咖啡是全球范围内仅次于石油的第二大大宗货物贸易品，根据国际咖啡组织的数据，截至2020年，咖啡生豆全球年均总产量已突破900万t[1-2]。在咖啡产业蓬勃发展的同时，咖啡加工过程中产生的废弃物引发的环境污染和资源浪费问题引起广泛关注。据估计，每加工1 t咖啡鲜果将直接产生约0.5 t的剩余物，主要包括咖啡果皮、果肉和果胶[3-4]。每年咖啡工业在世界范围内产生超过千万吨的加工剩余物，这些剩余物富含咖啡因、绿原酸、单宁等具有生态毒理性且难分解的化学物质，直接排放到环境中将造成严重的生态问题[2，5]。我国是全球重要的咖啡生产、贸易和消费大国之一，咖啡在我国热带农业经济、国际贸易及人民生活中日益扮演着重要的角色。云南省是全国最大的咖啡种植生产基地，2022年种植面积11.8万 hm2，生豆产量11.36万 t，占比均超过全国总量的98%[6]。自2017年以来，中国商品咖啡单价以年均13.25%的速度增长，产业发展势头强劲。然而，目前我国咖啡产业链短，综合利用率低，除咖啡豆外，以咖啡果皮为主的加工副产物的利用率仅为15%左右，其他85%均被丢弃[5-7]，引发环境问题的同时造成资源浪费。随着咖啡产业发展，各类加工剩余物将不断增加。
咖啡加工剩余物中含有矿物质、多糖、脂质、咖啡因、有机酸等超过1 500 种化学物质[7-9]，为资源化利用提供了多种可能。国内外许多研究人员都致力于探索咖啡加工剩余物资源化利用的新途径，目前主要将之应用于食品饮料[6]、肥料[3-4]、动物饲料[3-4]和提取化学物质[2-3]等方面。开展咖啡加工剩余物资源化利用研究，有望缓解咖啡加工过程中的环境污染问题，实现变废为宝，延长咖啡产业链，推动产业绿色升级。本研究综述咖啡初加工剩余物—咖啡果皮利用的国内外应用情况及研究进展，以期为咖啡加工剩余物利用提供参考。
1 咖啡果皮的产生及特点
咖啡（Coffea spp.）为茜草科（Rubiaceae）咖啡属的常绿灌木或小乔木。1粒完整的咖啡果由外果皮、中果皮、果胶和1～2粒种子构成，种子又由羊皮（外种皮）、银皮（内种皮）和胚3部分组成。咖啡初加工是指由新鲜咖啡果生产咖啡生豆的过程，通常采用干法加工或湿法加工。干法加工适用于罗布斯塔咖啡（Coffea canephora var. Robusta），先将咖啡浆果干燥后再将果皮、羊皮一次性脱去，此过程产生大量咖啡壳。我国主栽的咖啡种为阿拉比卡（Coffea arabica Linna），阿拉比卡咖啡采用湿法加工，直接对新鲜浆果进行脱粒，将果皮与咖啡豆分离，咖啡豆发酵后洗去果胶，干燥至含水率12%左右再脱去羊皮，即得到商品咖啡生豆[2]。咖啡初加工流程见图1。
图1 咖啡初加工流程
Fig.1 Flow chart of primary coffee processing
咖啡果皮是咖啡湿法加工过程中产生最多的剩余物，可达咖啡鲜果重的50%以上，其由浆果的外果皮、中果皮和果胶组成，含水率非常高。干果皮中碳水化合物含量为21%～32%，蛋白质含量为5%～15%，单宁含量约为8.56%，绿原酸含量为2.6%，咖啡因含量为1.3%，总咖啡酸含量为1.6%[3，5，10]。
2 咖啡果皮资源化利用
2.1 堆肥
咖啡果皮富含多种矿物质，钾元素含量尤其丰富，但其较高的绿原酸和多酚类物质对植物生长有害，通过堆肥处理可有效降解这些有害化合物。咖啡果皮含有的各种抑菌化合物使堆肥周期较长且波动较大，最长需近1 年[11-12]。调节碳氮比（C/N）、添加适宜的微生物菌剂、控制温度和pH值是堆肥调控的常用方法。咖啡果皮C/N较高，应与高氮含量的材料混合堆肥以保证堆肥的品质[12]。Rezende等[13]和Dadi等[14]将咖啡果皮分别与牛粪、城市生活垃圾混合堆肥，均可产生理化性质非常稳定的有机肥；Adi等[15]将咖啡果皮、牛粪、餐厨垃圾不同比例混合堆肥，预堆肥21 d后进行蚯蚓堆肥，发现咖啡果皮通过蚯蚓分解较快且有助于提高堆肥的品质；Hachicha等[16]通过添加白腐菌（Trametes versicolor）、调节温度和pH值使堆肥在140 d内完成，酚类物质基本降解，堆肥使大麦发芽指数提高了120%。在整个堆肥过程中，堆肥系统的温度先升高后降低，由于无机酸降解和腐殖质、弱酸盐的产生，pH值逐渐升高，温度和pH值趋于稳定是评价腐熟度的直接依据[13，17]。
咖啡果皮堆肥能缓解土壤酸化，提高土壤阳离子交换量，增加土壤大中量元素有效性，提升土壤微生物丰度[17]。咖啡果皮堆肥除能作为肥料外，还能作为酸性土壤的改良剂。哥伦比亚的调查结果表明，咖啡园中使用咖啡果皮堆肥有助于改善土质，从而提高咖啡果产量，也能减少肥料的使用量，降低成本[18]。我国研究人员将咖啡果皮堆肥应用于咖啡园土壤改良和种植思茅松（Pinus kesiya var. langbianensis）[19-20]、长蕊甜菜（Melientha longistaminea）[21]等热带树种的育苗基质，应用效果较好。以上研究表明咖啡果皮具有作为优质肥料的潜力，但咖啡果皮中含多种抑生物质，腐熟度至关重要，尚需构建系统的腐熟度评价体系，此外堆肥过程的渗液污染问题也需要引起重视。如果能从工业层面对堆肥进行系统设计，堆肥将是实现咖啡果皮规模化利用的有效途径。
2.2 开发功能性食品
咖啡果皮中富含葡萄糖、果糖等甜味物质，此外还有膳食纤维、咖啡因和咖啡醇等功能性成分，许多研究报道了在食品配方中添加咖啡果皮有益于人体健康，诸如促消化、抗氧化、改善肥胖和预防慢性病等[22]。由于咖啡果皮中的膳食纤维含量高且具有潜在的抗氧化、助消化、降血糖、降血脂作用，咖啡果皮在低热量食品配方中得到了广泛应用。2022年，咖啡果皮被纳入云南省食品安全地方标准[23]，此外欧盟食品安全局将阿拉比卡咖啡干燥果皮认定为一种新型绿色食品原料[24]。咖啡果皮粉可用于制作面包、饼干、松饼、蛋糕和酱汁的配料[25-27]。添加咖啡果皮粉可增强饼干的抗氧化能力，提高淀粉消化率，降低血糖生成指数[25，28]。咖啡果皮还被应用于生产茶饮。孙岳等[29]优化了咖啡果皮茶冲泡条件，发现料液比1∶120（g/mL）、90 ℃冲泡30 min的咖啡果皮茶中绿原酸溶出量与常见咖啡产品差异不大，汤色清亮且口感较好；商业化的咖啡果皮茶卡斯卡拉（cáscara）具有独特的香气和风味，其甜中带酸还附带微苦，此外还具有抗氧化、提神醒脑的功效[30]；相关企业日前推出中国市场新款咖啡果茶产品，以咖啡果皮带来的独特风味受到消费者喜爱[31]。以上研究表明了咖啡果皮直接作为功能食品配料的利用价值。
值得注意的是，咖啡果皮的高含水率增大了干燥难度，而酚类的氧化褐变使新鲜果皮很难保存，干燥过程中可能产生微生物毒素。据Paterson等[32]报道，咖啡果皮干制过程中容易生成具有高致癌性的赭曲霉毒素A（ochratoxin A）。咖啡浆果脱粒后应快速收集咖啡果皮以防变质，并探寻快速有效的干燥和保鲜方法，加强食品毒理监测。
2.3 酿造咖啡果酒
咖啡果皮中碳水化合物含量约为30%，早在20世纪80年代，我国学者就提出利用咖啡果皮酿造果酒[33]。早期咖啡果酒采用蒸熟的咖啡果皮酿造，目前研究人员直接采用新鲜咖啡果皮匀浆发酵以更好地保留咖啡风味。果酒的品质受到诸多因素影响，如底物糖度、发酵菌种、pH值、温度和时间等。糖度可通过向底物中添加发酵糖进行调节，为使果皮中的多糖获得充分利用，也可在发酵前添加纤维素酶进行酶解预处理。发酵菌株被认为是果酒风味形成的关键。酵母菌在无氧条件下分解葡萄糖产生乙醇和CO2，此外还会产生酯类、醇类和酸类等各种次级代谢物，有助于增加风味和香气复杂度。匡钰等[34]筛选出了安琪果酒酵母作为咖啡果皮酒的发酵菌种，产气量和产酒量均很高。除传统的酿酒酵母外，非酿酒酵母被认为是果酒风味、香气和复杂性形成的重要贡献者。通过开发新的发酵菌株，可以有效提高果酒的香气和品质，并创造新的独特果酒风味。程思琦[35]筛选的非酿酒酵母—克鲁维毕赤酵母（Pichia kluyveri），产酒率高且咖啡果皮酒具有更浓郁的蜜香和花果香，克鲁维毕赤酵母与安琪酵母混合发酵可提高果酒咖啡因含量，质量比为1∶1可获得最佳的香气。刘静等[36]对咖啡果酒发酵工艺进行优化，最优工艺条件为初始底物糖度22%、接种酵母量7.5%、29 ℃发酵7 d，果酒呈深琥珀色，酒精度可达10.8%，咖啡果香浓郁，滋味纯正且咖啡因含量达34.3 mg/L；胡荣锁等[37]通过向底物中添加可发酵氨基酸生产出了风味和口感更佳的咖啡果皮酒。国际上已有商业的咖啡果皮酒，如美国加州卡尔酒庄的卡斯卡拉酒[35]，颜色幽深且带有水果和香料的味道。我国市面上尚无真正的咖啡果酒，若能实现商业化将很有市场竞争力。利用咖啡果皮酿造果酒技术和设备要求低，利用规模的同时能产生较高的附加值。
2.4 动物饲料
咖啡干果皮中粗蛋白质含量为9.3%～13.5%，但果皮中的咖啡因具有神经兴奋作用，摄入过多会增加牲畜的运动量，咖啡因的利尿作用会加快氮的排出，对于增肥不利，单宁、酚酸等鞣质酸则会降低适口性[38-39]。因此，咖啡果皮只能作为辅料添加到饲料中，且添加的比例不能太高。肉牛日粮中咖啡果皮粉添加比例不超过20%，育肥羊羔日粮最多可以添加28%，绵羊日粮不超过16%，肉鸡日粮仅为2.5%，鲜咖啡果皮不能用作集约养殖的罗非鱼饲料，尽管猪日粮中添加20%咖啡干果皮不影响生长，但这并不会降低饲料成本，因为需搭配更高氮的鱼粉[38，40-44]。咖啡因、单宁等物质的存在限制了咖啡果皮饲料的应用，但咖啡果皮广泛且廉价的来源和已知对动物的抗氧化、改善免疫作用，不少学者仍在果皮饲料上进行了努力，如利用微脱水、青贮和黑曲霉（Aspergillus niger）固态发酵等生物技术降低咖啡因和单宁含量，提高果皮饲料的可利用率，在咖啡生产淡季带来额外收益[45]。总体上，咖啡果皮饲料存在一定的利用风险和技术障碍，加之果皮保鲜、脱水和青贮等环节的成本，可能会入不敷出。
2.5 菌菇基质
咖啡果皮是一种理想的菌菇生产基质，但鉴于其高含水率和抑菌化合物，无法直接利用，须进行脱水和发酵预处理。将半干的咖啡果皮发酵2 d后用熟石灰浸泡消毒，沥干水分装袋，接种平菇、金针菇、香菇等菌种3～4周后即可收获，且可连续收获2～3次[46]，采用传统的橡木段基质生产通常需要数月时间[47]。咖啡果皮可用于生产富硒平菇[48]。木屑、秸秆等常用的菌菇基质的生物转化率为125%～138%，而咖啡果皮含有更多葡萄糖、果糖等容易利用的多糖，生物转化率可达153%[47]。在菌菇生产周期内咖啡因、单宁和绿原酸逐渐被真菌分解，大约73%的果皮将被菌株利用，残余基质可用作有机肥为土壤提供肥料[47]。张传利等[48]在咖啡园中用咖啡果皮混合稻草生产彩云菇，鲜菇产量达5.84 kg/m2，菌渣作为有机肥又能增加咖啡产量，这种“咖啡—食用菌”复合栽培模式的利润是单纯咖啡生产的2.1倍。普洱咖啡产区将咖啡果皮用于生产平菇、大球盖菇、白参和虎奶菇[48-49]。考虑到每年的咖啡收获季节产生的大量果皮，利用果皮生产菌菇可使小农经营的咖农也能获取可观的额外经济收益。
2.6 生产沼气
厌氧消化是在缺氧环境中，在厌氧微生物作用下，有控制地使有机物转化为CH4、CO2和稳定物质的生物化学过程。利用厌氧消化处理咖啡果皮、咖啡渣等废弃物，不仅可以解决废弃物的环境污染问题，还可生产沼气和沼渣肥料。底物pH值、有机载荷和菌料比是影响厌氧消化的主要因素[50]。由于低pH值环境和多酚的存在，咖啡果皮具有很强的抗厌氧消化能力。用嗜热真菌进行预处理可提高咖啡果皮的pH值并降低多酚含量，提高消化效率，两个月内CH4产气量是等量牛粪的2倍[51]；利用熟石灰碱处理的咖啡果皮CH4产气量达0.22 m3/kg，与餐厨垃圾共消化可达0.36 m3/kg，与未处理对照相比分别提升了37%和125%[52]；咖啡果皮在28.7 g/L底物有机载荷、pH7.7和菌料比为9∶100下CH4产气量为48 mL/g，与禽畜粪便共消化可达345.3 mL/kg[53]。印度和大多数拉丁美洲国家的小型咖啡加工厂将咖啡果皮、咖啡渣和咖啡污水集中在厌氧池中进行厌氧消化。据报道，厌氧消化池曝气阶段1 L果皮每天最多可产生1.21 L沼气，CH4含量达58%，经过60 d曝气后废渣的化学需氧量和生化需氧量均降低了90%以上，对环境友好，可直接用作有机肥[2]。利用咖啡加工剩余物生产沼气是咖啡果皮工厂化处理的高效途径。
2.7 提取健康成分
咖啡果皮富含多种高价值的生物活性物质，如咖啡酸、绿原酸、阿魏酸等酚酸类以及咖啡因、烟酸和葫芦巴碱等具有兴奋作用的化合物。这些化合物种类和含量因咖啡品种、成熟度、生长环境等有关[54]。咖啡果皮被用来提取咖啡因、绿原酸、多酚、黄酮、果胶和膳食纤维等多种高价值生化物质，研究人员围绕提取溶剂、pH值、温度、压强等开展了工艺优化，超微粉碎、蒸汽爆破、酶水解、超声辅助提取等技术的应用进一步提高了化合物提取效率。王彦兵等[55]优化了阿拉比卡咖啡果皮多酚的提取工艺，超声辅助提取下最佳工艺的多酚提取率达34.68 g/kg；Tello等[56]利用CO2超高压临界萃取法从罗布斯塔咖啡果皮中提取咖啡因，温度373 K（1 K=-272.15 ℃）、大气压强300 bar、CO2/果皮为197 kg/kg时最多可从果皮中提出84%的生物碱，经高效液相色谱鉴定其主要成分为绿原酸和咖啡因，水洗后获得的咖啡因纯度不低于94%，从提取率和纯度上看此工艺非常有技术利用前景。受制于技术和设备条件，利用咖啡果皮提取高价值化合物目前依旧处于实验室阶段，其产业化价值尚需结合经济可行性进行更多评估。
3 研究展望
咖啡果皮产量大，可利用价值高，但目前仍未得到合理的开发利用，主要原因在于综合利用技术尚不成熟，缺乏大规模产业化的成功案例。未来的研究应聚焦于以下几个方面。
1）着力解决咖啡果皮高含水率、易氧化变质等问题，开发更为环保、安全、高效的预处理技术，进一步优化咖啡果皮的收集、储存和运输等环节，保证其利用的安全性、经济性和可持续性。
2）深入探究咖啡果皮中各种活性成分的生物转化机制，推动咖啡果皮高价值化合物的提取与纯化技术的创新，尤其是探索更加经济、环保的提取工艺，减少对环境的影响，同时提高产物的纯度和得率，以满足工业化生产的需求。此外，应加强咖啡果皮中活性成分的功能性研究，通过科学实验验证其在健康、美容、医药等领域的应用潜力，为咖啡果皮的综合利用提供科学依据。
3）加强跨学科合作，荟聚生物学、化学、工程学等多领域力量，构建咖啡果皮资源化利用的产业链，促进产学研用结合，推动相关技术的转化与应用，兼顾利用的深度与广度，实现咖啡果皮从废弃物到资源的华丽转身，助推咖啡产业向“全果经济”绿色升级。
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