淺談綠原酸( 上)
撰文、圖表／ Kevin Shao
圖片來源／ pixabay.com
綠原酸(Chlorogenicacid,CGA) 是一種由羥基肉桂酸（如咖啡酸）與奎寧酸脫水結合而成的酚酸，由於羥基肉桂酸有許多種類，造成綠原酸擁有各式不同的構型，因此嚴格來說綠原酸是一個集合名詞。當我在學習咖啡烘焙時，就常聽到它，一開始只知道它是生豆中含量最多的一種酸（約6%~12%），會隨著烘焙的進展而降解，在淺烘焙時仍有很高的比率保留下來，中焙時只剩約一半，是品飲咖啡主要的澀感來源。在閱讀綠原酸的相關文獻後發現，綠原酸對於人體有許多正向的幫助，而幾乎所有高等植物都會製造綠原酸（不過仍以咖啡的含量最高）。這讓我對它的存在之於植物的意義為何、製造的機轉，以及為何可以帶來健康方面的幫助等等感到好奇。此外，如果想要烘焙以及沖煮出一杯好喝且順口的咖啡，了解烘焙中綠原酸降解的過程以至於控制這個反應，似乎是得要下功夫去體驗的，也因如此，對它有充分的了解，或許可以幫助我們解答許多疑惑。
綠原酸的由來
根據文獻記載，綠原酸首先是在咖啡種子中被發現， 早在1837 年，Robiquet 以及Boutron 這兩位學家在粗製的咖啡萃取液（帶有綠色色素）中找尋酸性物質時便發現到它的存在，當時這個物質在含有氯化鐵(Ferric Chloride) 的水溶液中帶有綠色色澤，且在1846 年，Payen 發現它在含有胺的鹼性溶液中接觸氧氣後會由黃色轉變為綠色，因此將此物質正式命名為「綠原酸，Chlorogenic acid」。Chloro- 字首來自於希臘文，原義是淡綠色(light green)，而字根-genic 是來源的意思，因此綠原酸Chlorogenic 意指它源自於咖啡的綠色粹取物[ 註1]。
然而到了1909 年，高純度的綠原酸結晶才被Gorter 從咖啡種子中取得，這是它首次以廬山真面目向世人呈現。Gorter 同時也建立了以氯化鐵(Ferric Chloride) 為基礎的成色反應，作為快速篩檢綠原酸的方法，並發現綠原酸不只出現在咖啡種子中，甚至在咖啡葉片、橡膠樹的乳膠汁液以及向日葵的種子內都可以發現它的蹤跡[ 註2]。而時至今日，綠原酸不只存在於咖啡，幾乎所有的高等植物都會製造，舉凡蘋果、番薯、蕃茄、梨子、杏桃、洛神花、橘子等都可以看到它的存在――當然，綠原酸在咖啡的含量是最高的。
綠原酸的結構
綠原酸的化學結構可以分成兩個部份來看：羥基肉桂酸（如咖啡酸）的部分其結構帶有一個苯環以及羥基，因此是一種酚類物質；奎寧酸則是帶有環型結構的酸類（環己烷甲酸），在環型結構的碳上帶有許多的羥基(-OH) 因此屬於環型的多元醇類(Cyclic Polyol)，又稱環醇(Cyclitols)。當初Gorter 分析綠原酸的結晶時，一開始認為它是由咖啡酸和一個醣類(Sugar) 以醣苷鍵(Glycoside) 脫水結合而成的，然而這樣的見解在1932 年被Fischer 加以更正，事實上綠原酸內部所謂的「醣類」的結構是奎寧酸(Quinicacid)。羥基肉桂酸（如咖啡酸）和奎寧酸在酵素的作用下進行酯化反應脫水縮和而成。綠原酸在植物內的產生以及功效綠原酸與咖啡因在植物中都是屬於二次代謝產物（ 或稱次級代謝產物，SecondaryMetabolite），它的產生主要是因為植物因應環境的挑戰（諸如陽光中紫外線的照射或是昆蟲的啃食）使然，這些環境的刺激會改變植株原先代謝的方式，也就產生了綠原酸。
綠原酸的製造可以從酚類物質( 羥基肉桂酸)的形成開始談起，它由苯丙胺酸（一種胺基酸）開始進行代謝，經由在植物中普遍存在的苯丙烷代謝途徑(Phenylpropanoid Pathway) 形成以羥基肉桂酸(Hydroxycinnamic acid) 為主結構、各式帶有酚類結構的物質，如咖啡酸(Caffeic Acid)、香豆酸(Ooumaric Acid) 以及阿魏酸(Feruloid Acid)等，如（圖1）。
以上這幾種酚類物質都是綠原酸的基本構造之一，此外，而苯丙烷代謝途徑的產物（包含了上述的酚酸）除了供應綠原酸的製造以外，同時也參與了其他許多帶有酚類物質的合成，如兒茶素與木質素(Lignin) 等[ 註3]。而木質素是普遍存在於植物的細胞壁中的一種多酚類聚合物，在維管植物的木質部中大量存在，也存在於咖啡生豆中，一旦烘焙或是沖煮不慎，會造成強烈的澀感。在咖啡生豆中，綠原酸分布在種子的胚乳區，也會在萌芽的過程中加入胚芽子葉的細胞壁與木質素結合[ 註4]。
有研究發現，苯丙烷代謝途徑中的酵素活性會受一些環境因素所影響，主要是指遭遇到極端的環境(Stress Condition)，其中包括了過多的日曬導致紫外線對植物造成的傷害（這也是咖啡種植需要遮陰的原因之一）、遭受病害或是昆蟲的啃食等都會刺激綠原酸的生成。有研究指出陽光中的UV-B 會發激植物製造催化苯丙胺酸產生肉桂酸的酵素，增加肉桂酸的產生，進而提高酚酸的含量。由於酚類物質有助於植物對抗紫外線的傷害，因此綠原酸的出現對於紫外線造成的輻射多少有保護作用[ 註3]。此外，綠原酸對昆蟲的消化道有微毒性，具有抵抗蟲害的功效[ 註5]，而昆蟲的叮咬也會造成綠原酸的含量上升。因此綠原酸含量的多寡也反應了植物的生長狀況。
綠原酸對於植物的另一種功效則是要靠酵素進一步反應而達成。以蘋果為例，蘋果切開與空氣接觸一段時間後顏色會變深（這種反應屬於酵素性的褐變反應），主要的原因就是蘋果中的一種多酚氧化酵素(Polyphenol Oxidase, PPO)，在空氣中將含有酚類結構的兒茶素、酪胺酸、或是綠原酸加以氧化並聚合成帶有多酚結構的植物黑色素(Melanin)。植物黑色素的結構可以吸收紫外光，可以具有保護細胞不被紫外光破壞的功效。然而，這樣的功效在咖啡上會造成生豆顏色變黃、以及不好的風味產生。綠原酸的含量與海拔成反比，因此不難想像在低海拔、過度日照的種植條件下，植物受到環境的壓力會比較高，綠原酸的產生也就相對較多。以品飲咖啡的角度來看，由於綠原酸會產生澀感，以這個角度來看，選擇高海拔、半日照或有遮陰樹等環境條件進行種植會比較有利。
綠原酸的各式結構Fischer 在1932年確認綠原酸結構時所發佈的資料顯示，它是以咖啡酸的羧基端和奎寧酸3號碳上面的羥基以酯鍵結合而成，因此又稱為3-o-caffeoxylquinic acid, 3-CQA。但是這個名稱在1974年時因國際純化學和應用化學聯合會IUPAC 將環形碳的命名順序修改，使得原本奎寧酸3號碳的位置因為命名法則的修正而變成了5號碳， 於是3-o-caffeoxylquinic acid 遂更名為5-o-caffeoxylquinic acid,5-CQA。然而隨著時間的進展，越來越多科學家發現了綠原酸的結構不只有5-CQA這一種，除了奎寧酸的結構是一樣的以外，尚有阿魏酸feruloi acid 以及香豆酸coumaric acid，（它們與咖啡酸都在苯丙烷代謝途徑中形成）也可以與奎寧酸結合，形成其他形式的綠原酸（FQA 與CoQA），然而許多不同的研究都發現，CQA的含量最高，約占綠原酸的60%[ 註6]。
除了酚酸的形式不同外，上述的咖啡酸、阿魏酸以及香豆酸也可以分別和奎寧酸的第4、5號碳上面的羥基形成酯鍵，因此可形成4-CQA、5-CQA、4-FQA、5-FQA、4-CoQA、5-CoQA 等，它們都屬於綠原酸[ 註6] 如（圖2）。此外，科學家們發現奎寧酸不只可以和一個酚酸產生酯鍵，它也可以同時接上兩酚酸，兩個咖啡酸分別和奎寧酸的3、4 號碳上的位置形成酯鍵，而產生了3,4-di-CQA，如（圖3）所示。而結合的位置也不局限於3,4 號碳，3、5， 4、5，以及3、5 號碳的結合在綠原酸中都有發現。在多樣的CQA 結構中，以5-CQA 佔的含量最高，約占總綠原酸含量的56-62%（這也就說明了當初它為何會最先被發現）， 而3-CQA，4-CQA 共佔約10%，di-CQA 約15-20%[ 註6]。
綠原酸在生豆的發育期，其分布的位置以及主要結構的形式也會有所不同，在種子發育的早期以FQA 為主，多分布在硬胚乳區域。但是在發育晚期的時候，CQA 則會取代FQA 成為主要的綠原酸形式，而CQA 主要分布是在軟胚乳區，目的就是要在日後也是存在軟胚乳的胚芽萌發時，移到子葉，與木質素結合共同形成細胞壁，這目的有二，一是新生的植株可以抗紫外線，二是可以抗昆蟲叮咬[ 註7] 。
綠原酸的含量在果實成熟的過程中下降，隨著果實越成熟，種子內的綠原酸含量會降低，有文獻指出可以從8.7%（未成熟）下降至1.3%（過熟果over-ripned）[ 註6]，由於綠原酸會造成苦澀感，因此在產地採收成熟的紅櫻桃進行後製處理，除了甜度的考量以外，另一個理由就是可避免日後烘焙時因綠原酸過多而造成不討喜的口感。（更多內容下期待續）
文章出處：Vol.13《沁人心脾的茶滋味》
