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咖啡豆的產地身分證

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劉厚均｜成功大學地球科學系

陳秋芸｜成功大學地球科學系

喝一杯香醇的咖啡來喚醒一天，無疑是很多現代文明人的生活寫照。你可能不知道，人類飲用咖啡距今約莫超過十個世紀了。由於年代久遠，咖啡的緣起已無從考查，也缺乏相關的歷史事證。

但是，坊間給了咖啡一個美麗的故事。據說一千多年以前，在衣索比亞西南部的高原有一位牧羊人發現他的羊突然異常興奮地蹦蹦跳跳，原來是誤食了一種紅色的果實後導致這種異常行為。於是他摘取了一些果實回家熬煮，沒想到這神祕的果實香氣迷魅，喝下去更是精神振奮。很快地，這種充滿神祕色彩的「黑色飲料」開始傳播開來，經百年之後傳入了歐洲和東亞，甚至成為貴族身分地位爭相競逐的「黑色金子」。

今天，咖啡不僅在全世界每天有超過20億杯的市場規模，更是一種很重要的經濟貿易作物。在國內，古坑咖啡馳名全國，但是你能確定喝的古坑咖啡的咖啡豆是來自譽為「台灣咖啡原鄉」的古坑嗎？現在，就讓我們來聊聊咖啡的產地，以及有什麼樣的化學方法可以鑑定咖啡的血統。

咖啡豆的分布與產地

咖啡豆的品種主要是阿拉比卡（Arabica）及羅布斯達（Robusta）兩種。其中，阿拉比卡的品質和口感較好，占了總生產量的2/3以上。在外觀的判別上，阿拉比卡咖啡豆顆粒較小（因此又稱為阿拉伯小果咖啡），外形略呈橢圓狀，果實中央的裂縫呈彎曲狀；羅布斯達咖啡豆則又大又圓，且果實裂縫呈直線狀。因此，可以根據這些特性來區分這兩個品種的咖啡豆。

相對於其他大部分植物，咖啡豆的栽培有著嚴苛的環境條件。溫度、海拔以及乾溼分明的降雨季節來配合咖啡豆的生長及成熟時間，是限制咖啡植栽最關鍵的因素。換句話說，這些條件限制了咖啡的生長區域，使其產區集中分布在南、北回歸線之間的高海拔地區，也就是俗稱所謂的「咖啡帶」。

雖然說咖啡的種植氣候條件限縮在咖啡帶，但是生長的土壤環境卻不盡相同，一般可區分為以沉積岩或火成岩為主的風化土壤。以全世界主要出產咖啡豆的國家和台灣為例子，簡單說明一般的情形。

以亞洲來說，在巴布亞新幾內亞及蘇門答臘主要種植在火成岩礦物和火山灰風化土壤中。台灣的咖啡主要是在沉積岩為主的環境中，不過在少部分地區例如東部有一些火成岩的出露，因此咖啡植栽環境可能有少部分受到火成岩的影響。

中、南美洲的情況比較單純，大都是以火成岩質的土壤環境植栽。非洲就顯得複雜了。阿拉比卡咖啡主要植栽在非洲東部的高原，這是以古老的大陸地殼為主，但是在東非裂谷周遭區域卻有很多火山。因此，以非洲來說，土壤性質或隨著產區而有所差異。這些種植環境的差異再加上先前所述的氣候條件，就左右了每一個產區咖啡豆的品質與身價。

由於咖啡植栽的氣候和土壤條件是影響咖啡豆化學組成的重要因子，也是鑑定產地的重要依據。每個咖啡豆產地的這些環境條件差異越大，鑑定工作就越簡單。

化學元素組成差異

早期，科學家對於農作物產地的識別多仰賴化學元素組成上的差異，進而區別這些作物是不是同一個產地所生產的。這是基於農作物在生長時，必須從環境中攝取營養鹽以及主要、微量元素，而這些化學組成會隨地而異。特別是微量元素的濃度較低，很容易因為環境因素的差異而有所不同，可做為「因地而異」的指標。因此，只要透過化學元素的分析和定量，再利用統計軟體找出化學組成上的差異，就可以區別是不是屬於同一個環境下的產物，來達到產地識別的目的。

化學元素的組成應用於咖啡豆的產地識別也是相同的道理。許多研究指出，咖啡豆裡很多濃度相當於ppm（parts per million，相當於每克咖啡豆中有10－6克的某化學元素）等級的化學元素適合應用於產地差異的識別，像是：銣、鍶、鋇、鈧、鈷、銅。

但是，真的有那麼神奇嗎？筆者和實驗室的研究團隊透過各種管道取得14個國家超過21個產地的阿拉比卡咖啡豆進行研究。把這些結果與現今已經發表的文獻資料一起統計分析，意外地得到了兩個很重要的結論。首先，這些微量元素的組成與分布確實有著產地上的差異，但關鍵是這樣的差異跟統計的誤差比起來實在是太小了。

再來，發現一個盲點。化學組成的計量和差異有機會告訴我們是不是同一個產地所生產的咖啡豆，但透露的資訊卻也僅限於這方面。單憑化學濃度的資訊很難指出明確的產地。這或許也是壓垮駱駝的最後一根稻草！很多食品產地的鑑定漸漸地減少對這種鑑定方式的依賴。

同位素的識別應用

相對於運用化學元素分析和定量的技術方法而言，運用同位素分析是近來識別產地的趨勢和廣泛應用的主流。

我們得先了解一下什麼是「同位素」。簡單來說，元素具有相同質子數但不同中子數的核種，稱作同位素。因為質子數相同，所以同位素的化學行為非常類似。然而中子數量上的差別會造成原子核內質量上的微小差異，並導致微觀尺度物理行為上的不同。因此，當元素在不同的「相」交換時，很容易因為這些微小的差異導致同位素比例的改變，稱為同位素的分化效應。例如常見的穩定同位素系統像是氫、氧同位素（²H/¹H、¹⁸O/¹⁶O）在蒸發、降雨等過程中，同位素會因為這些微小的差異，導致在每一個階段中不斷地改變水氣中²H/¹H、¹⁸O/¹⁶O 的比率。

也許，你會對於同位素的分化理論感到陌生或恐懼，不用擔心，因為這些知識在大學的教育裡往往需要很長的時間才能說得清楚。或許你只需要掌握一個簡單的概念：穩定同位素的分化提供了很多有關物理化學作用的線索，足以讓地球化學家大展身手進行偵探鑑識的工作。

同位素提供的線索

至於這些穩定同位素的比例會在什麼樣的機制下被分化，分化的結果又提供了什麼樣的線索，這就是利用這些同位素工具的重要基礎。

一般來說，最常應用於食品產地識別的穩定同位素有氫（²H/¹H）、碳（¹³C/¹²C）、氮（¹⁵N/¹⁴N）、氧（¹⁸O/¹⁶O）和硫（³⁴S/³²S）。氫、氧的同位素分化主要受到水文循環（諸如蒸發、降水等）的影響，其他同位素系統主要還是與生物作用或攝食代謝有關。因此這些同位素系統不見得都會反映與地理位置相關的訊息。也就是說，並非所有的同位素系統都適合應用於農作物產地的識別。

不屬於穩定同位素的範疇，卻也常應用於產地鑑定的就是鍶同位素系統（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）。鍶同位素比值是歸類於放射性同位素系統，但是這樣的分類不是因為像鍶–90（⁹⁰Sr）一樣具有放射性，而是⁸⁷Sr/⁸⁶Sr中的⁸⁷Sr會從銣–87（⁸⁷Rb）衰變過來。礦物中如果含有大量的銣，經過很長的時間（這邊討論的是地質時間的尺度，長達千萬年甚至億年）就會產生很多的鍶–87。因此，不同Rb/Sr 比值的礦物會有特定的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 比值，而可以利用來區分不同岩性的礦物。

你可以想像，如果把植物種植在特定岩性的土壤上，土壤中的水與土壤礦物反應，植物再從土壤水中攝取需要的元素，植物中的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 基本上可以反映所生長的土壤環境。這也是為什麼鍶同位素常常應用於追蹤農作物產地的緣故了。

除此之外，過去在科普文章中比較少提到的硼同位素系統（¹¹B/¹⁰B），在農作物的產地鑑定研究中也展露了頭角。諸如像咖啡豆這一類的植物，硼是一個生長過程中不可或缺的元素。在人工植栽的咖啡豆裡，硼的來源主要就是從肥料中來的。說起來也很奇妙，中美洲，亞洲和非洲三大產區所使用的肥料中，硼同位素呈現區域性的差異。其中，非洲的肥料硼同位素¹¹B/¹⁰B 的比值特別高，導致咖啡豆裡的¹¹B/¹⁰B 比值也很高，因而可以區別非洲地區與其他產區的咖啡豆。

鍶硼雙同位素系統的應用

雖然談了那麼多應用於農作物產區鑑別的同位素系統，但是分析統計全世界超過250筆的咖啡豆同位素資料之後，發現竟然沒有一個同位素系統可以100％有效地區分咖啡豆的產區！最主要的原因是有很多地區呈現相近的同位素比值，這也是咖啡豆產地認證最大的困難（其實大部分的農作物也遇到相同的困難與挑戰）。

不過，如果把幾個反映不同訊息的同位素資料放在一起看，就不會讓人這麼沮喪了。研究顯示硼同位素可以有效區分非洲和其他來源的咖啡豆；鍶同位素可以有效辨別以火成岩植栽環境為主的中、南美洲咖啡，以及亞洲沉積岩和火成岩環境的咖啡。因此，透過鍶硼雙同位素系統的分析，可以更有效地鑑定咖啡的產地。

鍶硼雙同位素系統除了成功應用於咖啡豆的產區鑑定之外，在早些年也成功應用於日產稻米的產地識別。目前，相對於單一同位素系統，這個雙同位素系統的方法使得咖啡豆產地識別的解析度已經突破「洲」的尺度，甚至在幾個同位素比值比較特殊的產區可以解析到「國家」或更小的尺度。未來，也許結合其他的科學方法可以進一步提升產地識別的能力。

嚴謹的咖啡豆產地認證對於產品的品質有著正面的提升作用！不過，要鑑別所有產地的咖啡豆，事實上是一項艱巨且非一蹴可幾的工作。化學的鑑定技術仰賴於各種農作物植栽環境的差異性，卻受限於環境差異的程度。但是，這樣的限制不會阻礙科學的發展。更何況誰說未來不能有跨領域技術的合作呢！昔日科學家持續不斷地努力投入新的技術與嘗試，未來更致力於技術的改善與提升，也確保手上的這一杯咖啡持續香醇。

資料來源

《科學發展》2015年12月，516期，30 ~ 35頁

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