本文刊登於《科學月刊》2019年10月號〈透視暮色後的夜市〉早晨喝杯咖啡，為一天的工作拉開序幕，已經是很多人每天的儀式，甚至品評咖啡蔚然成為一種社交活動。然而，令很多人困擾的問題是：雖然喜愛咖啡的獨特氣味，但卻不希望咖啡太過強烈「提神醒腦」的功能影響日常生活，低咖啡因咖啡（decaf coffee，又稱低因咖啡）的市場於焉誕生！然而，這樣一杯咖啡究竟是怎麼產生的？
低因咖啡不是 21 世紀才有的需求
咖啡因的提神效果可說是人們離不開它的主要原因。咖啡因是一種中樞神經興奮劑，攝取咖啡因能使人不易感到疲累，還有提高注意力、減輕疼痛等效果。
然而，咖啡因具有輕微的成癮性，讓人越來越不容易有提神效果，最終導致攝取過量，因此造成心悸或影響到睡眠。這也是為何低因咖啡成為越來越多人的選擇，消費者不僅可以適度攝取咖啡因，又能享受咖啡的香氣。
其實去除咖啡因的咖啡並不是 21 世紀才有的需求，早在 20 世紀初，來自德國、也是全球第一間賣低因咖啡的企業 Kaffee Hag（後來被美商併購並改名為 Café Hag）便已開發這項產品。
只不過當時喝低因咖啡的人不多。直到第二次世界大戰結束後，一種咖啡因含量較高的咖啡豆──羅布斯塔豆（Robusta; Coffea canephora）崛起。然而，由於羅豆大量使用，很多人受不了高濃度咖啡因飲料，使低因咖啡的需求大增。
我們生活中常見的咖啡大多來自阿拉比卡豆（Coffea arabica），其全球生產量大約佔 60％，因為其所泡出來的咖啡具有多樣的香氣與豐富的酸味，所以大多製作成各種精品咖啡。
而羅布斯塔豆具有強烈的氣味與苦味，因此常製成混合咖啡或即溶咖啡，其全球生產量將近 40％。此外，阿拉比卡豆大約含有 1.2~1.5％的咖啡因，而羅布斯塔豆則是近兩倍，約 2.2~2.7％。
二戰之後越來越多用羅豆製成的咖啡產品，但也因為咖啡因含量高而容易使消費者感到不適，許多生產商才開始投注資源開發低因咖啡產品。
用萃取法去除咖啡因
低因咖啡的製程大多是各家公司的商業機密，不過還是能從已公開的文獻資料和專利，得知常見的低因咖啡製造方式，只是其中的細節不得而知。
常見去除咖啡因的方式都是使用「萃取法」，一般會先將生咖啡豆萃取去除咖啡因後，再進行乾燥、烘焙。常見的萃取方法大致可分三大類：溶劑萃取法（solvent decaffeination）、超臨界流體萃取法（CO₂ decaffeination）以及水處理法。
溶劑萃取法
在 70 年代前，商業化量產販售的低因咖啡，只使用溶劑萃取法。在那之前，科學家尚未清楚了解各種溶劑對人體的影響，因此許多現在認為對健康有疑慮或有致癌風險的溶劑都曾被廠商拿來萃取咖啡因，包括苯、氯仿與四氯化碳等，不過最常見的萃取溶劑還是二氯甲烷和乙酸乙酯。
根據處理步驟的不同，溶劑萃取法可分成「直接溶劑萃取法」和「間接溶劑萃取法」兩種。由於咖啡因在豆子內和綠原酸（Chlorogenic acid, CGA）結合，因此在開始萃取前，需先將乾燥的咖啡豆吸飽水份使兩者分離，才能有效地將咖啡因分子溶出。
直接萃取法是直接將乾燥的生咖啡豆以水蒸氣蒸煮濕透，再將生豆浸泡在溶劑中，待溶出咖啡因後再取出並加熱，使溶劑和水分揮發掉。
而間接萃取法則是將生豆放入熱水中煮，溶出咖啡因和各種氣味分子，煮咖啡豆的水再另外與溶劑充分混合，讓咖啡因溶入溶劑中，去除溶劑後再用剩下的水沖洗生豆好讓氣味分子能再度回到豆子中，最後再瀝出、烘乾。
說到咖啡因萃取溶劑，二氯甲烷在 70年代前可說稱霸了低因咖啡產業，是公認最好用的溶劑。除了萃取成效相當不錯之外，其無色、沸點 39.6℃ 容易揮發，又不易燃燒的特性，使得製程相當有效且安全。但諷刺的是，二氯甲烷最後被屏棄不用的原因，並不是因為發現可能具有致癌性，而是當年被懷疑可能是臭氧層破洞的元兇之一。
二氯甲烷退流行後，取而代之的是乙酸乙酯。乙酸乙酯會在自然界中自然生成，許多水果本身就含有一定比例，也因此較無安全性疑慮。1982年，美國食品藥物管理局（U.S. Food and Drug Administration, FDA）許可乙酸乙酯用於去除咖啡因，不過也由於許多食物都含有乙酸乙酯，無法直接探討它對健康的影響，因此並沒有明定殘留的許可標準。
超臨界流體萃取法
溶劑萃取法的缺點，是處理後的咖啡豆會嚴重流失香氣與風味，所以有廠商嘗試開發具有選擇性的萃取方法，試圖只帶走咖啡因，留下美好的味道。超臨界流體法在 70 年代初期，由 Café Hag 申請了這個技術的美國專利。
業者所開發出來的新方式，是透過在約 300 大氣壓（atm）、65℃ 的槽體內使用二氧化碳超臨界流體作為溶劑，從吸飽水份的生豆中成功地只溶出咖啡因。二氧化碳超臨界流體帶著咖啡因流入另一個槽體的水中，槽中較低的溫度、壓力會使得二氧化碳變回氣態，咖啡因就能夠順利轉移到水中，二氧化碳再導回高溫高壓槽中循環使用。這個過程持續 8~12 小時，即可將生豆中的咖啡因含量降到約 0.08％。
使用二氧化碳超臨界流體的好處，是它的物理性質介於液態和氣態之間，黏度接近氣體，因此輸送時消耗的能量則比輸送液體時低；而它的密度接近液體，因此單位時間內可輸送比氣體更多的溶劑分子。由於幾乎只溶出咖啡因，可以保留更多氣味分子在生豆中，且只要回到常溫常壓下，二氧化碳就會變回氣態逸散掉，比前述溶劑更加安全。
不過超臨界萃取法的缺點，是初期投入的設施成本極高、不易回本，因此只有少數資本雄厚的企業才有辦法使用這種技術。
水處理法
除了開發成本昂貴的超臨界流體法，當時還有另一群人開發出以水為溶劑，能萃取咖啡因，而不流失咖啡氣味的方法。這類方式的成本比超臨界流體法小得多，操作更簡單；而最常見的水處理法（圖四），是瑞士公司 Coffex 在 70 年代末期開發的瑞士水處理法（Swiss water process）。
瑞士水處理法是先將一批生豆浸泡在熱水中，溶解出咖啡因與氣味分子，接著將水導入活性碳以吸附咖啡因，再將過濾後、仍含有氣味分子的水，繼續用於下一批生豆的萃取製程。
下一批生豆因為萃取用的水中含有飽和的氣味分子，因此只有咖啡因會溶解出來，氣味分子而能順利保留在豆子內。此法除了成本較低，以水作為溶劑也比有機溶劑更加安全，因此也是目前許多低因精品咖啡所使用的方法。
要咖啡又不要咖啡因，還能怎麼做？
除了用這四種萃取法去除咖啡因，其實也有科學家嘗試種植出不含咖啡因的咖啡豆，包括使用野生咖啡豆進行育種或嘗試基因改良，但目前仍然沒有適合商業化量產的品種。
如果想喝咖啡，又想避免攝取太多咖啡因，目前只能選擇低因咖啡。不過，低因咖啡仍含有微量咖啡因，以美國的標準來說，只要比處理前減少 97％以上的咖啡因，就屬於低因咖啡，所以喝太多還是會感覺不適。
如果是自己煮咖啡，臺灣的咖啡豆大多是用阿拉比卡豆（咖啡因比較低的那一種），因此最主要的差異就是沖泡的過程。研磨出較粗的咖啡粉顆粒、縮短沖泡時間和降低沖泡水溫等，都是減少咖啡因溶出的方法。
無論喝哪種咖啡，都要注意代謝咖啡因所需要的時間。咖啡因在人體內代謝的半衰期大約是3~4 小時。所以對咖啡因較敏感、代謝速度較慢或想要避免攝取過多咖啡因的人，盡量在早上喝含咖啡因的飲料，才能有效避免影響睡眠。
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1. Ramalakshmi, K., and Raghavan, B., Caffeine in coffee: its removal. Why and how?, Critical reviews in food science and nutrition, Vol: 39 (5), 441-456, 1999.
2. Borrell, B., Plant biotechnology: Make it a decaf, Nature News, Vol: 483 (7389), 264, 2012.延伸閱讀：
1. Adda Bjarnadottir, Decaf Coffee: Good or Bad?, - Healthline, https://bit.ly/2zwajoA, 2017.
