咖啡中香味表征及分析组成检测方案(气质联用仪)

试验 结论 利用Clarus SQ 8 GC/MS， TurboMatrix顶空捕集 简介 和GC SNFR闻香仪 进行咖啡的表征 咖啡在全世界的大部分地区都非常流行，也是交易量最大的农作物之一。咖啡作为饮料是近期的活动。虽然咖 啡起源于一千多年前的埃塞俄比亚，但是，其作为饮料盛行始于17世纪初期的中东地区。 咖啡流行的一部分原因是由于其所含有的咖啡因，具有刺激作用(―杯咖啡大约含有150mg咖啡因)，另外一部分原因是由于其富含复杂的口感。―杯咖啡的味道取决于许多因素——咖啡豆的不同、园艺技术以及咖啡豆储存、烘焙、研磨、煮的方式。甚至泡咖啡所用的水也会影响其风味。 对于咖啡这种商业价值如此显著的产品，在咖啡生产的不同阶段，用一些手段来表征和控制其味道是非常重要的。这可以通过感官感觉来实现，或者利用强有力的分析工具如气相色谱质谱联用仪 (GC/MS) 来测定化学物质的组成。 本应用文献采用TurboMatrixTM顶空捕集与PerkinElmerClarus@ SQ 8 GC/MS联用仪，且配置了火焰离子化检测器系统作为实验操作平台。质谱能够鉴定每个被分离的化合物，FID为化学计量分析提供定量数据。GC系统的分析原理如图1所示。 芳香类化合物对咖啡的风味起着非常重要的作用。本应用文献提供了表征成品咖啡香味的方法，以及用质谱仪分析其化学组成。此外，使用火焰离子化检测器(FID)为化学计量法进一步采集数据，以进一步洞察每个咖啡样品的特性。该结果提供了咖啡中芳香物质的化学组成及其感官体验。该系统可用于质量控制、过程和产品开发、储存研究、故障排除和竞争产品评估。 利用顶空捕集阱代替传统的顶空技术，其检测限比传统的静态顶空技术降低了100倍。 本应用文献使用了一根极性的Elite WAX色谱柱，60 mx 0.25 mmx1.0 um。厚膜的色谱柱提供了足够的色谱保留以分离大多数先流出的挥发性物质，并提供了咖啡中低浓度、高浓度的化合物所须的色谱动态范围。 仪器 色谱柱流出物分三路分别进入PerkinElmer SNFRTMGC嗅觉测定仪，MS检测器和FID检测器，该分流由S-SwaferTM的标准分流模式来实现。 在本应用文献中，采用顶空捕集进样系统表征烘焙咖啡豆的香味物质。顶空技术可确保咖啡豆中非挥发性的物质不会进入分析系统，该物质会引起色谱干扰，且可能导致系统被污染。顶空捕集阱从大量样品中提取挥发性物质，并将其聚集在内部的吸附阱中。这也有利于简化样品的制备——称取磨碎的咖啡豆置于样品瓶中，密封，随后的分析全部自动化实现。 图1.GC系统示意图 慨况 本应用文献测定了从世界各地采购的27种不同的咖啡豆样品，样品有些是预先烘焙好的，有些是刚烘焙好的，具体见表1所示。 表1.咖啡样品的列表 Kona Cloud@ Hawaiian coffee beans 2 Green Mountain@ ground coffee (15 g packets) 3 Green Mountain@ ground decaffeinated coffee (15g packets) 4 Harar Longberry@ Ethiopian coffee beans 5 Moka Harar CP Select Ethiopian coffee beans 6 Kona Cloud@ Hawaiian coffee beans medium roast 7 Kona Cloud@ Hawaiian coffee beans dark roast 8 Other Kona coffee beans from Hawaii 9 Coffee beans from El Salvador 10 Coffee beans from Yemen 11 Coffee beans from Sidamo 12 Ground coffee from Trinidad 13 Ethiopian decaffeinated coffee beans 14 Guji Sueq’to Ethiopian coffee beans roasted before first crack 15 Guji Sueqto Ethiopian coffee beans roasted jujust after first crack 16 Guji Sueq'to Ethiopian coffee beans roasted jijust before second crack 17 Guji Sueq’to Ethiopian coffee beans roasted just after second crack 18 Guji Sueq’to Ethiopian coffee beans roasted long after second crack 19 Guji Sueq’to Ethiopian coffee beans carbonized 20 Folgers5 g ground coffee bag 21 Folgers5 g ground decaffeinated coffee bag 22 Kona Cloud@freshly roasted beans 23 Trader Joe’s Cafe Pajoro beans (old) 24 Costa Rican El Trapiche beans bought at plantation 25 Costa Rican Brittmedium roasted beans 26 Costa Rican Britt dark roasted beans 27 Barista@ French roast ground coffee machine cartridge 具体试验条件见表2-8所示。 表2.HS捕集条件 顶空系统 TurboMatrix 110 HS Trap 样品瓶保温平衡 80℃， 20min 针 120℃ 传输线 140℃，长， 0.25mm内径，去活的熔融石英 载气 He， 25psig 干燥 7min 捕集阱 Air Toxics， 25℃至260℃，保持7min 提取循环 1次，40psig的萃取压力 表3.GC条件 联用仪 色谱柱 60 m x 0.32 mm x 1.0 umElite-5MS 直接与顶空捕集阱相连 炉温 40℃保持1min，然后5℃/min升至200℃保持5min 载气 He，进样口压力为25psig， Swafer压力为13psig 火焰离子化检测器 275℃，范围X1，衰减X8 表4.MS条件 扫描范围 m/z35-350 扫描时间 0.1s 驻留时间 0.06s 源温度 250℃ 进口管路温度 250℃ 倍增电压 1700V 表5.嗅觉测定端口条件 嗅觉测定端口 PerkinElmer SNFR 传输线 225 cm x0.250 mm， 240℃ 加湿空气 500 mL/min ， 大口瓶设置 37℃ 表6.化学计量学 软件 InfoMetrix Pirouette 4.0版 数据 采用FID采集数据 表7.Swafer条件 Swafer PerkinElmer S-Swafer采用S1的配制 设置 建立使用Swafer使用软件-见图2 表8.样品详情 样品制备 咖啡豆被现磨，称取1g在样品瓶中，盖紧 样品瓶 标准的22mL带有PTFE内衬硅胶隔垫和铝盖 图2.S-Swafer实现MS、FID和嗅觉测定的S1配置 图3.采集1g咖啡样品的经典色谱图 结果 MS的色谱条件 较慢的色谱分离时间使得分析者能够根据流出的色谱峰，完全阐述他或者她的感官体验。较快的色谱分离时间也是可行的，但是，对于那些相邻出峰的气味物质会有重叠现象。慢的色谱法给予用户更多时间来充分 的叙述和记录他们的感官知觉。图3是3#咖啡样品的色谱图，关键的化合物采用Clarus SQ 8 GC/MS所提供的TurboMassTM软件谱库检索功能进行了鉴定。 图4.5个不同种类的咖啡样品的色谱图 图5.27个咖啡样品中主成分分析的前三个影响因素的负载图 化学计量学 图4可视化的分析了五个样品的色谱图，由图可知，不同的咖啡之间有细微的差别。虽然如此操作可以区分一个或两个色谱图中的一个或两个色谱峰的不同，但是对于生产设置而言，需要更快、更客观的解决方案。 利用火焰离子化检测器对27种咖啡豆样品进行平行测定，采用InfoMetrix@Pirouette@软件对采集的色谱图的主成分进行分析(PCA)。PerkinElmer FID数据文件可被Pirouette@软件读出和久理。 图5是每个咖啡样品中主成分分析的前三个影响因素的负载图。这些因素可看作是"搭积木”，存在于每个色谱，但是呈现不同的水平(或者负载)。如图5所示，对于每个平行样品的色谱图负载非常相似，导致样品簇的聚集。一个样品簇被其它样品簇分开。通过该方式，色谱中微小的差别或格局能够用来辨别不同种类咖啡间的区别，该区别可与感官知觉相关联。在此情况下，PCA可以指导用户辨认引起咖啡芳香特性的化合物。 图6.两个样品色谱图PCA详细分析 图7.#2和#22号样品重叠的色谱图 例如，图6是两种咖啡样品的PCA负载图。一个样品重复的PCA分析结果显示，同类样品簇紧紧的聚集，但是与其它种类的样品分离。两种样品的色谱图可明显是不同的。通过分析PCA因素突出显示了色谱图中具有显著区别的区域，如图6和7所示。在此案例中，这种区 别是很明显的，但是，色谱图中相关区域的差别可能会更加细微，或者可能因为色谱峰的(格局)连接。这就是为什么PCA将在突出显示此区域中成为一个强大的工具。 图8.图7的详细分析 嗅觉监测 图9是SNFR用于嗅觉监测的图片。图10是一位咖啡专家Mr Snow利用该设备测定各个化合物的香味。在咖啡中芳香成分被监测的同时用户可以通过声音传输给麦克风，以记录他或她的感官知觉，并可通过一个定 位操纵杆来指示香味的强度。在运行结束后，在查看采集的色谱图时，可以同时访问和预览嗅觉监测的信息。 图9.GC SNFR系统 图10.咖啡专家监测咖啡香味化合物的照片 将单次分析所获得的色谱、质谱、化学计量学和嗅觉数据相结合提供了一种强有力的工具，用于洞察复杂样品的香气和味道，如咖啡样品。用户可以快速的鉴定哪些化合物是咖啡香味的主要贡献者，以及不同咖啡之间存在的关键差异和相似之处是什么。该系统可用于开发实验室或者QC环境。 ( 致谢 ) ( 笔者要感谢下列对我们提供支持、帮助、建议和在这项工作中捐赠免费咖啡样品的单位和专家。 ) 珀金埃尔默仪器(上海)有限公司 地址：上海张江高科技园区张衡路1670号 邮编：201203 电话：021-60645888 传真：021-60645999 www.perkinelmer.com.cn 在本应用文献中，采用顶空捕集进样系统表征烘焙咖啡豆的香味物质。顶空技术可确保咖啡豆中非挥发性的物质不会进入分析系统，该物质会引起色谱干扰，且可能导致系统被污染。顶空捕集阱从大量样品中提取挥发性物质，并将其聚集在内部的吸附阱中。这也有利于简化样品的制备——称取磨碎的咖啡豆置于样品瓶中，密封，随后的分析全部自动化实现。2