互动科普

几十年来，寻找无咖啡因咖啡豆的工作几经沉浮，但科学家们仍坚持不懈。

撰文 布伦丹·伯雷尔（Brendan Borrell） 翻译 赵祥宇

保罗·马扎费拉（Paulo Mazzafera）从绿油油的咖啡叶上挖下一个豌豆大小的小圆片，并将小圆片放入一个含有氯仿和甲醇混合液的小瓶子里使之慢慢溶解。随后，他用高效液相色谱仪，分析这些提取物和其他95种咖啡叶样品的化学成分。第二天早上，当这位植物生理学家回到他在巴西坎皮纳斯大学的实验室后，就开始分析实验数据。对着一幅又一幅色谱层析图，他仔细检查着每幅图中代表咖啡因的吸收峰。在其中一种咖啡叶样品的色谱图中，他没有找到咖啡因的吸收峰。

马扎费拉把这个实验重复了两次，快到中午时，他打电话给附近农业局的合作者伯纳黛特·席尔瓦罗拉（Bernadete Silvarolla），告诉她这个消息。“你真的确定吗？”她问道。马扎费拉的回答非常肯定。实际上他早已激动万分。在经历了20年，对数千种植物进行筛选后，这项寻找天然不含咖啡因的咖啡的工程似乎终于有了结果。这是2003年底。

咖啡豆中含有2 000多种不同的化学成分，这些成分使咖啡拥有诱人而浓郁的芳香，其中就包括咖啡因，一种兴奋剂和天然杀虫剂。要想在去除咖啡因的同时，又保证其他成分完好无缺是一个非常大的挑战。咖啡生产商通常借助于化学方法：1905年，德国不莱梅的路德维希·罗斯里尔斯（Ludwig Roselius）率先申请了商业脱咖啡因工艺的专利。但他在提取加工的过程中使用了有毒试剂苯。后来，苯被毒性较小的溶剂所替代。如今，许多生产商在烘焙天然咖啡豆之前，将其沉浸在高压液相二氧化碳中，或在热水中浸泡数小时，以达到去除咖啡因的目的。喜欢咖啡的人认为，所有的这些方法都破坏了咖啡原有的味道，但是，脱咖啡因咖啡市场每年的市值仍然高达20亿美元。

研究人员一直在寻找天然不含咖啡因的咖啡豆，这样既能够保证咖啡所拥有的独特味道，同时使得种植者在高端的脱咖啡因咖啡市场中占有一席之地。但是，通过传统的育种方法，或是转基因方法来培育新型咖啡豆，比预想的困难得多（参见“无咖啡因咖啡的沉浮”）。咖啡树要经过多年才能长出咖啡豆，而且在咖啡豆长出后会变得很脆弱。另外，为了让种植咖啡树有较高的经济效益，作物得有较高的产量，而且咖啡豆需要同时成熟，大小和形状要便于手工或机械化采摘。缺少上述任何一项特征都会让咖啡树的经济价值大打折扣。关于探索无咖啡因咖啡豆的优秀文献不胜枚举，却一直没有适合推向市场的咖啡豆。

上世纪80年代，现已退休的植物细胞生物学家罗德·夏普（Rod Sharp）曾在美国DNA植物技术公司（DNA Plant Technology）工作，他试图生产出不含咖啡因的咖啡豆，然而要把基础研究转化为工业化的农业生产往往非常困难。“成天待在实验室里的研究人员总是有点天真。一旦有了一个重大发现，我们就会来来回回折腾半天，而事实上，要将基础研发转化为商业运作是个全新的挑战”。但是，夏普仍然坚信，总有一天会揭开这类植物的生长奥秘。“总会有那么一天的，”他说，“只是这段孕育期比较长。”马扎费拉研究的咖啡豆正是这样：在发现这类咖啡豆8年后，他们的团队仍然在努力将其转化为适合种植的作物。

与茶叶和酒相比，咖啡的发现时间较晚，很多记录显示，大约在15世纪，也门的一位神秘主义者描述了在埃塞俄比亚发现的一种浆果，经过烘焙、煮沸后，制成的饮料具有提神的作用。现在，市场上占主导地位的咖啡豆种类有：阿拉伯咖啡（Coffea arabica），这种咖啡豆的味道非常醇香，生长在气温较低的地方；家福拉咖啡（Coffea canephora），通常也叫做“罗巴斯塔咖啡”（robusta），这种咖啡豆常用于速溶咖啡及较低档的混合咖啡中。市场上的阿拉伯咖啡豆和罗巴斯塔咖啡豆中，咖啡因的含量分别为1.2%和2%～3%，正是由于咖啡因，许多人都沉迷于这两种咖啡豆。

但有些人对于这种成分却避之唯恐不及，他们对咖啡因过于敏感，还有些人是出于宗教原因，或者仅仅是不想睡不着觉。1901年，法国巴斯德研究所的加百利·伯南特（Gabriel Bertrand）在马达加斯加附近的科摩罗（Grande Comore）岛上，找到了一种不含咖啡因的咖啡豆。实际上，咖啡属中的许多种类都不含咖啡因或含量很低。几种天然咖啡因含量处于中等水平的咖啡（0.6%～1%）已经进入市场，其中就包括意大利咖啡制造商所生产的意利（Illy）咖啡。但不幸的是，大多数咖啡因含量较低的咖啡树，要么结出的咖啡豆很少，要么含有高浓度的苦味物质。不过，天然的变种咖啡豆存在，说明育种专家还是能创造出具有商业价值的咖啡豆种系。

咖啡和梦想

1983年，马扎费拉在坎皮纳斯农业研究所开始了他的研究。最初，他在植物育种界先驱阿尔西德斯·卡瓦略（Alcides Carvalho）的指导下，研究咖啡因生物合成的遗传学和生理学机制。阿尔西德斯·卡瓦略创立了坎皮纳斯农业研究所咖啡类植物收藏室，如今已收藏了70 000个品系，包括全球1 000多种野生型、选育型、杂交型、突变型以及栽培品种的咖啡树。

一开始，马扎费拉使用一种老式的分光光度计来测量样品中咖啡因的含量，一次只能测试一个样品。1987年，他开始在坎皮纳斯大学工作，购置了一台高效液相色谱仪，大大提高了分析效率。这时，科学家已经总结出阿拉伯咖啡生成咖啡因的四个基本步骤。马扎费拉非常细致地研究了7种咖啡豆的咖啡因生成和降解原理，期望能够找到一种咖啡因的合成途径有缺陷，因而含咖啡因较少的植株。与此同时，他和卡瓦略用市面上的咖啡树品种和咖啡因含量较低的非阿拉伯品系杂交。但是，他们仍然不能保证，在保持阿拉伯咖啡豆的特性的同时去除咖啡因。马扎费拉说：“我们只是在浪费时间。”

2000年，马扎费拉和育种专家席尔瓦罗拉开始在坎皮纳斯农业研究所一起工作。他们将注意力转移到一组阿拉伯咖啡植株上，这些植株是1964年，联合国在厄立特里亚和埃塞俄比亚考察时收集到的，共有620份种子样品，分别在哥斯达黎加等国家种植。随后，他们在哥斯达黎加收集了308个种系并寄回巴西。马扎费拉认为，从埃塞俄比亚的阿拉伯咖啡着手生产商用咖啡豆，要比和其他种类杂交容易得多。

2003年，马扎费拉就是从这些植株中发现了非常有推广前景的种系，而且还不止两种。在确认了咖啡豆也和咖啡叶一样不含咖啡因后，他得出结论：该类植株的咖啡因化学合成途径在最后一步存在缺陷。在普通植株中，这一步骤会将可可碱（一种温和的兴奋剂和利尿剂）转化为咖啡因。巴西政府向马扎费拉的团队提供了120万美元经费，要求他们不向外界公开这些珍贵植株的产地。马扎费拉确信，5年后具有商业头脑的种植者一定会开始种植这种新型咖啡树——前提条件是不会有人捷足先登。

改造咖啡豆

随着基因工程技术的出现，许多科学家开始尝试用基因剪接技术，来培育不含咖啡因的咖啡树。但是，这种技术在咖啡树的培育中却很难奏效。1992年，美国夏威夷大学的遗传学家约翰·斯蒂尔斯（John Stiles）尝试使用基因“反义链”技术，即将某一基因片段插入到植株中，来降低目标蛋白的表达量（莎弗西红柿就是通过该技术培育出的，是第一个获得批准、适合人类消费的转基因植物）。斯蒂尔斯的目标是将参与咖啡因合成的蛋白作为目标蛋白。

问题很快就出现了。对植物进行基因改造时，要将一些植物组织细胞培养在琼脂糖上，将外源基因插入这些植物细胞，然后让这些组织块长出叶芽，发育为完整植株。但不知为什么，这个过程在阿拉伯咖啡树中很不顺利。

接下来的七年，斯蒂尔斯和两位博士后研究人员卡比·路彭（Kabi Neupane）和斯蒂芬·莫莎迪（Stefan Moisyadi）一起努力，希望能克服这一生物学上的障碍。他们培育了一些咖啡因含量很低的植株，斯蒂尔斯曾激动万分地发表过一些声明。例如在1999年8月，他告诉《华尔街日报》的记者，他们将于当月在夏威夷开展田地实验，然后将扩展到墨西哥，三年之后就会产生可观的经济效益。

不幸的是，这些植株似乎并不配合。在生长过程中，这些植物中的咖啡因水平不断增加。路彭和莫莎迪继续进行研究，而斯蒂尔斯在2000年离开了夏威夷大学，成立了自己的公司。2008年，和当地社区及立法机关就转基因咖啡豆的田地使用权谈崩之后，他的公司破产了。现在，斯蒂尔斯也承认，他不能100%保证可以培育出不含咖啡因的咖啡。许多咖啡豆研究者也对此表示质疑。“我们总是小本经营，” 斯蒂尔斯说，“我们从来不是业界大亨孟山都。”

日本奈良理工大学佐野宏实验室的博士后荻田信二郎（Shinjiro Ogita）也没有成功。2001年，他将研究目标锁定在咖啡因合成途径中的一种蛋白酶上，最近他刚从茶叶中鉴定出来该种蛋白酶。他的研究团队使用了一种非常有效的基因沉默技术——RNA干扰，同时用了罗巴斯塔咖啡豆作为研究对象，期望在细胞培养时会容易一点。但事实上并非如此。只有极少细胞能接受外源基因DNA。荻田最后只获得了一些细胞系，培育出35种转基因籽苗。

 他检测一些叶片，结果发现和对照组相比，这些叶片的咖啡因含量下降了70%。他的文章被《自然》杂志接受的当天，他打开了一瓶唐·培里侬香槟(Dom Perignon)以示庆祝。他很想将这种方法应用到阿拉伯咖啡豆上，但这种咖啡的植株仍然没有结出咖啡豆。

 即使荻田能够解决育种上的问题，要想使转基因无咖啡因咖啡上市仍很困难。英国格拉斯哥大学的生物化学家艾伦·柯罗奇（Alan Crozier）认为，一个根本障碍是，咖啡因合成途径中的旁路反应也会形成咖啡因，因此转基因咖啡也许永远都不可能成为真正意义上的无咖啡因咖啡。要得到公众的认可又是一个挑战。孟山都和其他一些农业巨头往往是以种植者为中心，使生产工艺商业化（例如抗虫性和除草剂耐受性等技术），而不会关注消费者所关心的低咖啡因、高抗氧化剂等特点。因此，要找到商业上的支持是比较困难的。

育种的吸引力

普通大众对转基因食物普遍持否定态度，这使得天然的不含咖啡因的埃塞俄比亚种系更有吸引力。但要将其培育成商业化品种所花费的时间，比马扎费拉和席尔瓦罗拉预期的要长很多。席尔瓦罗拉整天都在田地里忙碌，从花朵上将产生花粉的雄蕊剪下来和雌蕊绑在一起，以便于给雌蕊人工授粉。每年，她大概能培育出800株新植株。

据坎皮纳斯农业研究所组织的品尝小组反映，新植株产出的咖啡豆味道很好，但问题是植株叶片过于茂密，开花期也不一致。现在，马扎费拉和席尔瓦罗拉将主要精力用于培育低咖啡因植株，并没有花太多精力解决咖啡豆产量较低这一问题。“起初，我们觉得这是小菜一碟，” 坎皮纳斯农业研究所的遗传学家米利亚姆·马鲁夫（Miriam Maluf）说。但是，要将咖啡因从植株中去除，研究者面临的最大挑战可能是，咖啡因的存在是有意义的。咖啡因是一种天然杀虫剂，这很好地解释了为什么咖啡因含量较少的野生咖啡树，往往含有其他的苦味化合物以便驱赶害虫。

尽管这么多年都没有取得成功，人们对于寻求无咖啡因咖啡豆的热情丝毫没有减退。法国蒙彼利埃农业研究与发展中心的植物遗传学家本努瓦·伯特兰（Benoit Bertrand）已经开始筛选该中心所收藏的植株，希望找到无咖啡因植株。夏威夷农业研究中心的长井千文（Chifumi Nagai）和日本上岛咖啡株式会社在马达加斯加展开合作，培育出由三个不同种类杂交形成的品系，该品系生产出的咖啡味道醇香，产量也比较稳定，而且咖啡因的含量仅有0.37%。这无疑是一个成功。

即使如今已51岁，马扎费拉也没有放弃。马扎费拉对于无法继续从事埃塞俄比亚咖啡豆研究感到非常气愤，2006年他又开始了一项新的计划。他将一种产量较高的阿拉伯咖啡种子浸在某种化学试剂中，使其发生变异，然后筛查了28 000株幼苗的咖啡因含量水平。“这真是海里挑针，”他说。最终他筛选出7株幼苗，咖啡因水平只有一般咖啡豆的2%。他已经注册了商标：Decaffito。

但是问题仍然存在——这些植株很容易交叉授粉，导致咖啡豆中咖啡因含量恢复。不过，他仍然下定决心，要培育出一种可以商业化的种系。他甚至开始和一家公司探讨，希望对方可以投资他的研究项目。研究的道路困难重重，但是，他愿意做出牺牲。“假若我拥有一个农场，”他说，“我会自己种植这些咖啡。”