咖啡中功能性成分分離檢測技術及安全性評價

楊剴舟，翟曉娜，杜秉健，冷小京*

（中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京 10008 3）

咖啡中功能性成分分離檢測技術及安全性評價

楊剴舟，翟曉娜，杜秉健，冷小京*

（中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京 10008 3）

咖啡以其獨特的風味口感以及生理活性成為世界范圍內最重要的食品類商品之一。咖啡的生理活性主要來自于咖啡中的咖啡因、綠原酸以及類黑精等功能性 成分，這些成分具有醒腦提神、抗憂郁、抗氧化、抗菌以及預防癌癥等方面的生物活性。因此，咖啡中功能性成分的分離提取、分析檢測以及其安全性評價已經成為目前研究的熱點。本文對咖啡中功能性成分咖啡因、綠原酸和類黑精的分離檢測技術及其安全性評價研究進展進行綜述，為咖啡中功能性成分的分離分析以及科學使用提供前沿的科學參考。

咖啡；咖啡因；綠原酸；類黑精；提取；檢測分析；安全評價

咖啡作為世界三大飲料之一，已經被消費飲用了1 000多年，迄今為止全球消費咖啡超過4 000億杯[1]。咖啡是茜草科植物Coffea L.的種子，大概有70多個品種，目前全球主要種植的品種是Coffea arabica和Coffea canephora（robusta）。巴西是世界上最大的咖啡豆種植國家[2]。咖啡中含有豐富的功能性成分，其中Arabica咖啡和Robusta咖啡生豆中酚酸類化合物綠原酸含量分別為6.7%～9.2%和7.1%～12.1%；咖啡因含量分別為0.8%～1.4%和1.7%～4.0%[2]；類黑精只存在于烘焙后的咖啡豆中，含量為16.0%～17.0%[3]。咖啡中的功能性成分除了賦予咖啡獨特的風味口感外，還具有醒腦提神[4]、抗菌抗炎[5]、抗氧化[6]、抗癌[7]、治療機體代謝綜合征[8]和抑制體質量[9]等生物活性。本文通過對目前國內外最前沿的咖啡功能性成分分離檢測技術和安全性評價研究進行綜述，為咖啡功能性成分的檢測分析和合理使用提供參考。

1 咖啡因、綠原酸和類黑精簡介

1.1 咖啡因

圖1 咖啡因化學結構式Fig.1 Chemical structure of caffeine

咖啡因又稱為1,3,7-三甲基黃嘌呤，分子結構見圖1，是一種廣泛存在于烘焙的咖啡豆、茶葉、可可豆以及可樂果等植物中的生物堿類物質。咖啡因在咖啡中的含量大約在0.8%～4.0%之間，咖啡因結構十分穩定，烘焙前后含量基本不變[2]。咖啡因對諸多身體生理功能有益，比如能夠抗憂 郁、控制體質量、預防癌癥等，其中最主要在于其對中樞神經系統的影響，比如具有醒腦提神以及止疼等作用。

1.2 綠原酸

圖2 5-咖啡酰奎寧酸化學結構式Fig.2 Chemical structure of 5-CQA

綠原酸（caffeoylquinic acid，CQA）主要是由咖啡酸、阿魏酸以及香豆酸等肉桂酸和奎寧酸酯化所形成的酚酸類化合物。常見的綠原酸單體主要有5-咖啡酰奎寧酸（5-CQA）（分子結構見圖2）、二咖啡酰奎寧酸（diCQA）以及阿魏酸酰奎寧酸（5-FQA），其中5-咖啡酰奎寧酸的含量最高，大約占到咖啡中總綠原酸含量的72%[11]。綠原酸在咖啡生豆中的含量很高，含量大約在6.7%～12%之間；而烘焙后咖啡豆中的綠原酸含量為咖啡豆干質量的2.7%～3.1%[12]。這是由于大部分的綠原酸會發生降解，生成綠原酸內酯物[13]以及參與美拉德反應高級產物類黑精的合成過程[14]。綠原酸是咖啡中最主要的酚酸類化合物，具有良好的抗氧化、抗菌抗炎、清除自由基等生理功能。

1.3 類黑精

類黑精（Melanoidins）是食品中的羰基和氨基化合物發生美拉德反應所形成的棕褐色、大分子質量的聚合終產物。咖啡中的類黑精主要形成于咖啡烘焙過程中，烘焙后的咖啡豆中類黑精含量在16.0%～17.0%之間；在沖煮咖啡中占干物質總質量的25%[15]。類黑精主要包括高分子質量的類黑精和低分子質量的類黑精，其中高分子質量類黑精含量在59%左右，分子質量在12～14 kD之間。研究發現延長烘焙時間會顯著的增加高分子質量類黑精的含量，并且相比較于低分子質量類黑精，高分子質量類黑精具有更深的棕褐色[3]。類黑精的形成過程極其復雜，目前主要有3個相關的合成理論：理論1是類黑精是由低分子質量美拉德反應中間體比如呋喃類、吡咯類、吡咯并吡咯類以及它們的衍生物在反應最后階段相互聚合所形成，如圖3所示[16]；理論2是類黑精是由蛋白結合生成吡咯啉酮賴氨酸還原酮聚合物，分子中含有賴氨酸的側鏈，如圖4所示[17]；理論3是類黑精的分子骨架主要是由糖分解代謝產物分支與氨基化合物比如氨基酸聚合而成，如圖5所示[18]。咖啡類黑精作為咖啡中還原糖和蛋白質或氨基酸殘基美拉德反應的產物，良好地繼承了功能性糖分子和蛋白質的生理功能，具有清除機體自由基、抗氧化、抗菌、防齲齒和改善腸道微環境等諸多有益的生理功能。

圖3 類黑精合成理論1中間體結構Fig.3 Chemical structures of intermediates during melanoidins synthesis according to Theory 1

圖4 類黑精合成理論2中分子結構Fig.4 Chemical structure of melanoidin synthesized according to Theory 2

圖5 類黑精合成理論3中分子結構Fig.5 C hemical structure of melanoidin synthesized according to Theory 3

2 咖啡因、綠原酸和類黑精的提取分離技術

目前國內外分離提取咖啡因、綠原酸以及類黑精的方法大致有溶劑萃取法、超臨界流體萃取法、吸附和解吸法等。

2.1 溶劑萃取法

溶劑萃取法是利用咖啡因、綠原酸和類黑精易溶于水或有機溶劑的原理提取咖啡因，主要包括熱水提取法、醇提法（甲醇和乙醇等）和有機溶劑提取法（三氯甲烷、二氯甲烷等）。雖然近來也有通過結合微波和超聲波等物理場的方法來提高功能成分的提取率，但溶劑萃取法仍是目前咖啡中功能成分的主要提取技術。由于提取物質純度不高，溶劑法一般應用于咖啡功能成分的粗提取。徐鳳英[19]分別采用水提法、醇提法和有機溶劑提取法對茶葉中的咖啡因進行提取，并對3種提取工藝進行比較。研究發現醇提法的咖啡因提取率（g咖啡因/g原料）為最高的0.67%，其次為水提法的0.58%，有機溶劑提取法提取率為0.50%。然而，醇提法效率較低，耗時為水提法的2倍。李婧等[20]采用微波輔助萃取技術高選擇性脫除茶葉中咖啡因，以沸水為溶劑，在固液比1∶50（m/V），微波功率160 W，微波時間6 min的條件下，咖啡因脫除率（g脫除咖啡因/g總咖啡因）高達80.56%。Bi等[21]在超聲波處理下采用不同溶劑對咖啡豆殘渣脫除咖啡因的效果進行了研究得出最佳的咖啡因提取工藝為：超聲萃取，水和乙醇體積比50∶50（V/V），提取溫度80 ℃，提取時間60 min，固液比1∶20（m/V），咖啡因提取率為0.33%。Upadhyay等[22]在微波處理下采用水相和溶劑相（甲醇和乙醇）對Robusta咖啡生豆中的綠原酸、咖啡因和多酚類物質進行提取研究發現，提取的最佳條件是微波功率800 W，提取溫度50 ℃，提取時間5 min，提取溶劑為水。在最佳條件下綠原酸和咖啡因的最大提取率分別為8.40%和7.25%，結果明顯高于相同條件下采用甲醇或乙醇為溶劑的熱回流萃取所得到的綠原酸和咖啡因的提取率。相比較于采用水作為溶劑，在醇溶劑微波條件下，綠原酸的提取率只有5.60%，但是其純度比以水作為溶劑得到的綠原酸純度高15%；咖啡因提取率為3.44%，兩者純度差別不大。微波法相比較于傳統的熱加熱回流法，具有效率高、萃取時間短、節約試劑以及產物得率高等諸多優點。

2.2 超臨界流體萃取法

超臨界流體萃取技術是一種新出現的應用于食品和藥品的清潔的提取技術。這項技術主要依賴于流體在超臨界狀態下的高滲透特性以及被萃取物質在超臨界流體中的溶解度，常用的超臨界流體主要是非極性的CO2。目前國內外采用超臨界流體萃取技術提取咖啡因和綠原酸的研究報道相對較多，研究的熱點主要集中在采用混合溶劑比如水和乙醇等提高咖啡因的提取效果上。Tello等[23]采用超臨界狀態下的CO2流體對咖啡殼廢料進行咖啡因提取研究，考察了超臨界壓力、溫度、時間以及流速對提取效果的影響。研究發現更高的流速和更長的萃取時間可以獲得更快的萃取速度；更高的萃取壓力和溫度可以獲得更高的咖啡因溶解度。在萃取溫度為373 K，萃取壓力為30 MPa，CO2和咖啡殼質量比為197∶1的條件下，咖啡因的萃取率最大，為84%。經后續水洗處理后，咖啡因的純度高達94%。Azevedo等[24]采用單純的CO2和CO2與乙醇或異丙醇的混合溶劑分別在超臨界條件下對咖啡生豆中的咖啡因、綠原酸以及咖啡油進行提取，研究發現采用單純CO2（15.2 MPa，50 ℃或60 ℃）、CO2和乙醇混合溶劑（24.8 MPa，50 ℃或60 ℃）以及CO2和異丙醇混合溶劑（35.2 MPa，50 ℃或60 ℃）的咖啡因得率（g咖啡因/g溶劑）分別為1.7%、17%和2%，得率較低的原因可能來自與咖啡豆中的咖啡因 和綠原酸聚合以及咖啡因和綠原酸之間的氫鍵被破壞，同時混合溶劑濃度較低也對咖啡因的得率有很大影響。

2.3 吸附和洗脫與分配色譜分離法

吸附與洗脫提取法是利用吸附劑與咖啡中功能性成分具有特有的吸附特性而與其它成分分離，然后再用洗脫劑將功能性成分洗脫下來的一種方法。Rodrigues等[25]采用以C18柱為吸附材料的固相萃取技術對20種Arabica咖啡和Robusta咖啡飲料中的咖啡因和有機酸進行分離，樣品采用甲醇和水作為洗脫劑，洗脫液通過高效液相色譜-紫外檢測器對咖啡因和有機酸進行定量。研究發現固相微萃取技術對于咖啡因的回收率高達98.1%。Jin等[26]在固相萃取過程中分別采用分子印跡聚合物（molecular imprinted polymer，MIP）和常規的C18硅膠柱作為吸附材料對綠茶中的咖啡因和一些兒茶素成分進行分離，并采用HPLC對咖啡因和兒茶素進行定量。在分子印跡聚合物制備中，采用咖啡因作為模版，甲基丙烯酸作為單體，兒茶素作為交聯劑，偶氮二異丁腈作為引發劑。研究發現以MIP作為吸附材料的咖啡因回收率是以C18硅膠柱作為吸附材料的回收率的2～4倍，并且咖啡因的純度接近100%，MIP較常規的C18柱對目標咖啡因分子具有更高的親和力和回收率。Romero-González等[27]采用逆流離心分配色譜法對咖啡中3種常見的綠原酸（5-CQA、5-FQA、3,5-diCQA）進行分離提取，在乙酸乙酯-正己烷為固定相，不同離子梯度的氯化鋰和硫酸銨-硝酸鉀在兩端分別作流動相的條件下成功實現了分離，同時催化5-CQA產生的異構體也得到了很好地分離。Gniechwitz等[28]采用以交聯葡聚糖和辛基瓊脂糖凝膠為固定相和以氯化鈉溶液為流動相的疏水作用色譜對沖泡咖啡高分子質量提取物中的類黑精成分進行分離提純，通過紫外可見光分光光度計在405 nm波長對類黑精含量進行檢測，發現類黑精水溶液質量濃度低至40 μg/mL，并且分子質量范圍在3～22 kD。

2.4 透析、超濾以及分子排阻色譜法

目前，對于咖啡中類黑精的分離提取方法主要有透析法、超濾法以及分子排阻色譜法。Bekedam等[29]采用0.7 m2的分子質量為3 kD的中空纖維過濾器和0.7 m2的分子質量為3 kD的透析膜對咖啡中的高分子質量類黑精和低分子質量類黑精進行分離提取，并通過紫外分光光度計在405 nm測定類黑精含量，結果發現高分子質量類黑精的含量為16%，而低分子質量的類黑精含量為82%，高分子質量類黑精含量為脫脂咖啡豆干重量的3.6%。Borrelli等[15]采用以交聯葡聚糖為色譜柱的凝膠過濾層析成功地對咖啡生豆和烘焙咖啡提取物中的類黑精進行分離提純，通過紫外分光光度計在405 nm波長對類黑精的組成進行檢測，并結合基質輔助激光解析電離飛行時間質譜對各部分組分進行鑒定分析。研究發現類黑精分子質量 在2～4 kD之間，低于預期值，這可能是由于具有高分子質量的 非離子化聚合物存在于樣品中但未被檢測到，也有可能由于聚合現象導致對分子質量的過高估計。

2.5 升華法

升華法[30]是利用咖啡因在溫度≥100 ℃時具有升華的性質，從而將其從咖啡浸提物中分離出來。目前常用的制備流程為：升華、去雜、重結晶、含水咖啡因；或浸提、去雜、升華、無水咖啡因。升華法一般配合上述方法對提取的粗咖啡因進行精制。

3 咖啡因、綠原酸和類黑精的定量檢測技術

國內外對于咖啡中功能性成分的分析檢測技術進行了大量并且卓有成效的研究，目前采用的檢測技術主要有高效液相色譜（high performance liquid chromatography, HPLC）、氣相-質譜聯用（gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS）、薄層色譜-質譜聯用（thin layer chromatography infrared spectrometry-mass spectrometry, TLC-MS）、紫外-可見光分光光度法（ultraviolet visible spectroscopy, UV-Vis）、實時離子化高分辨率質譜（direct analysis in real time, DART）、傅里葉變換衰減全反射紅外光譜（attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR-ATR）、拉曼光譜、電化學分析（伏安感應器）、以及膠束毛細管電動 色譜（micellar electrokinetic chromatography）等。

3.1 色譜法

目前對于咖啡因、綠原酸和類黑精含量的色譜檢測分析方法主要有液相色譜法、氣相色譜法和紫外可見光色譜分析法。液相色譜法（或結合質譜）是咖啡因和綠原酸最主要的檢測方法，而類黑精最主要的檢測方法是紫外色譜法。Minamisawa等[31]采用自制的溶膠凝膠柱和十八烷基硅烷柱，以二極管陣列和紫外可見光檢測器（210 nm）作為檢測器的高效液相色譜對烘焙后的咖啡豆中的咖啡因和有機酸含量進行檢測，結果發現咖啡因和有機酸在溶膠凝膠柱中能夠得到同步分離，咖啡因在保留時間為4～6 min時可以徹底地分離，并且分辨率在單柱和聯柱中高達2.76和3.22。Shrivas等[32]采用溶劑微萃取法（solvent microextraction，SME）從咖啡、可樂以及茶飲料中對咖啡因進行提取預濃縮，然后用氣質聯技術用對咖啡因含量進行檢測，研究發現在飲料中咖啡因的含量為74.8～389.6 μg/mL，相對標準偏差為2.3%～7.5%，SME/GC/MS可以成功應用于咖啡因的檢測，并且具有方便、快捷、靈敏度高以及樣品量小等諸多優點。Bispo等[33]以甲醇（乙醇）-水-乙酸作為流動相，流速為0.7 mL/min，C18柱作為色譜柱，采用反相高效液相色譜對咖啡飲料和尿液中的咖啡因等生物堿類進行同步檢測分析，研究發現在上述條件下，咖啡因的檢測限高達0.1 pg/mL，咖啡因在咖啡飲料和尿液中的含量范圍分別為0.1 pg/mL～350 μg/mL和3.21～71.2 μg/mL。該方法可以實現對咖啡因類生物堿物質同步檢測，并且避免了萃取和衍生步驟。Fujioka等[34]采用液相色譜對7個常規咖啡樣品和5個脫咖啡因樣品中的綠原酸和咖啡因含量進行檢測分析，研究發現綠原酸主要由咖啡酰奎寧酸、阿魏酸酰奎寧酸和二咖啡因酰奎寧酸組成，綠原酸的總含量在常規咖啡樣品和脫咖啡因樣品中的含量分別為5.26～17.1 mg/g和2.10～16.1 mg/g。其中5-咖啡酰奎寧酸的含量最高，在所有咖啡樣品中的含量為2.13～7.06mg/g，分別占常規咖啡樣品和脫咖啡因樣品中綠原酸總含量的36%～42%和37%～39%；咖啡因在常規咖啡樣品和脫咖啡因樣品中的含量分別為10.9～16.5 mg/g和0.34～0.47 mg/g。Belay等[35]采用紫外可見光分光 光度計對咖啡豆中的咖啡因含量進行檢測 分析，通過獲得純水以及二氯甲烷中純咖啡因在272 nm和274.7 nm的十進制摩爾吸光系數和過度偶極矩，可以實現快速簡便地對咖啡豆中的咖啡因含量進行定量，此外通過高斯擬合可以消除咖啡因色譜中的干擾因素。Bekedam等[29]采用紫外分光光度計分別在280、325、405 nm波長下對咖啡中高分子質量類黑精和低分子質量類黑精檢測分析做了詳細的研究，通過各個波長下的比消光系數（Kmix）和朗伯比爾定律對咖啡樣品中各分子質量的類黑精的含量進行計算。該方法主要原理是在405 nm波長下，除了棕色的類黑精組分吸光外，其他的食品組分都不吸光，因此可以高效率地區別食品組分中的糖、蛋白和類黑精等組分。

Danhelova等[36]采用實時離子化高分辨率飛行時間質譜法（DART-TOFMS）對烘焙咖啡粉、速溶咖啡以及咖啡膠囊中的咖啡因含量進行快速檢測分析研究，并以常規的HPLC-UV進行對比，評價該方法的檢測效果。研究發現經過簡單的咖啡因萃取過程后，DART-TOFMS法完全可以實現不同咖 啡樣品的全自動實時定量分析，萃取物檢測水平＞0.1 μg/mL，并且檢測結果和常規的HPLC-UV方法具有很好的一致性，兩者的檢測結果相關性系數R2接近于1。Clifford等[37]采用液相色譜-質譜聯用（LC-MS）對Robusta咖啡生豆中含量較小的先前未報道的15種香豆酰奎 寧酸類綠原酸進行分析檢測，研究發現香豆酰奎寧酸主要由（3,4-、3,5-、4,5-）香豆酰奎寧酸、（3,4-、3,5-、4,5-）咖啡酰香豆酰奎寧酸（香豆酰咖啡酰奎寧酸）和（3,4-、3,5-、4,5-）香豆酰阿魏酰奎寧酸等物質組成，結合先前研究報道最終在Robusta生豆中發現了45種綠原酸。同樣的，Clifford[11]和Jaiswal[38]等也采用LC-MS對咖啡中的綠原酸異構體或由小分子酸組成的綠原酸進行了研究，并取得了理想的結果。

3.2 光譜法

Garrigues等[39]采用傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）對烘焙咖啡樣品中的咖啡因含量進行檢測分析，咖啡樣品首先采用0.25 mol/L氨水溶液進行潤濕，然后用三氯甲烷溶劑對咖啡因進行萃取，之后在基線1 900～830 cm-1范圍內采用1 659 cm-1傅里葉變換紅外光譜測定吸光度。研究發現該方法可以顯著降低萃取過程有機溶劑的使用。咖啡因含量檢出限為3 mg/L，咖啡樣品中的咖啡因3次檢測的相對標準偏差s為0.4%，采用回收實驗對其準確度進行研究發現，樣品的回收率在94.4%～100.1%之間。Huck等[40]采用近紅外光譜法對烘焙后的Arabica和Robusta咖啡豆中的咖啡因、可可堿和茶堿含量進行定量分析，并和常用的HPLC-MS（UV）檢測方法進行對比，結果表明選擇近紅外光譜的校準方法為關鍵，而采用無孔的C18硅膠柱的HPLC正好可以提供快速的檢測及校準。采用LC-UV對近紅外光譜進行校準，通過分析83個液體咖啡萃取物可知，咖啡因含量的標準估計誤差為0.34 g/100 g，標準誤差為0.07 g/100 g，并且在濃度范圍為0.10～4.13 g/100 g內的相關性系數為0.86；和液相色譜最低檢出限為0.244～0.60 ng/100 g相比，近紅外光譜的最低檢出限為更低的0.05 g/100 g，因此具有快速分析以及高處理量的近紅外光譜法也可以成為一個可行的咖啡因檢測技術。Armenta等[41]采用固相傅里葉變換拉曼光譜對能量飲料樣品中的咖啡因進行分析檢測，并采用LC-UV對檢測記過進行對比，研究發現拉曼光譜和常規的液相色譜檢測結果具有很好的線性關系，并且兩者的擬合方程回歸系數R2高達0.997，表明拉曼光譜和液相色譜一樣具有很高的精確度，同時固相條件改變可以實現對樣品的一步清理和分析物預濃縮，也增加了拉曼光譜技術的選擇性，避免多元矯正技術的使用。Shao等[42]采用近紅外光譜對煙草葉片中的綠原酸含量進行檢測，通過連續小波變換對近紅外干擾背景進行處理，該方法成功地應用于偏最小二乘法模型對于綠原酸含量的模擬分析，相比較于Savitzyk-Golay和 其他方法具有更高的預測準確度。近來也有學者采用核磁共振（NMR）對來自于蘋果汁中的綠原酸進行測定，該方法的準確度通過重復性和再現性實驗研究表明兩者的變動系數分別為5.7%和7.5%，說明該方法具有很高的準確性，其中樣品中的綠原酸含量為586 mg/L[43]。

3.3 電化學 分析和分子印跡聚合物技術

Amare等[44]采用以聚合物改性的玻璃碳電極的循環伏安法和方波伏安法對咖啡中的咖啡因進行檢測，采用4-氨基-3-萘酚磺酸聚合物對玻碳電極進行電聚合，研究發現改性后的電極對于咖啡中的咖啡因檢測具有很高的靈敏度、選擇性和穩定性，分析過程不受樣品品質和結構類似物的影響；咖啡因濃度在6×10-8～4×10-5mol/L范圍內，峰值電流隨著咖啡因濃度的增加而增加，同時咖啡因的檢出限為1.37×10-7mol/L；回收率在（93.75±2.32）%和（100.75±3.32）%之間，表明該方法可以應用于實際樣品中的咖啡因的檢測。在另外一篇研究中，Aklilu等[45]采用1,4-苯醌對碳糊電極進行修飾改性，然后通過循環伏安法和方波伏安法對咖啡因的含量進行檢測，結果表明1,4-苯醌修飾的電極在重復檢測過程中展現了可重復的界限清楚的峰電流值，同時隨著咖啡因含量的升高出現峰電流值的降低；在咖啡因濃度在0～0.5 mmol/L和0.5 mmol/L兩個區域內，峰電流值出現線性變化，檢出限分別為0.3 μmol/L和0.5 μmol/L，這種方法可以成功應用于咖啡樣品中咖啡因的檢測分析。Alizadeh等[46]采用對咖啡因具有選擇性的分子印記聚合物和非印記聚合物來制備碳糊電極，然后通過微分脈沖伏安法對飲料和茶樣品中的咖啡因進行定量分析，研究發現分子印跡聚合物不僅可以對咖啡因實現選擇性識別，并且可以對樣品中的咖啡因實現預濃縮。制備的電極對于咖啡因的檢測主要包括電極中樣品萃取、電極清洗以及電化學檢測3個步驟。分子印跡聚合物制備的電極相比較于非印記聚合物制備的電極具有更高的識別能力。咖啡因濃度在6×10-8～2.5×10-5mol/L范圍內，檢測器的峰電流值呈現出線性變化，傳感器的咖啡因檢出限為1.5×10-8mol/L。Zougagh等[47]采用基于分子印跡聚合物的在線支撐液膜壓電檢測器對咖啡和茶中的咖啡因含量進行檢測，樣品漿體直接進入位于注射閥回路的支持液膜上，然后咖啡因從樣品中釋放通過液膜進入一個酸性接收器隧道，最后采用分子印跡聚合物改性的石英晶體電極進行檢測。研究發現底物質量濃度在10～1 000 ng/mL范圍內，峰電流值出現線性變化，并且相對標準偏差在5%（50 ng/mL）。de Carvalho等[48]制備了一種模擬兒茶酚氧化酶活性位點的新型四環銅復合物仿生改性碳糊電極傳感器，然后采用方波伏安法對咖啡樣品中的綠原酸進行檢測分析，研究發現綠原酸的含量在5.0×10-6～1.45×10-4mol/L的范圍內出現線性變化關系，R2為0.998 5，檢出限為8.0×10-7mol/L。制備的仿生傳感器具有長時間使用穩定性和可再生性，檢測結果相對標準偏差在10%范圍內。綠原酸在咖啡樣品中的回收率在93.2%～106.31%范圍內，說明該方法精確度很高，此外該方法和毛細管電泳法測定的結果具有很好的一致性。

3.4 毛細管電動色譜法

Meinhart等[49]采用膠束毛細管電動色譜法對脫咖啡因咖啡中的咖啡因含量進行檢測分析，通過中心旋轉組合設計對緩沖液組成以及電壓范圍進行優化，回歸弄醒、相關性系數以及主成分分析來確定最佳的實驗條件。實驗得到的最佳實驗條件為：緩沖液組成為10 mmol/L的碳酸銨和50 mmol/L的十二烷基硫酸銨，電壓15 kV，溫度25 ℃，毛細管48 cm×50 μm，流體力學進樣壓力5 MPa，時間7 s，檢測波長206 nm。在最佳條件下，線性范圍為質量濃度在1～200 mg/L范圍內，R2為0.999 7，咖啡因的量化檢出限為2.88 mg/100 g。該方法成功的對45種脫咖啡因咖啡飲品的咖啡因含量進行檢測。Tang等[50]采用毛細管電動色譜結合紅外輻照法對傳統中草藥金銀花中的綠原酸進行分離，然后通過毛細管陰極端的紫外檢測器對綠原酸的含量進行檢測，得到的最佳分離條件為：輻照時間30 min、分離電壓16 kV，硼酸鹽緩沖溶液濃度為50 mmol/L，pH值為8.7。在最佳條件下綠原酸的含量為1.86 mg/mL，相對標準偏差為3.5%，含量明顯高于傳統采用熱溶劑萃取法。綠原酸的回收率為95.53%～106.62%，相對標準偏差為4.1%，表明該方法具有很高的精確度。

4 咖啡因、綠原酸和類黑精安全性評價

4.1 咖啡因安全性評價

4.1.1 咖啡因的代謝過程

咖啡因一旦被攝取，就會在胃腸道中被快速吸收并進入血液，然后進入肝臟中進行代謝。咖啡因在機體中的代謝99%在肝臟中進行，代謝形成的3種主要物質為3,7-二甲基黃嘌呤、1,7-二甲基黃嘌呤以及1,3-二甲基黃嘌呤。這些代謝產物在肝臟中繼續去甲基和氧化分解成尿酸鹽，其中大約有3%的上述代謝物以咖啡因的形式存在于尿液中[51]；血液中的咖啡因濃度在攝入后1～1.5 h達到最大；咖啡因在機體內的半衰期為5 h[52]。

4.1.2 咖啡因的功能性和 安全性

近年來，越來越多的研究發 現咖啡因在抗憂郁、控制體質量、預防癌癥、治療心血管疾病、治療帕金森癥、代謝綜合征以及降低二型糖尿病風險等[53]方面具有重要的功能，但是也有研究表明咖啡因的攝入會增加孕婦流產、胎兒發育不良、干擾兒童神經發育和調節以及上癮致死的潛在風險[51]。

Lucas[54]通過對50 739名平均年齡為63歲、無抑郁癥狀的美國女性老年人10 a間攝取咖啡因的量和患抑郁癥風險的關系進行研究發現，增加咖啡因的攝入可以降低患抑郁癥的風險。Nkondjock[7]通過研究咖啡攝取與患乳腺癌、結腸癌、前列腺癌、卵巢癌、胰腺癌、肝癌和腎癌等癌癥的風險的綜述發現，咖啡中咖啡因與降低肝癌和腎癌具有一定聯系；和絕經后乳腺癌及結腸癌關系不明顯；而與前列腺癌、胰腺癌和子宮癌沒有相關性；咖啡飲品可能降低肝癌患者的死亡率。Arendash等[55]利用咖啡因和含有咖啡因的咖啡飲料和轉基因老鼠模型對阿茨海默癥的治療效果進行研究。研究發現對患有阿茨海默癥的成年和年齡稍大的小鼠喂含有咖啡因的水對于恢復其記憶功能障礙具有很好的作用，同時可以顯著降低被認為是阿茨海默癥核心致病因的amyloid-β蛋白和其異常蛋白的含量。目前對于咖啡因攝取與心血管疾病關系的研究，主要集中在咖啡因攝取劑量與心臟相關風險因素（比如血壓、血清膽固醇水平、心率）指標變化的關系，或者與心血管疾病發病率的關系。總的來講，每天攝取≤400 mg的咖啡因（4杯咖啡/d）一般不會對心血管的健康產生風險；而每天攝取≥1 000 mg的咖啡因（10杯/d）就可能會引起冠心病甚至機體死亡[4]。

近年來，越來越多的研究發現咖啡對兒童和孕婦具有一定的副作用。CARE研究小組發現過多的攝入咖啡因會引起胎兒流產和損害胎兒生長，高風險的閾值目前還沒有確定的指標，但是孕婦咖啡攝入量低于100 mg/d時，胎兒發育的風險會顯著降低[56]。Lim等[57]研究發現咖啡因會干擾兒童的睡眠模式，從而影響生長發育，并且還會增加體質量和齲齒發病率。Hering-Hanit 等[58]研究對青少年攝入可樂與頭疼關系時發現，青少年平均每周可樂攝入量為11 L，咖啡因每周攝入量高達1 414.5 mg，偏頭痛發病率很高；當停止攝入咖啡因時，研究中的青少年頭痛全部消失。因此合理的攝入咖啡因推薦兒童每日攝入咖啡因的含量不超過2.5 mg/kg[4]，孕婦每日攝入量不超過300 mg/d，即每日咖啡攝入量不超過2杯[59]。

4.2 綠原酸安全性評價

4.2.1 綠原酸的代謝過程

綠原酸在機體內的代謝主要發生在腸道和肝臟，其中腸道是綠原酸代謝的主要部位。研究表明腸道菌群是造成綠原酸水解的主要原因，綠原酸被水解為咖啡酸和奎寧酸，隨后咖啡酸和奎寧酸進一步代謝。咖啡酸在腸道內被腸道菌群還原為二氫咖啡酸，二氫咖啡酸進一步脫羥基轉變成為3-羥基苯丙酸；奎寧酸在腸道菌群作用下，母環脫羥基后轉化為芳香環，成為莽草酸，進一步脫羥基后變為苯甲酸，苯甲酸與甘氨酸縮合形成馬尿酸排泄到尿液。有一部分綠原酸、咖啡酸和奎寧酸透過腸道屏障進入肝臟，其中咖啡酸在肝臟中的代謝反應主要由甲基化反應、氧化反應、還原反應以及結合反應組成，形成一系列的代謝產物[60-62]。

4.2.2 綠原酸的功能性和安全性

大量的實驗研究表明，綠原酸具有抗氧化、抗菌抗炎、清除自由基、抗高血壓、抑制突變和抗癌以及保護心血管等生理功能。Sato等[63]對綠原酸和綠原酸的主要代謝產物咖啡酸在體內和體外的抗氧化特性進行研究。結果表明，在體外實驗研究中，咖啡酸相比較綠原酸具有更高的抗氧化活性，同時被結腸腺癌細胞攝取的綠原酸含量也要明顯低于咖啡酸；在體內實驗中，采用腸缺血再灌注模型對兩者的抗氧化性能進行評估，研究發現兩者對于該模型具有同樣的功效，原因為咖啡酸比綠原酸具有更好的抗氧化性能，而綠原酸在腸道內被水解成咖啡酸，推斷可能咖啡酸在綠原酸對缺血再灌注損傷中的防護作用中起到了關鍵性的作用。Lou等[5]采用革蘭氏陽性細菌、革蘭氏陰性細菌、大腸桿菌以及鼠傷寒沙門氏菌對綠原酸的抗菌性能進行研究，結果表明在最低抑制質量濃度（20～80 μg/mL）以上，綠原酸可以有效地抑制所有測試的細菌病原體。抑菌機理是綠原酸附著到細菌病原體的外膜，從而顯著地增加了外膜和質膜滲透性，造成屏障功能的喪失，甚至導致核苷酸的輕微泄露，此外通過透射掃描電鏡也觀察到細胞質的滲出。Zhao等[64]綜述了近年來綠原酸和高血壓疾病之間關系，通過基礎和臨床研究發現綠原酸 具有一定的抗 壓功能，從機理上分析是由于綠原酸的代謝物減弱了機體氧化壓力，降低了活性氧水平，從而改善動脈血管中血管內皮功能以及一氧化氮的生物利用率，最終降低機體血壓。雖然綠原酸具有上述諸多獨特的生理學功能，但是也有學者研究表明作為綠原酸主要抗氧化活性的水解產物咖啡酸在高溫（90℃）處理后會發生降解，抗氧化活性下降，促進氧化活性增加[65]。因此咖啡酸在高溫處理后，咖啡酸起到的可能是促進氧化作用而非抗氧化作用。關于綠原酸保護心血管的機理，目前普遍認為是綠原酸的抗氧化活性能夠提高機體的抗氧化狀態以及降低低密度脂蛋白（low density lipoprotein， LDL）氧化水平，從而降低動脈粥樣硬化的發病率，使機體避免患冠心病的風險。有學者研究表明綠原酸能夠抑制炎癥反應，從而可以降低絕經后婦女患心血管疾病以及其他炎癥反應的風險[53]。然而，有研究表明高劑量（2 g/d）地攝入來自咖啡和紅茶的綠原酸會顯著增加血液中同型半胱氨酸的含量，而高水平同型半胱氨酸會提高機體患心血管疾病及中風的風險，因此應該盡可能避免攝入高劑量的綠原酸[65]。

4.3 類黑精安全性評價

4.3.1 類黑精的代謝過程

近年來有許多對來自于食品的類黑精在機體內代謝的研究[66-67]，但是由于類黑精合成過程以及結構的復雜性，并沒有對類黑精代謝過程進行系統性的研究，只是對其代謝器官和代謝產物等進行了許多研究。大量研究[68-69]表明類黑精的代謝主要發生在腸道內，主要是腸道上的酶分子和微生物參與了代謝。低分子量類黑精的代謝程度高達30%，明顯高于高分子質量類黑精；關于不能被分解吸收的結構復雜的高分子質量類黑精的作用和降解途徑，有學者[70]提出了類黑精能夠與誘變劑（異環式芳香胺）結合，從而能夠降低機體誘變劑吸收的猜想。

4.3.2 類黑精的功能性和安全性

類黑精具有諸多生理功能，如抗氧化、抗菌、抗高血壓、防齲齒、促進腸道菌群生長以及調節解毒酶系Ⅰ階段酶和Ⅱ階段酶，從而降低癌癥、帕金森癥以及慢性免疫功能紊亂綜合癥的風險[71-72]。類黑精的抗氧化機理要歸結于其金屬離子螯合能力以及清除自由基的能力，由于類黑精本身帶負電，因此能夠很好的和帶正電的金屬離子結合，從而阻止金屬離子的促氧化過程[73]。Rufiá n-Henares等[74]采用類黑精對革蘭氏陽性細菌、金黃色葡萄球菌、革蘭氏陰性細菌以及芽孢桿菌等8種細菌菌株的抑菌效果進行了研究，結果發現類黑精的抑菌性能主要與金屬離子螯合性能有關，并且還具有3種不同的機理，機理1是類黑精在低濃度時，抑菌性能與培養介質中鐵離子的螯合能力有關；機理2是如果細菌菌株能夠產生鐵載體對鐵離子進行回收，那么類黑精螯合的鐵載體主要是Fe3+復合物，從而降低致病菌的毒性；機理3是在高濃度時，類黑精能夠將細菌外膜上的Mg2+脫除，從而對細菌外膜造成破壞，細胞質滲漏造成細胞死亡。類 黑精具有抗高血壓的生理功能可能是與類黑精能夠抑制血管緊張素轉換酶的活性以及與熟知的具有抗高血壓作用的多肽類藥物功效相似有關；此外有研究發現延長烘焙時間所得到的類黑精對血管緊張素轉換酶具有更好的抑制作用[75]。外源性有害異物在機體內的生物轉化主要由兩個步驟構成：功能化（氧激化形成活性位點）和共軛結合（添加 水溶性基團到活性位點）。這兩個過程的調節由Ⅰ階段酶和Ⅱ階段酶來完成，最終有害異物轉變為水溶性物質，通過膽汁和尿液排出體外。研究表明，類黑精能夠顯著地增加小鼠結腸細胞以及腎臟細胞中Ⅰ階段酶和Ⅱ階段酶的活性，從而對外源有害異物解毒，降低機體患癌癥等疾病的風險[66]。雖然類黑精具有很多對機體有益的功能，但是也有學者對肺上皮細胞進行研究表明高劑量地攝入咖啡萃取物中的美拉德反應產物及高級糖基化終產物會引起活性氧基團的產生，從而調節細胞凋亡蛋白酶的活性，最終導致細胞死亡和細胞凋亡[76]。

5 結 語

憑借著獨特的風味口感和諸多功能性成分，咖啡風靡于全世界。咖啡的功能性成分咖啡因、綠原酸和類黑精不僅對咖啡的色澤、風味和口感具有重要貢獻，同時在醒腦提神、抗氧化、抗心血管疾病和治療機體代謝疾病等生理學方面也具有重要的應用。目前對咖啡中功能性成分的分離技術方法主要有溶劑萃取法、吸附解吸和分配色譜法等。溶劑萃取法仍然是目前主要的方法，但隨著對溶劑毒性的擔憂以及產物純度不高的局限，吸附解吸法和分配色譜法逐漸成為目前研究的熱點。咖啡中功能 性成分的分析檢測技術主要有液相色譜法、紫外分光光度計法、紅外光譜法、電化學分子印跡聚合物檢測法和毛細血管電動色譜法等。液相色譜法是目前主要的檢測方法，但是由于準備樣品麻煩以及檢測時間較長，特別是近年來要求快速檢測活性成分，電化學分子印跡聚合物檢測法和毛血管電動色譜法開始成為目前研究的新方向。咖啡中的功能性成分具有諸多有益的生理學功能，但也有研究表明過多地攝取或對特定人群具有一定的危害性，特別對孕婦、胎兒發育以及兒童神經系統會產生一定的損傷或者干擾，因此合理攝取咖啡類食品應該引起人們的重視。

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Recent Advances in Technologies for the Separation, Determination and Safety Evaluation of Functional Components in Coffee

YANG Kai-zhou, ZHAI Xiao-na, DU Bing-jian, LENG Xiao-jing*
(College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Coffee has been one of the largest consumed food commodities around the world due to its specific flavor, taste and physiological functions. The bioactive components in coffee with refreshing, anti-depression, antioxidant, antibacterial and anticancer ac tivities include caffeine, chlorogenic acid and melanoidins. Therefore, separation, determination and safety evaluation of functional components in coffee have become a hot topic among researchers. This article reviews the research progress in the separation, determination and safety evaluation of caffeine, chlorogenic acid and melanoidins in coffee. It can serve as a forefront scientific reference for the study and application of functional components in coffee.

coffee; caffeine; chlorogenic acid; melanoidins; extraction; determination; safety evaluation

TS273

A

1002-6630（2014）03-0243-10

10.7506/spkx1002-6630-201403049

2013-04-01

國家自然科學基金項目（31171771）

楊剴舟（1986—），男，博士研究生，研究方向為咖啡功能性及其產業化。E-mail：beyondykz1986@gmail.com

*通信作者：冷小京(1966—），男，副教授，博士，研究方向為可食用膜及微膠囊科學。E-mail：lengxiaojingcau@163.com