，对咖啡风味品质进行综合性评价，筛选出不同类型咖啡的标志物，为工业化生产的品质控制提供参考。
01 不同咖啡的气味轮廓分析
利用电子鼻对不同烘焙程度以及不同产地咖啡的风味轮廓进行快速检测分析，图1A结果表明，传感器W5S、W1W、W2W的响应值较大，这3种传感器分别对氮氧化合物、有机硫化物和无机硫化物反应灵敏。各样品在W1W、W2W传感器响应值的差异更大，表明二者对咖啡挥发性气味的区分效果更好。6种样品的雷达图轮廓相似，为分辨不同样品是否存在差异性，利用PCA模型降维后进一步分析，不同咖啡样品能够得到初步区分。如图1B所示，6 个样品分为3 组，各组整体轮廓较为接近。K1～K4样品具有相同的咖啡配比，烘焙程度依次增加。K1与K2咖啡轮廓相交，说明浅度烘焙样品之间相似，与中度、中深度烘焙样品的差异较大。电子鼻可以区分不同烘焙程度的咖啡。如图1C所示，对氮氧化合物敏感的传感器W5S与浅度烘焙的样品呈正相关性。K3与K6咖啡同为中度烘焙；K4与K5咖啡同为中深度烘焙，然而K4与K6咖啡由于甲基类物质的含量相似使二者轮廓有所重叠，同时K3与K5咖啡在硫化物成分含量的影响下轮廓相似。这说明不同种咖啡的调配会影响烘焙程度感观的差异，使中度烘焙的咖啡具有与中深度烘焙类似的感官，反之亦然。
02 不同咖啡的滋味轮廓分析利用电子舌快速分析滋味轮廓，如图2A所示。6种样品的雷达图轮廓类似，只有酸味传感器的响应值为负，说明酸味对咖啡整体滋味的贡献较小。各样品在鲜味与咸味传感器上的响应值差异最大，表明这两种传感器对滋味特征的区分效果最好。为根据滋味特征进一步区分6种咖啡，对电子舌传感器响应值结果进行PCA（图2B）。6种咖啡轮廓未重叠，滋味特征明显，易被区分。K3、K5和K6咖啡在PC1的正方向，主要受鲜味、咸味、厚味影响；K1、K2和K4咖啡在PC1的负方向，主要由涩味、酸味、苦味影响（图2C）。每个样品聚类的距离与滋味特征接近度相关，有相同咖啡配比的K1～K4样品，烘焙程度不同，距离较远，说明电子舌可以区分不同烘焙度的咖啡。K5、K6咖啡分别与K1、K3咖啡轮廓接近，说明不同的咖啡配比在一定程度上能够弥补烘焙程度的差异，使不同烘焙度的咖啡具有类似的滋味轮廓。
03 不同咖啡的挥发性化合物分析
咖啡中各挥发性成分的产生机理相同，即通过美拉德反应、斯特莱克降解和脂质氧化等过程形成，可赋予咖啡不同的香气。6 种咖啡样品的66 种挥发性成分如表1所示。K1～K4咖啡随着烘焙程度增加，挥发性化合物种类增多。这是由于轻度烘焙的热加工时间较短，则各类反应持续的时间较短，所以产生的化合物较少。K5、K6咖啡的埃塞尔比亚咖啡豆配比更高，可能是导致其挥发性物质种类较少的原因。K1～K4咖啡的呋喃类物质含量均随烘焙程度的增加呈先上升后下降的趋势。吡嗪类物质随烘焙程度的增加而减少，可能是因为六元环受热断裂加剧，生成烯烃类进一步挥发。为进一步探究挥发性成分的差异，进行PLS-DA，寻找导致组间区别的影响变量。由图3A可知，各样品间轮廓没有重叠，K1～K4咖啡随着烘焙程度的增加，由PC1的负半轴迁移至正半轴；与其产地、混合配比不同的K5与K6咖啡十分接近，但仍不重叠。显然利用GC-MS检测得到的挥发性成分进行不同咖啡的鉴别与区分的效果优于电子鼻。如图3B所示，影响浅度烘焙咖啡香气的化合物有2-乙基-3,5-二甲基吡嗪、2-己酮、2-乙基-1-己醇等。影响中度烘焙咖啡香气的化合物有丙酮、戊酸甲酯、4-吡啶醇等。影响中深度烘焙咖啡香气的化合物有愈创木酚、2,6-二甲基吡嗪、苯甲醛等。聚类热图结果与得分图结果一致。K1咖啡的特异性化合物主要是酮类和酸类，如2-己酮和异戊酸，使其有酸味和醚味。K2咖啡的特异性化合物包括十九烷、4-乙基-5-甲基壬烷等烷烃类。K3咖啡的特异性物质有戊酸甲酯，为其增添水果味。K4咖啡独特的木质香、坚果香及花香分别由酚类、吡嗪类和醇类带来，例如丁香酚、2,6-二甲基吡嗪、2-乙基-1-己醇。
04 不同咖啡的代谢小分子分析
如图4A所示，6 种咖啡中共检测出388 种代谢小分子，其中有机酸及其衍生物92 种、核苷及类似物8 种、脂质和类脂分子26 种和生物碱及其衍生物8 种。从中筛选出28 种直接与滋味相关的化合物见图4B。糖类化合物能降低咖啡的苦涩，有助于保留咖啡的挥发性风味组分，增加咖啡的黏度。浅度烘焙的咖啡含有较多的木糖、甘露醇三糖和蜜二糖。麦芽三糖在中度烘焙咖啡中的含量较高。埃塞俄比亚地区豆种配比较云南地区豆种配比更高的混合咖啡样品含有更多的新橙皮糖和蔗糖。氨基酸类物质通过斯特克降解反应生成醛酮类，形成特有的香气和滋味。浅度烘焙的咖啡中呈甜味的丙氨酸、脯氨酸与呈苦味的异亮氨酸、苯丙氨酸的含量较高。赖氨酸在各样品中含量相似。色氨酸、精氨酸与酪氨酸在埃塞俄比亚豆种配比较多的咖啡样品中含量较高。生物碱是咖啡中的主要苦味物质，在埃塞俄比亚咖啡豆配比更高的咖啡中含量更高。中度烘焙的咖啡中肌苷含量较少。
通过PLS-DA对不同咖啡代谢小分子的关系进行综合分析。由图4C可知，K1、K2是浅度烘焙咖啡，在PC1的负半轴，中度、中深度烘焙咖啡在PC1的正半轴、原点附近，可以明显区分。由图4D可知，L-酪氨酸乙酯、色氨酸-丙氨酸、缬氨酸-天冬酰胺等12种氨基酸及肽类似物，巴豆酸、戟叶马鞭草苷等5种脂类，鸟嘌呤、1-甲基腺苷等48 个化合物是引起各样品差异的主要差异代谢物（变量投影重要性（VIP）＞1.5）。区分6 种不同咖啡的烘焙度及产地，可直接选用部分呈滋味化合物，如胞嘧啶核苷、赖氨酸、新橙皮糖等，但更多的是与咖啡的非呈滋味代谢物有关。有研究通过超高效液相色谱串联质谱进行代谢组学分析得到36 种云南小粒咖啡与埃塞俄比亚咖啡的潜在标志物，包括多酚16 种、脂质类8 种、糖类6 种以及少量生物碱类、有机酸类、萜类。
05 香味与滋味的相关性分
为探究咖啡中电子鼻传感器、电子舌传感器与挥发性香气物质、非挥发性滋味物质之间的关系，采用Spearman相关性分析。如图5A所示，明显分为2组，对短链烷烃、氢化物、苯类、氨类敏感的传感器与厚味、咸味和鲜味传感器存在正相关性，其余传感器与酸味、苦味和涩味传感器呈正相关。不同产地的咖啡本身代谢成分不同，代谢中间产物可能是气味前体成分，所以特征香气成分与代谢成分直接相关。将筛选出的呈滋味代谢物与挥发性香气组分进行相关性分析，如图5B所示，从代谢物角度来看，可以分为3组，其中一组大多数是呈苦味物质如腺苷、可可碱和肌苷，与乙酰丙酮、2-呋喃甲醇和5-甲基糠醛等呈强烈的正相关。另一组大部分是呈甜味物质如1,4-D-木糖、脯氨酸和丙氨酸，与5-羟甲基糠醛和4-乙基-2-甲氧基苯酚等存在强烈相关性。从挥发性化合物角度来看，与呈滋味代谢物存在强烈相关性的物质大多是呋喃、酚类与吡嗪类。
05 香味与滋味的相关性分
为探究咖啡中电子鼻传感器、电子舌传感器与挥发性香气物质、非挥发性滋味物质之间的关系，采用Spearman相关性分析。如图5A所示，明显分为2组，对短链烷烃、氢化物、苯类、氨类敏感的传感器与厚味、咸味和鲜味传感器存在正相关性，其余传感器与酸味、苦味和涩味传感器呈正相关。不同产地的咖啡本身代谢成分不同，代谢中间产物可能是气味前体成分，所以特征香气成分与代谢成分直接相关。将筛选出的呈滋味代谢物与挥发性香气组分进行相关性分析，如图5B所示，从代谢物角度来看，可以分为3组，其中一组大多数是呈苦味物质如腺苷、可可碱和肌苷，与乙酰丙酮、2-呋喃甲醇和5-甲基糠醛等呈强烈的正相关。另一组大部分是呈甜味物质如1,4-D-木糖、脯氨酸和丙氨酸，与5-羟甲基糠醛和4-乙基-2-甲氧基苯酚等存在强烈相关性。从挥发性化合物角度来看，与呈滋味代谢物存在强烈相关性的物质大多是呋喃、酚类与吡嗪类。
本研究全面分析了6 种不同咖啡的风味品质差异。电子感官数据经PC降维可用作咖啡工艺的相似性分类分析。影响浅度、中度、中深度烘焙咖啡的挥发性化合物分别为酚类、吡嗪类和醇类，酮类和酸类，烷烃类和酯类。L-酪氨酸乙酯、缬氨酸-天冬酰胺和巴豆酸等可作为区分不同产地咖啡粉及其混合样本的差异代谢物。浅度烘焙的咖啡含有较多木糖、甘露醇三糖和蜜二糖。麦芽三糖在中度烘焙咖啡中的含量较高。蔗糖、精氨酸等在埃塞俄比亚地区豆种配比更高的咖啡样品中含量更高。5-羟甲基糠醛、愈创木酚、2-呋喃甲醇等特征香气成分与呈滋味的代谢成分如蔗糖、可可碱、L-酪氨酸强烈相关。本研究结果可从香味和滋味角度为咖啡的科学研究提供数据支撑，有助于更好地鉴定识别咖啡种类，为咖啡的工业化生产品质控制提供潜在标志物，为咖啡风味品质标准化评价的建立奠定基础。
参考文献：李钰莲,郑建祎,黄旭辉,等.多组学技术融合电子感官的咖啡风味品质分析[J].食品科学,2023,44(20):292-299.
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