龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
光谱指纹图谱技术在咖啡质量控制应用中的研究进展
作者：程可 董文江 赵建平 初众 胡荣锁 宗迎 来源：《热带作物学报》2017年第12期
摘 要 本文就6种光谱技术（紫外-可见、近红外、中红外、拉曼、荧光、核磁共振光谱）及其在咖啡质量控制应用中的研究进展进行综述。通过对咖啡的起源、分布、风味品质及功能特性的描述，拟帮助消费者对咖啡文化有进一步的了解，并为咖啡产业的发展提供理论参考。光谱技术是一种快速和低成本的分析方法，可替代传统的化学成分和感官特性分析方法，实现对样品的无损检测，由于光谱的这些特点，使得光谱技术在咖啡的质量控制上具有不可替代的优点。在实际应用中，将光谱技术与化学计量学结合能更好的实现对咖啡风味品质的有效控制。
关键词 咖啡；光谱技术；化学计量学；质量控制 中图分类号 R97 文献标识码 A
Abstract Six kinds of spectroscopic techniques（ultraviolet-visible， near infrared， mid infrared， fluorescence， raman and nuclear magnetic resonance spectroscopy）and the application in the quality control of coffee were summarized. The description of origin， distribution， flavor and functional characteristics of coffee could help consumers have further understanding the
characteristics of coffee. Spectroscopic methods provide a relatively rapid and low-cost alternative to traditional chemical composition or sensory analyses. The non-destructive spectroscopic techniques provide analytical information without damaging the sample. Due to the characteristics of the
spectrum， spectroscopic techniques possess irreplaceable advantages in the quality control of coffee compared to other traditional techniques. In general， spectroscopic techniques combined with chemometrics can achieve a better performance in the the quality control of coffee. Key words Coffee； spectroscopic techniques； chemometrics； quality control doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.12.031
咖啡為茜草科、咖啡属植物，是世界上产销量仅次于石油的商品[1]。在世界范围内每天有数百万的人在饮用咖啡，而且对于高品质精品咖啡的需求量也在增加[2]。咖啡中富含脂肪、蛋白质、碳水化合物、咖啡因、葫芦巴碱、绿原酸等成分，这些成分的存在使其具有一定的功能特性[3]。现代临床医学实验表明，咖啡具有提神醒脑、抗氧化、增强免疫力、减肥、治疗老年痴呆等功效[4-7]。世界范围内栽培的主要咖啡品种为小粒种阿拉比卡和中粒种罗布斯塔，其产销量占全球范围的95%以上。世界范围内知名的小粒种咖啡品种有：铁毕卡（Typica）、哈拉尔（harald）、波邦（Bourbon）、卡杜拉（Caturra）、卡提摩（Catimor）等
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
[8]。咖啡是我国重要的特色热带饮料作物，在我国的种植范围主要分布于海南和云南地区，其种植的主要品种分别为中粒种罗布斯塔和小粒种阿拉比卡。咖啡引入我国的时间不长，但是咖啡在我国的发展速度迅速[9]。我国咖啡的年消费增长率为2.5%，远高于世界的平均增长水平，到2020年，如果中国能达到人均每天1杯咖啡，将会创造500亿美元的市场。
咖啡的质量和其独特的感官特性取决于整个产业链环节，影响咖啡最终品质的因素有：产地、气候、品种、采收方法、加工工艺、储藏条件和冲泡方法，咖啡的香气和滋味是判断一杯咖啡好坏常用的标准[10]。光谱技术是一种相对快速、低成本的、可替代传统检测方法的技术，其特点是在测定样品时对样品的前处理少且操作简单。大量的光谱数据通常从光谱仪器中获得，其中包含有用的分析信息、噪音、可变性、不确定性和识别特性等因素[11]。通过将光谱指纹技术与化学计量学相结合，从光谱数据中获取尽可能多的相关信息，进行统计学分析，以实现对样品的溯源监控、化学成分预测及真伪鉴别等目标[12]，最终达到对产品质量控制的目的。
本文综述了咖啡的起源、分布、风味品质及其功能性质，对6种光谱指纹图谱技术在咖啡质量控制中的主要应用进行总结，分析目前该技术在咖啡质量控制中存在的问题，提出该技术在咖啡质量控制中的发展前景，为其后续的研究和利用提供理论参考。 1 咖啡的起源、分布、风味品质及功能特性 1.1 咖啡的起源与分布
咖啡起源于埃塞俄比亚和刚果地区，是世界范围内销量最多的三种饮料之一，目前大约有60多个国家和地区种植咖啡[13]。红色的咖啡鲜果经采摘后需要经过脱皮脱胶得到生咖啡豆，而生咖啡豆到咖啡液又需要经过烘焙、研磨、冲泡等工艺流程。据报道，虽然自然界中有将近70个品种属于咖啡属，但只有其中的三种是被广泛栽培和销售的，它们分别为阿拉比卡咖啡（Coffea Arabica）、罗布斯塔咖啡（Coffea Robusta）又名（Coffea canephora）、利比里亚咖啡（Coffea liberica）[14-15]。世界上主要的咖啡生产国有巴西、越南、印度尼西亚、哥伦比亚等国，而主要的咖啡消费国有美国、德国、日本、意大利和法国[16]。 1.2 咖啡的风味品质特性
咖啡的风味品质特征主要取决于它的香气和滋味。生咖啡豆通常具有一定的气味特征（如鲜花味、蔬菜味、果味、泥土味等），而因生豆中一些不良的气味特征（泥土味、木头味等）使其不能直接冲煮饮用[17]。咖啡的香气特征形成需经过烘焙过程，使生咖啡豆中的脂肪、蛋白质、氨基酸、咖啡因、葫芦巴碱、绿原酸等风味前体物发生美拉德反应、焦糖化反应、斯特雷格降解反应等一系列化学反应[18]，生成呋喃类、吡嗪类、酸类、醛酮类、酚类、吡啶类、吡咯类、硫化物等挥发性风味化合物[19-21]。咖啡的滋味特征（如：苦味、烧烤味、焦糖甜味等）也因咖啡豆品种和烘焙度的不同而产生差异。
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
1.3 咖啡的功能特性
适度饮用咖啡是对身体有益的。大多数潜在咖啡消费者为了身体健康不饮用咖啡，因为咖啡中含有大量的功能性成分（如：咖啡因、葫芦巴碱、绿原酸等），他们不了解这些成分对身体的作用如何。有研究表明，在挪威和西班牙女性的饮食中，咖啡是其获取抗氧化剂的主要途径[22]。咖啡中含有营养成分，同时具有增强身体健康的作用，其中包括抗氧化能力、免疫调节作用、治疗老年痴呆症，抗肿瘤等功效[7]，最新研究也表明每天饮用少量的咖啡或可降低患肠癌的风险[23]。因此，每天适当的饮用咖啡是对身体有益的。 2 光谱技术在咖啡质量控制中的应用 2.1 常用光谱技术简介
2.1.1 紫外-可见光谱技术 紫外-可见光谱，即分子在紫外和可见区的吸收光谱，是在分析仪器中最常见的一种光谱技术。利用紫外-可见光谱技术可对物质的组成、结构、含量进行分析、推断和预测。紫外-可见光谱具有操作简单、容易获得、成本低廉等优点；紫外-可见光谱仪也是大多数食品分析实验室中常见的，在使用时不需要添加额外新仪器也不需要其他额外费用；紫外-可见光谱数据在作为判别变量使用时，它可以通过样品化学成分的不同对样品进行区分，灵敏度较高，因此，紫外-可见光谱能从众多复杂、昂贵的仪器中被选择使用[24]。而紫外-可见光谱的缺点是它不能很好的区分有相近吸光度的物質[24-26]。目前，紫外-可见光谱技术已被应用到多个领域，如区别含咖啡因和不含咖啡因的咖啡、鉴别葡萄酒的起源及葡萄的品种、鉴别橄榄油的起源。
2.1.2 近红外光谱技术 近红外光谱，即分子在近红外区的吸收光谱，这项技术的建立可以用来确定食品原料的起源[27]。利用近红外光谱技术可对物质对应的分子间C-H、O-H、N-H振动进行记录。它的优点是快速、方法简单、对样品无损、且被广泛应用于食品的定性分析中。而近红外光谱技术的不足是：在其多元数据分析中存在目标光谱波段选择的问题，尤其是在光谱中显示不能分辨的波峰或光谱无法识别重要特征时。为了移除不相关的光谱变量和改善模型性能，各种方法被用于选择多元校正的最优变量，其中有：间隔偏最小二乘法，联合区间偏最小二乘法等。作为一种成熟的振动光谱技术，近红外光谱技术结合多元数据分析已广泛应用于肉类分析中，提供了一个及时的在线测量方法[28]。目前，近红外光谱技术已经被应用于测量鱼中的脂肪和其他理化指标、肉制品的质量控制、碎肉的掺假检测、农副产品的溯源和掺假检测等方面[27-29]。
2.1.3 中红外光谱技术 中红外光谱，即分子在中红外区的吸收光谱。因其光谱共振在激发频率范围内，并且在中红外区大多数官能团能被检测到，所以它可以用于鉴定化合物，即使该化合物有非常复杂和相似的结构，如：多糖也能通过中红外光谱分别出来[30]。中红外光谱技术具有简单、快捷、经济、自动化并能直接检测样品等优点，中红外光谱的主要缺点是在其光谱范围内有着广泛的不可选择的光谱波段[31]。目前，中红外光谱技术已被应用于测量卷烟烟