竹酒礦質元素評價及表征品質元素篩選

陳晨，樊瑋，張保，荀航，姚曦，湯鋒*

1(國際竹藤中心，國家林業和草原局/北京市共建竹藤科學與技術重點實驗室，北京，100102)2(中國林業科學研究院，北京，100091)

竹飲料是以竹資源為主要原料開發的一類功能飲品，包括含酒精飲料和無酒精飲料。含酒精竹飲料主要有竹酒[1]、竹紅酒[2]、竹啤酒[3]等產品，無酒精竹飲料主要有竹汁飲料、竹瀝飲料和竹葉黃酮飲料等產品[4]。竹酒是一種中國傳統含酒精飲料，近幾年在酒類飲品中形成了一定的市場規模。竹酒是通過將基酒注入活竹腔中封閉陳釀一段時間獲得的，其制作過程類似于葡萄酒在橡木桶中的陳釀。而陳釀容器會顯著影響酒的成分、顏色和香味等屬性[5]，如橡木桶可以在葡萄酒陳釀過程中影響41種揮發性物質的含量[6]，也會影響酒體中Fe元素和Cu元素的濃度[7]。過量的Na元素會導致白酒香氣變差；Mg、Ca、Cu、Zn過量容易使酒的口味苦澀；酒體中添加一定量的K能增加甜醇感；Fe過量會使酒質變差，甚至出現鐵腥味[8]。毛竹(Phyllostachyspubescens) 是單軸散生型常綠竹種，竹稈直徑通常5～10 cm，壁厚約1 cm，節間長度20～30 cm，是制作竹酒最常用的材料。基酒在竹腔中陳釀時，土壤、空氣、水等環境中存在的物質[9]可能通過竹子進入酒體而影響竹酒的顏色、香氣、口味以及穩定性和安全性。鑒于礦質元素可能影響竹酒的品質，進而影響人體健康[5]，所以對酒體中礦質元素的檢測尤為重要。電感耦合等離子體質譜法是一種簡單快捷的檢測方法，穩定性好，精確度高，對痕量元素敏感，適合同時進行多種元素的分析[10]。

針對目前我國市場上竹酒礦質元素的研究空白及缺少評價標準的現狀，本研究采用電感耦合等離子體質譜法，對市售竹酒樣品中的14種礦質元素進行檢測，包括人體必需常量元素Na、Mg、K、Ca；人體必需微量元素Fe、Co、Cu、Zn；人體可能必需微量元素Mn、Ni；具有潛在毒性但低劑量可能對人體有益的微量元素Al、As、Cd、Pb[11]。并基于主成分分析法和聚類分析法，分析、篩選竹酒樣品中的關鍵礦質元素，結合竹酒陳釀實驗，驗證竹酒制作前后酒體中關鍵礦質元素的差異，為構建竹酒產品質量標準提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 實驗樣品

從市場上收集竹酒樣品，樣品基酒需經過在活竹腔中的封閉陳釀過程后制成竹酒，而非只是將竹節當做容器的容器竹酒。最終得到10種竹酒樣品，樣品編號為S1～S10。驗證實驗的不同基酒購自瀘州老窖，編號為B1～B4。

表1 竹酒和基酒樣品Table 1 Samples of bamboo liquor and base liquor

1.1.2 試劑

HNO3，分析純，北京化工廠；水為超純水,實驗室制備；含Na、Mg、K、Ca、Fe、Co、Cu、Zn、Mn、Ni、Al、As、Cd、Pb的10 μg/mL的高純度混合標準溶液 (介質為體積分數5%HNO3)，其中Na、Mg、Al、K、Ca質量濃度為1000 μg/mL，色譜純，美國Agilent公司；標準溶液系列由高純度混合標準溶液逐級稀釋 (介質為體積分數5% HNO3)；10 μg/mL 含Li、Co、Y、Ce、Tl混合標準調諧液 (介質為體積分數2% HNO3)，色譜純，美國Agilent公司。

1.1.3 儀器與設備

Agilent 7700型電感耦合等離子體質譜儀，美國 Agilent公司；Cascada AN實驗室超純水系統，美國 Pall公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 礦質元素測定

采用電感耦合等離子體質譜法[12]。

吸取一定量的樣品過0.22 μm有機濾膜后，用超純水稀釋50倍，直接進樣。

電感耦合等離子質譜儀經全自動調諧后，儀器滿足穩定性、靈敏度、雙電荷、氧化物等各項指標。主要檢測參數為：載氣 99.99%高純度氬氣；載氣流速 1.11 mL/min；射頻功率 1 150 W；采樣深度 6.2 mm；S/C溫度 2 ℃；氧化物范圍 0～0.6%；雙電荷范圍 0～2.5%。在電感耦合等離子體質譜儀的最佳工作參數下，收集空白和標準溶液，繪制標準曲線。將樣品代入后求得礦質元素的含量。

1.2.2 驗證實驗

將不同酒精度的基酒B1、B2、B3、B4在毛竹腔中分別封閉陳釀30、60、90、120 d后，以1.2.1的方法檢測制得的竹酒中關鍵元素的含量。

工藝條件：實驗地位置，安徽省黃山市太平湖竹園 (118.03725°N，30.355345°E)；注酒竹種，毛竹 (Phyllostachyspubescens)；毛竹竹齡，1～4年；注酒部位，毛竹竹腔距根部1.5 m處，每根毛竹注1節竹腔；注酒工藝，2 mm微孔注酒；開孔部位，注酒竹腔上部竹節處；開孔角度 45°；注酒體積 500 mL。注酒完畢后用熱熔槍進行蠟封。樣品采集方式：使用10 mm鉆頭在注酒竹腔下部竹節上1 cm處開孔，并在竹腔上部隨機開一氣孔，進行樣品采集。相同基酒封閉陳釀不同時間所采用的毛竹不同株。

1.2.3 數據處理與統計分析

市售竹酒樣品和基酒樣品均為3個平行，結果以均值±標準差表示。采用SPSS 24.0軟件(美國IBM公司)進行方差分析、主成分分析、聚類分析等數據處理。

2 結果與討論

2.1 礦質元素的標準曲線

電感耦合等離子體質譜儀自動繪制的14種礦質元素標準曲線見表1，各元素標準曲線線性良好，相關系數在0.993 7～1.000 0。

2.2 竹酒的礦質元素

竹酒中14種礦質元素檢測結果見表2。結果表明，10種竹酒中人體必需常量元素Na、Mg、Ca、K 的含量較高，分別為7.77～67.85、4.93～26.29、4.33～30.00和222.40～968.99 mg/L。其中K元素含量最高。微量元素Al、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb中，Mn、Fe、Cu、Zn含量較高，分別為0.81～5.90、0.05～0.60、0.01～0.08和0.13～1.78 mg/L，其余微量元素含量較低。竹酒樣品中各元素含量符合蒸餾酒及其配制酒中重金屬元素的規定限量[13]。

表1 14種礦質元素的標準曲線與檢測限Table 1 Calibration cur e and detection limit of 14 mineral elements

表2 竹酒中14種礦質元素的含量 單位：mg/L

竹酒是以白酒為基酒制作而成的，所以具有一定的蒸餾酒屬性。為從重金屬元素的角度驗證竹酒的安全性并初步篩選出酒體中含量較高的礦質元素，將竹酒中14種礦質元素含量與白酒[14]、威士忌[15-17]、白蘭地[18-19]3種蒸餾酒中的礦質元素含量進行對比。結果表明,竹酒中K元素和Mn元素含量遠高于這3種蒸餾酒，其他礦質元素含量均在3種蒸餾酒相應礦質元素的含量范圍之內。竹酒的安全性良好，且相對于白酒、威士忌、白蘭地，竹酒富含K、Mn元素，是一種天然的K、Mn元素補充飲品。

K元素具有維持人體內正常的糖、蛋白質代謝、酸堿平衡及滲透壓等功效，是人體生長的必需元素。K元素的缺乏可能會導致高血壓[20]、心血管疾病[21]及中樞神經的病變[22]；Mn具有抗氧化、促進骨骼生長發育、促進酶活及代謝的功效，對心血管系統大有裨益，缺乏Mn元素會導致貧血[23]及帕金森氏病等癥狀[24]，而Mn攝入過量會導致頭暈、嗜睡和精神衰退等癥狀，嚴重的會影響中樞神經系統[25]。

2.3 竹酒中14種礦質元素的主成分分析

14種礦質元素間的相關性結果見表3。結果顯示，各礦質元素間存在著一定的相關性。常量元素Na、Mg、K、Ca中，Na、Mg、Ca三者極顯著相關(P≤0.01)，而K元素只與Cu具有弱顯著正相關(P≤0.05)。微量元素中，Mn、Zn、Cd、Pb四種元素都與Na、Mg、Ca極顯著正相關(P≤0.01)，而Pb與除K外的任何礦質元素都顯著正相關(P≤0.05)。這些相關系數在一定程度上反映了各礦質元素之間的關系，但數據間存在著相互影響，會造成信息重疊。所以對竹酒中14種礦質元素進行主成分分析，旨在對數據進行降維，從而對表征礦質元素品質的關鍵指標進行分析和篩選。

表3 竹酒中14種礦質元素的相關系數Table 3 Correlation coefficients of 14 mineral elements in bamboo liquor

采用SPSS 24.0對竹酒的14種礦質元素進行主成分分析表明，根據特征值大于1的原則，共分析出3個主成分，第1主成分(PC1)貢獻率為50.279%，第2主成分(PC2)貢獻率為16.934%，第3主成分(PC3)貢獻率為10.059%，累積貢獻率可達77.272%，故前3個主成分能很好地代表竹酒中14種礦質元素。由圖1可得，第1主成分在Na、Mg、Ca、Mn、Ni、Cu、Zn、Pb、Cd有較高的載荷系數，說明這些變量與第1個主因子有較高的相關性，主要反映Na、Mg、Ca、Mn、Zn、Pb、Cd在品質上所反映的信息。第2主成分在Al、Fe、Co、As有較高的載荷系數，說明這些變量與第2主因子有較高的相關性，主要反映Al、Fe在品質上的信息。而第3主成分在K有較高的載荷系數，代表K元素。竹酒中的K元素為獨立的礦質元素品質因素，說明其對竹酒礦質元素品質的重要影響。

圖1 礦質元素的載荷圖Fig.1 Component loading plot of mineral elements

2.4 竹酒中14種礦質元素的聚類分析

為了對竹酒中礦質元素進行綜合評價，采用聚類分析的系統分析法對主成分分析的結果進行了驗證。14種礦質元素的聚類分析圖見圖2,結果表明，在歐式平方距離25處，竹酒的14種礦質元素指標可分為2類，K元素為單獨一類。在歐式平方距離15處，礦質元素指標可分為3類，K元素為第1類，Al、Fe、Co、As為第2類，剩下的礦質元素為第3類。聚類分析與主成分分析的結果相吻合。

圖2 礦質元素的聚類分析樹狀圖Fig.2 Dendrogram plot from cluster analysis of mineral elements

2.5 K元素的驗證實驗結果

目前，竹酒生產工藝通常以白酒為基酒，將適量基酒注入1～4年生的毛竹中，陳釀30～360 d后采收，大多按季度出售，市售竹酒產品基酒酒精度通常在40%～60%(乙醇體積分數)。為了探討市售竹酒樣品與白酒、威士忌、白蘭地等蒸餾酒中K元素含量存在巨大差異的原因，驗證市售竹酒樣品中鉀元素含量范圍的合理性，選擇了60%、56%、52%、40%(乙醇體積分數)4種酒精度的基酒，注入1～4年生毛竹竹腔中，封閉陳釀30、60、90、120 d后采收，檢測酒體中K元素含量，結果如圖3所示。基酒中K元素含量為1.98～19.54 mg/L，不同酒精度基酒在不同毛竹稈中陳釀30～120 d后，K元素含量可達181.53～929.24 mg/L，檢測結果與市場上采集的竹酒K元素含量范圍相近。與基酒相比，陳釀后酒體中的K元素含量顯著升高。K元素是竹子生長的必需元素,且在竹稈中含量較高[26-27]，能夠促進光合作用、酶活力以及纖維素和木質素的合成[28]。因此，推測在封閉陳釀過程中，竹稈會影響酒體中K元素的含量，進而導致基酒陳釀前后的差異。

不同竹齡、生長狀態的毛竹，竹稈中K元素含量存在差異[27]。由于竹酒采用活竹陳釀工藝，每根竹子僅選取1節注入基酒，過多會導致竹子非健康生長甚至死亡。為了盡可能兼顧目前竹酒生產工藝的多樣性，本實驗隨機選取不同的竹子注入基酒，但由于竹齡和個體差異，導致竹酒中K元素檢測結果在合理的范圍內存在一定的波動。盡管如此，與基酒相比，所得竹酒中K元素含量最少增加了9.29倍。

礦質元素指標可信度高且不容易通過勾兌改變，其測量方法靈敏度高，穩定性好。本文結果表明，活竹酒礦質元素具有以下品質特征：K元素為14種礦質元素中含量最高的元素；經過在活竹中的陳釀過程，竹酒中K元素含量顯著上升；不同竹酒K元素含量不同，但均在一定的范圍之內。相對于活竹酒，市場上僅以竹筒為容器的竹筒酒或假冒偽劣產品，由于沒有與活竹共生的過程，酒體中K元素含量應達不到活竹酒的含量范圍。進一步深入研究后，K元素含量可作為獨立的特征指標之一，用于表征活竹酒的品質。

圖3 基酒陳釀過程中K元素含量Fig.3 Potassium content of different base liquors during aging

3 結論

竹酒富含K元素。通過主成分分析和聚類分析的方法對竹酒14種礦質元素進行分析得出，K元素是表征竹酒礦質元素品質的關鍵指標之一。以K元素為指標對竹酒的礦質元素品質進行驗證發現，基酒在毛竹腔中封閉陳釀過程中，酒體中K元素含量顯著升高。本文研究結果為竹酒評價標準的建立提供了理論依據。