基于礦質元素指紋分析的原產地葡萄酒判別研究

張 昂，高 捷，劉亞新，王 飛，鐘亞莉，母 健，曹彥忠，張進杰

（1.秦皇島出入境檢驗檢疫局，河北秦皇島066004； 2.西藏藏東珍寶酒業有限公司，西藏昌都854512）

基于礦質元素指紋分析的原產地葡萄酒判別研究

張 昂1，高 捷2，劉亞新1，王 飛1，鐘亞莉1，母 健1，曹彥忠1，張進杰1

（1.秦皇島出入境檢驗檢疫局，河北秦皇島066004； 2.西藏藏東珍寶酒業有限公司，西藏昌都854512）

有效的葡萄酒產地判別手段是實施葡萄酒地理標志（或原產地）保護工作的保障。為探討礦質元素指紋分析對于國內原產地葡萄酒產地判別的可行性，本研究利用電感耦合等離子體質譜法測定了賀蘭山東麓、沙城、通化及云南紅等4個原產地80個葡萄酒樣品中的15種礦質元素，并對數據進行方差、主成分及逐步判別分析。結果表明，不同原產地葡萄酒中的礦質元素含量存在顯著性差異（P＜0.05）；主成分分析給出了5個主成分，累計方差貢獻率達85%以上，前3個主成分的得分圖顯示不同原產地葡萄酒的區域分布與相關元素含量差異性基本一致；逐步判別分析篩選出了Zr、Li、Sr、Cs及Mg等5個對產地判別起關鍵作用的指標，以此建立的判別模型，對不同原產地葡萄酒的回代和交叉檢驗的整體正確判別率分別為98.8%和96.3%。因此說明，礦質元素指紋分析結合化學計量學方法對國內原產地葡萄酒的產地判別是可行有效的。

原產地葡萄酒； 判別； 礦質元素； 電感耦合等離子體質譜

表1 原產地葡萄酒樣品基本信息

自2002年以來，我國先后批準了對昌黎葡萄酒等19個葡萄酒產品實施地理標志保護（或原產地標記保護）。目前，盡管所有地理標志葡萄酒均對其產地范圍和產品質量技術要求（包括立地條件、品種結構、栽培管理、采收質量、釀造工藝及質量特色）做了嚴格規定，但現行的葡萄酒地理標志管理體系內缺乏相關產地鑒別的措施和標準。對葡萄酒原產地的準確判別技術理應是葡萄酒地理標志管理體系的必要組成部分，也是預防和打擊造假的有效措施，同時為維護消費者和合法生產者的權益提供切實保障。

無機元素“指紋”分析技術是廣泛應用于農產品產地判別溯源的重要手段之一。目前，利用該技術進行葡萄酒原產地判別的研究正在國外如火如荼地進行，相關文獻報道不斷涌現。一些葡萄酒發達國家，如西班牙[1]、澳大利亞[2]、意大利[3]、南非[4]、阿根廷[5]及斯洛文尼亞[6]等的研究人員已甄別出可以用來描述和區別不同原產地葡萄酒特征的無機元素。如Gonzálvez等[1]利用電感耦合等離子體光譜儀測定了分屬西班牙烏迭爾-雷格納、胡米亞、耶克拉、瓦倫西亞等4個葡萄酒原產地保護區的67個酒樣中的38種礦質元素，繼而通過多種化學計量學方法成功區分了上述4個產地，其中烏迭爾-雷格納和胡米亞產區分別僅通過Li和Mg的濃度即可辨識；Casti?eira等[7]借助電感耦合等離子體質譜儀研究了來自德國4個法定產區（巴登、萊茵高、萊茵黑森及法爾茲）127個酒樣中的13種礦質元素，并通過決策樹法分析數據，結果發現僅用Li、Zn、Mg、Sr等4種元素即可有效判別上述產地的葡萄酒。相比其他葡萄酒發達國家，我國葡萄酒原產地保護研究工作起步較晚，在以無機元素判別葡萄酒原產地的領域還多停留在檢測葡萄與葡萄酒中的元素含量上[8-10]，真正涉及原產地判別的工作還很少。本研究通過測定賀蘭山東麓、沙城、通化及云南紅等4個原產地葡萄酒中多種礦質元素的含量，并結合化學計量學方法對其加以研究，探討礦質元素“指紋”分析技術對我國不同原產地葡萄酒產地判別的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

酒樣：本研究中所有供試酒樣分屬于賀蘭山東麓葡萄酒（質檢總局公告2011年第14號，下同）、沙城葡萄酒（2002年第125號）、通化山葡萄酒（2005年第186號）及云南紅葡萄酒（2002年第108號）等4個地理標志（或原產地標記）保護產品，取樣方式為酒莊（廠）現場取樣。葡萄品種、釀造工藝及產品質量要求均符合地理標志保護（或原產地標記）的相關規定，每個原產地的樣品數量均為20，年份跨度2012—2015（見表1）。

試劑及儀器：Bi、Ce、Cs、Eu、Ga、La、Li、Mg、Rb、Sb、Sm、Sr、Tl、U及Zr等15種元素標準溶液（10 mg/L，介質為0.5%HNO3/2%HCl/1%HF）購自加拿大SCP SCIENCE公司；優級純硝酸（北京化學試劑研究所）；去離子水（18.2 MΩ·cm，美國Millipore公司）；Anton Paar Multiwave 3000微波消解系統（奧地利Anton Paar GmbH公司）；PerkinElmer ICPMS Elan DRC-e型電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS），配備40.68 MHz自激式射頻發生器（美國PerkinElmer公司）；LabTech EHD36電熱消解板（北京萊伯泰科儀器公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品前處理方法

試驗中所有玻璃器皿和聚四氟乙烯微波消解管用前均經30%硝酸溶液浸泡過夜，再經去離子水潤洗3次以上烘干備用。樣品前處理參考Geana等[11]的方法并做改進，準確量取5.0 mL酒樣于微波消解管中，在100℃電熱板上趕乙醇并濃縮至2 mL，加濃硝酸1.5 mL進行微波消解（功率：1000 W；壓力：200 psi；溫度：190 ℃；升溫時間：20 min；保持時間：5 min），結束后消解液以100℃趕酸至2.0 mL，再用2%硝酸定容至25 mL，待測。相同方法準備試劑空白。

表2 不同原產地葡萄酒中礦物元素含量 (μg/L)

1.2.2 ICP-MS測定條件

儀器預熱后經調諧液（Ba、Cd、Ce、Cu、In、Mg、Pb、Rh及U，10 μg/L）調節至最佳狀態，射頻功率：1100 W；等離子氣流量15 L/min；載氣流量：0.94 L/min；輔助器氣流量：1.2 L/min；透鏡電壓：6.0V；采樣流量：0.8 mL/min；校正方程：儀器軟件推薦。外標法定量，以2%硝酸為介質，將元素標準溶液逐級稀釋并繪制標準曲線（線性范圍：0.25 ppb、0.5 ppb、1.0 ppb、5.0 ppb、10.0 ppb及50.0 ppb）。Y標準溶液作內標（10 ppb），通過內標管在線加入。國家標準物質大米（GBW 10010）為質控樣。

1.3 數據處理

采用SPSS 17.0 for Windows軟件對數據進行方差分析、Duncan’s多重比較分析、主成分分析及逐步判別分析。

2 結果與分析

2.1 原產地葡萄酒中礦質元素的地域分布差異分析

Bi、Ce、Cs、Eu、Ga、La、Li、Mg、Rb、Sb、Sm、Sr、Tl、U及Zr等15種礦質元素在4個原產地葡萄酒樣品中均有檢出，盡管部分元素含量的標準偏差比較大，但方差分析結果顯示，所有被測元素在地域間均存在顯著性差異（P＜0.05，下同）（表2）。進一步的多重比較結果發現，Cs、Li、Sr、La、Li、Bi、Ce及Eu等8種元素在各個原產地葡萄酒間的差異更明顯。其中，Cs在4個原產地葡萄酒中的含量差異均達顯著水平，即云南紅＞沙城＞通化＞賀蘭山東麓；Li含量最高的是賀蘭山東麓，分別是沙城、通化、云南紅的3倍、27倍、23倍；賀蘭山東麓和通化的Sr含量相當，是沙城和云南紅的1.6倍和2.6倍；在4個原產地中，云南紅樣品中的La和Ce含量最高，是沙城的近4倍，賀蘭山東麓的近7倍；對于Tl、Bi及Eu含量，在通化樣品中均為最高，云南紅次之，沙城和賀蘭山東麓最低。由此可見，不同原產地葡萄酒中的礦質元素分布有其各自的特征。

2.2 原產地葡萄酒中礦質元素的主成分分析

對不同原產地葡萄酒中差異顯著的15種礦質元素含量數據標準化（Z-score）處理后，進行主成分分析。結果表明，前5個主成分的累計方差貢獻率達到85%以上，即說明這幾個主成分已經涵蓋了原有15種元素的絕大部分信息（表3）。其中，第1主成分的方差貢獻率為38.372%，主要集中了Sm、La、Ce、Zr、Sb、Tl、Eu、Li及U等元素的含量信息，第2主成分的方差貢獻率為16.755%，主要集中了Rb、Cs及Sr的信息，第3主成分的方差貢獻率為13.585%，主要代表Ga和Bi的信息。

表3 前5個主成分的載荷矩陣及方差貢獻率

根據各礦質元素載荷大小，篩選對各主成分貢獻較大的元素，并利用前3個主成分的標準化得分作3-D散點圖（圖1）。由圖1可知，第1主成分可將通化與賀蘭山東麓和沙城，或將云南紅與賀蘭山東麓區分開，主要是因為云南紅和通化樣品中有著較高含量的Eu、Tl、Sb、Zr、Ce、La及Sm，同時含有較低含量的Li；第2主成分可將賀蘭山東麓與其他區域分開，主要是因為賀蘭山東麓葡萄酒中含有最高的Sr和最低的Cs含量；第3主成分可將通化與云南紅分開，主要是因為兩者的Ga和Bi含量差異較大。不同原產地葡萄酒樣品的區域分布與相關元素含量差異性基本一致。

2.3 原產地葡萄酒中礦質元素的逐步判別分析

圖1 不同原產地葡萄酒前3個主成分標準化得分圖

為了進一步明確各礦質元素在原產地葡萄酒產地判別中的作用和效果，對地域間差異顯著的15種礦質元素進行逐步判別分析。在Wilks'Lambda逐步判別分析中，依據F統計量因子選擇變量來構建判別函數，默認引入變量的F標準值是3.84，剔除變量的F標準值是2.71，Zr、Li、Sr、Cs及Mg等5種對產地判別作用顯著的礦質元素先后被引入判別模型中（表4）。利用表4中建立的判別模型對原產地葡萄酒樣品進行歸類，同時結合“留一法”交叉檢驗法對所建模型的有效性進行驗證。結果顯示，不同原產地葡萄酒樣品的整體產地判別效果理想，其回代檢驗和交叉檢驗的整體正確判別率分別為98.8%和96.3%。其中對賀蘭山東麓和沙城葡萄酒樣品的判別效果最佳，回代和交叉檢驗的正確率均為100%，通化樣品在回代檢驗中的正確率也達100%；云南紅樣品在回代和交叉檢驗中有個別樣品被誤判為沙城，致使其正確判別率稍低。利用判別分析給出的3個典型判別函數得分做3-D散點圖（圖2），從圖2可以清晰直觀地看出，4個原產地葡萄酒樣品均有其各自的空間分布特征，與主成分分析結果基本一致。

圖2 不同原產地葡萄酒3個判別函數得分圖

表4 賀蘭山東麓、昌黎、通化及云南紅原產地葡萄酒的判別分析結果

3 討論與結論

以地理標志或原產地命名葡萄酒是世界范圍內達成廣泛共識的葡萄酒產品保護制度，既是對葡萄酒的知識產權保護，同時也是對其產品品質及特性風格的承諾。本研究中所選的4類產地葡萄酒是我國較早實施原產地保護的葡萄酒產品，在國內享有較高的知名度。強有力的產地葡萄酒判別手段有利于有效實施葡萄酒的原產地保護。在研究葡萄酒產地判別時，相較于葡萄酒中的其他有機成分，選擇礦質元素作為判定指標具有一定的天然優勢。葡萄酒中絕大部分礦質元素源自原料葡萄，而葡萄中元素主要吸收于種植地的土壤。通常來講，土壤中礦質元素的種類和豐度具有地理地質特異性，因此在理論上，特定產地葡萄酒中的礦質元素應具有指紋特性，即攜帶著種植地土壤中具有地域特色的元素信息，從而區別于其他產地的葡萄酒。然而事實上，影響葡萄酒中礦質元素種類和含量的除原產地自然因素（土壤、氣候、品種）外，栽培管理、環境污染及釀造工藝等人為因素也可能對酒中最原始的礦質元素產生不同程度的影響[12-14]，如波爾多液或一些其他農藥的使用會改變酒中Cu、Zn、Mn等元素的含量，不銹鋼釀酒設備可能會影響Fe、Cr、Ni等的含量，葡萄酒澄清時所用的膨潤土可能會影響Al、Na、Ca及部分稀土元素[15]。所以，在應用礦質元素來識別產地葡萄酒時，還需借助化學計量學的方法嚴格甄選特征礦質元素，即盡可能多地選擇那些只取決于產地因素而不受人為因素明顯影響的元素?；谏鲜鲈颍驹囼炦x取Bi、Ce、Cs、Eu、Ga、La、Li、Mg、Rb、Sb、Sm、Sr、Tl、U及Zr等15種礦質元素作初步判定指標，多重比較后發現這些元素在不同原產地葡萄酒中的分布有其各自的特征，如賀蘭山東麓和沙城葡萄酒中的Li和Mg含量遠高于通化和云南紅，而Zr、La及Tl等的含量遠低于通化和云南紅，這也就說明應用所選元素來表征不同地域間的差異是有效的。主成分分析和判別分析結果從不同角度證實了利用所測礦質元素對不同原產地葡萄酒進行產地判別是可行的。逐步判別分析篩選出Zr、Li、Sr、Cs及Mg等5種對產地區分有效的元素指標，對4個不同原產地葡萄酒的整體正確判別率達95%以上。在所選的5個元素指標中，Li和Cs為堿金屬，Sr和Mg為堿土金屬，說明這兩類元素可能是葡萄酒產地區分的關鍵元素，類似結果在德國、西班牙、羅馬尼亞等國的原產地葡萄酒鑒別研究中也有發現[1，7，11]。

Bi、Ce、Cs、Eu、Ga、La、Li、Mg、Rb、Sb、Sm、Sr、Tl、U及Zr等15種礦質元素在賀蘭山東麓、沙城、通化及云南紅等4個原產地葡萄酒的80個樣品中均有檢出，多重比較分析表明不同原產地葡萄酒中的礦質元素分布各具特征。主成分分析表明不同原產地葡萄酒的區域分布與相關元素含量差異性基本一致。逐步判別分析篩選出 Zr、Li、Sr、Cs及Mg等5個對產地判別作用明顯的元素指標，它們對不同原產地葡萄酒的回代和交叉檢驗的整體正確判別率分別為98.8%和96.3%。上述結果初步表明礦質元素指紋分析對國內原產地葡萄酒的產地判別是可行有效的。

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Judgment of Geographical Origin of Grape Wine Based on Mineral Element Fingerprinting

ZHANG Ang1,GAO Jie2,LIU Yaxin1,WANG Fei1,ZHONG Yali1,MU Jian1,CAO Yanzhong1and ZHANG Jinjie1
(1.Qinhuangdao Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Qinhuangdao,Hebei 066004;2.Zangdong Treasure Winery Co.Ltd.,Changdu,Tibet 854512,China)

An effective tool for judging the producing place of grape wine is a strong guarantee for the implementation of wine geographic indication protection.In this study,in order to investigate the feasibility of using mineral element fingerprinting to judge the geographical origin of domestic wine,inductively coupled plasma-mass spectrometry(ICP-MS)was employed to measure the concentration of 15 mineral elements in 80 wine samples from four producing places including East Helan Mountain,Shacheng,Tonghua and Yunnan.The data were analyzed by analysis of variance(ANOVA),principle component analysis(PCA)and stepwise discriminant analysis(SDA).The results showed that,there were significant difference in the content of mineral elements in wine samples of different producing places(P＜0.05);five principle components with a cumulative variance above 85%were extracted from the standardized data,and the distribution of wine samples of different producing places in the score plot was in accordance with content difference of the relevant elements;Zr,Li,Sr,Cs and Mg were screened by SDA as the key discriminant factors.The overall re-substitution and cross-validated accuracy rates of wine of different producing places were 98.8%and 96.3%,respectively.Therefore,it was feasible to judge the producing place of homemade wine based on mineral element fingerprinting coupled with chemometric methods.

geographical origin of wine;judgement;mineral element;ICP-MS

TS262.6；TS261.7；TS261.4

A

1001-9286（2017）11-0038-06

10.13746/j.njkj.2017189

質檢總局科技計劃項目(2015IK096)；河北省科技計劃項目(16275519)。

2017-07-06

張昂，男，博士，研究方向為葡萄與葡萄酒，E-mail：zhangangggrape@hotmail.com。

張進杰，男，研究員，研究方向為食品分析檢測，E-mail：qhdciqzhjj@aliyun.com。

優先數字出版時間：2017-09-20；地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20170920.1448.002.html。