本文翻譯至：Effects of different coffee storage methods on coffee freshness after opening of packages

林桑總結：本文章研究了不同咖啡包裝方法在開封後對咖啡新鮮度的影響，結合化學分析與指標評估，發現螺旋蓋包裝系統最能有效保護咖啡香氣，但需進一步進行感官評估以確定次級保質期的接受門檻。

總結：

• 📊 數據指標分析：使用2-丁酮/2-甲基呋喃與二甲基二硫化物/甲硫醇指數來量化咖啡新鮮度的變化。
• 🎛 主要變化監測：包裝打開後，氧氣濃度快速上升，二氧化碳濃度快速下降，特別是在使用夾子或膠帶封閉時。
• 🛠 包裝設計影響：螺旋蓋包裝能最小化香氣損失，而使用膠帶或轉移至容器則導致新鮮度下降最快。
• 🧪 氣相色譜分析：透過GC/MS方法檢測揮發性化合物，並進行主成分分析（PCA）以區分不同包裝處理的結果。
• 📌 實務建議：螺旋蓋設計有效保護次級保質期內的咖啡品質，但仍需結合感官分析來評估實際的消費者接受程度。

1. 前言

咖啡是世界上最受歡迎的飲品之一，其特有的香氣和精神活性效果讓人印象深刻。未烘焙的綠咖啡豆，也就是咖啡果實的種子，並不具有任何類似咖啡的香氣；咖啡的香氣是在烘焙過程中產生的。烘焙過程會導致豆子的化學成分發生巨大變化，同時也改變其物理特性和感官特性。糖類與amino acids（氨基酸）通過Maillard reaction（美拉德反應）產生大量的volatile organic compounds (VOC，揮發性有機化合物）。在烘焙咖啡中，約有30種化合物共同構成其特徵性香氣。烘焙過程中的化學反應也會導致物理變化；咖啡豆變成棕色、乾燥、易碎且多孔。

從食品安全的角度來看，當咖啡的水分含量低於5%時，烘焙咖啡是一種保質期穩定的產品。儘管如此，新鮮烘焙的咖啡是不穩定的，烘焙後其成分會發生變化。導致品質下降的化學和物理變化大致可分為CO2的流失和香氣的降解。新鮮烘焙的咖啡中約有1%的重量是CO2，這種氣體是在烘焙過程中形成的，它在沖煮espresso時形成crema（咖啡油脂層）扮演著重要角色。這種釋放氣體的過程，也稱為degassing（排氣），在咖啡豆中會持續約一個月。大量釋放的氣體對咖啡包裝提出了要求。CO2需要從包裝中釋放出來，同時防止空氣中的氧氣進入包裝。在技術上，這通常通過單向閥來解決，以防止包裝膨脹後破裂。

許多咖啡香氣化合物是不穩定的（labile）或高度揮發性的，在烘焙過程完成後，這些化合物在豆子中的含量會穩定下降。使用具有良好阻隔性能的包裝材料，並在咖啡包裝過程中消除包裝內的氧氣，有助於防止或減緩咖啡香氣的氧化降解，從而減少新鮮度的損失。

過去已經從化學成分以及味道和氣味的角度研究過咖啡的新鮮度。新鮮度被定義為盡可能接近新鮮烘焙咖啡的未受損品質。通過測量degassing過程或分析咖啡香氣的變化，可以量化新鮮度的損失。通過GC/MS分析香氣，可以通過監測典型咖啡香氣標記物的損失，或是通過觀察指示咖啡成分降解/氧化的化合物的出現來評估咖啡的新鮮度。

香氣的損失之前已被量化為2-methylpropanal、3-methylbutanal、2,3-butanedione、2-methylfuran的總和，並稱為S-index。Holscher和Steinhart (1992)指出，methanethiol對香氣新鮮度有很大影響，在烘焙後僅一天就顯示出明顯的下降。Czerny和Schieberle (2001)報告指出，咖啡變質是2-furfurylthiol降解的結果。

評估烘焙咖啡頭部空間（headspace, HS）成分變化的一個簡單方法是參考新鮮度指數。新鮮度指數是指從單次GC/MS色譜圖中選擇的兩種化合物的訊號強度比率，因此本質上較不受可能影響GC/MS訊號強度隨時間變化的儀器漂移影響。由於使用的指標是單次GC運行中兩種化合物的儀器訊號強度之比，因此該方法不一定需要使用標準品進行校正。

到目前為止，關於新鮮度損失和變質的研究大多是在咖啡的主要保質期內進行，也就是在未開封包裝的儲存期間。咖啡的主要保質期可以通過適當的包裝解決方案來延長。然而，即使是最好的包裝和無氧條件也無法防止新鮮度的損失，因為咖啡本質上是一種不穩定的產品。本研究關注的是次級保質期內發生的變化，即在包裝開封後以及咖啡在數週內被消費的期間。

儘管提到次級保質期，但本研究的目的並不是要確定次級保質期過期的閾值。這個閾值可能基於消費者接受度，因此很可能在不同的消費者群體之間有所不同。因此，我們研究了不同的包裝方法和消費者使用習慣如何影響次級保質期早期咖啡變質的速率，這是基於客觀和可測量的值（新鮮度指數），並探討是否可以通過改進包裝設計來減緩變質速率。

2. 材料與方法

2.1. Sample description

這項研究使用來自Tchibo（德國漢堡）的單批次烘焙阿拉比卡整顆咖啡豆，這些咖啡豆在惰性氣體（氮氣）環境下包裝在1公斤的袋子中（袋子的材質組成：OPP/Al/PE），並配有單向閥門，在室溫下儲存。為了讓咖啡進行初步排氣並模擬從烘焙商到消費者的典型配送系統，樣品在烘焙後靜置3週。

對於試驗樣品，每週打開咖啡袋兩次，每次取出49克咖啡。在每次取樣前，每週測量兩次氧氣和二氧化碳含量，並每週測定一次新鮮度指數。對於參考樣品（在室溫下密封儲存的咖啡），在每次測量時，先測量氧氣和二氧化碳含量，然後打開袋子，測定咖啡的新鮮度指數。所有儲存實驗都進行了五次平行重複。

在3週的靜置期後打開袋子，在研究期間以四種不同方式重新密封（Fig. 1）：

• screw cap：通過包裝上整合的關閉系統取出咖啡樣品進行測量；
• clip：在最初打開包裝後，每次取出咖啡樣品（49克咖啡）後使用夾子重新密封；
• canister：在最初打開包裝後，將咖啡豆轉移到密封的金屬容器中，之後每次都從容器中取豆；
• tape：打開後，每次取樣後都使用膠帶重新密封包裝。

這四種次級保質期的密封方式，還搭配一個reference（參考樣品）- 標準樣品，未開封的包裝；每次分析都開啟一個新包裝。所有後續的數據和圖表都是從烘焙後三週開始標示研究持續時間。

圖1. 本研究中使用的五種包裝處理方式：reference sample（參考樣品）- 未開封的包裝；screw cap（螺旋蓋）- 使用包裝上整合的關閉系統；clip（夾子）- 使用夾子關閉包裝；canister（金屬罐）- 將咖啡豆轉移到密封的金屬容器中，之後每次都從容器中取豆；tape（膠帶）- 每次取樣後都使用膠帶重新密封包裝。

2.2. Chemicals

以下化學品被用作 GC/MS 鑑定的外部標準：dimethyl disulfide（二甲基二硫化物，純度>98%）、2-butanone（2-丁酮，純度>99%）、2-methyfuran（2-甲基呋喃，純度99%）由 Sigma-Aldrich（瑞士布克斯）提供，而 methanethiol（甲硫醇，5% 在 triacetin 中）由 Penta（美國利文斯頓）提供。

2.3. Determination of O2 and CO2 in packages

使用 CheckPoint II 設備（Dansensor，丹麥 Ringsted）測量包裝內的 O2 和 CO2 濃度，以評估試驗期間每個包裝內的氣體變化。一些包裝在試驗開始時已經有較高的氧氣濃度。考慮到它們最初都是在惰性氣體（N2）下包裝的，初始 O2 濃度 > 0.5% 的包裝被排除在外。

2.4. Sample preparation

每個包裝一次準備一個樣品（包括參考樣品在內的5種不同類型包裝，每種包裝5次重複）；使用 GC/MS (7890 A/5975 C, Agilent Technologies) 分析研磨咖啡上方的 headspace。樣品由 MPS2 自動進樣器（Gerstel，德國）處理。注入前，樣品在樣品瓶中以70°C孵育20分鐘，以0.2 mL/s的速度取樣1 mL氣體並注入GC/MS系統。分離在 DB-WAX 色譜柱（30 m x 0.25 mm × 0.25 µm）上進行，氦氣載氣流速1 mL/min，分流比30:1，注入器溫度250°C。溫度程序如下：20°C保持6分鐘，然後以10°C/min升至70°C，以5°C/min升至170°C，最後以40°C/min升至220°C。用於形成新鮮度指數的化合物是通過將質譜和保留時間與外部標準進行比較來鑑定的，並通過將每個單獨樣品的光譜與NIST 11質譜數據庫進行比較來進一步檢查，以確保保留時間的重現性。

2.5. Headspace gas chromatography mass spectrometry (HS GC/MS)

使用 GC/MS (7890 A/5975 C, Agilent Technologies) 分析研磨咖啡上方的 headspace。每個包裝型態（包括參考樣品在內共5種不同類型包裝，每種包裝5次重複）一次準備一個樣品。樣品由 MPS2 自動進樣器（Gerstel，德國）處理。注入前，樣品在樣品瓶中以70°C孵育20分鐘，以0.2 mL/s的速率取樣1 mL氣體並注入GC/MS系統。分離在 DB-WAX 色譜柱（30 m x 0.25 mm × 0.25 µm）上進行，氦氣載氣流速1 mL/min，分流比30:1，注入器溫度250°C。溫度程序如下：20°C保持6分鐘，然後以10°C/min升至70°C，以5°C/min升至170°C，最後以40°C/min升至220°C。用於形成新鮮度指數的化合物是通過將質譜和保留時間與外部標準進行比較來鑑定的，並通過將每個個別樣品的光譜與NIST 11質譜數據庫進行比對來進一步確認，以確保保留時間的重現性。

2.6. Data analysis

數據分析使用 R Statistical Computing（R Foundation for Statistical Computing，奧地利維也納）3.6.1 版本進行。參考樣品被視為外部標準，並相對於標準樣品進行測量校準。使用 GC/MS 訊號強度（峰面積）來計算新鮮度指數。指數的演變使用線性回歸進行建模，並使用帶有虛擬模型交互變量的模型 t 檢驗和嵌套模型的 ANOVA 來比較結果。對於主成分分析（PCA），從 GC/MS 色譜圖中檢測到的 55 個峰值（表 A1，補充材料）經過總 GC/MS 離子強度標準化、居中和縮放處理。

3. 結果與討論

使用 GC/MS 分析研究咖啡包裝開封後在不同儲存條件下的新鮮度損失和變質情況。GC/MS 色譜圖峰面積被用於開發新鮮度指標和主成分分析（PCA）。為了使基於 GC/MS 分析的研究結果更具脈絡，測量了包裝中的 CO2 和 O2 含量，並針對不同儲存條件進行比較，同時與未開封包裝進行對照。

3.1. Freshness indices

根據先前研究（Gloss et al., 2014），2-butanone / 2-methylfuran 指數已被證明非常適合評估咖啡豆整顆儲存時的新鮮度變化。在 Gloss et al.（2014）進行的研究中，咖啡豆在一級保質期條件下儲存了一年。值得注意的是，本研究只涵蓋了9週的時間；2-butanone / 2-methylfuran 指數在未開封的包裝中保持穩定，僅顯示輕微的下降趨勢（斜率 −0.0099，p < 0.001）。然而，在其他樣品中，經過參考樣品校正後，該指數明顯增加（表1）。

2-butanone / 2-methylfuran 指數的變化如圖2a所示。這兩種化合物在咖啡中的化學反應都相對穩定。因此，這個指數的變化主要可以追溯到兩種化合物之間的揮發性差異。雖然 2-methylfuran 是咖啡中最具揮發性的化合物之一（沸點：63-66°C；蒸氣壓：176 mmHg @ 25°C；logP (o/w)：1.850），2-butanone 的揮發性略低且極性更高（沸點：78-80°C；蒸氣壓：91 mmHg @ 25°C；logP (o/w)：0.290）。因此，指數的變化主要是由這兩種化合物在儲存過程中通過蒸發造成的不同損失所驅動。

Fig. 2. The development of two coffee freshness indices: (a) 2-butanone / 2-methylfuran; (b) dimethyl disulfide / methanethiol, after opening the package through the duration of the study.

由於2-methylfuran的流失，所有包裝方法的新鮮度指數都隨時間增加，這很可能是通過蒸發造成的。這個指數顯示了研究期間採用的四種包裝封口方式之間存在顯著差異。最高的增長率和與參考包裝的最大差異是出現在轉移到罐子中的咖啡豆，其次是每次取樣後用膠帶重新封口的包裝。這些方法在取樣咖啡豆和儲存過程中造成了HS（頂空）氣氛的最大變化，導致新鮮度指數上升最快。

使用簡單的線性模型來模擬 2-butanone / 2-methylfuran 指數的增加。開封後使用不同包裝方法所造成的香氣損失差異反映在線性模型的斜率上（Table 1）。模型之間差異的顯著性被發現很高；任意兩個線性模型之間的指數斜率都有顯著差異。對所有兩個線性模型組合進行的巢狀 ANOVA 分析表明存在顯著差異（Table 1）。

2-butanone / 2-methylfuran 指數明確顯示，在研究期間使用不同的包裝封口方式會導致咖啡香氣揮發性化合物的損失率不同。因此，這項研究證明 2-butanone / 2-methylfuran 指數能夠在二次保質期條件下，根據高揮發性香氣化合物的損失程度，區分不同的封口方法。

二甲基二硫化物/甲硫醇比率是監測咖啡劣化的敏感指標。其靈敏度是由於甲硫醇具有高度揮發性、反應性和對氧化的敏感性。通過甲硫醇的氧化，形成二甲基二硫化物，隨後形成二甲基三硫化物。在儲存過程中，當甲硫醇減少時，其氧化產物二甲基二硫化物會在進一步降解之前形成。這種二甲基二硫化物/甲硫醇的行為反映在開封包裝的指數值穩定增加中（圖2b）。

在儲存八週內，無論開封包裝的處理方式如何，甲硫醇的 GC/MS 信號強度降低到初始值的約15%（數據未顯示）。對於參考包裝中的咖啡（一次保質期），甲硫醇也顯著降低到研究開始時原始值的約33%（數據未顯示）。在惰性氣氛中儲存咖啡豆的情況下，包裝中觀察到的甲硫醇減少主要是由於甲硫醇在咖啡豆中的固有不穩定性（容易分配到頂空中），此外還有一些與包裝中殘餘氧氣的反應。

由於甲硫醇的高敏感性和快速變化，這個指數無法區分四個開封包裝的樣品。似乎開封包裝時引入的氧氣強烈降低了甲硫醇含量，在二次保質期期間無法區分不同的封口方法。甲硫醇的包含使這個指數能夠明確區分未開封和已開封的包裝，但是這個指數不適合用於區分二次保質期期間不同封口方法的劣化（新鮮度損失）情況。

3.2. Staling markers

在 55 種使用 HS-GC/MS 方法檢測到的化合物中（表 A1，補充材料），兩種化合物在開封的咖啡包裝的儲存時間內，其測量訊號強度顯著且持續增加（圖 3）。首先是 dimethyl disulfide，其增加的原因是它是 methanethiol 的氧化產物。增加主要發生在研究開始（開封包裝）和第 3 週之間（使用 clip、罐子和膠帶樣品的兩個樣本 Welch t 檢驗的 p 值：p < 0.01，螺旋蓋樣品：p < 0.05）。密封包裝中的樣品訊號強度保持穩定，有輕微下降的趨勢但不顯著（p = 0.12）。這表明在二次保質期情況下直到第 3 週，methanethiol 濃度足夠高，可以產生可測量的 dimethyl disulfide 量，而在第 3 週之後，剩餘的 methanethiol 太少，無法進一步增加 dimethyl disulfide 含量。

Fig. 3. The MS response of the dimethyl disulfide (a) and hexanal (b) measurements of ground coffee as a function of the time after opening the package.

Hexanal 是第二個在開封包裝的樣品中隨時間增加測量信號強度的化合物（使用兩個樣本 Welch t-test 在第一次測量和 3 週後的 p 值：clip 和罐子樣品：p < 0.05，膠帶和螺旋蓋樣品：p < 0.01，參考樣品不顯著）。由於 Hexanal 是脂肪酸氧化的產物，之前已被建議作為咖啡劣化的標記物或新鮮度指數的組成部分（Marin et al., 2008）。這項研究的結果顯示，在包裝開封後，研磨咖啡樣品上方頂空中的 hexanal 測量信號略有增加。測量到的 hexanal 信號增加相對較小，可以假設對於本研究中的樣品，這種微小的增加太不顯著，不能被認為對感知到的劣化有影響，也不能被視為實際可應用的劣化標記物。

3.3. Principal component analysis

為了將 2-butanone / 2-methyfuran 新鮮度指數的結果（用於區分咖啡包裝開封後的使用方式）置於更廣泛的背景中，對整個 GC/MS 數據集（55個色譜峰，表 A1，補充材料）進行了 PCA 分析。數據分析的非靶向方法證實了從新鮮度指數中已經可以看到的情況。主保質期樣品的 PCA 得分在最低的 PC1 值處緊密地聚集在一起。PC1 維度在時間軸上按開封後的時間分離開封包裝的取樣點。圖 4a 中的數字顯示開封包裝後的週數，可以沿著 PCA 圖看到連續的編號。PC2 維度進一步分離了初次開封後儲存咖啡的不同方法。這種 PCA 分離強烈表明，在 PC1-PC2 二維空間中最接近參考樣品的點應被視為與參考樣品相比失去最少香氣的樣品。

Fig. 4. PCA of 55 GC/MS chromatogram peaks. The numbers on the plots are weeks after package opening, except for the references sample where each time five new packages were opened.

3.4. CO2 and O2 content

存儲期間包裝內 CO2 和 O2 的演變如圖 5 所示。實驗使用的包裝在未開封存儲三週後，初始濃度約為 70%（v/v）的 CO2 和低於 0.5%（v/v）的 O2。初始 O2 濃度高於 0.5%（v/v）的包裝被排除在後續實驗之外。在未開封包裝中，O2 濃度在整個實驗過程中保持非常低且接近零，而由於脫氣過程，CO2 濃度在 9 週存儲期結束時略微增加到約 77%。這些結果表明包裝具有有效的屏障，且包裝中整合的單向閥按預期運作。

Fig. 5. The change in concentration of CO2 (a) and O2 (b) in packages during the study.

開啟包裝後的樣品中，空氣組成在前10天內就發生了快速變化，四種包裝處理方式之間存在明顯差異。對於將咖啡完全倒入容器或使用膠帶封閉包裝的方式，在包裝開啟後一週內，O2 濃度就上升到環境水平（21%）。同時，CO2 濃度基本降至零。由於 CO2 和氮氣代表了包裝中咖啡的保護性氣氛，包裝頂空組成迅速變為空氣會使咖啡更容易受到氧化降解和變質。使用夾子或螺旋蓋包裝的表現稍好一些。然而，在初次開啟包裝後，O2 濃度仍會上升到 10% 以上。在 2 週後（4 次取樣），包裝內的 O2 濃度與環境氧氣水平的差異在 1%（v/v）以內。

CO2 濃度的演變（圖 5b）反映了所有四種包裝類型的 O2 模式。對於轉移到容器或使用膠帶重新密封的方式，我們觀察到包裝內的整個頂空空間迅速被空氣取代。通過測量 CO2 濃度的下降，可以估算每次取樣期間頂空替換的程度。使用螺旋蓋包裝時，每次取咖啡樣品時的頂空替換約為 60%，而使用夾子封閉包裝時約為 75%。對於密封罐和膠帶樣品，每次取樣時，實際上整個頂空體積都被空氣替換。就密封罐而言，這是由於原包裝的保護性氣氛被消除以及開口面積較大所致。對於用膠帶封閉包裝的情況，推測無法達到氣密封閉，因此在下次取樣時已發生完全的氣體交換。這些觀察結果與 GC/MS 結果一致，並支持了基於頂空組成的結論。

4. 結論

這是第一個系統性研究開封後整顆咖啡豆變質的情況，涵蓋了四種主要的消費者咖啡處理習慣。它補充了先前關於咖啡保質期的研究，並闡明了失去新鮮度的主要因素。研究同時使用了目標性和非目標性方法來確定不同存儲方式下咖啡的變質情況。本研究從化學角度評估了咖啡在次級保質期和典型處理條件下的變化。包裝上整合的螺旋蓋似乎是保護咖啡香氣最有效的系統。然而，要完整評估次級保質期的持續時間和樣品的品質接受度，除了化學分析外，還需要進行感官研究來確定接受閾值。目前正在進行研究，以更好地理解不同指標變化背後的化學原理，並制定更詳細的策略和建議來保持咖啡的新鮮度和品質。此外，化學分析將與 sensory evaluation（感官評估）相結合，整合這兩個方面，為研究次級保質期內的變質和新鮮度損失發展更全面的方法。