咖啡及其副产品作为多功能食品和配料

《Annual Review of Food Science and Technology》：Coffee and Coffee By-Products as Multifunctional Foods and Ingredients

　　

咖啡含有多种生物活性化合物，对人体健康具有潜在益处。研究表明，咖啡可能表现出神经保护特性，可能预防阿尔茨海默病和帕金森病等神经退行性疾病的发生。咖啡副产品（果肉/果壳、银皮和废咖啡渣）具有与咖啡相似的植物化学特性和健康益处。它们还富含膳食纤维、碳水化合物、酚类化合物和咖啡因，其含量因饮料加工、烘焙和制备方法而异。咖啡及咖啡工业副产品是影响肠道微生物群的独特功能性成分来源。本综述旨在总结全咖啡樱桃、咖啡豆和咖啡副产品的植物化学和营养成分，以及它们在支持人类健康、神经保护和代谢健康方面的生物利用度（bioavailability）、生物活性（bioactivity）和多功能性（multifunctionality）。咖啡及其副产品的生物活性化合物表明它们作为功能性饮料、膳食成分和健康补充剂具有独特的适用性。关键词：生物利用度（bioavailability）、副产品（by-products）、咖啡（coffee）、植物化学物质（phytochemicals）、多酚（polyphenols）。

**论文解读：咖啡及其副产品作为多功能食品与配料的综合评述**

**研究背景与现存问题：** 咖啡是全球消费最广泛的饮料之一，仅次于石油的贸易量，主要品种为阿拉比卡（*Coffea arabica*）和罗布斯塔（*Coffea canephora*）。全球咖啡产业每年产生约4000万吨生物废物，包括果壳、果肉、银皮和废咖啡渣等固体废弃物，这些通常被填埋、焚烧或混入动物饲料，因富含咖啡因和单宁而降低土壤质量并可能产生致癌物。咖啡及其副产品含有生物碱（咖啡因、葫芦巴碱）、酚类化合物[绿原酸（chlorogenic acids, CGAs）]、二萜（咖啡醇、卡维醇）以及膳食纤维等，被认为具有神经保护、代谢调节等健康益处。然而，以往研究多关注咖啡本身，对副产品的综合利用、生物利用度（bioavailability）以及多组分协同作用的理解尚不充分。因此，开展本研究旨在系统总结咖啡樱桃、咖啡豆及副产品的植物化学与营养成分、生物利用度、生物活性及其在支持人类健康、神经保护和代谢健康方面的多功能性，为开发功能性食品和膳食补充剂提供依据。

**研究内容与主要结论：** 研究人员通过综述现有文献，全面分析了咖啡樱桃各部位（外果皮、中果皮、内果皮、银皮、胚乳）的化学成分，比较了绿咖啡豆与副产品（银皮、果壳/果肉）中多酚、生物碱、二萜和营养素的差异；探讨了不同加工方法（干法、湿法、半干法）和烘焙程度对化学成分的影响；总结了冲泡方式对提取物组成的作用；评价了咖啡及其副产品的生物利用度研究方法及影响因素；归纳了咖啡消费与疾病预防（如2型糖尿病、神经退行性疾病等）的关联；最后提出了副产品在功能性食品中的应用前景。研究结论认为：咖啡及其副产品中的主要生物活性化合物（咖啡因、葫芦巴碱、CGAs、二萜）具有抗氧化、抗突变、保肝、降糖、心血管保护及神经保护等潜力；不同加工和烘焙条件会显著改变这些化合物的含量与生物利用度；副产品（银皮、果壳、果肉）可作为膳食纤维、酚类化合物和咖啡因的优质来源，可用于开发面包、饼干、酸奶、饮料等功能性食品，减少环境废物并提升附加值。

**主要关键技术方法：** 研究人员综合运用了多种分析技术来研究咖啡及其副产品的化学组成、生物利用度与生物活性。这些技术包括高效液相色谱-电喷雾电离-质谱（HPLC-ESI-MS）、超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）、高效液相色谱-二极管阵列检测器-多级质谱（HPLC-DAD-ESI/MSn）以及紫外-可见检测法（HPLC-UV-Vis）。生物利用度研究通过体外消化模型（模拟胃肠道消化）、细胞培养模型、代谢组学分析、尿液排泄研究以及随机临床试验（RCTs）进行。样本来源涉及多个国家的咖啡样品（如从中国、印度、墨西哥、乌干达、越南、喀麦隆、印度尼西亚等地采集）以及人体干预试验（如Mena et al. 2021、Duarte & Farah 2011等）。

**研究结果（按原文小标题概括）：**

**2. COFFEE PHYTOCHEMICALS: BIOACTIVE COMPOUNDS AND NUTRITIONAL COMPOSITION**
- **2.1 全咖啡樱桃**：通过分析樱桃各部位化学成分，发现5-咖啡酰奎宁酸（5-CQA）和3-二咖啡酰奎宁酸在未成熟樱桃中含量高达8.4%，成熟后降至2.3%；咖啡因在胚乳中积累，成熟期稳定在约1%（干重）；葫芦巴碱在果实成熟过程中增加；碳水化合物和蛋白质分布具有组织特异性。
- **2.2 绿咖啡豆**：通过比较阿拉比卡与罗布斯塔豆，发现CGAs占干重12%以上，罗布斯塔总酚含量（7–14%干重）高于阿拉比卡（4–8%）；罗布斯塔咖啡因含量（15–25 mg/g干重）约为阿拉比卡的两倍；二萜（咖啡醇和卡维醇）在阿拉比卡中更高，且与烘焙质量相关。
- **2.3 咖啡银皮**：通过测定，发现银皮酚类含量（0.4–3.6%干重）比绿咖啡豆低五倍，但仍以CGAs为主；咖啡因含量与咖啡豆相当（3.7–36.7 mg/g干重）；含有二萜衍生物如苍术苷（atractyligenin）和呋喃二萜苷（furokaurane），具有抗皮肤光老化潜力。
- **2.4 咖啡果壳和果肉**：通过分析，果壳总酚量为2.5–4.5 mg/g干重，5-CQA为主要酚酸；咖啡因含量0.3–3.6 mg/g干重；果壳含10–20%蛋白、58–85%碳水化合物，果肉含4–12%蛋白、45–89%碳水化合物。

**3. COFFEE PROCESSING METHODS AND THEIR EFFECT ON COFFEE COMPOSITION**
- **3.1 咖啡加工**：干法处理使蔗糖增加、葫芦巴碱和3-CQA减少，同时产生更多γ-氨基丁酸（GABA）；湿法处理提升碳水化合物和有机酸含量，降低氨基酸和矿物质；半干法产生较低的总绿原酸和葫芦巴碱含量。
- **3.2 咖啡烘焙**：烘焙大幅降解CGAs，生成绿原酸内酯和奎宁酸，增加苦味；咖啡因在高温下因升华减少（深烘咖啡因含量低于浅烘）；葫芦巴碱降解达90%，形成N-甲基吡啶等风味物质；二萜减少约75%（浅烘中游离咖啡醇和卡维醇最高）；蛋白质变性并形成类黑精；蔗糖分解产生羧酸和呋喃；挥发性化合物超过1000种，但仅30–50种决定香气。
- **3.3 咖啡冲泡**：滤泡式和摩卡壶咖啡总酚量（约0.69–0.70 g GAE/100 g）高于土耳其咖啡（0.47 g GAE/100 g）；咖啡因含量取决于萃取条件；煮沸、土耳其法和法压壶咖啡中咖啡醇含量最高；挥发性化合物主要包含吡嗪、呋喃、醛类等，萃取时间影响其释放。

**4. COFFEE PROCESSING BY-PRODUCTS**：通过总结文献，咖啡副产品（果壳/果肉、银皮、废咖啡渣）约占咖啡鲜果的50%以上，富含矿物质、蛋白质、膳食纤维、咖啡因和CGAs。银皮为唯一烘焙副产品，废咖啡渣富含膳食纤维（62%）和蛋白质（13.6%）。

**5. BIOAVAILABILITY OF WHOLE COFFEE CHERRY COMPOUNDS AND COFFEE BY-PRODUCTS IN HUMANS**：通过体外消化和人体干预研究，发现咖啡酚类的生物利用度范围6–70%（平均31%），受加工、食物基质和肠道微生物影响；绿咖啡豆比烘焙豆提供更多游离CGAs；银皮强化酸奶经体外消化后总酚和5-CQA含量增加，表明副产品化合物具有生物可及性。

**6. COFFEE AND COFFEE BY-PRODUCTS IN HEALTH AND DISEASE PREVENTION**：通过流行病学和干预研究，咖啡消费与降低2型糖尿病（T2D）、心血管病、肝病、神经退行性疾病（帕金森病、阿尔茨海默病）风险相关；咖啡因增强认知和警觉性；CGAs具有抗氧化、抗炎、抗高血压活性；葫芦巴碱具有降血糖、神经保护、抗癌等作用。

**7. APPLICATION FOR FUNCTIONAL FOOD AND/OR NUTRACEUTICAL FORMULATIONS**：通过案例研究，银皮用于面包、饼干、酸奶、肉制品等，具有抗氧化和膳食纤维功能；果壳制成卡斯卡拉茶（cascara tea）或面粉用于烘焙；全咖啡樱桃提取物（如CognatiQ?/Neurofactor?）经随机临床试验证明可增强脑连接和认知表现。

**总结讨论与结论翻译：** 本综述讨论了咖啡及其副产品中含有的生物活性化合物，包括咖啡因、葫芦巴碱、绿原酸和二萜。这些化合物有助于形成香气，并可能与咖啡的健康益处相关联，包括抗氧化活性、抗突变能力、保肝作用、降低2型糖尿病发病率、降低心血管疾病及神经和代谢综合征（包括帕金森病）的风险，以及预防某些癌症类型。三种主要生理活性成分——咖啡因、葫芦巴碱和CGAs之间的相互作用，使咖啡作为功能性饮料、膳食成分和补充剂具有独特的应用价值。这些生物活性化合物在绿咖啡豆中含量丰富，在烘焙豆中有所下降，但在冲泡的咖啡杯中仍有显著含量。更全面地理解咖啡的益处及其成分的作用机制，将有助于应用这些知识来改善健康和未来的治疗手段。咖啡副产品（如咖啡果壳、果肉或银皮）可以用于开发创新功能性食品、食品成分和补充剂，而不是填埋、焚烧或作为农业废物处理。