咖啡豆是茜草科(Rubiaceae)咖啡属(Coffea)植物的种子[1]。咖啡作为一种古老的天然饮品,具有绿原酸、咖啡因等多种活性成分,烘焙后散发诱人的芳香[2]。液氮速冻技术是利用沸点为-195.8 ℃的液氮汽化瞬间大量吸热的特性,使食品瞬间冻结的技术,可使食品快速通过最大冰晶形成带,减少食品因水分结冰导致的细胞结构损伤,能较好地保持食品原有品质和风味,延缓食品的品质劣变,延长保质期。与传统的机械制冷相比,液氮速冻技术的冻结速度快、时间短、冻结食品品质好、安全性高且无污染,已被广泛用于果蔬、水产品、肉制品及各类预制食品的冷冻中[3-5]。

云南省作为我国咖啡豆的主产区,近年在咖啡产业发展的带动下,围绕云南咖啡豆风味品质的研究逐渐增多,特别是在咖啡挥发性风味成分与品质的关系研究方面。而针对非挥发性风味成分与品质的关系研究相对较少。低温冷冻可以减缓咖啡内部化学变化,使其变得稳定,大幅度降低咖啡豆的氧化、代谢速度[6]。目前,延长咖啡豆保质期惯用的方法是冷冻,但冷冻对咖啡风味品质的影响存在一定争议。一部分人认为咖啡豆经抽真空密封,只要避免温度频繁变化,放入冰箱进行冷冻保存,不仅可以使咖啡豆的保质期延长2～3个月,还可以提升咖啡研磨冲泡后的口感。另一部分人认为冷冻得到更长赏味期的咖啡豆仅仅处于一个“伪新鲜”的状态,冲泡后的咖啡风味和冷冻前有显著差距。以上争论均基于感官评价,并未见系统性研究。特别是超低温处理(液氮速冻或冻融)对咖啡豆的风味品质的影响也研究较少。

研究以云南卡蒂姆(Catimor)咖啡为研究对象,采用超低温手段对咖啡生豆和烘焙豆进行液氮速冻、反复冻融,以感官评价、基本理化成分,咖啡豆中的绿原酸类物质、生物碱、丙烯酰胺、有机酸、矿物质元素,以及咖啡豆的超微结构为研究指标,探究超低温速冻和反复冻融处理对咖啡风味品质的影响。希望研究可为延长咖啡豆的保质期,提升咖啡风味品质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

卡蒂姆(Catimor)咖啡鲜果,2023年产季,2023年12月9日采摘,云南普洱天骄越蓝山咖啡基地(云南省普洱市木乃河工业园区)提供。

γ-氨基丁酸(γ-amino butyric acid,GABA)标准品(质量分数≥99%,以下标准品括号内均为质量分数)、DL苹果酸(≥98%)、琥珀酸(≥98%),上海源叶生物科技有限公司;乳酸(90.3%)、柠檬酸(99.8%)、丙烯酰胺(99.9%)、0.100 5 mol/L盐酸容量分析用标准溶液,坛墨质检科技股份有限公司;咖啡因(99.8%),中国计量科学研究院;葫芦巴碱(≥98%),大连美仑生物有限技术公司;绿原酸(96.3%),中国食品药品检定研究院;异绿原酸A(≥98%)、异绿原酸B(≥98%),四川精萃天成药物科技有限公司;新绿原酸、异绿原酸C(≥98%)、隐绿原酸、2 μg/mL铝铜铁锰锌5种金属混合溶液标准物质、100 μg/mL钾钠钙镁铵混合溶液标准物质、100 μg/mL甲醇中丙烯酰胺-D3溶液标准物质,北京北方伟业计量技术研究院;1 mg/mL铁单元素、铝单元素、锗单元素标准溶液,国家有色金属及电子材料分析测试中心;甲醇,色谱级,美国恩科化学公司;乙腈、乙酸乙酯、正己烷,色谱级,赛默飞世尔科技公司;甲酸、乙酸铵,色谱级,山东西亚化学有限公司;氢氧化钠、硼酸、亚铁氰化钾,分析纯,天津市风船化学试剂科技有限公司;硝酸、磷酸,优级纯,国药集团化学试剂有限公司;500 mg/3 mL Cleanert SAX固相萃取柱,天津博纳艾杰尔科技有限公司。

1.2 仪器与设备

K1100F型全自动凯氏定氮仪,济南海能仪器有限公司;iCAP Q型电感耦合等离子体质谱仪,美国赛默飞世尔科技公司;U3000型高效液相色谱仪,美国赛默飞世尔科技公司;QTRAP 4500型液相色谱-质谱联用仪,AB SCIEX公司;CM-5型台式分光测色仪,KONICA MINOLTA公司;SK5210HP型超声波清洗器,上海科导超声仪器有限公司;LA612型纯水机,英国埃尔格公司;XS205DU型电子天平,ME503TE/02型电子天平,MS204TS/02型电子天平,梅特勒-托利多(上海)有限公司;Multiwave PRO型微波消解仪,奥地利安东帕(中国)有限公司;ZEISS Sigma 300型扫描电镜,德国蔡司公司。

1.3 实验方法

1.3.1 咖啡鲜果发酵及样品制备

采摘的咖啡全红鲜果去除烂果、枝叶等杂质后,脱皮,自来水清洗浸泡5 min,装入60 cm×110 cm PE塑料薄膜袋进行阴凉避光厌氧发酵,30 ℃发酵48 h,发酵结束用清水冲洗去除果胶备用,然后按照表1处理方式进行处理,处理完毕的咖啡豆见图1。

1.3.2 咖啡豆的烘焙工艺

采用中度烘焙。准确称取500 g咖啡豆,置于咖啡烘焙机中烘焙,加入咖啡豆的温度180 ℃,并以5 ℃/min升温,温度达到220 ℃后恒温烘焙,烘焙时间12 min,咖啡豆发生一爆后10 s,烘焙度数值(艾格壮数值)达到烘焙度数值(咖啡豆)/烘焙度数值(咖啡粉)=58/63后,取出豆,迅速风冷,备用。

1.3.3 感官评价

参考赵林芬等[7]的评价方法。咖啡杯测采用SCA评分标准,样品研磨后粉的艾格壮数值63±1,密闭暗处放置24 h杯测,每个样本5个重复,迅速磨粉后过美标#20目网筛[(11.00±0.25) g粉对应200 mL水]15 min内倒入93 ℃的超纯水热水不搅拌,放置3 min开始评定。

评定指标包括干湿香、风味、余韵、酸质、醇厚度、一致性、平衡性、杯净度、甜度等级、总评考虑10项,扣除瑕疵度分值,得到最终分数。杯测表从6分开始标注,一共分为4个级别:6分为“好”、7分为“非常好”、8分为“优秀”、9分为“超凡”。每个等级又分4个给分等级,给分单位是0.25分,4个等级共16个给分点。

杯测员为7男、8女,共15人,其中2人持有Q-Grader和SCA感官认证证书。

1.3.4 理化指标的测定

1.3.4.1 基本理化成分含量及色差值的测定

1)水分含量测定。采用直接干燥法进行,参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》。

2)脂肪含量测定。采用索氏抽提法检测,参照GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》。

3)粗纤维含量测定。参照GB/T 5009.10—2003《植物类食品中粗纤维的测定》。

4)总蛋白含量测定。采用凯氏定氮法检测,参照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》。

5)色差分析测定。取适量磨粉后过美标#20目网筛的咖啡粉于色差盘中,直接读取亮度L值、红绿度a值和蓝黄度b值。

1.3.4.2 绿原酸类物质含量的测定

参考邵金良等[8]的方法稍作修改,测定绿原酸及隐绿原酸含量。Welch Blossmate® PSV C18色谱柱(4.6 mm×250 mm, 5 μm),进样量10.0 μL,柱温35.0 ℃;检测波长为320 nm;流动相A为甲醇,流动相B为体积分数0.10%磷酸水溶液;流速1.00 mL/min;梯度洗脱程序为0～13 min,25% A;13～16 min,25%～60% A;16～24 min,60%～25% A。

参考邵金良等[9]的方法,测定绿原酸同分异构体含量。Welch Blossmate® PSV C18色谱柱(4.6 mm×250 mm, 5 μm)。

1.3.4.3 生物碱及丙烯酰胺含量的测定

参考邵金良等[9]的方法,测定葫芦巴碱含量。Welch Blossmate® PSV C18色谱柱(4.6 mm×250 mm, 5 μm)。

参考邵金良等[8]的方法稍加修改,测定咖啡因含量。Welch Blossmate® PSV C18色谱柱(4.6 mm×250 mm, 5 μm),进样量10.0 μL,柱温35.0 ℃;检测波长为254 nm;流动相A为甲醇,流动相B为0.10%磷酸溶液;流速1.00 mL/min;梯度洗脱程序为0～13 min,25% A;13～16 min,25%～60% A;16～24 min,60%～25% A。

参考林涛等[10]的方法稍加修改,测定丙烯酰胺含量。色谱条件:ACE Excel3 C18色谱柱(150 mm×2.1 mm),进样量3 μL,柱温35.0 ℃;质谱条件:正离子扫描模式,多反应监测方式,气帘气275 790.28 Pa,喷雾气344 737.85 Pa,辅助加热气344 737.85 Pa,离子化电压为5 500 V,温度500 ℃,碰撞气为中等。

1.3.4.4 有机酸含量的测定

参考段丽娜等[11]的方法,测定柠檬酸、苹果酸、乳酸3种有机酸含量。Welch Blossmate® PSV C18色谱柱(4.6 mm×250 mm, 5 μm)。

参照黎亮星等[12]的方法,测定GABA含量。色谱条件:ACE Excel3 C18色谱柱(150 mm×2.1 mm),柱温35.0 ℃,进样量3 μL;质谱条件:正离子扫描模式,多反应监测方式,气帘气275 790.28 Pa,喷雾气344 737.85 Pa,辅助加热气344 737.85 Pa,离子化电压为5 500 V,温度500 ℃,碰撞气为高等。

1.3.4.5 矿物质元素含量的测定

采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS),参照GB 5009.268—2016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》测定钾、钙、钠、镁、铁、锰、铜、锌、铝的含量。

1.3.4.6 超微结构的分析

使用扫描电镜分析咖啡豆的超微结构。使用手术刀切割咖啡豆呈现截面,置于离子溅射仪的样品舱中喷金30 min。之后置于扫描电子显微镜下观察其微观结构。

1.4 数据处理

实验结果以平均值± 标准差表示(n=3)。使用SPSS 24.0软件进行统计学分析,LSD检验对数据进行比较,显著性水平分别设定为P<0.01或P<0.05。使用RGui 4.4.0和RStudio 2024.04.0 Build 735软件绘制相关性Mental分析图。使用ImageJ测量咖啡豆截面扫描电镜图中缝隙宽度,数据导入Origin 2019b绘制频率分布图。

2 结果与分析

2.1 超低温处理对咖啡豆感官品质的影响

不同处理方式对咖啡豆感官品质的影响见图2。 由图2可知,超低温处理对烘焙咖啡豆感官风味影响不明显;从单一指标看,LNB处理后酸质、甜感、杯净度得分会增加,RTBLNM处理后风味、余韵、醇厚度得分会增加。表2为不同处理方式咖啡豆感官评分总分。由表2可知,与RTB相比,LNB、LNMB、RTBLN和RTBLNM处理的咖啡烘焙豆感官评分差异不显著(P>0.05)。

由图2、表2可知,超低温处理后,咖啡整体风味变化不显著,但感官指标咖啡酸质、甜感、杯净度、风味、余韵、醇厚度等会有一定变化,超低温处理可使咖啡生豆和烘焙豆整体风味得到一定程度的保存。

2.2 超低温处理对咖啡豆中基本理化成分含量及色差值的影响

脂肪、粗纤维、总蛋白及色差等是衡量咖啡豆品质的重要指标之一。不同处理方式对咖啡豆基本理化成分及色差值的影响见表3。由表3可知,烘焙处理会使咖啡豆中水分、脂肪、粗纤维含量及色差L、b极显著降低(P<0.01),总蛋白、色差a极显著增加(P<0.01)。由于实验中咖啡豆经过密封后再速冻或反复冻融处理,因此超低温处理对咖啡生豆和烘焙豆的水分,脂肪,粗纤维含量及色差L、a、b值影响不显著(P>0.05)。超低温处理对咖啡生豆中总蛋白含量影响也不显著,但会使常温烘焙咖啡豆中总蛋白含量极显著降低(P<0.01),可能是烘焙咖啡中蛋白质发生变性,冷冻导致变性蛋白质更易分解。

由表3可知,超低温处理可较好的保存咖啡生豆或烘焙豆的水分、脂肪和粗纤维含量,同时保持较好的色泽,但对烘焙后的咖啡豆进行超低温处理会使总蛋白含量降低。

2.3 超低温处理对咖啡豆中绿原酸类物质含量的影响

超低温处理对咖啡豆中绿原酸类物质含量的影响见表4。烘焙处理会极显著降低咖啡豆中绿原酸、异绿原酸A含量(P<0.01),显著增加咖啡豆中新绿原酸含量(P<0.05),极显著增加咖啡豆中隐绿原酸含量(P<0.01),RTG-RTB、LNMG-LNMB间异绿原酸B含量极显著降低(P<0.01),RTG-RTB、LNG-LNB间异绿原酸C含量极显著降低(P<0.01)。

速冻处理生豆会显著增加咖啡烘焙豆中绿原酸、新绿原酸等6种绿原酸含量(P<0.05),反复冻融仅会使咖啡烘焙豆中隐绿原酸显著增加(P<0.05)。LNB与RTB相比,总绿原酸的含量增加61.1%,其中绿原酸的含量增加60.7%,新绿原酸的含量增加56.5%,隐绿原酸的含量增加61.4%,异绿原酸A的含量增加100.0%,异绿原酸B的含量增加84.6%,异绿原酸C的含量增加71.4%。而LNMB与RTB相比,仅隐绿原酸的含量显著增加12.0%。与之不同的是,速冻或反复冻融处理生豆会极显著降低咖啡生豆中6种绿原酸类物质含量。与RTG对比,LNG会使咖啡生豆中绿原酸极显著降低39.1%(P<0.01),新绿原酸极显著降低70.2%(P<0.01),隐绿原酸极显著降低43.5%(P<0.01),异绿原酸A极显著降低81.9%(P<0.01),异绿原酸B极显著降低27.5%(P<0.01),异绿原酸C极显著降低96.7%(P<0.01)。而LNMG处理后,每种绿原酸类物质的含量也均有极显著降低(P<0.01),LNG与LNMG间绿原酸变化差异不显著(P>0.05)。

速冻或反复冻融处理烘焙豆对烘焙豆中绿原酸类物质的含量影响不显著(P>0.05)。

绿原酸类物质是常见的植物酚类物质,广泛存在于金银花、杜仲、咖啡、菊花、苏木等植物的叶花和果实中[13]。绿原酸类化合物是咖啡豆中重要的非挥发性酚类物质,对咖啡收敛性和苦味有着至关重要的影响[14]。它是由奎宁酸和咖啡酸、阿魏酸等某些反式肉桂酸反应生成的缩酚酸[15]。目前发现的绿原酸类物质有30多种同分异构体,咖啡中以绿原酸、新绿原酸、隐绿原酸等为主。绿原酸类物质被证实与心血管疾病和2型糖尿病的风险降低有关[16],具有心脏保护、抗氧化、抗炎和抗低血压作用[17]。由表4可知,超低温处理虽然会使咖啡生豆中绿原酸类物质的含量降低,但烘焙后的烘焙豆中绿原酸类物质的含量会显著高于未处理的咖啡豆,且对烘焙咖啡豆进行超低温处理不会使绿原酸类物质的含量发生明显变化。利用超低温处理可增强咖啡豆绿原酸保健价值,但可能会导致咖啡苦味的增加。

2.4 超低温处理对咖啡豆中生物碱及丙烯酰胺含量的影响

超低温处理对咖啡豆中生物碱及丙烯酰胺含量的影响见表5,烘焙处理会极显著增加咖啡中葫芦巴碱、咖啡因含量(P<0.01)。同时,也会使得咖啡中丙烯酰胺的含量增加。

超低温处理咖啡生豆对咖啡烘焙豆中葫芦巴碱、咖啡因的含量影响不显著(P>0.05),但速冻会极显著增加丙烯酰胺的含量(P<0.01)。LNB与RTB相比,丙烯酰胺的含量增加47.4%。速冻或反复冻融处理生豆会显著降低咖啡生豆中葫芦巴碱、咖啡因的含量。与RTG对比,LNG会使咖啡生豆中葫芦巴碱显著降低18.6%(P<0.05),咖啡因显著降低38.1%(P<0.05)。而LNMG处理后,咖啡生豆中葫芦巴碱的含量显著降低20.5%(P<0.05),咖啡因显著降低41.2%(P<0.05)。

超低温处理常温烘焙咖啡豆对咖啡因、丙烯酰胺的含量影响均不显著(P>0.05)。

葫芦巴碱是一种来自豆科植物葫芦巴的生物碱,具有抗炎、抗氧化及抗脱颗粒等多种生物学效应[18-19]。咖啡因作为咖啡中最重要的生物活性物质,具有提神抗疲劳、抗氧化、抗炎、促进脂肪分解、改善记忆与认知功能等作用[20-21]。丙烯酰胺是咖啡烘焙过程中典型的美拉德反应副产物,属于2A类致癌物质[22]。由表5可知,超低温处理对咖啡生豆和烘焙豆中葫芦巴碱、咖啡因含量的变化影响不大,但是烘焙处理、液氮冷冻处理咖啡生豆后再烘焙会增加丙烯酰胺的含量,致癌风险增加。丙烯酰胺的形成主要有天冬酰胺途径和非天冬酰胺途径(油脂高温分解、含氮化合物自反应、氨基酸直接形成途径),高温和常温条件是丙烯酰胺形成的常见条件,如氨类物质和丙烯醛可在室温条件下反应产生丙烯酰胺,天冬酰胺在37 ℃、pH值为7.4条件下被氧化也能产生丙烯酰胺[23-24]。但超低温条件下丙烯酰胺的形成尚未见报道,可能与冷冻影响前体化合物天冬酰胺的变化有关,有待于进一步深入研究。此外,经反复冻融再烘焙或烘焙后进行超低温处理丙烯酰胺的含量变化不显著(P>0.05),欧盟对烘焙咖啡中丙烯酰胺限值为0.40 mg/kg,我国尚未明确界定咖啡中丙烯酰胺的限量标准或最大残留限量值,超低温处理咖啡豆按照欧盟标准界定存在一定风险,但这也和烘焙程度存在一定关系,适当降低烘焙度可将丙烯酰胺含量控制在欧盟标准范围之内。

不同大写字母表示同列数据具有极显著差异(P<0.01),不同小写字母表示同列数据具有显著差异(P<0.05),NA表示未检出。

2.5 超低温处理对咖啡豆中有机酸含量的影响

咖啡豆中含有多种有机酸,这些有机酸赋予咖啡独特的酸味,如柑橘酸、莓果酸等。酸味强弱与咖啡品种、生长环境、处理方法、烘焙程度均有关系。有机酸的种类和含量是决定咖啡品质的重要因素之一,影响咖啡酸味的有机酸主要有柠檬酸、苹果酸、乳酸等[25],这3种脂肪族酸,带有大量氢离子,浓度增加对咖啡中酸味、浆果味和果味等会有积极的影响[26]。本次检测未检测到琥珀酸。GABA是一种以自由态存在的四碳非蛋白质天然氨基酸,是哺乳动物脑、脊髓中重要的神经递质,具有抗抑郁,改善睡眠,缓解精神压力,降血压,防止动脉硬化等功能[27]。

超低温处理对咖啡豆中有机酸含量的影响见表6。烘焙处理会极显著增加柠檬酸、苹果酸、乳酸的含量,极显著降低GABA含量(P<0.01)。柠檬酸在咖啡中主要产生酸味[28],苹果酸主要产生酸涩味[29]。经速冻烘焙处理后,LNB中柠檬酸的含量比LNG增加69.7%,苹果酸的含量增加180.6%,乳酸的含量增加220.0%,GABA的含量降低4 970.3%;而经反复冻融烘焙处理后,LNMB中柠檬酸的含量比LNMG增加422.7%,苹果酸的含量增加1 156.1%,乳酸的含量增加450.0%,GABA的含量降低8 767.8%。

速冻或反复冻融处理生豆会极显著增加咖啡烘焙豆中除GABA外的有机酸含量(P<0.01),且LNMB与LNB相比会使烘焙豆中累积更多除GABA外的有机酸(P<0.01)。LNB与RTB相比,柠檬酸的含量增加165.8%,苹果酸的含量增加43.2%,乳酸的含量增加33.3%。LNMB与RTB相比,柠檬酸的含量增加407.4%,苹果酸的含量增加241.2%,乳酸的含量增加83.3%。与之不同的是,速冻或反复冻融处理生豆对咖啡生豆中有机酸含量的影响并不明显。与RTG对比,LNG对咖啡生豆中苹果酸的含量变化影响不明显(P>0.05),但会显著增加柠檬酸含量(P<0.05),GABA的含量极显著降低(P<0.01),LNMG处理后,其中柠檬酸的含量变化不明显(P>0.05),但苹果酸、GABA的含量极显著降低(P<0.01)。

速冻或反复冻融处理烘焙豆也会极显著增加咖啡烘焙豆中除GABA外的有机酸含量(P<0.01),且RTBLNM与RTBLN相比会使烘焙豆中累积更多有机酸(P<0.01)。与RTB相比,RTBLN中柠檬酸的含量增加165.8%,苹果酸的含量增加150.6%,乳酸的含量增加25.0%,而RTBLNM中柠檬酸的含量增加393.4%,苹果酸的含量增加267.9%,乳酸的含量增加100%。速冻或反复冻融处理烘焙豆对GABA的含量无显著影响(P>0.05)。冷冻胁迫可提高谷物、豆类种子中GABA的含量[30],但研究表明冷冻胁迫(速冻或反复冻融)对咖啡豆GABA的含量的影响与谷物和豆类种子不同,可能与冷冻处理方式有关,促GABA提高的胁迫温度一般为低温胁迫(0～15 ℃)或冷冻胁迫(-35～0 ℃),且胁迫时间一般大于等于2 h[31]。

总体来看,咖啡豆经过超低温处理后有机酸的含量会普遍增加,口感酸度升高,这与感官评分一致。

不同大写字母表示同列数据具有极显著差异(P<0.01),不同小写字母表示同列数据具有显著差异(P<0.05),NA表示未检出。

2.6 超低温处理对咖啡豆中矿物质元素含量的影响

不同处理方式下咖啡豆矿物质元素含量的测定结果见表7。结果显示,咖啡豆中所检矿物质元素按含量从高到低为K、Mg、Ca、Mn、Fe、Cu、Na、Zn、Al。可见,K、Mg、Ca、Mn和Fe是咖啡豆中主要矿物质元素。

经烘焙处理后,将对照组(RTG-RTB)、速冻组(LNG-LNB)、反复冻融组(LNMG-LNMB)进行对比分析发现,这些组中的咖啡生豆成为烘焙豆后有81.48%的矿物质元素含量会显著增加(P<0.05),说明烘焙处理会增加咖啡矿物质元素含量,推测可能与烘焙过程中咖啡豆水分丧失有一定关系。

速冻咖啡生豆会使咖啡生豆中K、Mg、Mn、Fe、Al含量显著下降(P<0.05),而反复冻融咖啡生豆会使咖啡生豆中K、Ca、Mn、Fe、Al含量显著下降(P<0.05),速冻和反复冻融咖啡生豆对咖啡生豆中Cu、Na、Zn无显著影响(P>0.05)。

速冻咖啡生豆会使咖啡烘焙豆中K、Mg含量显著下降(P<0.05),Na含量显著增加(P<0.05),其他矿物质元素含量无显著变化。反复冻融咖啡生豆会使咖啡烘焙豆中K、Mn、Fe、Al含量显著下降(P<0.05),其他矿物质元素含量无显著变化。

速冻咖啡烘焙豆会使咖啡烘焙豆中Ca、Al含量显著下降(P<0.05),Na含量显著增加(P<0.05)。反复冻融咖啡烘焙豆会使咖啡烘焙豆中K、Mn、Fe、Al含量显著下降(P<0.05),Na含量显著增加(P<0.05),其他矿物质元素含量无显著变化。

超低温处理对咖啡豆矿物质元素的含量会有不同程度的影响,普遍会使K、Mg含量下降,Na含量增加。

2.7 超低温处理对咖啡豆超微结构的影响

咖啡豆截面缝隙宽度分布见图3;经不同处理的咖啡豆取截面在扫描电镜放大100、500倍时的观察结果见图4。RTG超微结构组织间具有不规则缝隙,缝隙宽度为(4.24±2.44) μm。在烘焙后水分蒸发,挥发性风味物质和二氧化碳大量聚集,使咖啡豆内部压力增大,孔径变大,咖啡豆整体体积增加,形成多微孔结构,缝隙宽度显著增加至(35.21±17.65) μm(P<0.05)。

LNG与RTG相比,咖啡生豆中间隙变化不显著(P>0.05),但速冻后的咖啡生豆质地发生软化,导致刀片切割咖啡生豆时,间隙边缘出现胶凝状软化现象。LNMG中,咖啡生豆间间隙边缘胶凝状软化严重,间隙模糊,间隙宽度增加至(4.80±1.88) μm,但变化不显著(P>0.05)。LNB、LNMB与RTB相比,孔洞中又出现更多细小微孔洞,缝隙宽度变化不明显(P>0.05)。

RTBLN、RTBLNM的微孔间出现细小丝状连接,且反复冻融后丝状连接增多,孔洞边缘出现胶凝化坍塌,经反复冻融后缝隙宽度比速冻平均宽度显著减小5.96 μm(P<0.05),但坍塌程度低于生豆边缘坍塌。

超低温处理会使咖啡生豆间隙边缘出现凝胶软化,烘焙咖啡豆形成更多细小微孔,微观结构发生明显变化。

2.8 烘焙咖啡豆感官品质与理化等指标相关性分析

Mantel test是一种在统计学用于检测两个或多个独立距离矩阵之间相关性的非参数统计方法。图5为烘焙咖啡豆感官品质与理化等指标Mantel Test与Pearson相关性分析热图。结果表明,咖啡感官评价指标平衡度与咖啡烘焙豆中Fe和Cu元素含量极显著相关(P<0.01);醇厚度与咖啡烘焙豆中绿原酸类物质、丙烯酰胺、GABA和Al元素的含量显著相关(P<0.05);余韵与异绿原酸B、Na和Fe元素含量显著相关(P<0.05)。Pearson相关性分析表明咖啡豆中绿原酸类化合物与丙烯酰胺、GABA之间呈现显著正相关;葫芦巴碱与咖啡因呈现显著正相关;柠檬酸与苹果酸和乳酸间呈现显著正相关,而与K、Fe、Mn和Al元素呈现负相关。

3 结 论

超低温处理可较好地保持咖啡豆的整体风味、色泽,对水分、脂肪、粗纤维、葫芦巴碱、咖啡因的含量影响不显著,但对咖啡的酸质、甜感、杯净度、风味、余韵、醇厚度,矿物质元素,微观结构等会有一定影响,特别是会增加烘焙咖啡豆中有机酸、绿原酸类物质的含量,提升保健价值,但会导致咖啡酸味和苦味的增加。烘焙或液氮冷冻处理咖啡生豆后再烘焙会增加丙烯酰胺的含量,致癌风险增加。总体来看,超低温处理是咖啡豆保鲜的有效手段之一,可在一定程度上延长咖啡豆风味保鲜期限,但会使其中非挥发性风味成分含量发生变化,对酸味和苦味可能带来一定负面影响。

参考文献：

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Effect of Ultra-Low Temperature on Non-Volatile Flavor Quality and Ultrastructure of Coffee Beans

ZHOU Yong1,2, CAO Liangjun1, HE Zejuan1, ZHAO Linfen3, LI Xingwen1, XIE Jinchen1, TAN Chao1,*

(1.College of Food Science and Technology, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China;2.Honghe Hani and Yi Autonomous Prefecture Inspection and Testing Institute, Mengzi 661100, China;3.Yunnan Medical and Health Vocational College, Kunming 650033, China)

Abstract： Liquid nitrogen ultra-low temperature treatment is an efficient and safe method for extending the shelf life of food. Rapid freezing and repeated freeze-thaw treatments on both green and roasted coffee beans were carried out by liquid nitrogen. Sensory evaluation of flavor, analysis of physicochemical components, determination of non-volatile compounds such as chlorogenic acid derivatives, alkaloids, and minerals, and scanning electron microscopy, were used to study the effects of ultra-low temperatures on the non-volatile flavor quality and ultra-microstructure of coffee beans. The results indicated that roasting combined with ultra-low temperature treatment significantly reduced the content of most chlorogenic acid derivatives and γ-aminobutyric acid in coffee beans, while significantly increased the levels of citric acid, malic acid, lactic acid, and alkaloids. Ultra-low temperature treatment had no significant impact on the sensory flavor of roasted coffee beans. Pre-roasting rapid freezing of green coffee beans using liquid nitrogen significantly increased the acrylamide content. Scanning electron microscopy observations revealed that ultra-low temperature treatment did not cause significant changes in the gap width of green coffee beans, whereas internal filamentous connections formed in roasted coffee beans, and the gap width of repeatedly freeze-thawed roasted coffee beans decreased significantly. Mantel tests and Pearson correlation analyses showed that the richness of roasted coffee beans sensory indicators was significantly correlated with chlorogenic acid and other compounds, and balance was extremely significantly correlated with mineral elements Fe and Cu. It was concluded that liquid nitrogen ultra-low temperature treatment could extend the flavor preservation period of coffee beans, but also caused changes in the content of non-volatile flavor components and microstructure. These findings aimed to provide a theoretical basis and data support for the storage and preservation of coffee beans and the control of flavor quality.

Keywords： coffee; ultra-low temperature; rapid freezing; freezing and thawing; flavor; quality

文章编号：2095-6002(2025)03-0089-13

doi：10.12301/spxb202400309

引用格式：周勇,操粮骏,何泽娟,等.超低温对咖啡豆中非挥发性风味品质及超微结构的影响[J]. 食品科学技术学报,2025,43(3):89-101. ZHOU Yong, CAO Liangjun, HE Zejuan, et al. Effect of ultra-low temperature on non-volatile flavor quality and ultrastructure of coffee beans[J]. Journal of Food Science and Technology, 2025,43(3):89-101.

中图分类号： TS273

文献标志码： A

收稿日期： 2024-05-09

第一作者： 周 勇,男,工程师,主要从事食品及药品的质量评价与检验方面的研究。

*通信作者： 谭 超,男,副教授,博士,主要从事咖啡风味品质方面的研究。

(责任编辑：李 宁)