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咖啡鉴别分析

2020.3.08

判断一种咖啡末是昂贵的Arabica咖啡还是价格低廉的Robusta咖啡，仅从咖啡末的外观是没办法鉴别的，一个可行的鉴别方法是分析其中的标志物16-O-甲基咖啡醇，这一方法还可以鉴别出微量的Robusta咖啡。

咖啡属是茜草科家族的一个成员，在大约70种已知的咖啡中只有两种具有很高的经济价值：一种是也被称为高原咖啡的Arabica，生长于海拔900~2000m的高山地区，和Robusta相比是品味极高的咖啡品种。Robusta抗湿抗热，生长于海拔800m以下地区。

咖啡是世界上除石油以外的第二大贸易产品，主产国是巴西，每年生产超过200万吨，越南每年约100万吨，居世界第二。2006年在德国约510000吨生咖啡被加工成390000吨烘焙咖啡和17000吨速溶咖啡。德国咖啡经济约为42.5亿欧元。

咖啡品种比较

和Arabica相比，Robusta被认为是质地较差的咖啡品种，这一点也表现在价格上。若Robusta的价格为每磅100美分，Arabica的价格为每磅140美分。Robusta首先是混合咖啡的重要部分，可以提高咖啡因的含量，改善咖啡的味道，当然也可以降低价格。而Arabica通常作为纯品销售。

图1. 咖啡二萜醇咖啡醇、咖啡白脂和16-O-甲基咖啡醇的结构。

未加工的Arabica咖啡豆和Robusta咖啡豆很容易区别，Robusta豆小而圆，Arabica豆则大且长。研磨成粉末的烘焙咖啡则失去了这些特征，剩下的只可能用感觉来检验。但即使一个训练有素的咖啡品尝师也几乎辨别不出Robusta少于20%的混合咖啡的味道差别，采用这样的方法不可能对咖啡做出公平真实的评价。对混合咖啡中Robusta含量的定量分析及对产品广告宣传的Arabica含量的法律评判都必须根据产品中化学物质的分析结果。人们为此开发出了不同的方法，对于绿色咖啡分析其不同的金属含量，对于生咖啡和烘焙咖啡分析其氨基酸对映体的比例和自由基结合生物胺的含量，对于烘焙咖啡分析其胡芦巴碱(N-甲基烟酸内盐)、烟碱酸和咖啡因的浓度或特定甾醇的含量。这些方法只有在混合咖啡中Robusta含量很高时其结果才是可靠的，而在Robusta/Arabica比值较低时这些参数是不真实的。

有关类脂化合物的鉴别

对咖啡类脂的研究终于找出了对咖啡的评判方法，Robusta中总类脂的含量为10%，Arabica为15%。其主要部分以咖啡油的形式分布于咖啡豆的胚乳中，只有1%~2%为咖啡豆表面的咖啡蜡。大约总类脂的75%甘油三酯，在两个品种中是相同的。可以预见的脂肪酸为亚油酸和棕榈酸。除了甘油三酯外，咖啡油中还含有大约19%的二萜和5%甾醇类，以及少量的磷酸酯、生育酚和具有抗氧化作用的5-羟基色胺羧酸酰胺。特别引人注意的是咖啡油中没有皂化的组分，其中首先是五环二萜醇类，它们在咖啡油中主要以亚油酸酯和棕榈酸酯存在，只有约0.4%以游离态存在。

图2. Arabica a)和robusta b)中非皂化组分的HPLC分离色谱。(分离柱，RP-18；流动相，乙腈:水(60:40，v/v)；流速，1 ml/min；进样量，20μl；检测，220nm)。

Arabica中的主要二萜早在上世纪30年代就被鉴定出来，并被称为咖啡醇(Cafestol)和咖啡白脂(Kahweol)。咖啡白脂在很长时间被作为Arabica的标志物，因为当时的分析方法没有在Robusta中发现它的存在。尽管后来采用更灵敏的方法被检测到，但只有很低的浓度。80年代一项咖啡二萜酯鉴别研究项目发现了另一个二萜醇16-O-甲基咖啡醇(16-OMC)(见图1)。直到今天，16-OMC也只有在Robusta中被检测到，咖啡二萜醇咖啡醇、咖啡白脂和16-O-甲基咖啡醇在Arabica和Robusta中的含量见表1。16-OMC作为Robusta的标志物，可以鉴定混合咖啡中Robusta的加入量。因为16-OMC与咖啡醇和咖啡白脂的相对含量经过咖啡烘焙过程仍保持不变，因而不仅可以作为生咖啡和烘焙咖啡的标志物，同样可以作为其它咖啡产品的标志物。

HPLC法鉴定

16-OMC可以经硅甲基化后用气相色谱法分析，也可不经衍生化用HPLC分析。在德国，烘焙咖啡中16-OMC含量的HPLC分析方法已于1999年由德意志标准化研究所发表在DIN 10779中，并于2004年实施，此方法根据LFGB§64在食品检验中作为官方方法。为确定其含量应首先分离出咖啡类脂，接下来进行类脂的皂化，然后萃取非皂化组分二萜醇咖啡白脂、咖啡醇和16-OMC，以及一些烘焙过程中产生的副产物，最后用RP18材料分离，用含有16-OMC的商业参比样为标准外标法定量。

图3. 16-O-甲基咖啡醇的质谱图(电喷雾离子化，正离子模式)。

将烘焙咖啡豆磨成粉后过筛，一定颗粒大小的部分用于分析。烘焙咖啡的商品粉末其颗粒大小不适合要求，必须进行重新研磨。咖啡粉与硫酸钠一起研磨后在多级索氏提取器用甲基丁基醚提取，提取液加入氢氧化钾乙醇溶液回流加热2小时进行皂化，皂化后用热水并用甲醇冲洗转移到分液漏斗中，最后用甲基丁基醚振荡几次。碱性水解下来的脂肪酸保留在水相中，游离的二萜醇转移到有机相。有机相用氯化钠溶液洗涤，用硫酸钠干燥后于旋转蒸发器中浓缩至干残留物溶入二氯甲烷，并稀释到确定体积。将一定量的此溶液用氮气流吹干，溶于HPLC流动相或直接溶于纯的乙腈。若溶液浑浊，必须在进行HPLC分离前用滤膜进行过滤。一个Arabica和Robusta非皂化组分的分离色谱见图2。

色谱图中清楚地表明，Robusta中含有少量的咖啡白脂，但只有Robusta中才含有16-OMC，在Arabica中则完全不存在。很少量的16-OMC也能被检测出来，因而成为是否含有Robusta的指示剂。已报道Robusta中含有0.6~1.2g/kg的16-OMC，据此本方法可以鉴别出咖啡样品中2%以下的Robusta。精确的定量只有在混合咖啡中加入的Robusta种类已知的情况下才有可能，否则只能作为参考，就象所有其它分析方法一样都需要参比样品。

MS鉴定

由于16-OMC的UV光谱并无特征，可能会出现峰的重迭，例如没有完全水解的咖啡类脂，因而简单的UV检测器或二极管阵列检测器不很适合,其结果是产生错误的Robusta鉴别或高于样品中实际存在的16-OMC的含量。当今更可靠的方法是HPLC-MS(/MS)系统，由于可以识别分子量和特定的碎片而可以选择性检测和可靠识别。一个正离子模式的16-OMC电喷雾质谱见图3。16-OMC (分子式为C21H30O3)的分子量为330.47，16-OMC正离子质谱的分子离子为m/z 331，但此峰并不是主要信号，检测到的主要信号是与钠离子结合的加合物m/z 353和裂解掉甲氧基的碎片离子m/z 299。此碎片离子的二级质谱实验首先是裂解掉水分子的碎片m/z 281，其它的碎片离子为二萜基本骨架的裂解。