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(shù)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(shù)果實(shí)(咖啡豆)經(jīng)過(guò)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(shí)還含有豐富的蛋白質(zhì)、纖維、單寧以及香氣類(lèi)物質(zhì)[4-6],經(jīng)過(guò)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(duì)感官味覺(jué)的追求,也能很好的表達(dá)咖啡消費(fèi)者時(shí)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(lái)自全球消費(fèi)者的喜愛(ài)和追捧[7-9]。近年來(lái)中國(guó)咖啡市場(chǎng)也在不斷地持續(xù)擴(kuò)大,2010~2016 年平均增長(zhǎng)率為25.05%,為全球均數(shù)的10.85 倍,可見(jiàn)中國(guó)咖啡市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮骩10,11]。隨著中國(guó)咖啡文化的推廣和咖啡市場(chǎng)的繁榮,產(chǎn)地咖啡豆的消費(fèi)需求也不斷增長(zhǎng),呈現(xiàn)出供不應(yīng)求的態(tài)勢(shì),由于不同產(chǎn)地的咖啡豆價(jià)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(guó)咖啡產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展,同時(shí)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(guó)為保護(hù)本國(guó)的咖啡產(chǎn)業(yè),已經(jīng)率先開(kāi)展咖啡豆產(chǎn)地溯源研究,而我國(guó)作為咖啡豆進(jìn)口與生產(chǎn)大國(guó)對(duì)咖啡豆的評(píng)價(jià)主要依據(jù)是咖啡豆的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[14,15]或感官評(píng)價(jià)[16,17],均不涉及到產(chǎn)地溯源的技術(shù)指標(biāo),目前我國(guó)此類(lèi)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(lái)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(jì)量學(xué)方法在咖啡豆產(chǎn)地溯源方面的研究進(jìn)展,并對(duì)以上技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較,旨在為我國(guó)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。
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(chǎng)的大宗商用咖啡作區(qū)別,由此可以看出早在上個(gè)世紀(jì)就有了對(duì)咖啡產(chǎn)地進(jìn)行區(qū)劃與溯源的需求[18]。當(dāng)然要對(duì)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(lái)萬(wàn)千變化的咖啡風(fēng)味,換句話說(shuō),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(jià)格。目前在全球咖啡豆貿(mào)易體系中,咖啡豆價(jià)格與質(zhì)量分級(jí)體系中等級(jí)高低對(duì)應(yīng),等級(jí)越高,產(chǎn)地越小的咖啡豆價(jià)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(jià)格體系中最高的。
咖啡樹(shù)只適合生長(zhǎng)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(jiàn)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?jī)?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(jí)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(lái)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(shí)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(shí)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(jí)制度Table 1 The main producing areas and grading system of the word’s coffee beans
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(zhǎng)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(lèi)揮發(fā)性化合物存在種類(lèi)和含量的差異,基于此利用不同的檢測(cè)技術(shù)對(duì)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(shí)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(duì)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(jí)桿氣相色譜儀(GC-Q/MS)、超高效液相飛行時(shí)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(chǎng)作用下,吸收射頻輻射而產(chǎn)生能級(jí)躍遷,從而實(shí)現(xiàn)樣品的快速無(wú)損檢測(cè),其特點(diǎn)是具有高度的重現(xiàn)性和客觀性、無(wú)需復(fù)雜的樣品前處理,可同時(shí)測(cè)定多種物質(zhì),其在食品質(zhì)量安全檢測(cè)領(lǐng)域被廣泛的關(guān)注。Wei 等[33]利用核磁技術(shù)(NMR)測(cè)定來(lái)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(jì)6 個(gè)國(guó)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(jì)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(jì)分析,結(jié)果顯示能100%區(qū)分來(lái)自上述6個(gè)國(guó)家的咖啡豆。而對(duì)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(tái),技術(shù)發(fā)展成熟且具有可重復(fù)性和選擇性。GC-MS對(duì)咖啡豆中小分子揮發(fā)性香氣類(lèi)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(shí)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù),LC-MS 同樣對(duì)于咖啡豆中的非揮發(fā)性成分代謝物而言,檢測(cè)精密度、靈敏度高,是進(jìn)行代謝產(chǎn)物分析測(cè)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(jí)桿氣相色譜儀(GC-Q/MS)測(cè)定來(lái)自巴西三個(gè)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(gè)地區(qū)差異存在95%,另外2 個(gè)地區(qū)(Lavras 和SSG)代謝產(chǎn)物相似度為55%,不能有效區(qū)分來(lái)自這2 個(gè)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(shí)間質(zhì)譜(UHPLC-(Q)TOF-MS)測(cè)定咖啡豆中的代謝物,能區(qū)分來(lái)自哥倫比亞國(guó)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(cè)定咖啡豆中的風(fēng)味成分結(jié)果顯示風(fēng)味類(lèi)代謝產(chǎn)物的差異能很好的識(shí)別來(lái)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(duì)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(shù)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(guò)程中可能會(huì)加入更多的維度,從而變成動(dòng)態(tài)的分析過(guò)程,對(duì)數(shù)據(jù)分析方法的更新和迭代要求更高。
通過(guò)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(cè)技術(shù)手段可實(shí)現(xiàn)精密度高、靈明度高、重現(xiàn)性好、無(wú)損和快速等優(yōu)勢(shì),缺點(diǎn)是代謝組學(xué)所采用的儀器設(shè)備造價(jià)昂貴,同時(shí)對(duì)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(duì)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(lái)自于栽培咖啡樹(shù)的土壤中,而不同的土壤類(lèi)型會(huì)導(dǎo)致其元素含量和種類(lèi)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(lèi)型與特征,從而成為咖啡豆產(chǎn)地溯源的標(biāo)識(shí)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(cè)限低(10-12~10-9),測(cè)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(duì)咖啡豆進(jìn)行產(chǎn)地溯源領(lǐng)域有諸多文獻(xiàn)報(bào)道,結(jié)果顯示該方法行之有效[40-42]。例如Oliveira 等[43]將來(lái)自13 個(gè)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(guó))的咖啡豆制作成為意式濃縮咖啡之后再測(cè)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(guò)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(gè)國(guó)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(lái)自埃塞俄比亞11 個(gè)產(chǎn)區(qū)共計(jì)129 個(gè)樣品,測(cè)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(gè)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(jì)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(cè)定了來(lái)自5 大洲15 個(gè)國(guó)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(duì)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(guó)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(kāi)了來(lái)自埃塞俄比亞和也門(mén)的咖啡豆(咖啡大賽得獎(jiǎng)豆),同時(shí)也能鑒別也門(mén)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(jì)(主成分PCA 和層次聚類(lèi)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(duì)于咖啡豆產(chǎn)地進(jìn)行了有效的判別。通過(guò)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(guò)分析儀器(ICP-MS/OES等)測(cè)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(lèi),結(jié)合化學(xué)計(jì)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(lái)源。
基于咖啡豆中礦質(zhì)元素結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)的方法也能很好地進(jìn)行的產(chǎn)地溯源,同時(shí)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(duì)技術(shù)人員也沒(méi)有特殊的要求,從技術(shù)推廣角度來(lái)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(huì)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(guò)程以及咖啡豆烘焙處理過(guò)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(shí)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(wú)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(lèi)型等因素的影響下在咖啡樹(shù)/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(shí)物主要有碳δ13C、氫δ2H、氧δ18O、氮δ15N、硼δ11B、硫δ34S,鍶δ87Sr 和鉛δ206Pb 等[42]。咖啡豆中碳穩(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(zhǎng)的土壤類(lèi)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(shù)生長(zhǎng)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(shù)利用的含鍶礦化物有關(guān),且不受氣候變化以及人類(lèi)活動(dòng)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(lèi)活動(dòng)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(lái)有大量的文獻(xiàn)報(bào)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(jì)(GC-C-IRMS)、液相色譜-同位素比例質(zhì)譜計(jì)(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(lèi)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(hào)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(guò)化學(xué)分析儀器測(cè)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(jì)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(lái)自全球咖啡28 個(gè)主產(chǎn)區(qū)共計(jì)68 個(gè)咖啡生豆樣品,檢測(cè)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(duì)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(lái)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(jiàn)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(guò)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(huì)受到栽培措施或者人類(lèi)活動(dòng)等的影響,因此鍶同位素是非常好的咖啡豆產(chǎn)地標(biāo)識(shí)物,其結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)夏威夷5 個(gè)子產(chǎn)區(qū)100%的產(chǎn)地鑒別準(zhǔn)確[61]。而在實(shí)際操作過(guò)程中由于用于測(cè)定鍶同位素的儀器MC-ICP-MS 價(jià)值昂貴、對(duì)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(jì)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(kù),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(guò)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(jià)高(儀器MC-ICP-MS 及耗材價(jià)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(bào)道文獻(xiàn)來(lái)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(guò)氫氧穩(wěn)定同位素很好反映當(dāng)?shù)氐乃辞闆r,但是市場(chǎng)上銷(xiāo)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(huì)存在一定差異,這或許也是該方法沒(méi)能很好的在咖啡豆領(lǐng)域開(kāi)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(lái)自3 大洲14 個(gè)國(guó)家的21 個(gè)阿拉比卡咖啡豆樣品,測(cè)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(lái)自中南美洲、非洲和亞洲共計(jì)62 個(gè)咖啡豆樣品,其準(zhǔn)確率可以達(dá)到98%。從文獻(xiàn)報(bào)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(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),將會(huì)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(kù)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(zhǎng)介于可見(jiàn)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(gè)非可見(jiàn)光[69]。由于近紅外光譜技術(shù)在檢測(cè)領(lǐng)域最大的特點(diǎn)是檢測(cè)速度快,并不破壞樣品,因此其應(yīng)用場(chǎng)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(lái)在食品、農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源方面有著廣泛的研究報(bào)道,例如在開(kāi)心果、蜂蜜、茶葉、橄欖油和葡萄酒類(lèi)等高附加值的品類(lèi)[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(bào)道。來(lái)自韓國(guó)的Nzabonimpa 等[75]基于咖啡豆國(guó)際貿(mào)易中對(duì)產(chǎn)地的要求而實(shí)際中并沒(méi)有相關(guān)的法規(guī)而開(kāi)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(cè)定了來(lái)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(cè)定了來(lái)自2 大洲9 個(gè)國(guó)家的191 個(gè)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(guó)可以實(shí)現(xiàn)100%的咖啡豆產(chǎn)地判別。從時(shí)間上來(lái)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(shí)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(cè)定的結(jié)果受到太多因素的影響,例如慢反射過(guò)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(duì)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(shí)間、咖啡生豆精制過(guò)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(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)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(cè)對(duì)象的物理、化學(xué)和構(gòu)象信息。該技術(shù)作為無(wú)損檢測(cè)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(dòng)態(tài)范圍寬等,缺點(diǎn)是該技術(shù)主要針對(duì)具有特征吸收峰的單一化學(xué)成分的檢測(cè),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(cè)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(duì)來(lái)源于埃塞俄比亞、印度尼西亞和哥斯達(dá)黎加三個(gè)國(guó)家的咖啡豆能建模集100%的區(qū)分,預(yù)測(cè)集95%的區(qū)分產(chǎn)地,說(shuō)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(méi)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(bào)道,而Feng 等[79]稱該技術(shù)作為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在食品質(zhì)量評(píng)估、食品真?zhèn)我约爱a(chǎn)地等方向?qū)?huì)有很好的應(yīng)用,在未來(lái)的研究中會(huì)有更多的相關(guān)報(bào)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(cè)定產(chǎn)地特征標(biāo)識(shí)物構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù),利用多元統(tǒng)計(jì)方法構(gòu)建產(chǎn)地溯源模型,利用模型對(duì)位置產(chǎn)地信息樣品的咖啡豆進(jìn)行產(chǎn)地來(lái)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(shí)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(jiàn)圖2。通過(guò)分析比較以上五種咖啡豆產(chǎn)地溯源技術(shù)優(yōu)劣勢(shì)的比較(見(jiàn)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(shí)基于到對(duì)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(zhǎng)一段路需要走;為了滿足快速與無(wú)損檢測(cè)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(jì)量學(xué)的方法能很好的反映咖啡豆產(chǎn)地特征,測(cè)定多元素的成本也相對(duì)較低,但咖啡豆中的元素除去來(lái)自咖啡樹(shù)生長(zhǎng)的土壤中以外,還有部分來(lái)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(guò)程等,因此該技術(shù)對(duì)咖啡豆產(chǎn)地判別的準(zhǔn)確性還存在一定的隱患,另外測(cè)多元素的樣品前處理相對(duì)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(lái)元素的影響,但是測(cè)定重同位素成本高(儀器和耗材成本高),而測(cè)定輕穩(wěn)定同位素的成本相對(duì)較低。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,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
3.1 隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)向好發(fā)展,咖啡文化的推廣與普及,會(huì)培育出更加龐大的咖啡市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè),形成對(duì)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(duì)咖啡豆產(chǎn)地溯源的技術(shù)需求在未來(lái)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(shì),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(kù),利用多元數(shù)據(jù)分析處理方法構(gòu)建產(chǎn)地?cái)?shù)學(xué)判別模型,就能夠很好地對(duì)咖啡豆進(jìn)行產(chǎn)地溯源。但是仍然存在以下2 個(gè)問(wèn)題:1)咖啡豆產(chǎn)地溯源的研究集中在少數(shù)幾個(gè)國(guó)家,樣本量相對(duì)比較少,溯源的產(chǎn)地范圍太大,同時(shí)也沒(méi)有建立數(shù)據(jù)量龐大的溯源數(shù)據(jù)庫(kù),并且數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)程中,諸多因素會(huì)對(duì)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(duì)不同因素對(duì)咖啡豆中同位素分餾及其規(guī)律的研究,以及不同因素對(duì)咖啡豆中元素種類(lèi)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(lái)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(guó)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(kù);2)加強(qiáng)咖啡豆栽培、咖啡豆精制、運(yùn)輸和咖啡豆烘焙過(guò)程對(duì)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。