咖啡是从哪里来的？用同位素来说明咖啡的产地。咖啡的起源和历史

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• 　　喝一杯香醇的咖啡来唤醒一天，无疑是很多现代文明人的生活写照。你可能不知道，人类饮用咖啡距今约莫超过十个世纪了。由于年代久远，咖啡的缘起已无从考查，也缺乏相关的历史事证。 　　但是，坊间给了咖啡一个美丽的故事。据说一千多年以前，在埃塞俄比亚西南部的高原有一位牧羊人发现他的羊突然异常兴奋地蹦蹦跳跳，原来是误食了一种红色的果实后导致这种异常行为。于是他摘取了一些果实回家熬煮，没想到这神秘的果实香气迷魅，喝下去更是精神振奋。很快地，这种充满神秘色彩的"黑色饮料"开始传播开来，经百年之后传入了欧洲和东亚，甚至成为贵族身分地位争相竞逐的"黑色金子"。 　　今天，咖啡不仅在全世界每天有超过20亿杯的市场规模，更是一种很重要的经济贸易作物。在国内，古坑咖啡驰名全国，但是你能确定喝的古坑咖啡的咖啡豆是来自誉为"台湾咖啡原乡"的古坑吗？现在，就让我们来聊聊咖啡的产地，以及有什么样的化学方法可以鉴定咖啡的血统。 　　咖啡豆的分布与产地 　　咖啡豆的品种主要是阿拉比卡（Arabica）及罗布斯达（Robusta）两种。其中，阿拉比卡的品质和口感较好，占了总生产量的2/3以上。在外观的判别上，阿拉比卡咖啡豆颗粒较小（因此又称为阿拉伯小果咖啡），外形略呈椭圆状，果实中央的裂缝呈弯曲状；罗布斯达咖啡豆则又大又圆，且果实裂缝呈直线状。因此，可以根据这些特性来区分这两个品种的咖啡豆。 　　相对于其他大部分植物，咖啡豆的栽培有著严苛的环境条件。温度、海拔以及干湿分明的降雨季节来配合咖啡豆的生长及成熟时间，是限制咖啡植栽最关键的因素。换句话说，这些条件限制了咖啡的生长区域，使其产区集中分布在南、北回归线之间的高海拔地区，也就是俗称所谓的"咖啡带"。 　　虽然说咖啡的种植气候条件限缩在咖啡带，但是生长的土壤环境却不尽相同，一般可区分为以沉积岩或火成岩为主的风化土壤。以全世界主要出产咖啡豆的国家为例子，简单说明一般的情形。 　　以亚洲来说，在巴布亚新几内亚及苏门答腊主要种植在火成岩矿物和火山灰风化土壤中。台湾的咖啡主要是在沉积岩为主的环境中，不过在少部分地区例如东部有一些火成岩的出露，因此咖啡植栽环境可能有少部分受到火成岩的影响。 　　中、南美洲的情况比较单纯，大都是以火成岩质的土壤环境植栽。非洲就显得复杂了。阿拉比卡咖啡主要植栽在非洲东部的高原，这是以古老的大陆地壳为主，但是在东非裂谷周遭区域却有很多火山。因此，以非洲来说，土壤性质或随著产区而有所差异。这些种植环境的差异再加上先前所述的气候条件，就左右了每一个产区咖啡豆的品质与身价。 　　由于咖啡植栽的气候和土壤条件是影响咖啡豆化学组成的重要因子，也是鉴定产地的重要依据。每个咖啡豆产地的这些环境条件差异越大，鉴定工作就越简单。 　　化学元素组成差异 　　早期，科学家对于农作物产地的识别多仰赖化学元素组成上的差异，进而区别这些作物是不是同一个产地所生产的。这是基于农作物在生长时，必须从环境中摄取营养盐以及主要、微量元素，而这些化学组成会随地而异。特别是微量元素的浓度较低，很容易因为环境因素的差异而有所不同，可做为"因地而异"的指标。因此，只要透过化学元素的分析和定量，再利用统计软件找出化学组成上的差异，就可以区别是不是属于同一个环境下的产物，来达到产地识别的目的。 　　化学元素的组成应用于咖啡豆的产地识别也是相同的道理。许多研究指出，咖啡豆里很多浓度相当于ppm（parts per million，相当于每克咖啡豆中有10--6克的某化学元素）等级的化学元素适合应用于产地差异的识别，像是：铷、锶、钡、钪、钴、铜。 　　但是，真的有那么神奇吗？笔者和实验室的研究团队透过各种管道取得14个国家超过21个产地的阿拉比卡咖啡豆进行研究。把这些结果与现今已经发表的文献资料一起统计分析，意外地得到了两个很重要的结论。首先，这些微量元素的组成与分布确实有著产地上的差异，但关键是这样的差异跟统计的误差比起来实在是太小了。 　　再来，发现一个盲点。化学组成的计量和差异有机会告诉我们是不是同一个产地所生产的咖啡豆，但透露的资讯却也仅限于这方面。单凭化学浓度的资讯很难指出明确的产地。这或许也是压垮骆驼的最后一根稻草！很多食品产地的鉴定渐渐地减少对这种鉴定方式的依赖。 　　同位素的识别应用 　　相对于运用化学元素分析和定量的技术方法而言，运用同位素分析是近来识别产地的趋势和广泛应用的主流。 　　我们得先了解一下什么是"同位素"。简单来说，元素具有相同质子数但不同中子数的核种，称作同位素。因为质子数相同，所以同位素的化学行为非常类似。然而中子数量上的差别会造成原子核内质量上的微小差异，并导致微观尺度物理行为上的不同。因此，当元素在不同的"相"交换时，很容易因为这些微小的差异导致同位素比例的改变，称为同位素的分化效应。例如常见的稳定同位素系统像是氢、氧同位素（2H/1H、18O/16O） 在蒸发、降雨等过程中，同位素会因为这些微小的差异，导致在每一个阶段中不断地改变水气中2H/1H、18O/16O 的比率。 　　也许，你会对于同位素的分化理论感到陌生或恐惧，不用担心，因为这些知识在大学的教育里往往需要很长的时间才能说得清楚。或许你只需要掌握一个简单的概念：稳定同位素的分化提供了很多有关物理化学作用的线索，足以让地球化学家大展身手进行侦探鉴识的工作。 　　同位素提供的线索 　　至于这些稳定同位素的比例会在什么样的机制下被分化，分化的结果又提供了什么样的线索，这就是利用这些同位素工具的重要基础。 　　一般来说，最常应用于食品产地识别的稳定同位素有氢（2H/1H）、碳（13C/12C）、氮（15N/14N）、氧（18O/16O）和硫（34S/32S）。氢、氧的同位素分化主要受到水文循环（诸如蒸发、降水等）的影响，其他同位素系统主要还是与生物作用或摄食代谢有关。因此这些同位素系统不见得都会反映与地理位置相关的讯息。也就是说，并非所有的同位素系统都适合应用于农作物产地的识别。 　　不属于稳定同位素的范畴，却也常应用于产地鉴定的就是锶同位素系统（87Sr/86Sr）。锶同位素比值是归类于放射性同位素系统，但是这样的分类不是因为像锶-90（90Sr）一样具有放射性，而是87Sr/86Sr中的87Sr会从铷-87（87Rb）衰变过来。矿物中如果含有大量的铷，经过很长的时间（这边讨论的是地质时间的尺度，长达千万年甚至亿年）就会产生很多的锶-87。因此，不同Rb/Sr 比值的矿物会有特定的87Sr/86Sr 比值，而可以利用来区分不同岩性的矿物。 　　你可以想像，如果把植物种植在特定岩性的土壤上，土壤中的水与土壤矿物反应，植物再从土壤水中摄取需要的元素，植物中的87Sr/86Sr 基本上可以反映所生长的土壤环境。这也是为什么锶同位素常常应用于追踪农作物产地的缘故了。 　　除此之外，过去在科普文章中比较少提到的硼同位素系统（11B/10B），在农作物的产地鉴定研究中也展露了头角。诸如像咖啡豆这一类的植物，硼是一个生长过程中不可或缺的元素。在人工植栽的咖啡豆里，硼的来源主要就是从肥料中来的。说起来也很奇妙，中美洲，亚洲和非洲三大产区所使用的肥料中，硼同位素呈现区域性的差异。其中，非洲的肥料硼同位素11B/10B 的比值特别高，导致咖啡豆里的11B/10B 比值也很高，因而可以区别非洲地区与其他产区的咖啡豆。 　　锶硼双同位素系统的应用 　　虽然谈了那么多应用于农作物产区鉴别的同位素系统，但是分析统计全世界超过250笔的咖啡豆同位素资料之后，发现竟然没有一个同位素系统可以100％有效地区分咖啡豆的产区！最主要的原因是有很多地区呈现相近的同位素比值，这也是咖啡豆产地认证最大的困难（其实大部分的农作物也遇到相同的困难与挑战）。 　　不过，如果把几个反映不同讯息的同位素资料放在一起看，就不会让人这么沮丧了。研究显示硼同位素可以有效区分非洲和其他来源的咖啡豆；锶同位素可以有效辨别以火成岩植栽环境为主的中、南美洲咖啡，以及亚洲沉积岩和火成岩环境的咖啡。因此，透过锶硼双同位素系统的分析，可以更有效地鉴定咖啡的产地。 　　锶硼双同位素系统除了成功应用于咖啡豆的产区鉴定之外，在早些年也成功应用于日产稻米的产地识别。目前，相对于单一同位素系统，这个双同位素系统的方法使得咖啡豆产地识别的分辨率已经突破"洲"的尺度，甚至在几个同位素比值比较特殊的产区可以解析到"国家"或更小的尺度。未来，也许结合其他的科学方法可以进一步提升产地识别的能力。 　　严谨的咖啡豆产地认证对于产品的品质有著正面的提升作用！不过，要鉴别所有产地的咖啡豆，事实上是一项艰巨且非一蹴可几的工作。化学的鉴定技术仰赖于各种农作物植栽环境的差异性，却受限于环境差异的程度。但是，这样的限制不会阻碍科学的发展。更何况谁说未来不能有跨领域技术的合作呢！昔日科学家持续不断地努力投入新的技术与尝试，未来更致力于技术的改善与提升，也确保手上的这一杯咖啡持续香醇。