【咖啡知识】一篇文章带你了解不同咖啡储藏方式对开包后咖啡新鲜度的影响

前言

此文翻译自ScienceDirect中Food Packaging and Shelf Life Volume 33, September 2022, 100893 的《Effects of different coffee storage methods on coffee freshness after opening of packages》。

文章含有过多相关专业名词，因为篇幅的关系就不做过多注释，感兴趣的可以自行搜索。此篇还有后续，不同包装对咖啡风味、陈化的感官研究，我们也会持续更新。你的关注和转发是我们持续更新的动力。

摘要

新鲜烘焙咖啡的香气最诱人但也最容易转瞬即逝的品质之一。咖啡香气在烘焙完成的那一刻就开始流失，所以需要适当的包装和储存来保持其新鲜度。打开咖啡包装袋后，咖啡会氧化并加速咖啡变质。

本研究比较了打开包装后储存整颗咖啡豆的四种不同方法：

(i) 将咖啡豆转移到密封罐中-Cannister

(ii) 用胶带密封原始包装-Tape

(iii) 用夹子密封-Clip

(iv) 使用带有集成螺旋盖的包装-Screw cap and reference sample（虽然文中没有具体说明是否带单向排气阀，笔者认为应该这个测试包装是带的。）

Screw cap 螺旋盖；Clip 夹子；Cannister 咖啡罐；Tape 胶带

在储存过程中，在研磨后通过气相色谱质谱 (GC/MS) 分析香气。将新鲜度指数确定为两种选定化合物的GC/MS信号强度为比较，并用作储存稳定性的指标（也称为指数），以比较不同的储存方法中的最优解。

研究发现，2-丁酮/2-甲基呋喃指数最适合评估此类条件下的咖啡老化。螺旋盖包装是效果最好的储存方法。 使用夹子、封口机或密封罐中会导致新鲜度损失得更快。调查结果与观察到的相应包装内氧气和二氧化碳含量的变化一致。

关键词

咖啡，新鲜，香气，保质期，重复使用

1.介绍

咖啡是世界上消费量最大的饮料之一，以其特有的香气和提神作用而闻名。但咖啡生豆是咖啡樱桃的种子，在未经处理前不会产生任何香气。

咖啡香气是在烘焙时产生的。烘烤会导致豆子的化学成分及其物理和感官特性发生巨大变化。糖通过美拉德反应与氨基酸反应，形成大量挥发性有机化合物(VOC)。

在烘焙咖啡中，大约30种化合物会形成特有的香气。烘烤过程中的化学反应也会引起物理变化；咖啡豆则变成棕色，且干燥、易碎、多孔。

从食品安全的角度来看，烘焙到咖啡水分含量低于5%的情况下是一种稳定的产品。尽管如此，新鲜烘焙的咖啡还是不稳定的，烘焙后成分会发生变化。造成品质劣化的化学和物理变化大致可分为二氧化碳损失和香气降解。

新鲜烘焙咖啡重量的大约1%是二氧化碳，它在浓缩咖啡冲泡过程中对油脂的形成起着重要作用。详情可见：

这种气体释放称为脱气，持续大约一个月。释放的大量气体对咖啡包装要求严格。二氧化碳需要排除排出，防止空气中的氧气进入包装。从技术上讲，这通常通过咖啡单向阀来解决，以防止充气后包装破裂。

许多咖啡香气化合物是不稳定的或具有高度挥发性的，在烘焙过后，它们在豆中的量稳步减少。使用具有良好阻隔性的包装材料，在咖啡包装过程中消除包装内的氧气，有助于防止或减缓咖啡香气的氧化降解，从而减少新鲜度的损失。

过去曾从化学成分、味道和气味的角度研究咖啡新鲜度。通过测量脱气过程或分析咖啡香气的变化，可以量化新鲜度的损失。通过GC/MS分析香气，可以通过监测作为典型咖啡香气标志的香气化合物的损失或通过指示咖啡成分降解/氧化的化合物的出现来评估咖啡的新鲜度。

先前已将香气的损失量化为 2-甲基丙醛、3-甲基丁醛、2,3-丁二酮、2-甲基呋喃的总和，并称为S指数。Holscher、Steinhart指出，甲硫醇对香气新鲜度有很强的影响，仅在烘烤一天后就显著下降。Czerny和Schieberle报告说，咖啡的陈化是2-糠硫醇降解的结果。

评估烘焙咖啡上方顶部空间 (HS) 成分变化的简单方法包括参考新鲜度指数。新鲜度指数是指从单个 GC/MS 色谱图中选择的两种化合物的信号强度之比，因此受仪器漂移的影响较小，仪器漂移可能会随时间影响 GC/MS 信号的强度。

由于使用的指标是单次 GC 运行中两种化合物的仪器信号强度之间的比率，因此该方法不一定需要使用标准品进行校准。

到目前为止，关于新鲜度和陈化损失的研究主要是在咖啡的主要保质期内，即未开封包装的储存过程中进行的。咖啡的主要保质期可以通过适当的包装解决方案来延长。

然而，即使是最好的包装和无氧条件也不能防止新鲜度的损失，因为咖啡本质上是一种不稳定的产品。还有重复使用的二级保质期，但该研究的目的不是确定二级保质期的阈值。因为该阈值是基于消费者的接受程度，消费者对咖啡陈化的感受不同，很可能在不同的消费者群体之间有所不同。

因此，我们根据客观和可测量的值（新鲜度指数），以及是否可以通过改进咖啡保鲜期来降低陈化率，研究了不同的包装方法和消费者习惯如何影响咖啡在二级保质期早期的陈化率。

2 . 材料和方法

2.1 样品描述

来自 Tchibo【1】提供的单个烘焙批次的烘焙阿拉比卡整豆在惰性气氛（氮气）下包装在 1 kg 袋中（袋箔的组成：OPP /Al / PE），带有集成单向阀和在室温下储存。

样品在烘烤后静置3周，以便进行初始脱气并考虑到从烘烤器到消费者的典型分配系统（从工厂到消费者手中）。对于试验样品，打开咖啡袋，每周两次从包装中取出 49 克咖啡。

在每次取样前每周测量两次氧气和二氧化碳含量，每周测定一次新鲜度指数。对于参考样品（在室温下储存在密闭袋中的咖啡），在每次测量的时间氧气和二氧化碳首先测量2个含量，然后打开袋子，确定咖啡的新鲜度指数。所有存储实验均以五次平行重复进行。

一旦袋子在3周的静置时间后打开，它们会在研究期间以四种不同的方式重新关闭（图1）：螺旋盖——通过包装上的集成关闭系统，采集咖啡样品进行测量；夹子- 最初打开包装后，每次取咖啡样品（49 克咖啡）后，使用夹子将其重新密封；咖啡罐- 最初打开包装后，将咖啡豆转移到密封的金属容器中，然后每次从容器中取出咖啡豆；胶带——打开后，每次取样后使用胶带重新封闭包装。在二级保质期内的这四个关闭选项有一个补充参考——标准样品，未开封的包装；每次分析都会打开一个新包装。所有后续数据和图表均以研究持续时间标记，从烘焙后三周开始。

图1 Screw cap 螺旋盖；Clip 夹子；Cannister 咖啡罐；Tape 胶带

本研究中使用的五种包装处理方式：

参考样品，未开封的包装；螺旋盖，使用封装集成封闭系统；夹子，用夹子密封包装；罐头，豆子转移到密封的金属容器中，随后每次从容器中取出豆子；胶带，每次取样后用胶带将包装封上。

2.2 化学品

以下化学品用作 GC/MS 鉴定的外标：二甲基二硫 (>98%)、2-丁酮 (>99%)、Sigma-Aldrich (Buchs, Switzerland) 提供的 2-甲基呋喃 (99%) 和甲硫醇(5% 三醋精) 由 Penta (Livingston, USA) 提供。

2.3 包装中氧气和二氧化碳的测定

使用 CheckPoint II 设备（Dansensor，Ringsted，丹麦）测量包装内的氧气和二氧化碳浓度，以评估试验期间每个包装内的大气变化。

在试验开始时，一些包裹的氧气浓度已经升高。考虑到它们最初都是在惰性气氛(N2)下包装的，因此放弃了最初氧气浓度>0.5%的包装。

2.4 样品制备

整个咖啡豆在 GC/MS 分析之前用浓缩咖啡研磨机（KED 640，Ditting）研磨，研磨水平设置为3.75（1：最细设置，8：粗设置）。研磨后，将 4.0 g 咖啡粉转移到 20 mL 玻璃 GC/MS 小瓶中。小瓶在关闭前用氮气冲洗，使用带有硅胶/PTFE 隔垫（白色/蓝色）的螺帽，1.5 mm。

2.5 顶空气相色谱质谱(HS GC/MS)

每个包装一次制备一个样品（包括参考在内的 5 种不同类型的包装，每种包装 5 次重复）；使用 GC/MS（7890 A/5975 C，Agilent Technologies）分析研磨咖啡之上的 HS。样品由 MPS2 自动进样器（Gerstel，Germany）处理。

进样前，样品在小瓶中于 70 °C 下孵育 20 分钟，以 0.2 mL/s 的速度对 1 mL 气体进行采样并注入 GC/MS 系统。在 DB-WAX 色谱柱 (30 mx 0.25 mm × 0.25 µm) 上进行分离，He 载气流速为 1 mL/min，分流比为 30:1，进样口温度为 250 °C。温度程序如下：20°C 6 分钟，然后以 10°C/分钟直到 70°C，5°C/分钟直到 170°C 和 40°C/分钟直到 220°C。

2.6 数据分析

使用 R Statistical Computing（R Foundation for Statistical Computing，Vienna，Austria）3.6.1 版进行数据分析。参考样品被视为外标，测量值相对于标准样品进行校准。GC/MS 信号的强度（峰面积）用于计算新鲜度指数。

使用线性回归对指数的演变进行建模，并使用具有虚拟模型交互变量的模型的 t 检验和嵌套模型的方差分析来比较所得模型。对于主成分分析 (PCA)，从 GC/MS 色谱图中检测到的 55 个峰（表 A1）针对总 GC/MS 离子强度进行了归一化、居中和缩放。

3. 结果与讨论

使用 GC/MS 分析磨碎咖啡上的 HS，检查打开咖啡包装和在不同条件下储存后的新鲜度和陈化损失。GC/MS 色谱峰面积用于开发新鲜度指数和 PCA。

为了将基于 GC/MS 分析的结果与背景联系起来，我们测量了包装中的 CO 2和 O 2含量，并针对不同的储存条件进行了比较，并参考了未开封的包装。

3.1 新鲜度指数

咖啡在不同储存和处理条件下的陈化使用之前描述的两个不同指标进行监测：2-丁酮/2-甲基呋喃和二甲基二硫醚/甲硫醇。指数是相对于用作外标的参考样品计算的。因此，二级保质期情景中咖啡变质的量化是相对于在相同条件下储存的主要保质期内的等效样品的值。

这种索引的使用与Gloss等人描述的使用略有不同。它们大多被用作咖啡新鲜度的绝对指标，没有校准或参考。使用此处描述的方法，针对外部参考样品的新鲜度指数进行指数校准，以解释仅由打开包装的影响引起的相对变化，因此预期结果会更加稳健。

根据之前的研究，2-丁酮/2-甲基呋喃指数已被证明非常适合评估作为整豆储存时咖啡新鲜度的变化。在在Gloss等人进行的研究中，这些豆子在主要保质期条件下储存了一年。需要注意的是，这项研究仅涵盖 9 周的时间段；未开封包装的 2-丁酮/2-甲基呋喃指数保持稳定，呈小幅下降趋势（斜率 -0.0099，p < 0.001）。然而，在其他样品中，该指数在与参考样品校正后显着增加（表1）。

表1 研究期间咖啡2-丁酮/2-甲基呋喃新鲜度指数发展的线性模型

样本Intercept（拦截）斜率斜率 t 检验模型交互嵌套方差分析咖啡罐1.040860.06669a*a*胶带0.999490.05827b*b*夹子0.998030.03987c *c *螺旋盖1.002480.03269d *d *

*对于所有模型组合，p < 0.001。

2-丁酮/2-甲基呋喃指数的演变如图2a所示。就化学反应而言，这两种化合物在咖啡中都相对稳定。因此，该指数的演变可以主要追溯到两种化合物之间挥发性的差异。虽然 2-甲基呋喃是咖啡中最易挥发的化合物之一（沸点：63–66 °C；蒸气压：176 mmHg @ 25 °C；logP (o/w)：1.850），但 2-丁酮挥发性更低，极性更强（沸点：78–80 °C；蒸气压：91 mmHg @ 25 °C.；logP (o/w)：0.290）。因此，指数的变化主要是由两种化合物在储存过程中蒸发的不同损失驱动的。

在研究期间打开包装后，两种咖啡新鲜度指数的制定：(a) 2-丁酮/2-甲基呋喃；(b) 二甲基二硫化物/甲硫醇 Screw cap 螺旋盖；Clip 夹子；Cannister 咖啡罐；Tape 胶带

对于所有包装方法，新鲜度指数 2-丁酮/2-甲基呋喃随着时间的推移而增加，这是由于 2-甲基呋喃的损失，很可能是通过蒸发。该指数显示了研究期间使用的四种类型的包装封盖之间的显着差异。与参考包装的最高增长率和最大差异是转移到罐中的豆类，其次是每次取样后使用胶带重新封闭包装的包装。这些方法在咖啡豆取样和储存过程中引起的 HS 气氛变化最大，导致新鲜度指数的增长最快。

2-丁酮/2-甲基呋喃指数的增加是通过一个简单的线性模型来模拟的。开封后使用不同包装方式的香气损失差异反映在线性模型的斜率上（表1）。发现模型之间差异的显着性很高；两个线性模型的任意两种组合之间的指数斜率显着不同。两个线性模型的所有组合的嵌套方差分析表明存在显着差异（表 1）。

2-丁酮/2-甲基呋喃指数清楚地表明，研究期间关闭包装的不同方式导致挥发性咖啡香气化合物的损失率不同。因此，这项研究表明，2-丁酮/2-甲基呋喃指数能够根据高挥发性芳香化合物的损失，在二级保质期条件下采用的封闭方法之间进行区分。

二甲基二硫醚/甲硫醇比值是监测咖啡老化的敏感指标。其敏感性是由于甲硫醇具有高度挥发性、反应性和对氧化敏感。通过甲硫醇的氧化，形成二甲基二硫化物，随后形成二甲基三硫化物。虽然甲硫醇在储存过程中减少，但其氧化产物二甲基二硫化物在进一步降解之前形成。二甲基二硫醚/甲硫醇的这种行为反映在打开包装的指数值稳步增加（图 2b）。

在储存的八周内，打开包装的甲硫醇的 GC/MS 信号强度降低到大约 100 倍。初始值的 15%（数据未显示），与打开包装的处理无关。对于参考包装中的咖啡（主要保质期），甲硫醇也显着降低至约 研究开始时原始值的 33%（数据未显示）。在将咖啡豆储存在惰性气氛中的情况下，包装中观察到的甲硫醇减少主要是由于咖啡豆中甲硫醇的固有不稳定性（容易分配到 HS 中），此外还与包装中残留的氧气发生反应。

由于甲硫醇的灵敏度高、变化快，该指标不区分4个开包样品。似乎打开包装时引入的氧气大大降低了甲硫醇的含量，而在第二保质期内，不同的封闭方法之间没有区别。甲硫醇的加入使得该指数清楚地区分未开封和已开封的包装，但该指数不适用于区分包装在第二保质期内的不同封闭方法中的陈旧（新鲜度损失）。

3.2 老化标记

在使用 HS-GC/MS 方法检测到的 55 种化合物中（表 A1，补充材料），对于打开的咖啡包装，两种化合物的测量信号强度随储存时间显着且持续增加（图 3）。

首先是二甲基二硫化物，二甲基二硫化物增加的原因是它是甲硫醇的氧化产物。增加主要发生在研究开始（打开包装）和第 3 周之间（夹子、罐头和胶带样本的两个样本Welcht检验的 p 值：p < 0.01，螺帽样本：p < 0.05）。

封闭包装中样品的信号强度保持稳定，但有不显着 (p = 0.12) 的下降趋势。这表明在二级保质期情况下直到第 3 周，甲硫醇浓度足够高以产生可测量量的二甲基二硫化物，而在第 3 周之后，几乎没有甲硫醇可用于进一步增加二甲基二硫化物含量。

图3 研磨咖啡的二甲基二硫化物 (a) 和己醛 (b) 测量的 MS 响应随打开包装后的时间而变化。Screw cap 螺旋盖；Clip 夹子；Cannister 咖啡罐；Tape 胶带 Reference 样品

己醛是第二种随时间增加的化合物，对于打开包装中的样品（两个样品Welch t检验的p值在第一次测量和3周后：对于夹子和罐头样品：p<0.05，胶带和螺旋盖样品：p<0.01，参考样品不显着）。己醛以前曾被建议作为咖啡变质的标志物或新鲜度指数的一个组成部分，因为它是脂肪酸氧化的产物。

这项研究的结果表明，在打开包装后，咖啡粉样品上方的 HS 中的己醛测量信号略有增加。测量的己醛信号的增加相对较小，可以假设对于本研究中的样品，如此小的增加太微不足道，不能被认为具有感知老化的影响或被认为是实际适用的老化标记。

3.3 主成分分析

为了将 2-丁酮/2-甲基呋喃新鲜度指数的结果与咖啡包装开封后的使用方式区别开来，对整个 GC/MS 数据集（55 个色谱峰，表 A1，）进行了 PCA 分析。数据分析中的非针对性方法证实了新鲜度指数已经可以看到的内容。初级保质期样品的 PCA 分数（图 4）在最低 PC1 值下紧密组合在一起。PC1 维度在时间轴上将已打开包装的采样点在打开后按时间分开。图 4中的数字a 显示打开包装后的几周，沿着 PCA 图可以看到连续编号。PC2 维度进一步区分了初始打开后储存咖啡的不同方法。PCA 的这种分离强烈表明，与参考样本相比，在 PC1-PC2 二维空间中最接近参考样本的点应被视为损失最少的香气。

图4 55 个 GC/MS 色谱峰的PCA Screw cap 螺旋盖；Clip 夹子；Cannister 咖啡罐；Tape 胶带；Reference

图上的数字是包装打开后的几周，除了每次打开五个新包装的参考样本。

3.4 二氧化碳和氧气含量

储存过程中包装中二氧化碳CO2和氧气O2的演变如图5所示。用于实验的包装在未开封的包装储存三周后的初始浓度约为 二氧化碳中为 70% (v/v)，氧气中小于 0.5% (v/v) 。将初始氧气浓度高于 0.5% (v/v) 的包装从进一步的实验中移除。

未开封包装中的 氧气浓度在整个实验过程中保持非常低且接近于零，而 二氧化碳CO2由于脱气过程，在 9 周储存期结束时，浓度略有增加至 77% 左右。这些结果表明，包装具有有效的屏障，并且集成到包装中的单向阀按预期运行。

图5 研究期间包装中CO 2 (a) 和 O 2 (b) 浓度的变化。Screw cap 螺旋盖；Clip 夹子；Cannister 咖啡罐；Tape 胶带；Reference 样品

打开的包装样品内的空气成分在储存的10天内就已经显示出快速变化，四种包装处理之间存在显着差异。无论是通过完全清空咖啡袋将咖啡转移到容器中，还是在初次打开咖啡袋后使用胶带关闭包装，都已在一周内观察到氧气浓度上升至环境条件(21%)正在打开的包装（图 5a ）。

同时，二氧化碳浓度下降到基本为零。因为二氧化碳和氮气代表咖啡在包装中的保护气氛，包装 HS 成分的立即变化基本上是空气使咖啡更容易氧化降解和变质。使用夹子或螺旋盖包装提供了稍微更好的性能。然而，在最初打开包装后，氧气浓度增加到10%以上。2周后（4次采样），包装内的氧气浓度在环境氧气水平的1%(v/v) 以内。

对于这四种类型的包装，二氧化碳浓度的演变（图 5b ）反映了氧气的模式。对于转移到容器或使用胶带重新封闭，我们观察到包装内的整个HS迅速被空气取代。通过测量二氧化碳的下降浓度，可以估计每次采样期间 HS 置换的幅度。每次从包装中取出咖啡样品时，发现 HS 更换时间约为 使用螺旋盖包装时为 60%，使用夹子封闭包装时为75%。

对于罐装样品和胶带样品，每次取样时，有效地全部 HS 体积被空气取代。在容器的情况下，这是由于消除了原始包装和大开口表面的保护气氛。对于用胶带封闭包装，假设未实现气密封闭，因此在下一次取样时发生了完全交换。这些观察结果与 GC/MS 结果一致，并证实了基于 HS 组成的结论。

4 . 结论

这是第一次对全豆咖啡打开包装后变质的系统研究，涵盖了消费者的四大咖啡处理习惯。它补充了以前关于咖啡保质期研究的工作，并阐明了新鲜度损失的主要驱动因素。有针对性和无针对性的方法都用于确定不同储存咖啡的陈旧程度。

本研究从化学的角度评估了在二级保质期和典型咖啡处理条件下咖啡会发生什么变化。包装上的集成螺旋盖（带单向阀的）可以最好地保护咖啡香气。 然而，为了全面评估样品的二级保质期和质量接受度，除了化学分析外，还需要进行感官研究，以确定接受度阈值。

现阶段正在开展工作，以更好地了解导致不同指数变化的化学成分，并制定越来越详细的策略和建议，以保持咖啡的新鲜度和质量。

此外，化学分析将与感官评估相辅相成，以结合这两个方面，并开发一种更全面的方法来研究二级保质期内的陈化和新鲜度损失。

【1】Tchibo是一家德国连锁咖啡零售商和连锁咖啡馆，以其每周更换的咖啡产品系列而闻名。Tchibo 的口号是“每周一个新世界”（德语：Jede Woche eine neue Welt）。

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