咖啡居世界三大飲品之首，雲南咖啡種植面積2018-2019年超過了164萬畝，咖啡豆產量達到15.6萬噸（雲南均占我國98.0%），成為世界上具有特色的種植基地，在國家行業中具有超級壟斷的地位和特殊性，雲南咖啡也因此成為國內獨占鰲頭的區域性優勢產業。雲南咖啡依賴於特色高原氣候和豐富多樣的生態環境，形成內含物質積累豐富、口感濃而不苦、香而不烈、含油多、果味香等獨特品質，成為多家國際知名企業的必選原料之一。
咖啡是化學成分研究最為充分、最為詳盡的經濟植物之一，已經鑑定的約1300個都是咖啡品質的物質基礎。雲南咖啡產區主要分布於北緯21-26度，海拔高度700-1900米。受到獨特氣候多樣性的影響，雲南動植物微生物種類繁多，生態系統複雜多樣，造就了適宜咖啡生長的獨特環境，對雲南咖啡的獨特品質形成起到了至關重要的作用。雲南咖啡揮發性風味研究主要集中於：利用不同的提取方法獲取揮發性成分，不同產地的揮發性成分的組成及差異，不同處理方式下揮發性的組成及差異等等。
中國科學院昆明植物研究所邱明華團隊則利用頂空氣相色譜-質譜法對雲南咖啡的干香和濕香成分組成及差異進行了分析。在確定的干香成分中，2-糠醇所占成分比例最大，源於五碳糖在焙烤中降解異構化形成，是個具有辛辣氣味的呋喃類物質，但因其沸點高達170°C，對咖啡干香感官測定中影響不突出，而參與其他易揮發成分形成雲南咖啡的特色香氣。濕香成分中，咖啡因占比例高達61.52%，但對咖啡濕香也沒有貢獻，咖啡因的存在是咖啡濕香誘人重要因素之一，聞到咖啡香氣，就能立馬感受到咖啡因的興奮。
為了明確雲南咖啡獨特品質的物質基礎及形成機制，邱明華研究團隊深度挖掘雲南咖啡物質基礎，從雲南咖啡中發現了一系列具有生物活性內含物質，全面詮釋了雲南咖啡的獨特品質。普洱種植的雲南咖啡中發現的咖啡二萜的糖苷類的新化合物CD-Glcosides 1-5（圖1），具有一定的腫瘤細胞抑制活性。咖啡醇二萜成分，一般是二萜的A環上含有一個四氫呋喃並環存在，而從雲南咖啡中發現了8個咖啡醇二萜的A環含有一個α，β不飽和γ-內酯並環基團存在，這是第一次從咖啡中得到一類新型咖啡醇二萜內酯，雲南咖啡生豆中存在大量含有這類新型咖啡二萜內酯的脂肪酸脂類化合物CD-Lactones 1-8（圖2），其中一些化合物具有一定的體外激活血小板聚集活性。
圖1 CD-Glcosides 1-5的化學結構
圖2 CD-Lactones 1-8的化學結構
通過研究，科研人員從雲南咖啡果實中再次得到咖啡二萜內酯類化合物CD-Lactones 9-11（圖3），再次證實其天然存在；同時也發現一類新型咖啡二萜內酯重排Δ(4,18)的新型二萜CD-Nors 1-2（圖3）；咖啡果實中已知咖啡二萜化合物CD-1（圖3），具有大麻素受體CB1和CB2激動活性。此外，還從該咖啡果實中首次發現了達瑪烷型三萜化合物CT-Dammaranes 1-4 （圖4）。
圖3 CD-Lactones 9-11和Nors 1-2的化學結構
圖4 達瑪烷型三萜CT-Dammaranes 1-4
將LC-MS /MS的分子網絡技術運用於痕量內醯胺型咖啡二萜的追蹤發現，從雲南咖啡快速鑑定出7個新穎的咖啡二萜內醯胺化合物CD-Lactams 1-7（圖5），並通過多級質譜碎片的形成推導對其結構進行了分離驗證。LC-MS/MS分析同時證明：除了存在咖啡二萜內醯胺I-III亞型化合物外，雲南咖啡烘焙豆中還存在多種其他亞型的含氮二萜類化合物。
圖5 CD-Lactam類化合物的發現及生物活性
雲南咖啡中這些新型萜類化合物的發現，極大豐富了雲南咖啡「內含物質積累豐富」的多樣性品質，咖啡中萜類化合物主要呈現在咖啡的油、苦風味的特色及層次，造就了獨特品質，也完全詮釋了雲南咖啡特有品質的物質基礎。對這些類型二萜的形成機制也做了如圖6推測。從雲南咖啡中各類二萜的生源轉化和可能形成機制，可以看到，咖啡二萜的結構多樣性依然有很多空白有待發現。
圖6 雲南咖啡中各類二萜的生源轉化和可能形成機制
邱明華研究團隊還利用基於NMR的化學計量學分析的方法對影響咖啡成熟度的標記物糖、咖啡因、綠原酸、葫蘆巴鹼等進行了探究和追蹤分析，建立了快速鑑別咖啡未成熟豆的偏最小二乘判別分析（PLS-DA）區分模型。分析成熟度標記物在不同成熟程度鮮果中的積累情況，結合咖啡杯測，闡明了成熟度標記物的積累與咖啡品質之間的關係，對明確雲南咖啡品質形成機制，控制咖啡鮮果的最佳採摘時期，保障雲南優質咖啡採摘，提供了新技術（圖7）。
圖7 雲南咖啡成熟度標記物和最佳採摘時間
當然咖啡主成分依然是風味形成的關鍵，為此也分析了咖啡中咖啡因、綠原酸、葫蘆巴鹼、黑色素、丙烯醯胺和二萜等內含物質的合成途徑和生物活性研究進展，討論了雲南咖啡烘焙度與社會關注都很高的丙烯醯胺含量的變化趨勢（圖8），為咖啡的安全消費提供了依據（Food &Function，2019, 10: 3113-3126）。
圖8 雲南咖啡烘焙度與丙烯醯胺含量的變化
這些研究成果極大豐富了咖啡化學成分及其功能，不但對深入詮釋雲南咖啡「內含物質積累豐富」獨特品質物質基礎和雲南咖啡品質形成機制，具有重要意義，而且對保障雲南咖啡的優質品質，開發新型功能咖啡產品和咖啡分子資源的開發利用，都提供了重要的理論依據。
來源：中國科學院昆明植物研究所