葡萄酒中礦質元素的研究進展

趙遵樂，鄒琴艷，吳帥，張巖，譚偉

（棗莊學院食品科學與制藥工程學院，山東棗莊 277160）

葡萄是世界上廣泛栽培的水果之一，其栽培面積和產量長期位居世界水果前列。據國際葡萄與葡萄酒組織（OIV）報道，2018 年全球葡萄種植面積740 萬hm2，產量為7 780 萬t[1]。全世界近70%的葡萄用于葡萄酒的釀造[2]。葡萄酒是一種飲用廣泛的低酒精度飲料，由葡萄釀制而成，味甘醇美，營養豐富，并能防治多種疾病，正逐步成為受我國居民喜愛的飲料。葡萄酒中含有豐富的礦質元素，這些礦質元素一方面可以滿足人體所需的生理功效，通過參與人體酶、激素、維生素的合成與轉化，維持機體正常的能量轉換和新陳代謝等[3-5]，如Ca、K、Na 等大量元素及Fe、Cu、Zn 等微量元素，同時也存在一些危害人體健康的重金屬元素，如Cd、Pb 等[6-9]；另一方面，這些礦質元素也會影響葡萄酒的穩定性與品質。這些礦質元素主要來源于葡萄果實，是葡萄從土壤中吸收的[10]。葡萄酒中礦質元素的含量與種植葡萄的土壤中礦質元素的含量具有相關性[11]。因此，研究葡萄和葡萄酒中的主要礦質元素對于提高葡萄酒的品質及優化葡萄酒的口感有重要意義，也具有重要的商業價值和社會價值[2]。國外關于葡萄酒礦質元素的相關研究較早，而我國則在2000 年之后才有了較快的發展，本文就當前葡萄與葡萄酒中礦質元素的相關研究進行了總結，為我國葡萄酒產業的發展提供理論支持。

1 礦質元素對葡萄酒品質的影響

葡萄酒的品質取決于葡萄果實的質量和釀造工藝，其中Fe、Cu、Al、Pb、Na、Zn 等金屬元素影響葡萄酒的穩定性，對葡萄酒穩定性影響最大的是Fe 和Cu，葡萄本身Fe 含量很少，葡萄酒中含有微量Fe 元素是正常的，Fe 含量過多則是由于釀造加工過程中與含Fe 物質接觸被污染所致[12]。葡萄酒中二價鐵被氧化成三價鐵時，會與磷酸鹽或單寧形成絡合物引起葡萄酒的破敗；Cu 和Al 的含量超過一定值時，葡萄酒便產生混濁，Cu 過量時還伴有紅棕色物質析出；Na 過量則會對葡萄酒的風味產生不良影響[5]。

Cu 作為一種機體必需的金屬元素，少量Cu 對機體有積極的作用。杜君等[13]研究了Cu 離子脅迫對葡萄汁中釀酒酵母的影響，發現Cu 脅迫影響酵母的存活率，還能顯著影響酵母對還原糖的利用性能，進而影響CO2和酒精的產量。歐盟規定Cu 在葡萄酒發酵過程中應該控制在0.078 mmol/L 以內。Pb 是一種常見的重金屬元素，也是葡萄酒品質的重要檢測指標。葡萄酒中Pb 含量過高時，會降低葡萄酒的穩定性，還會損害人體的各個系統[12]。SO2作為一種防腐劑被廣泛的應用于食品工業中。葡萄酒加工釀造過程使用SO2的目的在于抑制細菌的繁殖、防止氧化與變質。郭安鵲[14]研究發現Fe 和Cu 在葡萄酒非酶氧化褐變中起關鍵作用，以EDTA 配合SO2能有效防止葡萄酒的氧化褐變，而且能降低SO2在葡萄酒中的用量。

2 葡萄酒中礦質元素含量的影響因素

2.1 種植過程中引起的礦質元素差異

2.1.1 土壤條件所致的

（1）立地條件對葡萄果實礦質元素含量的影響

葡萄中的礦質元素主要是從土壤中吸收而得，所以土壤中礦質元素的種類和含量直接影響葡萄中礦質元素的種類和含量。克熱曼·賽米等[15]研究了新疆阿圖什不同類型土壤條件對木納格葡萄初果期和盛果期果實品質和礦質元素的影響。結果表明，不同類型土壤栽培條件下不同樹齡葡萄果實品質有一定的差異，不同土壤類型會使葡萄酒中的礦質元素種類及含量存在差異。所以在土壤的物理性狀、水分和礦質營養的含量適宜時，果樹根系才能生長良好、分布均勻，使其根系保持較強的吸收力和吸收面積，以保證葡萄樹對土壤中礦質元素的吸收，從而獲得優質果實[16]。劉霞等[17]采用火焰原子吸收光譜法測定了河西走廊張掖地區葡萄園土壤、赤霞珠葡萄和葡萄酒中的11 種元素，結果表明，河西走廊張掖地區土壤礦質元素豐富，葡萄對土壤中Ca、K、Mg 及Na 的吸收較好，土壤中的礦質元素與葡萄果實中的礦質元素呈正相關（P＜0.01），且土壤含有多種有助于葡萄果實發育的微量元素。

李記明等[18]研究了沙壤土和粘土兩種質地的土壤對蛇龍珠葡萄果實和葡萄酒的影響，跟蹤測定了成熟期葡萄果實的單果質量、礦質元素、總酚及總花色苷等，并分析了這兩種類型土壤產出的葡萄所釀葡萄酒的理化指標和感官差異。研究表明，土壤類型對葡萄果實和葡萄酒品質有較大影響，沙壤土產的葡萄成熟期較早，果實糖分、果皮顏色物質比粘土產的葡萄果實含量較高，所釀葡萄酒顏色和香氣較好。綜合而言，沙壤土更適合葡萄的生長發育。

（2）產區對葡萄酒中礦質元素含量的影響

馬艷[19]采用電感耦合等離子體質譜法對寧夏賀蘭山東麓產區、四川產區、河北產區、山東產區的不同葡萄釀造的78 種葡萄酒中的16 種礦質元素含量進行了測定，結果表明，不同產區葡萄的特征礦質元素差異較大，可通過葡萄酒礦質元素含量產地差異性分辨出葡萄酒的不同產區。楊學威等[9]對濕法消解與直接稀釋兩種前處理方式進行比較，采用ICP-MS 測定了新疆和環渤海灣兩個產區30 種葡萄酒中的26 種礦質元素，結果表明Ti、Cr、Cu、Rb、Ag、Sn、Ba 等元素含量基本相同。環渤海灣產區Be 為新疆產區的4 倍，而新疆產區Li 為環渤海灣產區的3 倍，同種元素的含量基本在同一數量級，但數值上差異明顯，可為葡萄酒的產地鑒別提供依據。孫翔宇等[20]以我國四個主要葡萄產區的葡萄為樣本，采用電感耦合等離子體質譜法測定銅含量，結果表明Cu 含量整體水平良好，四個產區中通化產區葡萄酒Cu 含量最高，其次為賀蘭山東麓產區，河西走廊和懷涿盆地產區含量較少。賀蘭山東麓產區樣品Cu 含量分布比較集中，通化產區葡萄酒中Cu 含量分布呈現兩極化，而懷涿盆地與河西走廊兩個產區的Cu 含量分布較為平均，說明葡萄品種在同一產區不同酒莊中的表現是相似的，但受土壤條件等影響，在不同產地表現又有一定的區別。

由于生產中，葡萄中礦質元素主要從種植地的土壤中吸收，而葡萄酒中絕大部分礦質元素源自原料葡萄，在研究葡萄酒產地判別時，相較于葡萄酒中的其他成分具有一定的優勢，因此是葡萄酒產區鑒別的有效因子，葡萄酒原產地鑒別在國內外已有大量研究。如Iglesias 等[21]采用ICP－AES 和ICP－MS 法測定了來自西班牙Catalonia原產地，名為Empordà-Costa Brava 的葡萄酒樣品中宏量、微量和痕量元素的含量，并對數據進行分析以區分Empordà-Costa Brava 和西班牙其他葡萄酒原產地的葡萄酒。結果發現，由Sr 和Ba 這兩種元素構成的判別方程對現有樣品可能實現100%的原產地識別。Coetzee 等[22]采用ICP-MS 法測定南非西開普省3 個重要葡萄酒原產地（Stellenbosch，Robertson 和Swartland）40 個葡萄酒樣品的40 種礦質元素含量，經過數據統計分析可以實現3個葡萄酒原產地的區分。結果發現其中20 種元素在3 個原產地間有顯著的差異，并采用逐對判別分析法對葡萄酒進行了產地鑒別。此法對現有樣品的識別準確率為100%。國內如韓深等[23-25]應用ICP-MS 法檢測出了不同產地間元素含量存在顯著性差異，表明了不同產區葡萄酒的礦質元素有明顯的產區特異性，根據其特異性可初步區分葡萄的產地。張昂等[26]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，逐步判別分析篩選出了Zr、Li、Sr、Cs、Mg 這5 個對產地判別起關鍵作用的指標，以此建立了判別模型，得出了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96.3%和98.8%。

2.1.2 葡萄品種對礦質元素的吸收差異

葡萄植株不同的生長發育期，不同器官對礦質元素的需量是不同的。葉片是整個植株上對土壤礦質營養反應最敏感的器官，它的礦質營養狀況可以在一定程度上體現植株對土壤礦質元素的吸收利用狀況[27]。

不同葡萄品種對礦質元素的吸收是有差異的。史祥賓等[28]在連續7 年里研究了巨峰葡萄在不同生育階段對礦質元素的需求規律，結果表明萌芽期至始花期樹體對N、P、K、Ca、Mg 等元素的需求量占全年需求量的比例（需求比率）均超過了11%，其中N 的需求比率最高，其次依次為K、Ca、Mg 和p。駱萌等[29]采用密閉式營養液循環供給系統栽培探究新疆吐魯番地區4 年生無核白葡萄水分和礦質元素的周年吸收規律，每1 hm2對礦質元素的吸收量為Ca（341.8 kg）＞K（325.9 kg）＞N（227.9 kg）＞Mg（117.8 kg）＞P（22.9 kg）＞Fe（1.9 kg）＞B（728.3 g）＞Mn（460.6 g）＞Zn（198.1 g）＞Cu（182.3 g）。

2.1.3 施肥對葡萄中礦質元素的影響

在葡萄果實生長發育過程中，適時適量施肥對葡萄的生長及果漿品質具有重要作用。了解葡萄生長中的需肥特點，即可以提高養分利用率，同時也可以減少病蟲害的發生[30]。

（1）水培法

霍格蘭營養液是植物營養液最常用的一種配方，常用于葡萄種植中，有利于葡萄的繁殖和生長發育。但濃度過高或過低均不能使葡萄果實品質達到最優。使用合理的濃度處理葡萄植株，更有利于提高葡萄對礦質元素的吸收。

孫美等[31]研究不同濃度改良的霍格蘭營養液對玫瑰香葡萄礦質元素含量的影響，發現較高濃度的營養液有利于葡萄果實中礦質元素積累，而微量元素在果實和葉片中含量變化規律不明顯。劉愛玲[32]以霍格蘭氏配方配置的營養液處理葡萄，發現葡萄中各礦質元素的含量與營養液的濃度成正比。張旭東[33]研究發現，早夏黑葡萄在5 種不同濃度霍格蘭氏配方營養液處理下，高濃度營養液葡萄植株貪青旺長現象嚴重，在整個生長發育過程中，Ca 元素積累最多，其它礦質元素的含量變化規律不明顯。

（2）葉面施肥法

葉面施肥以葉面吸收為目的，將葡萄植株所需養分直接噴施到葉面上，直接供給作物吸收，不需要經過土壤，避免了養分在土壤中固定或轉化，因為不需要經過根系吸收、莖稈運輸過程，所以一般葉面施肥吸收營養元素效果更好更快[34]。

劉迪等[35]用6 種微量元素和15 種稀土元素的混合液噴施葡萄葉片，通過ICP-MS 分析葡萄果實中礦質元素的吸收情況。結果發現Mo 含量增加最明顯，Cu、Zn、Al在高濃度和多次噴施下有顯著的增加，其它微量元素含量變化不明顯，稀土元素含量呈現累積效應。田娟娟等[36]以赤霞珠等釀酒葡萄品種為試材，利用ICP-MS 分析施用艾佐邁對葡萄成熟葉片中10 種必需礦質元素的影響，結果表明艾佐邁施肥處理可以顯著提高赤霞珠葉片中10 種礦質元素的含量，同時可以顯著提高蛇龍珠葉片中大部分礦質元素的含量，而貴人香葡萄葉片中的礦質元素和稀土元素（除Mo 外）的含量則無顯著性提高。宋長征[37]針對賀蘭山東麓葡萄種植區土壤缺鋅問題，對葡萄葉面分別于花前兩周和花后兩周噴施3 種不同濃度鋅肥，結果發現，鋅肥提高了成熟果實可溶性固形物、單寧、總酚、總類黃酮、總黃烷醇和花色苷的含量，同時降低了可滴定酸含量，有效改善了梅鹿輒葡萄果實的品質及酚類和香氣物質。

（3）土壤施肥法

土壤施肥是根據土壤肥力水平、氣候環境以及葡萄對各種營養元素的需要等選擇合適肥料施于土壤中，從而增加葡萄對土壤中礦質元素的吸收量，進而提高葡萄果實的品質，增加產量。

秦嗣軍[38]對雙優山葡萄進行土壤施肥，發現葉柄內7種礦質元素含量的季節性含量變化與鮮食葡萄明顯不同。經過施肥后雙優山葡萄各礦質元素含量變化穩定，對于葡萄的生長發育有著重要影響。王海波等[39]以3 a 生藤稔葡萄品種嫁接苗為試材，土施硒肥，結果發現硒在果實中先積累到種子中，其次累積到果肉中，最后累積到果皮中。研究表明，施硒能夠提高果實硒含量，一定濃度的硒肥還能增加果實的可溶性糖、VC 及可溶性固形物等營養物質含量，改善葡萄果實品質[39-40]。

2.2 葡萄酒的加工過程對葡萄酒礦質元素的影響

葡萄酒的釀造加工過程會對葡萄酒礦質元素的含量產生不同程度影響。李記明等[3]研究發現對葡萄進行機械處理，能使Fe 元素的含量有一定增加，其他元素的影響很小。姚路暢[41]利用小容器釀造法對霞多麗葡萄在-20 ℃冷凍處理以及未冷凍處理下進行釀酒試驗。對葡萄酒理化指標分析得，冷凍處理后葡萄酒中一些微量元素含量明顯高于未處理。Casti?eira 等[42]對德國5 個產區的5 種白葡萄酒釀造工藝過程中63 種元素（包括一些非金屬元素和稀土元素）含量的變化進行了研究。發現一些元素在整個釀造工藝過程中含量幾乎恒定不變；發酵前加入膨潤土作為澄清劑，V 等元素含量保持恒定；發酵后加膨潤土，Sr、Zn、Mn 等元素含量幾乎不受影響。Catarino 等[43]研究了6 種膨潤土的添加對葡萄酒礦質元素組成的影響，結果表明添加膨潤土能使葡萄酒中Cu、Zn 和Rb 等元素的含量顯著降低。

目前的研究已證實，葡萄酒釀造工藝中使用澄清劑及過濾助劑等，會造成酒液中一些稀土元素含量的升高，稀土元素含量過高，可能會對葡萄酒的穩定性產生影響。所以，OIV 已經制定了相關標準，限制膨潤土等澄清劑的使用[44]。

3 葡萄和葡萄酒中礦質元素的檢測

葡萄酒中礦質元素的測定一般采用原子吸收光譜法、等離子體原子發射光譜法、氫化物原子熒光法以及分光光度法等方法。但是原子吸收法在測定過程中受到較多因素的影響，往往導致檢測結果的偏離[45]；而分光光度法需要將每個元素逐一分析，速度較慢。所以目前多采用電感耦合等離子體質譜-原子發射光譜、電感耦合等離子體發射光譜、電感耦合等離子體質譜等方法來檢測，與前兩種相比，這三種方法測量速度更快，靈敏度、精確度更高。

3.1 電感耦合等離子體質譜法

電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）是利用高溫電離耦合等離子和質譜儀相結合，分析元素和同位素的一種方法[46-47]，主要測量物質中的微量元素[48]。ICP-MS具有靈敏度高、檢出限低、抗干擾能力強、線性范圍寬、譜線簡單，可同時進行多元素分析的優點，可對70 多種元素進行分析，但是操作較為繁瑣、儀器昂貴。

楊玉梅等[49]利用ICP-MS 快速檢測了礦質元素含量很低的玫瑰蜜（Vitis viniferaL.Rose Honey）葡萄酒中的57 種礦質元素，檢測的3 種葡萄單品均可檢測到57 種元素，不同酒中各元素含量有著顯著差異，表明這種方法檢出限低，具有較高的準確度和回收率。芮玉奎等[50]采用ICP-MS 檢測了4 種葡萄酒中各種重金屬和微量元素，發現葡萄酒中含有豐富的人體所必需的元素，以Rb、Mn、Sr、Zn、Fe、Ba 等含量較高，其中大量元素有7 種，含量從高到低分別是K＞P＞Mg＞Ca＞Na＞Al≈Si；微量元素有29 種。張強等[51]建立了電熱板濕法消解、ICP-MS 測定茶淀玫瑰香葡萄中多元素的分析方法，方法檢出限為0.002 8～4.56 μg/L，同時利用該法發現漢沽兩地葡萄園中的玫瑰香葡萄礦質元素含量和類型具有相似性，有明顯的地域特征。這項研究為其原產地判定提供了基礎數據，對快速發展農產品溯源技術有著重大意義。

3.2 電感耦合等離子體發射光譜法

電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-OES）是利用高頻感應電流產生的高溫將反應氣體加熱、電離，選擇元素發出的特征譜線進行測定，設備和操作費用較高，但具有速度快、檢出限低、靈敏度高、干擾小、線性范圍寬以及多元素同時檢測等諸多優點，大大提高了工作效率，從而被廣泛應用于分析測試領域[52]。

張燕等[52]利用微波消解儀消化葡萄酒，采用ICPOES 法測定其中的K、Na、Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Ba、P、Sr、Al、Sn 這12 種礦質元素，被測元素的相對標準偏差結果在0.2%～4.5%。對同種葡萄分別采用ICP-OES 法和國家標準規定檢測方法檢測所得結果基本一致。相比于滴定法和原子分光光度計法，ICP-OES 法不需要添加掩蔽劑，且準確度高，精密度好，并能同時測定多種元素等優點，而且利用微波消解、ICP-OES 所需樣品量少，胡曉江[53]通過微波消解-ICP-OES 檢測了葡萄酒中的Fe 和Cu，以了解和判斷葡萄酒的褐變趨勢。結果表明樣品中Fe 和Cu 含量分別為3.26、0.226 mg/L，該方法加標回收率＞98%，RSD＜3.0%，方法最低檢出限Fe 為0.03 mg/L、Cu 為0.02 mg/L，與國家標準GB/T15038 中規定的原子吸收法和分光光度法相比，具有明顯的優越性，且簡便、快速、精度高。

3.3 電感耦合等離子體-原子發射光譜法

電感耦合等離子體原子發射光譜法是以電感耦合等離子炬為激發光源的一類光譜分析方法。物質經過激發后發射的光譜強度與物質中元素的成分密切相關，故通過對物質的發射光譜分析，可以得到物質的化學成分[54]。該方法分析速度快，具有很好的檢出限，分析的準確度和精密度較高，測定范圍廣，可同時測定樣品中多種元素的含量。不足之處在于設備費用較高，操作復雜，樣品需要預先轉化為溶液（固體直接進樣時精密度和準確度降低），對有些元素優勢不明顯[55]。

賈文慶等[56]采用濃硝酸-高氯酸（4：1）的混合溶液對紅提葡萄葉片樣品進行消解，采用電感耦合等離子體（ICP-AES）測定兩種不同長勢的葉片樣品中Zn、Ca、Mn、Fe、B 等7 種礦質元素含量。測得回收率為97%～103%，Mn、B 在長勢弱的葉片中比長勢旺盛的含量高，而K、Mg、Zn、Fe 則相反，Ca 在兩種不同生長勢葉片中含量相似，該試驗結果為葡萄的科學施肥提供了參考。夏擁軍等[57]運用ICP-AES 法測定葡萄酒中Fe、Mn、Pb 和Cu 的含量，在預處理過程中采用水浴蒸干和微波灰化相結合的方法，減少了金屬元素的損失，且大大提高了實際樣品的檢出限。其中Fe、Mn、Pb 和Cu 含量分別為6.512、1.320、0.051、0.368 mg/L，加標回收率為89.8%～102.6%，精密度為1.83%～4.96%，該法測定采用的分析試劑較為便宜、分析成本低、方法快速。

4 展望

隨著時代發展和人們消費水平的提高，近幾年葡萄酒產業發展迅速。礦質元素作為葡萄和葡萄酒的重要組成成分，對葡萄酒的口感及品質有很大的影響。一些礦質元素是人體所需要的，但有些如Cu、Fe 等會破壞葡萄酒的穩定性，使葡萄酒發生褐變，變得渾濁，使葡萄酒的味覺和色澤發生改變，從而導致葡萄酒的品質下降。目前可以采用ICP-OES、ICP-AES 和ICP-MS 等方法分析葡萄和葡萄酒中的礦質元素，三種方法具有檢出限低、靈敏度高的特點，可用于多元素的測定。施肥、釀酒工藝及產區對葡萄酒中礦質元素含量都有不同影響，目前可以通過葡萄酒中礦質元素產地特異性進行葡萄酒原產地的初步鑒別。

我國葡萄酒產業發展還不夠成熟，葡萄產地缺乏整體的規范和地域化，管理不規范，栽培技術不到位等現象較普遍，導致我國葡萄酒品質不高。而礦質元素的含量是影響葡萄酒品質的一個重要因素，我國在這方面的研究相對較少，尤其是葡萄酒中礦質元素與原產地的相關性。應加強這方面的研究，以提高葡萄酒的品質，保護葡萄酒的原產地。