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2021.Jun.30

质谱仪-Mass 等一个人咖啡香气来自哪里:顶空固相微萃取HS-SPME与GCMS应用


新鲜研磨的烘焙咖啡,充满让人精神为之一振的香气,而这此挥发而有助于产生香气的化合物,是由数百种复杂化合物所组成,以往要分析来自不同产地、不同烘焙方式的咖啡差异与特征,需要花费大量的时间比对,而本应用介绍,运用顶空固相微萃方式,对五种不同咖啡中的挥发物进行采样,以进行GC-MS分析,并以化学计量分析,轻松具体量化了不同产地和不同处理方式的咖啡存在特定差异。
 
从当地咖啡烘焙店购买四种以滤滴式制备的新鲜研磨咖啡。另外,从当地食品杂货店购买第五种Colombia Supremo咖啡,并使用可调式平刀研磨机将其研磨至相同的粗糙度。各别取大约两克研磨咖啡放入20 mL顶空SPME小瓶中进行分析。除了不含咖啡因的Colombia decaffeinated咖啡测量四次,其余每个样品进行了五次测量,样品信息如下:
 
样品信息
 
▲表一 样品信息
 
将HTA HT2800T多功能自动进样器安装在与JEOL JMS-Q1500GC Master-Quad气象层析质谱仪上。HT2800T自动进样器在SPME模式下,自动化进行量测。数据分析方面,利用AnalyzerPro XD软件进行质谱图的反折积(deconvolution)、数据库搜索及统计分析。从统计分析排除了管柱流失峰。化合物的特征香气描述,则参考自参考文献1.的网站。
 
首先由图一来看每种咖啡的TICC图的分析结果,不同的咖啡之间具有相似的化合物,但单纯透过肉眼来观察或区别图谱上特定化合物的相对浓度的细微差异,是相当困难的一件事。图二为Colombian Supremo咖啡在顶空固相微进行三重复量测的TICC图,经数据库比对后,标识了其中主要峰的化合物讯资。
 
不同咖啡的TICC图
▲图一 不同咖啡的TICC图 (*号表示Silicone峰)

Colombian Supremo咖啡顶空进样的TICC图
▲图二 Colombian Supremo咖啡顶空进样的TICC图

由于芳香味化合物非常复杂,许多化合在气相层析中未能完全分离,而在相同的滞留时间下同时出现多个化合物,此时将非常困难比对数据库。因此,利用AnalyzerPro XD软件进行层析图谱的反折积(deconvolution),将多个化合物峰分离开来鉴定。以图三为例,在Indian Malabar FR咖啡中,经过反折积(deconvolution)处理后,在的讯号较大的maltol(灰色)的峰值中,可以鉴定到1-Methylethenyl pyrazine(红色箭头)化合物的存在。
 
层析图deconvolution
▲图三 层析图deconvolution。在maltol中的1-Methylethenyl pyrazine化合物
 
3D-PCA分析此五种咖啡
 
3D-PCA分析此五种咖啡
 
▲图四 3D-PCA分析此五种咖啡

主成分分析(图四)显示了每种咖啡的不同分组,可以发现其中Bali Blue Moon和Columbian Supremo咖啡是匹配的群集。

以Pyridine质谱图进行PCA, Biplot, Box Plot分析
▲图五 以Pyridine质谱图进行PCA, Biplot, Box Plot分析

以Volcano Plot分析所有样品
▲图六 以Volcano Plot分析所有样品中,比较Bali及Colombian Supremo咖啡相对于pyridine。

以Volcano Plot分析所有样品
▲图七 以Volcano Plot分析所有样品中,5-Methyl-2-furancarboxaldehyde的相对丰度。

利用软件数据分析显示了咖啡之间的显著差异,例如,两种Colombian咖啡均显示出比其他咖啡更低的pyridine含量(图五和图六)。化合物5-methyl-2-furancarboxaldehyde的香气形容为甜的、焦糖的、面包褐色的(参考文献1),在Colombian Supremo和Bali咖啡中含量很高,但在Indian Malabar FR中含量却相对较低。

透过AnalyzerPro XD软件,可以轻松比较不同样品的复杂化合物质谱图。例如在无咖啡因的咖啡中,其咖啡因含量相对较低,且咖啡中的某些化合物的含量也相对降低(例如pyrrole),这可能是由于去咖啡因的制程所导致的结果。化合物1-methylethenyl pyrazine具有焦糖的、巧克力的、烤坚果、烧咖啡的香气,在Indian Malabar FR和Rwanda咖啡中含量很高,但在其他咖啡中含量相对较低。

而以往我们并无法在层析图谱中,观察到1-methylethenyl pyrazine化合物,因为会与maltol主要的化合物同时析出,无法在此条件下分离,但透过软件的deconvolutoin反折积功能,可将它与maltol及其他化合物的峰分离开来进行分析,因此,在分析共析出化合物时,deconvolutoin反折积功能是十分强大有用的工具。

综合以上分析结果,顶空SPME GC-MS与统计分析相结合,可提供有关咖啡香气的化学成分的大量信息。配备有HTA HT2800T自动进样器的JMS-Q1500GC GC-MS系统是一个操作简单、自动化的分析平台,并搭配AnalyzerPro XD进行数据分析,可对特定化合物的样品进行详细比较。可以特别注意的是,某些未知的化合物不能仅通过数据库比对来确定结果,对这些未知物的鉴定方式,就需要通过JEOL AccuTOF GC-Alpha GC-HRTOFMS系统获得的软性游离源及高解析图谱,进一步鉴定化合物结果。
 
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