引言
咖啡是全球消费最广泛的饮品之一，也是国际贸易中最有价值的农产品之一。2023/2024咖啡年度，全球咖啡消费量估计约为1.77亿袋（60公斤/袋）（ABIC, 2025a）。在此背景下，巴西作为全球最大的咖啡生产和出口国，发挥着关键作用，2024年产量约为5420万袋（60公斤/袋），创收约795.9亿雷亚尔（ABIC, 2025b; Embrapa, 2025）。
尽管咖啡属已确认的物种超过130种，但只有阿拉比卡咖啡和中果咖啡主导了全球咖啡生产，两者合计占世界总产量的95%以上（ABIC, 2025a; Embrapa, 2025; Royal Botanic Gardens, 2025）。这两个物种在市场上的价值差异显著。在过去五年中，阿拉比卡咖啡的市场价格始终远高于中果咖啡，在某些时期价格达到后者的约2.5倍（CONAB, 2025）。这一价差主要归因于阿拉比卡咖啡在精品和美食咖啡市场中占据主导地位，与中果咖啡相比，其感官品质普遍被认为更为优异（Baqueta等人, 2024）。
这种显著的价差为食品欺诈创造了强烈的经济动机，特别是用较廉价的中果咖啡掺假高价值的阿拉比卡咖啡。此类欺诈行为不仅给消费者和合法生产者带来经济损失，还可能削弱消费者信心，并视掺假性质不同而可能对食品安全构成潜在风险（Nallan Chakravartula等人, 2022）。
烘焙研磨咖啡尤其容易遭受食品欺诈，因为研磨过程阻碍了对其组分的目视识别。常见的掺假行为包括添加外来物质，如烘焙谷物、咖啡壳、树枝、土壤及其他异物。此外，高价值的阿拉比卡咖啡常被较廉价的中果咖啡掺假，使得物种认证成为一项重大分析挑战（Couto等人, 2022）。在巴西，烘焙研磨咖啡的质量标准由SDA第570/2022号令规定，其中限制异物含量不超过1%，并要求标明所使用的咖啡物种。
遵守这些监管要求需要可靠的咖啡认证分析方法。目前，巴西官方采用的烘焙研磨咖啡检查方法是显微镜检查法（Lopez, 1974）。然而，该方法存在诸多局限性，包括劳动密集、需要高技能分析师、分析通量有限，且更适合检测外来物质而非区分咖啡物种。
近红外光谱技术已被广泛应用于咖啡分析，包括使用高光谱成像系统评估烘焙度（Chu等人, 2018）、通过常规和高分辨率近红外方法检测咖啡掺杂物（Forchetti & Poppi, 2020; Nallan Chakravartula等人, 2022; Winkler-Moser等人, 2015）、使用多光谱成像区分阿拉比卡咖啡和中果咖啡（Mihailova等人, 2022）、使用常规近红外光谱定量阿拉比卡咖啡中果咖啡的掺假含量（Correia等人, 2018; Pizarro等人, 2007），以及比较近红外高光谱成像和傅里叶变换红外光谱在阿拉比卡咖啡研磨烘焙混合物中对中果咖啡进行分类和定量分析的效果（Sahachairungrueng等人, 2022）。尽管取得了上述进展，但尚未有分析方法的报道能够通过近红外高光谱成像在不同烘焙度下以像素级分类方式直接检测烘焙研磨阿拉比卡咖啡中的中果咖啡掺假，同时提供空间分辨的化学信息以支持靶向确证分析。因此，本研究旨在开发并验证一种基于近红外高光谱成像的简单、快速且稳健的分析方法，以像素级方式检测不同烘焙度下烘焙研磨阿拉比卡咖啡中的中果咖啡掺假。
近红外光谱技术相较于传统分析方法具有多项优势，包括分析快速、样品前处理最少、非破坏性测量、运行成本低以及无需使用溶剂和化学试剂。这些特点与绿色分析化学的原则（Pena-Pereira等人, 2020）以及更近的白色分析化学理念相一致，后者将环境可持续性与分析性能、实用性和经济可行性相结合（Nowak等人, 2021）。在近红外技术中，高光谱成像已成为一种尤为强大的方法，因为它结合了光谱和空间信息，能够获取每个图像像素的化学信息（Nallan Chakravartula等人, 2022）。这种能力对于烘焙研磨咖啡等异质性固体样品尤为有利，因为它能够定位可疑颗粒，并最大限度地减少传统基于点测量的光谱分析中常见的采样局限性。
尽管具有上述优势，近红外高光谱成像也面临重要的分析挑战，特别是所产生的光谱数据量大且维度高。因此，提取有意义的化学信息依赖于化学计量学方法的应用。自Kowalski（1977年）提出将数学和统计方法应用于分析测量以提取相关化学信息以来，化学计量学已成为处理光谱数据不可或缺的工具。化学计量学已成功应用于咖啡分析，包括探索性数据分析、分类以及使用不同化学计量学方法建立的预测模型（Chu等人, 2018; Correia等人, 2018; Forchetti & Poppi, 2020; Mihailova等人, 2022; Nallan Chakravartula等人, 2022; Pizarro等人, 2007; Winkler-Moser等人, 2015）。因此，本研究采用近红外高光谱成像结合主成分分析和偏最小二乘判别分析，开发并验证了一种稳健的方法，用于检测烘焙研磨阿拉比卡咖啡中的中果咖啡掺假。
