咖啡豆產(chǎn)地溯源研究進(jìn)展

田玲，周海超，張昂，吳浩，吳鳳琪*

（1.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院管理學(xué)院，廣東深圳 518055）

（2.深圳大學(xué)生命與海洋科學(xué)學(xué)院，廣東深圳 518606）

（3.秦皇島海關(guān)技術(shù)中心，河北秦皇島 066003）

（4.深圳海關(guān)食品檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心，廣東深圳 518045）

咖啡樹是屬茜草科多年生常綠灌木或小喬木，最早起源于埃塞俄比亞，作為飲料的咖啡是咖啡樹果實(shí)（咖啡豆）經(jīng)過加工磨粉之后制作而成，咖啡豆是全球僅次于石油和軍火的第三大貿(mào)易品[1-3]?？Х缺旧聿粌H含有能讓中樞神經(jīng)興奮的生物堿（咖啡因，茶堿和可可堿），同時還含有豐富的蛋白質(zhì)、纖維、單寧以及香氣類物質(zhì)[4-6]，經(jīng)過不同程度的烘焙和沖泡工藝之后呈現(xiàn)出復(fù)雜多變的香氣與風(fēng)味，不僅能咖啡消費(fèi)者對感官味覺的追求，也能很好的表達(dá)咖啡消費(fèi)者時尚優(yōu)雅的生活方式，并能很好的承載消費(fèi)者的社交需求，因而受到了來自全球消費(fèi)者的喜愛和追捧[7-9]。近年來中國咖啡市場也在不斷地持續(xù)擴(kuò)大，2010～2016 年平均增長率為25.05%，為全球均數(shù)的10.85 倍，可見中國咖啡市場發(fā)展?jié)摿薮骩10,11]。隨著中國咖啡文化的推廣和咖啡市場的繁榮，產(chǎn)地咖啡豆的消費(fèi)需求也不斷增長，呈現(xiàn)出供不應(yīng)求的態(tài)勢，由于不同產(chǎn)地的咖啡豆價格相差數(shù)十倍[12,13]，在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使下出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的咖啡豆產(chǎn)地造假現(xiàn)象，不僅影響了中國咖啡產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，同時也嚴(yán)重?fù)p害了產(chǎn)地咖啡豆消費(fèi)者的合法權(quán)益。美洲和非洲是咖啡豆的主要產(chǎn)區(qū)，其中巴西、哥倫比亞等國為保護(hù)本國的咖啡產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)率先開展咖啡豆產(chǎn)地溯源研究，而我國作為咖啡豆進(jìn)口與生產(chǎn)大國對咖啡豆的評價主要依據(jù)是咖啡豆的國家標(biāo)準(zhǔn)[14,15]或感官評價[16,17]，均不涉及到產(chǎn)地溯源的技術(shù)指標(biāo)，目前我國此類研究還涉及得較少。因此本文介紹了全球主要咖啡豆產(chǎn)地信息，綜述了近年來基于代謝組學(xué)、多元素、穩(wěn)定同位素和光譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法在咖啡豆產(chǎn)地溯源方面的研究進(jìn)展，并對以上技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較，旨在為我國產(chǎn)地咖啡豆產(chǎn)地溯源技術(shù)的研發(fā)提供參考與借鑒。

1 全球咖啡豆主要產(chǎn)區(qū)

最早由被稱為“咖啡教母”的Erna Knutsen于1974年率先在《茶與咖啡月刊》上提出“只有在最有利的微型氣候與水土，才能栽培出風(fēng)味獨(dú)特的咖啡”，旨在與紐約期貨交易市場的大宗商用咖啡作區(qū)別，由此可以看出早在上個世紀(jì)就有了對咖啡產(chǎn)地進(jìn)行區(qū)劃與溯源的需求[18]。當(dāng)然要對咖啡豆進(jìn)行產(chǎn)地溯源技術(shù)研發(fā)，首先需要了解全球咖啡豆產(chǎn)區(qū)的相關(guān)信息，咖啡生豆的質(zhì)量主要由栽培品種、栽培措施、咖啡園的海拔高度、土壤條件、產(chǎn)區(qū)氣候（溫度、日照和濕度等）等生態(tài)條件共同決定[19,20]，正是上述咖啡產(chǎn)地的特定因素帶來萬千變化的咖啡風(fēng)味，換句話說，也就是咖啡豆產(chǎn)地很大程度上決定了咖啡豆的品質(zhì)和價格。目前在全球咖啡豆貿(mào)易體系中，咖啡豆價格與質(zhì)量分級體系中等級高低對應(yīng)，等級越高，產(chǎn)地越小的咖啡豆價格越高，尤其是優(yōu)質(zhì)小產(chǎn)區(qū)的單一園出產(chǎn)的咖啡豆是價格體系中最高的。

咖啡樹只適合生長在熱帶或亞熱帶區(qū)域，即南北緯25 °之間，且年降雨量必須達(dá)到1500～2000 mm，另外要求排水良好的肥沃土壤，理想的海拔高度為500～2000 m[21,22]（見圖1）。目前全世界三大原生咖啡品種為阿拉比卡（Arabica）、羅布斯塔（Robusta）、利比利卡（Liberica），其中阿拉比卡總產(chǎn)量約占全球咖啡的60%～70%，羅布斯塔約占全球咖啡總產(chǎn)量的30%～40%，利比利卡約占3%。由圖1 可以看出，全世界的咖啡產(chǎn)地主要集中在非洲、美洲和亞洲，其中有少量分布在大洋洲，優(yōu)質(zhì)咖啡豆主要集中在非洲和美洲，當(dāng)然亞洲也有少量優(yōu)質(zhì)咖啡的出產(chǎn)，例如全球聞名的“貓屎咖啡”。表1 列舉了全球主要咖啡豆產(chǎn)區(qū)信息、產(chǎn)區(qū)基本特征以及咖啡豆分級制度，不難發(fā)現(xiàn)海量的產(chǎn)地信息給咖啡豆產(chǎn)地溯源帶來了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，如何充分利用好咖啡豆產(chǎn)地特征標(biāo)識物，即豆子本身所包含的能反映產(chǎn)地生態(tài)、土壤、氣候與環(huán)境特征的標(biāo)識物是突破咖啡豆產(chǎn)地溯源的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

表1 全球咖啡豆主要產(chǎn)區(qū)及其分級制度Table 1 The main producing areas and grading system of the word’s coffee beans

2 咖啡豆產(chǎn)地溯源技術(shù)與研究方法

2.1 代謝組學(xué)與咖啡豆產(chǎn)地溯源

咖啡豆質(zhì)量與風(fēng)味主要受原產(chǎn)地氣候、降水、土壤和海拔等生長環(huán)境因素影響，導(dǎo)致咖啡豆中的代謝產(chǎn)物，例如咖啡因、多糖、蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪、綠原酸以及香氣類揮發(fā)性化合物存在種類和含量的差異，基于此利用不同的檢測技術(shù)對上述代謝產(chǎn)物進(jìn)行定性定量分析，尋找產(chǎn)地特征標(biāo)識物[23-27]，從而實(shí)現(xiàn)咖啡豆產(chǎn)地溯源目標(biāo)。

目前利用代謝組學(xué)對咖啡豆進(jìn)行產(chǎn)地溯源研究中，主要采用的化學(xué)分析儀器有核磁共振儀（Nuclear magnetic resonance，NMR）、四級桿氣相色譜儀（GC-Q/MS）、超高效液相飛行時間質(zhì)譜（UHPLC-(Q)TOF-MS）和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（HS-SPME-GC-MS）等[28-32]。NMR 是一種吸收光譜，主要是利用其具有自旋性質(zhì)的核在外強(qiáng)磁場作用下，吸收射頻輻射而產(chǎn)生能級躍遷，從而實(shí)現(xiàn)樣品的快速無損檢測，其特點(diǎn)是具有高度的重現(xiàn)性和客觀性、無需復(fù)雜的樣品前處理，可同時測定多種物質(zhì)，其在食品質(zhì)量安全檢測領(lǐng)域被廣泛的關(guān)注。Wei 等[33]利用核磁技術(shù)（NMR）測定來自巴西、哥倫比亞、危地馬拉、坦桑尼亞、印度尼西亞和越南共計6 個國家的阿拉比卡（Arabica）和羅布斯塔（Robusta）咖啡豆中系列代謝物（咖啡因、咖啡基奎尼酸、膽堿等共計11 種）中的碳和氫穩(wěn)定同位素比值，利用PCA 和OPLS-DA 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示能100%區(qū)分來自上述6個國家的咖啡豆。而對于GC-MS 和LC-MS 而言，其在咖啡豆產(chǎn)地鑒別研究中是應(yīng)用比較廣泛的技術(shù)平臺，技術(shù)發(fā)展成熟且具有可重復(fù)性和選擇性。GC-MS對咖啡豆中小分子揮發(fā)性香氣類化合物敏感、分辨率高，非常適合做咖啡豆香氣全組分分析同時構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，LC-MS 同樣對于咖啡豆中的非揮發(fā)性成分代謝物而言，檢測精密度、靈敏度高，是進(jìn)行代謝產(chǎn)物分析測試非常有效且成熟的技術(shù)手段，二者的短板在于前處理較為復(fù)雜。Taveira 等[34]利用四級桿氣相色譜儀（GC-Q/MS）測定來自巴西三個產(chǎn)區(qū)（Lavras，SAA and SSG）兩種不同品種的咖啡豆（Mundo Novo 和Bourbon）樣品中44 種揮發(fā)性代謝產(chǎn)物，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示SAA 地區(qū)的咖啡生豆中的代謝產(chǎn)物與另外2 個地區(qū)差異存在95%，另外2 個地區(qū)（Lavras 和SSG）代謝產(chǎn)物相似度為55%，不能有效區(qū)分來自這2 個產(chǎn)區(qū)的咖啡豆。Ossa 等[35]基于非靶向代謝組學(xué)技術(shù)利用超高效液相飛行時間質(zhì)譜（UHPLC-(Q)TOF-MS）測定咖啡豆中的代謝物，能區(qū)分來自哥倫比亞國內(nèi)不同產(chǎn)區(qū)的咖啡豆，從而實(shí)現(xiàn)該技術(shù)應(yīng)用于哥倫比亞原產(chǎn)地咖啡豆保護(hù)。Pohl 等[36]基于代謝組學(xué)技術(shù)利用頂空固相微萃取及氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（HS-SPME-GCMS）測定咖啡豆中的風(fēng)味成分結(jié)果顯示風(fēng)味類代謝產(chǎn)物的差異能很好的識別來自菲律賓不同產(chǎn)區(qū)的咖啡豆。從采用的分析手段和代謝組學(xué)的基本原理可以看出利用代謝組學(xué)進(jìn)行咖啡豆產(chǎn)地溯源研究中涉及到海量的信息需要進(jìn)行優(yōu)化處理，因此對數(shù)據(jù)處理能力要求較高。數(shù)據(jù)分析處理方法主要有主成分分析法（PCA）、偏最小二乘法（PLS）、偏最小二乘法判別分析（PLS-DA）、偏最小二乘法判別分析（OPLS-DA）、核正交偏最小二乘方法（KOPLS）、隨機(jī)森林樹法（FR）以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（ANN）等。隨著代謝組學(xué)研究的深入，其數(shù)據(jù)分析處理過程中可能會加入更多的維度，從而變成動態(tài)的分析過程，對數(shù)據(jù)分析方法的更新和迭代要求更高。

通過以上文獻(xiàn)可以看出代謝組學(xué)技術(shù)在咖啡豆產(chǎn)地溯源領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用效果，合理的利用分析檢測技術(shù)手段可實(shí)現(xiàn)精密度高、靈明度高、重現(xiàn)性好、無損和快速等優(yōu)勢，缺點(diǎn)是代謝組學(xué)所采用的儀器設(shè)備造價昂貴，同時對操作人員的技術(shù)水平要求高，需要處理海量的代謝信息，對相關(guān)工作人員也具有一定的挑戰(zhàn)，因此該技術(shù)在實(shí)際推廣應(yīng)用中受到了一定程度上的限制。

2.2 礦質(zhì)（多）元素與咖啡豆產(chǎn)地溯源

礦質(zhì)（多）元素在咖啡豆中含量比較少，一般占生咖啡豆中干重的4%左右，其中鉀含量最多（約占礦物質(zhì)量的40%），其次是鈣、鎂、磷、鈉和硫等，最后還有很多微量元素，例如鋅、錳、銅、銣、鉻和鎘等34 種[36]。咖啡豆中的礦質(zhì)元素主要來自于栽培咖啡樹的土壤中，而不同的土壤類型會導(dǎo)致其元素含量和種類的差異，其能很好地反映咖啡豆產(chǎn)地的特異性，與地球化學(xué)特性緊密相關(guān)，因此在很大程度上礦質(zhì)元素能代表咖啡豆產(chǎn)地土壤的類型與特征，從而成為咖啡豆產(chǎn)地溯源的標(biāo)識物[37-39]。目前礦質(zhì)元素的定性定量分析常用的儀器主要是質(zhì)譜儀和光譜儀，含量高的元素（含量≥1 mg/Kg）主要采用石墨爐原子吸收分光光度法（GF-AAS）和火焰原子吸收光譜法（F-AAS），含量低的元素（含量＜1000 μg/Kg）主要采用電感耦合等離子質(zhì)譜（ICP-MS）和多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（MC-ICP-MS），由于上述兩種質(zhì)譜儀檢測限低（10-12～10-9），測定范圍大而被廣泛應(yīng)用于包括咖啡豆在內(nèi)的諸多食品、農(nóng)產(chǎn)品的礦質(zhì)元素指紋圖譜分析。

目前關(guān)于利用礦質(zhì)元素指紋圖譜對咖啡豆進(jìn)行產(chǎn)地溯源領(lǐng)域有諸多文獻(xiàn)報道，結(jié)果顯示該方法行之有效[40-42]。例如Oliveira 等[43]將來自13 個產(chǎn)區(qū)（巴西、埃塞俄比亞、哥倫比亞、印度、墨西哥、洪都拉斯、危地馬拉、巴布亞新幾內(nèi)亞、肯尼亞、古巴、帝汶、姆蘇魯島和中國）的咖啡豆制作成為意式濃縮咖啡之后再測定元素含量用于區(qū)分產(chǎn)地，研究結(jié)果表明咖啡豆即使經(jīng)過意式濃縮咖啡加工之后在元素含量上依然有很大的差異，中美洲咖啡中鈉含量（0.002%）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于亞洲產(chǎn)咖啡中鈉含量（8.73%），南美洲咖啡中除去鈣以外的其他元素含量高于中美洲產(chǎn)區(qū)，而各個國家之間錳含量都差異明顯，另外該差異與生豆中元素產(chǎn)地差異保持一致。Girum 等[44]收集了來自埃塞俄比亞11 個產(chǎn)區(qū)共計129 個樣品，測定了45 種元素，研究結(jié)果表明所有樣品中鉀含量最高，鐵含量最低；而11 個產(chǎn)區(qū)的咖啡豆樣品中鈣、鉀、鎂、磷和硫含量具有顯著性差異（p＜0.05）。

在找到了咖啡豆產(chǎn)地土壤元素差異的基礎(chǔ)上，很多科學(xué)家更進(jìn)一步結(jié)合了化學(xué)計量學(xué)的方法構(gòu)建產(chǎn)地判別數(shù)據(jù)模型，從而探索研發(fā)出更為有效的咖啡豆產(chǎn)地溯源的方法與技術(shù)。例如Valentin 等[45]利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）和（ICP-AES）測定了來自5 大洲15 個國家的咖啡豆中59 種元素并利用主成分分析（PCA）和線性判別分析（LDA）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理構(gòu)建產(chǎn)地判別模型，其模型對咖啡豆原產(chǎn)地以洲為區(qū)域范圍判斷準(zhǔn)確率為96.90%，以國家和種植莊園為原產(chǎn)地區(qū)域范圍判斷準(zhǔn)確率可達(dá)100%。另外Mohammed 等[46]成功區(qū)分開了來自埃塞俄比亞和也門的咖啡豆（咖啡大賽得獎豆），同時也能鑒別也門咖啡豆的產(chǎn)地，采用的是電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）定量分析了24 種元素并結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計（主成分PCA 和層次聚類HAC）構(gòu)建數(shù)學(xué)模型進(jìn)行產(chǎn)地區(qū)分，其數(shù)據(jù)模型對于咖啡豆產(chǎn)地進(jìn)行了有效的判別。通過以上文獻(xiàn)可以看出采用多元素進(jìn)行咖啡豆產(chǎn)地溯源，基本上都是通過分析儀器（ICP-MS/OES等）測定已知原產(chǎn)地信息的咖啡豆樣品中的多元素含量與種類，結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法構(gòu)建原產(chǎn)地判別數(shù)學(xué)模型[45,47-50]，再利用模型判別咖啡豆的產(chǎn)地來源。

基于咖啡豆中礦質(zhì)元素結(jié)合化學(xué)計量學(xué)的方法也能很好地進(jìn)行的產(chǎn)地溯源，同時礦質(zhì)元素的分析儀器在食品領(lǐng)域也有較為廣泛的應(yīng)用，對技術(shù)人員也沒有特殊的要求，從技術(shù)推廣角度來講比較容易實(shí)現(xiàn)，但該技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何保證咖啡豆產(chǎn)地判別模型的準(zhǔn)確性和可靠性。由于咖啡豆中礦質(zhì)元素在咖啡完整產(chǎn)業(yè)鏈中，可能會受到咖啡園栽培管理措施（田間肥水管理）、咖啡生豆精制處理過程以及咖啡豆烘焙處理過程中接觸的器皿影響，因此產(chǎn)地溯源模型的可靠性本身就受到了挑戰(zhàn)，因此如何規(guī)避該技術(shù)的短板，需要找到更加能反映當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境特征的標(biāo)識物，以保證咖啡豆產(chǎn)地溯源結(jié)果的可靠性。

2.3 穩(wěn)定同位素技術(shù)與咖啡豆產(chǎn)地溯源

穩(wěn)定同位素技術(shù)因所需樣品量少、準(zhǔn)確度高、無污染、靈敏度高和重現(xiàn)性好等特性在農(nóng)產(chǎn)品包括咖啡豆產(chǎn)地溯源中得到了廣泛的應(yīng)用，其基本原理是依據(jù)穩(wěn)定同位素在氣候、地形、生物代謝類型等因素的影響下在咖啡樹/豆中引起的自然分餾效應(yīng)導(dǎo)致的同位素差異，常用的咖啡豆產(chǎn)地標(biāo)識物主要有碳δ13C、氫δ2H、氧δ18O、氮δ15N、硼δ11B、硫δ34S，鍶δ87Sr 和鉛δ206Pb 等[42]?？Х榷怪刑挤€(wěn)定同位素組成與咖啡豆產(chǎn)地的海拔和緯度相關(guān)；氮穩(wěn)定同位素組成與咖啡豆生長的土壤類型和栽培措措施有關(guān)；氫和氧穩(wěn)定同位素組成與緯度效應(yīng)、陸地效應(yīng)、季節(jié)效應(yīng)和高程效應(yīng)有關(guān)；硫穩(wěn)定同位素組成與咖啡樹生長的地質(zhì)環(huán)境以及大氣中硫化物有關(guān)；鍶穩(wěn)定同位素組成與巖床中能被咖啡樹利用的含鍶礦化物有關(guān)，且不受氣候變化以及人類活動強(qiáng)度影響；鉛穩(wěn)定穩(wěn)定同位素的組成與地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)年齡、礦物質(zhì)含量、地區(qū)降水以及人類活動導(dǎo)致的污染等有關(guān)[51]。綜合利用穩(wěn)定同位素指紋信息，可以有效的提高的咖啡豆產(chǎn)地溯源的準(zhǔn)確度。

近年來有大量的文獻(xiàn)報道了關(guān)于利用穩(wěn)定同位素作為咖啡豆產(chǎn)地溯源的指標(biāo)，其研究結(jié)果表明穩(wěn)定同位素作為原產(chǎn)地特征表征物質(zhì)效果都非常好[52-54]。文獻(xiàn)中用到的主要分析儀器有元素分析儀-穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜儀（EA-IRMS）、氣相色譜-燃燒-同位素比例質(zhì)譜計（GC-C-IRMS）、液相色譜-同位素比例質(zhì)譜計（LC-IRMS）以及點(diǎn)特異性天然同位素分餾核磁共振技術(shù)（SNIF-NMR）、多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（MC-ICP-MS）等[53,55]?？Х榷巩a(chǎn)地溯源研究中采用的主要數(shù)據(jù)處理方法有主成分分析（Principal components analysis，PCA）、非線性映射（Nonlinear mapping，NLM）和聚類分析（Cluster analysis，CA）、有線性判別分析（Linear discriminant analysis，LDA）、偏最小二乘法-判別分析（Partial least squares discriminant，PLS-DA）和正交信號校正技術(shù)偏最小二乘法-判別分析（Orthogonal signal correction-Partial least squares discriminant，OPLS-DA）等[56-58]。其研究的基本方法是通過化學(xué)分析儀器測定咖啡豆樣品中的不同的穩(wěn)定同位素比值特征并結(jié)合多遠(yuǎn)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)分析處理辦法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型從而實(shí)現(xiàn)咖啡豆產(chǎn)地溯源的技術(shù)目標(biāo)。Rodrigues 等[58]收集了來自全球咖啡28 個主產(chǎn)區(qū)共計68 個咖啡生豆樣品，檢測了碳δ13C、氮δ14N、氧δ18O 和硫δ34S 同位素比值，采用主成分和非參數(shù)檢驗(yàn)的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，結(jié)果表明穩(wěn)定同位素能夠作為非常好的產(chǎn)地表征物。本部分內(nèi)容比較了近年來利用穩(wěn)定同位素進(jìn)行咖啡豆產(chǎn)地溯源的研究情況（見表2）。

表2 基于穩(wěn)定同位素進(jìn)行的咖啡豆產(chǎn)地溯源方法比較Table 2 Comparison of geographical origin identification methods of coffee beanss based on stable isotopes

通過表格中文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，非金屬穩(wěn)定同位素（碳、氮、氧、硼和硫）在很大程度上可以作為咖啡豆產(chǎn)地溯源的有效指標(biāo)，但產(chǎn)地溯源數(shù)學(xué)模型的可靠性還有待提高，再結(jié)合了鍶同位素之后，其產(chǎn)地判別準(zhǔn)確率大幅度提升，由于鍶同位素主要反映咖啡豆產(chǎn)地土壤的地球化學(xué)特征，不會受到栽培措施或者人類活動等的影響，因此鍶同位素是非常好的咖啡豆產(chǎn)地標(biāo)識物，其結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)夏威夷5 個子產(chǎn)區(qū)100%的產(chǎn)地鑒別準(zhǔn)確[61]。而在實(shí)際操作過程中由于用于測定鍶同位素的儀器MC-ICP-MS 價值昂貴、對操作技術(shù)人員技術(shù)要求高等因素，在食品包括咖啡豆產(chǎn)地溯源領(lǐng)域該技術(shù)的應(yīng)用推廣受到一定的限制，因此相關(guān)研究人員正在試圖探索利用輕穩(wěn)定同位素技術(shù)結(jié)合多元素以及化學(xué)計量學(xué)的方法構(gòu)建完整具備全球多產(chǎn)地特征的數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)咖啡豆原產(chǎn)地精準(zhǔn)溯源的目標(biāo)。

2.4 穩(wěn)定同位素結(jié)合多元素進(jìn)行咖啡豆產(chǎn)地溯源

利用輕穩(wěn)定同位素進(jìn)行咖啡豆產(chǎn)地溯源存在一定的局限性，例如咖啡豆加工運(yùn)輸過程中產(chǎn)生同位素分餾現(xiàn)象、很難區(qū)分地理差距小的產(chǎn)區(qū)的咖啡豆的產(chǎn)地以及利用重同位素造價高（儀器MC-ICP-MS 及耗材價格昂貴）等因素的影響，為降低咖啡豆產(chǎn)地溯源的成本提高產(chǎn)地鑒別的準(zhǔn)確性和精準(zhǔn)度，將穩(wěn)定同位素技術(shù)與多元素技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行咖啡豆產(chǎn)地溯源可以得到更理想的效果，但從目前的報道文獻(xiàn)來看，利用多元素與穩(wěn)定同位素相結(jié)合的方式進(jìn)行咖啡豆產(chǎn)地溯源的研究還比較少，但是該方法在葡萄酒等其他農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地溯源上應(yīng)用較多[64-67]，咖啡豆與葡萄酒二者雖然都是農(nóng)產(chǎn)品，但二者存在一定的差異，例如葡萄酒中90%以上的物質(zhì)是水，可以通過氫氧穩(wěn)定同位素很好反映當(dāng)?shù)氐乃辞闆r，但是市場上銷售的咖啡豆水含量不到2%，因此在樣品中穩(wěn)定同位素指標(biāo)的選擇和前處理等方面都會存在一定差異，這或許也是該方法沒能很好的在咖啡豆領(lǐng)域開展的原因之一。部分研究人員在咖啡豆產(chǎn)地溯源方面進(jìn)行了相關(guān)的探索，例如Liu 等[49]收集了來自3 大洲14 個國家的21 個阿拉比卡咖啡豆樣品，測定了咖啡豆中7 種元素（硼、銣、鍶、鋇、鐵、錳和鋅）和同位素（硼和鍶），研究結(jié)果表明多元素與同位素相結(jié)合是非?？煽康漠a(chǎn)地溯源方法，其中多元素中銣、鍶、鋇三種物質(zhì)起主要作用，而鋇和鍶兩種同位素是非常好的咖啡豆產(chǎn)地溯源指標(biāo)。Santato 等[68]利用多元素（54 種元素）和穩(wěn)定同位素比值（碳、氮、氧和氫）相結(jié)合的技術(shù)，采用典型判別分析（CDA），判斷來自中南美洲、非洲和亞洲共計62 個咖啡豆樣品，其準(zhǔn)確率可以達(dá)到98%。從文獻(xiàn)報道可以看出，多元素與穩(wěn)定同位素基于其產(chǎn)地溯源結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，另外其能有效降低咖啡豆產(chǎn)地溯源所需成本，在未來很長一段時間內(nèi)，將會得到相關(guān)科研人員的重視看展相關(guān)研究，構(gòu)建大的數(shù)據(jù)庫模型，其在咖啡豆產(chǎn)地溯源領(lǐng)域能得到很好的應(yīng)用與推廣。

2.5 光譜技術(shù)與咖啡豆產(chǎn)地溯源

2.5.1 近紅外光譜技術(shù)與咖啡豆產(chǎn)地溯源

近紅外光（Near Infared，NIR）是波長介于可見光（VIS）和中紅外（IR）之間的一種電磁波，其譜區(qū)定義為780～2526 nm，是吸收光譜中的第一個非可見光[69]。由于近紅外光譜技術(shù)在檢測領(lǐng)域最大的特點(diǎn)是檢測速度快，并不破壞樣品，因此其應(yīng)用場景非常的廣闊，受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱烈追捧，近年來在食品、農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源方面有著廣泛的研究報道，例如在開心果、蜂蜜、茶葉、橄欖油和葡萄酒類等高附加值的品類[70-74]。而咖啡豆也作為一種高附加值的農(nóng)產(chǎn)品，該技術(shù)在本領(lǐng)域也有相關(guān)報道。來自韓國的Nzabonimpa 等[75]基于咖啡豆國際貿(mào)易中對產(chǎn)地的要求而實(shí)際中并沒有相關(guān)的法規(guī)而開始探索采用近紅外光譜技術(shù)進(jìn)行咖啡豆產(chǎn)地溯源，其結(jié)果表明該技術(shù)可以用于該項(xiàng)目。之后不斷有科學(xué)家進(jìn)行嘗試，Marquetti等[76]利用NIR 技術(shù)測定了來自巴西不同產(chǎn)地的咖啡豆并利用偏最小二乘法判別模式（PLS-DA）構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，結(jié)果顯示其能夠?qū)崿F(xiàn)94.4%的產(chǎn)地準(zhǔn)確率判別。Giraudoa 等[77]利用近紅外光譜（NIR）測定了來自2 大洲9 個國家的191 個咖啡豆樣品，利用偏最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)地大洲判別準(zhǔn)確率為98%，而咖啡豆產(chǎn)地國可以實(shí)現(xiàn)100%的咖啡豆產(chǎn)地判別。從時間上來看，該技術(shù)在咖啡豆產(chǎn)地領(lǐng)域的應(yīng)用在增多的同時其技術(shù)水平也在不斷的進(jìn)步，從探討性到能實(shí)現(xiàn)100%的產(chǎn)地判別。

雖然紅外光譜技術(shù)在咖啡豆產(chǎn)地溯源方面取得了非常大的進(jìn)步，但是由于紅外光譜技術(shù)測定的結(jié)果受到太多因素的影響，例如慢反射過程中咖啡豆與光存在多種作用形式，其粒徑大小及分布和形狀等物理狀態(tài)均對漫反射光的強(qiáng)度有一定的影響[69]。另外光譜指標(biāo)的數(shù)據(jù)與咖啡豆產(chǎn)地的關(guān)聯(lián)性也有待進(jìn)一步研究，例如自然環(huán)境影響（水、土壤、經(jīng)緯度、降雨量、光照、溫度、年份）、樣本采集時間、咖啡生豆精制過程、運(yùn)輸、包裝和貯藏方式等，因此采用紅外光譜技術(shù)進(jìn)行咖啡豆產(chǎn)地溯源還需要進(jìn)一步深入系統(tǒng)研究各項(xiàng)指標(biāo)是如何在上述各種影響因素下變化機(jī)制，篩選與地域直接相關(guān)的有效產(chǎn)地溯源指標(biāo)，為提高咖啡豆產(chǎn)地溯源的準(zhǔn)確性奠定基礎(chǔ)。

2.5.2 太赫茲光譜技術(shù)與咖啡豆產(chǎn)地溯源

太赫茲（Terahertz，THz）是指頻率在0.1～10 THz范圍內(nèi)的電磁波，大量有機(jī)大分子（DNA 和蛋白質(zhì)等）的振動能級和轉(zhuǎn)動能級之間的躍遷在THz 波段，因此太赫茲光譜技術(shù)能很好的表達(dá)檢測對象的物理、化學(xué)和構(gòu)象信息。該技術(shù)作為無損檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是穿透能力強(qiáng)、安全性好、靈敏度高和動態(tài)范圍寬等，缺點(diǎn)是該技術(shù)主要針對具有特征吸收峰的單一化學(xué)成分的檢測，在復(fù)雜生物體系（例如食品、農(nóng)產(chǎn)品樣品）背景中太赫茲光譜往往分布于某些波段范圍內(nèi)，造成光譜特征的不確定性，因此太赫茲光譜技術(shù)在食品質(zhì)量安全領(lǐng)域的檢測應(yīng)用還處在探索階段。

胡曉華等[78]利用太赫茲光譜技術(shù)結(jié)合粒子群參數(shù)（Partical swarm optimization，POS）優(yōu)化后的支持向量機(jī)（Support vector machine，SVM）構(gòu)建咖啡豆產(chǎn)地溯源模型，對來源于埃塞俄比亞、印度尼西亞和哥斯達(dá)黎加三個國家的咖啡豆能建模集100%的區(qū)分，預(yù)測集95%的區(qū)分產(chǎn)地，說明該技術(shù)能有效的進(jìn)行咖啡豆的產(chǎn)地溯源。但是目前除此之外，還沒有看到太赫茲光譜技術(shù)關(guān)于咖啡豆產(chǎn)地鑒定的其他報道，而Feng 等[79]稱該技術(shù)作為無損檢測技術(shù)在食品質(zhì)量評估、食品真?zhèn)我约爱a(chǎn)地等方向?qū)泻芎玫膽?yīng)用，在未來的研究中會有更多的相關(guān)報道。

綜上所述，可以看出以上五種咖啡豆產(chǎn)地溯源技術(shù)應(yīng)用流程基本相似，都是基于其已知產(chǎn)地信息的樣品測定產(chǎn)地特征標(biāo)識物構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，利用多元統(tǒng)計方法構(gòu)建產(chǎn)地溯源模型，利用模型對位置產(chǎn)地信息樣品的咖啡豆進(jìn)行產(chǎn)地來源判別，其中以穩(wěn)定同位素與多元素為產(chǎn)地特征標(biāo)識物進(jìn)行咖啡豆產(chǎn)地判別為例進(jìn)行工作流程展示，具體步驟見圖2。通過分析比較以上五種咖啡豆產(chǎn)地溯源技術(shù)優(yōu)劣勢的比較（見表3），代謝組學(xué)技術(shù)在咖啡豆產(chǎn)地溯源的領(lǐng)域還處在探索階段，同時基于到對儀器和人員成本的考慮，其應(yīng)用于咖啡豆產(chǎn)地溯源還有很長一段路需要走；為了滿足快速與無損檢測的需求，紅外光譜和太赫茲光譜技術(shù)均是很好的選擇，但是二者需要進(jìn)一步提高咖啡豆產(chǎn)地判別模型的準(zhǔn)確率。多元素技術(shù)結(jié)合化學(xué)計量學(xué)的方法能很好的反映咖啡豆產(chǎn)地特征，測定多元素的成本也相對較低，但咖啡豆中的元素除去來自咖啡樹生長的土壤中以外，還有部分來自于咖啡園的田間管理措施、采收處理方法以及之后加工運(yùn)輸過程等，因此該技術(shù)對咖啡豆產(chǎn)地判別的準(zhǔn)確性還存在一定的隱患，另外測多元素的樣品前處理相對較復(fù)雜。而穩(wěn)定同位素是很好的產(chǎn)地表征物，不僅能反映產(chǎn)地土壤（鍶、鉛等重同位素）特征，也是咖啡豆產(chǎn)地的生態(tài)氣候（碳、氮、氫與氧等輕穩(wěn)定同位素）條件很好的表征指標(biāo)，能夠很好的規(guī)避基于咖啡豆中多元素進(jìn)行產(chǎn)地溯源中其他外來元素的影響，但是測定重同位素成本高（儀器和耗材成本高），而測定輕穩(wěn)定同位素的成本相對較低?；诳Х榷巩a(chǎn)地溯源模型的準(zhǔn)確性，溯源成本的可控性以及推廣應(yīng)用等因素綜合考慮，利用輕穩(wěn)定同位素結(jié)合多元素技術(shù)是咖啡豆產(chǎn)地溯源的有效途徑。

表3 不同溯源技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)比較Table 3 Comparison of advantage and disadvantage of different tracing techniques

3 總結(jié)與展望

3.1 隨著中國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)向好發(fā)展，咖啡文化的推廣與普及，會培育出更加龐大的咖啡市場和產(chǎn)業(yè)，形成對咖啡豆的風(fēng)味和產(chǎn)地都有自己偏好的成熟的咖啡消費(fèi)人群，對咖啡豆產(chǎn)地溯源的技術(shù)需求在未來將不斷的增加。本文分析比較了五種咖啡豆產(chǎn)地溯源技術(shù)的優(yōu)劣勢，基于咖啡豆產(chǎn)地溯源模型的準(zhǔn)確性，溯源成本的可控性以及推廣應(yīng)用等因素綜合考慮，采用輕穩(wěn)定同位素技術(shù)與多元素指紋圖譜相結(jié)合的方式是進(jìn)行咖啡豆產(chǎn)地溯源的可靠方法，構(gòu)建穩(wěn)定輕同位素比值與多元素指紋圖譜數(shù)據(jù)庫，利用多元數(shù)據(jù)分析處理方法構(gòu)建產(chǎn)地數(shù)學(xué)判別模型，就能夠很好地對咖啡豆進(jìn)行產(chǎn)地溯源。但是仍然存在以下2 個問題：1）咖啡豆產(chǎn)地溯源的研究集中在少數(shù)幾個國家，樣本量相對比較少，溯源的產(chǎn)地范圍太大，同時也沒有建立數(shù)據(jù)量龐大的溯源數(shù)據(jù)庫，并且數(shù)據(jù)庫不共享，因此研究結(jié)果在實(shí)際中未能很好的應(yīng)用；2）從咖啡園到咖啡杯的過程中，諸多因素會對咖啡豆中的穩(wěn)定同位素和礦質(zhì)元素指紋圖譜造成影響，但是目前很少有對不同因素對咖啡豆中同位素分餾及其規(guī)律的研究，以及不同因素對咖啡豆中元素種類與含量的影響，制約了咖啡豆產(chǎn)地溯源的準(zhǔn)確性與實(shí)用推廣。

3.2 基于此，未來的基于輕穩(wěn)定同位素與多元素指紋圖譜的咖啡豆產(chǎn)地溯源方面的研究需要加強(qiáng)以下兩方面：1）進(jìn)一步讓咖啡豆溯源的產(chǎn)地范圍變小，由以國家或省為單位溯源范圍向縣，村或者咖啡園為單位進(jìn)行產(chǎn)地溯源，構(gòu)建合理的產(chǎn)地溯源數(shù)據(jù)庫；2）加強(qiáng)咖啡豆栽培、咖啡豆精制、運(yùn)輸和咖啡豆烘焙過程對穩(wěn)定同位素分餾變化及其機(jī)制的研究，以及礦質(zhì)元素遷移變化規(guī)律的研究。