多因素交互作用导致烘焙咖啡中绿原酸快速降解

咖啡中绿原酸类化合物含量十分丰富，约占咖啡质量的6%～12%，主要以绿原酸、新绿原酸和隐绿原酸3 种异构体为主，三者在小粒种咖啡中占多酚总量的80%以上，其中绿原酸占62%左右。绿原酸不仅具有抗氧化、抗菌、保护心脏和神经、调控糖脂代谢和抗肿瘤等生物活性，最新研究表明绿原酸还可抑制高温加工食品中有害内源污染物丙烯酰胺和晚期糖基化终产物的产生，是一种新型、天然、高效的食品污染物抑制剂和食品免疫增强剂，其烘焙产物是咖啡苦味物质的来源之一。

咖啡烘焙过程中，绿原酸能产生各种衍生物和挥发性成分，从而影响咖啡的品质、风味和口感。因此，开展绿原酸及其异构体在咖啡烘焙中的降解规律及影响因素的研究，对保持其功效活性、揭示咖啡化学成分和感官属性之间的相互关系及控制咖啡品质具有重要意义。云南省农业科学院质量标准与检测技术研究所的刘兴勇、陈兴连、邵金良*等人采用不同条件对小粒咖啡生豆进行烘焙，分析绿原酸及异构体与烘焙温度、时间和咖啡基质pH值的量效动态变化和转化关系，并采用动力学模型和化学反应模型探讨多重因素对绿原酸降解的交互作用。

1、咖啡烘焙给热曲线

30 ℃烘焙温度的咖啡烘焙给热曲线如图1所示，咖啡烘焙机给热可分为升温、恒温烘焙和降温3 个阶段。设定烘焙温度为230 ℃、烘焙时间10 min时，咖啡豆烘焙开始时，由室温升至设定温度，包括生咖啡豆蒸发水分并引起化学反应导致温度下降并逐渐上升，这一阶段大概持续3 min，恒温烘焙7 min，降温至60 ℃需9 min。以此类推，烘焙温度每升高5 ℃时，升温时间延长1.5 min，恒温烘焙时间延长2 min，降温时间延长1.5 min。

2、不同烘焙程度咖啡豆质量损失率和水分质量分数

如图2所示，随烘焙时间的延长和烘焙温度的升高，小粒咖啡豆水分质量分数降低，从生咖啡豆的最高水分质量分数8.91%降至245 ℃烘焙18 min的最低质量分数5.62%。质量损失率变化趋势与水分质量分数相反，随着水分质量分数的减少，咖啡质量损失率增加。在0～10 min烘焙加热过程中，随烘焙温度升高，咖啡豆质量损失率急剧增加，在烘焙后期的14～18 min，质量损失率增加趋于 平缓。质量损失率范围在1.90%～3.29%，最低和最高质量损失率分别对应230 ℃烘焙10 min和245 ℃烘焙18 min。

3、烘焙咖啡pH值及绿原酸类化合物含量变化规律

由表1可知，生咖啡豆pH值为5.71，相同烘焙温度下，随烘焙时间延长，pH值呈现先降低后升高的趋势。在相同烘焙温度下，230 ℃时烘焙12 min咖啡pH值最低，其余温度下最低pH值均出现在烘焙10 min时，随烘焙时间的延长，pH值逐渐升高，245 ℃烘焙18 min pH值升高至5.80。与pH值不同，绿原酸含量随烘焙时间的延长或烘焙温度的升高显著降低，230 ℃下烘焙10 min，含量降低为生咖啡豆的50%左右；同一烘焙时间，温度越高含量降幅越大，如235、240、245 ℃烘焙10 min，绿原酸含量分别为生咖啡豆中的41.7%、41.9%和31.4%，该结果与Moon等的结论一致。烘焙时间对绿原酸影响明显，不同烘焙温度，相同的烘焙时间（0～10 min），绿原酸的含量显著变化（P＜0.05），在245 ℃烘焙18 min后绿原酸含量降至0.54 mg/g。异绿原酸异构体在生咖啡豆中含量较低。异绿原酸类异构体在230 ℃烘焙10 min时含量均显著降低（P＜0.05），12 min时出现不同程度的升高，其中异绿原酸A和异绿原酸C含量显著增加 （P＜0.05）。

如图3所示，绿原酸与烘焙温度、时间呈极显著负相关（P＜0.01），相关系数分别为-0.800和-0.939，与咖啡水分质量分数极显著正相关（P＜0.01），相关系数为0.863，与咖啡pH值呈弱负相关。有研究报道，绿原酸在酸性条件下较稳定，本研究结果显示生咖啡豆和烘焙咖啡豆pH值均处于酸性环境，该结果与Moon、Chindapan等的研究结果一致。

4、绿原酸异构体随烘焙时间变化的降解动力学

对不同烘焙温度、不同烘焙时间所得绿原酸、异构体含量变化进行曲线拟合，结果如图4和表2所示，ln C与时间呈良好的线性关系，R 2 均在0.96以上（表2），符合一级反应动力学模型。式（2）符合烘焙咖啡绿原酸异构体降解的动力学变化规律。本研究还发现异绿原酸3 种 异构体的变化趋势不适合用动力学模型拟合，可能其化学性质与绿原酸类异构体差异较大，且不能排除其可通过热降解而产生绿原酸类异构体。综上，异绿原酸类的热降解较复杂，有待进一步研究验证。

5、温度和时间交互作用对绿原酸含量和pH值的影响

由上述结果可知，并不是所有烘焙因素对绿原酸异构体均具有同样的作用效果，因此开展咖啡烘焙温度和时间的交互作用分析，结果如表3所示。咖啡烘焙中，3 种异构体含量快速降低，烘焙时间、温度、pH值等因素存在一定的交互作用，烘焙温度和时间的协同作用对3 种绿原酸异构体含量和咖啡pH值呈现高度 显著的影响（P＜0.001）。

6、温度和pH值对绿原酸异构体含量的影响

用准确控制pH值的绿原酸化学模拟反应模型验证加热温度和pH值对绿原酸热降解的交互作用，实验结果见图5和表4。不同pH值下，质量浓度为3.54 mg/mL（10 mmol/mL）绿原酸单体加热10 min，均有部分绿原酸转化成为新绿原酸和隐绿原酸两种异构体。相同温度条件下，模拟模型中绿原酸异构体质量浓度随pH值升高而显著下降（P＜0.05）。在180 ℃、pH 6时，质量浓度达到痕量，3 种异构体质量浓度分别为6.25、5.34 μg/mL和 3.00 μg/mL（表4）。随pH值升高，绿原酸降解程度显著增强。经pH值和温度的交互作用分析发现，pH值对绿原酸的降解影响高度显著（P＜0.001）（表5）。

通过绿原酸单体的模拟反应，验证了温度、时间及pH值3 种因素的交互作用导致咖啡烘焙中绿原酸的快速降解。3 种因素在咖啡烘焙中不仅促使绿原酸向新绿原酸和隐绿原酸转化，同时使其产生降解，三者之间的比例随条件不同发生动态变化，对绿原酸功效作用产生一定的影响。未来，需要进一步开展不同加工工艺、加工因素对绿原酸异构化、量效化和比例化的研究，实现绿原酸在高温加工食品体系的高值利用。

结 论

咖啡烘焙过程中，绿原酸类化合物均出现不同程度的降解致使含量显著降低。绿原酸快速降解受温度、时间和pH值的交互影响，各因素对不同异构体影响效果不同。新绿原酸、隐绿原酸含量随pH值升高和烘焙时间的延长而降低，呈显著负相关（P＜0.05）；绿原酸含量受烘焙时间、温度和咖啡水分质量分数影响显著，随时间延长和温度升高含量下降，呈显著负相关 （P＜0.05），与水分质量分数呈显著正相关 （P＜0.05），而pH值对绿原酸影响较弱。3 种绿原酸异构体在咖啡烘焙中的降解符合一级动力学模型。异绿原酸类异构体中异绿原酸B含量最高，异绿原酸C和异绿原酸A含量差异较小，3 种异构体均随烘焙时间的延长与温度的升高呈降低趋势。

本文《多因素交互作用导致烘焙咖啡中绿原酸快速降解》来源于《食品科学》2021年42卷9期7-14页，作者：刘兴勇，陈兴连，杜丽娟，林涛，尹本林，杨东顺，邵金良，汪禄祥。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20200521-259。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

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修改/编辑：袁艺；责任编辑：张睿梅

图片来源于文章原文及摄图网

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