新疆五家渠地區葡萄酒中微量元素風險評估

姬茹婕，劉文翰，孫金奎，濮希蕾，程衛東

(石河子大學 食品學院，新疆 石河子，832000)

新疆是我國十大葡萄酒產區之一，釀酒葡萄的種植主要集中在天山北麓、焉耆盆地、伊犁河谷、吐哈盆地[1]。五家渠葡萄酒產區是新疆葡萄酒主要產區之一，地處天山山脈博格達峰北麓，準噶爾盆地南緣，其地理位置優越，光照充足，氣候干燥，晝夜溫差大，是培育優良釀酒葡萄的黃金地帶[2]。據統計，五家渠市葡萄種植面積約達86.67 km2，其中釀酒葡萄約占總面積的76.9%，以赤霞珠、美樂、蛇龍珠、小味兒多、貴人香、霞多麗等品種為主[3]。近年來，隨著葡萄酒產業的發展，葡萄酒已逐漸成為五家渠地區經濟建設的一項支柱產業，這對實現農業經濟的持續增長起到了積極的推動作用。

葡萄酒的風險因素主要包括農藥殘留、塑化劑、食品添加劑、生物胺、甲醇和重金屬等。葡萄酒中微量元素是葡萄酒營養品質的重要組成部分，尤其是某些重金屬，如鋅、鐵、銅、錳等，其中鋅是人體健康不可或缺的微量元素，對骨骼和肌肉的增長有重要作用，人體缺鋅會影響身體生長和神經系統發育，并降低人體免疫力[4]；如果過度補鋅，則會誘發惡心、嘔吐、貧血和嗜睡等癥狀[5]。鐵在人體必需微量元素中位于極其重要的位置，補鐵不及時會導致缺鐵性貧血[6]，而攝入過量的鐵會導致組織損傷和器官衰竭[7]。銅是人體必需營養元素之一，攝入過量的銅會引起胃腸道問題，并伴有惡心、腹瀉和嘔吐癥狀[8]。錳可以調節血糖，在骨骼生長中具有重要的作用[9]，錳缺乏會導致嬰兒先天缺陷、骨生長受損等癥狀[10]；過度攝入錳會使機體組織產生神經毒性，從而患上帕金森病[11]。

葡萄酒中的微量元素主要來源于土壤，具有明顯的地域特色。目前大多數報道主要集中在葡萄酒的追根溯源和土壤環境質量評價方面[12-13]，然而對有關釀酒葡萄和葡萄酒中微量元素的研究卻相對較少，尤其是對五家渠釀酒葡萄及葡萄酒中一些不良微量元素含量的測定，以及葡萄酒中這些元素健康風險評估的研究還未見報道。本研究采用原子吸收分光光度法和原子熒光光度法測定赤霞珠、蛇龍珠、美樂、小味兒多葡萄及其葡萄酒中微量元素的含量，并進行健康風險評估，以期為當地釀酒葡萄的優質栽培和葡萄酒安全生產提供一定的數據參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本試驗所用釀酒葡萄于2020年9月采自新疆維吾爾自治區五家渠市，該地區光照充足，降雨量少，蒸發量大，為溫帶大陸性氣候。試驗共計采樣4個品種(赤霞珠、蛇龍珠、美樂、小味兒多)。所有釀酒葡萄樣品均在采收期采集，為保證樣品具有代表性，使用科學采樣的方法，在每個品種葡萄區域3點取樣，每個品種不少于10 kg；相對應的葡萄酒于發酵結束后，從發酵罐中取樣。將所有樣品貼上標簽，放入冰盒中保存，12 h內運回實驗室，于-20 ℃冰柜保存待測。

1.2 主要試劑

Mg、K、Na、Ca、Zn、Fe、Cu、Cd、Mn、Pb元素的標準儲備液(國家標準溶液，1 000 mg/L)、Hg元素的標準儲備液(國家標準溶液，1 mg/mL)、As元素的標準儲備液(國家標準溶液，100 mg/L)，天津光復精細化工研究所；硝酸(優級純)，壇墨質檢科技股份有限公司。

1.3 儀器與設備

AF-7550雙道氫化物-原子熒光光度計、AA-7090原子吸收分光光度計，北京東西分析儀器有限公司；Milli-Q Element純水機，美國Millipore公司；MS204TS/02電子天平，梅特勒-托利多國際貿易有限公司；ITT-300均質機，深圳市英泰特激光有限公司；CEM-MARS6 微波消解儀，美國CEM公司；L2433-83NQ空心陰極燈，濱松光子學商貿有限公司；Reference 2移液槍，Eppendorf中國有限公司。

1.4 測定方法

1.4.1 樣品處理

稱取樣品0.3 g(精確至0.001)于消解管中，加入5 mL硝酸，在加熱器上120 ℃預消解30 min，根據管內情況，加入1～2 mL的硝酸，然后按照微波消解的操作步驟消解試樣。消解結束后，放置于140 ℃的加熱器上趕酸至1 mL左右。冷卻后，將液體轉移至25 mL容量瓶中，待測。所有樣品重復3次。

1.4.2 儀器條件

原子吸收分光光度計測定Mg、K、Na、Ca、Zn、Fe、Cu、Cd、Mn、Pb元素含量，儀器條件見表1。雙道氫化物-原子熒光光度計測定Hg和As元素，儀器條件：燈主電流50 mA，燈輔電流40 mA，負高壓300 V，載氣流量200 mL/min，屏蔽氣流量400 mL/min。

1.4.3 金屬元素標準曲線繪制

實驗中所有容器都在30%硝酸中浸泡24 h，然后用去離子水沖洗3次以上，配制試劑所用水均為一級水。使用原子吸收分光光度計及原子熒光光度計測定各元素標準溶液的吸光度。以濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標，繪制標準曲線。各元素標準曲線回歸方程及相關系數見表2。

表1 儀器工作條件Table 1 Working condition of instruments

表2 各元素標準曲線回歸方程及相關系數Table 2 Standard curve regression equation and correlation coefficient of each elements

1.5 健康風險評估

葡萄酒中微量元素估計日攝入量[estimated daily intake，EDI，mg/(kg·d)]計算如公式(1)所示[14]：

(1)

式中：C，微量元素質量濃度，mg/L；R，成年飲酒者葡萄酒日飲用量，L/d；BW，人群的平均體重，kg。

通過食用引起的健康風險根據目標危險系數(target hazard quotient，THQ)進行評估，計算方法如公式(2)所示[15]：

(2)

式中：RfD，每種元素口服參考劑量，mg/(kg·d)。

當THQ<1時，說明從葡萄酒中攝入這種元素沒有明顯的不良影響；THQ≥1時，則意味著對人類有健康風險[16]。

1.6 統計學分析及數據處理

使用Microsoft Office Excel 2019和Origin 2018對試驗所得數據進行基本處理和作圖，并利用IBM SPSS Statistics 20.0對樣品數據進行描述性統計和多因素方差分析(Duncan法，P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 試驗方法的準確度和精密度驗證

為檢驗測定方法的準確度和精密度，對樣品進行了驗證性試驗(表3)。供試樣品中微量元素回收率為95.833%～106.917%，表明該方法具有良好的準確性。另外，根據連續6次測定同一樣品的相對標準偏差(relative standard deviation, RSD)得到所有元素的RSD為0.024%～5.201%，說明該方法精密度較好。由此可見，該方法準確、有效，其驗證結果均符合國標方法開發要求，適用于葡萄及葡萄酒中微量元素的測定。

表3 樣品中微量元素的回收率和精密度Table 3 Recovery rate and precision of trace elements in samples

2.2 葡萄及葡萄酒中微量元素的含量

試驗利用原子吸收分光光度計和原子熒光光度計分別對4種釀酒葡萄及其葡萄酒中微量元素的含量進行了測定(表4)。釀酒葡萄及葡萄酒富含鎂、鉀、鈉元素，而鈣、鋅、鐵、銅、錳、鉛元素含量相對較低，未檢測到汞、砷、鎘元素；其中赤霞珠葡萄酒含有較高含量的銅、錳元素，相比于其他葡萄酒，蛇龍珠中鈣元素含量相對較低。

表4 樣品中微量元素含量測定結果 單位：mg/L

2.3 微量元素含量的變化分析

葡萄及葡萄酒中的微量金屬元素含量具有差異性，易受到氣候、天氣和土壤等環境因素以及釀造工藝和貯存方式的影響。葡萄中的微量元素主要是通過葡萄藤和根進入葡萄，也有可能是在生長階段被引入，如灌溉、施肥和噴灑農藥。4種釀酒葡萄及其葡萄酒中微量金屬元素的含量變化情況如圖1所示。供試樣品中均可檢測到鎂、鉀、鈉、鈣、鋅、鐵、銅、錳8種金屬元素，并且這些元素從葡萄原料到葡萄酒的過程中，其含量呈現不同的變化趨勢，其中大多數元素在葡萄原料中含量相對較高，然而在葡萄酒中含量相對較低，例如鉀、鈣、鐵。調查發現在葡萄生長過程中，為了提高葡萄結果率，防治蟲害，促進植物光合作用而大量施用磷肥、氮肥、鉀肥及農家肥，這可能是造成葡萄中鉀、鈣、鐵等金屬元素含量增高的主要原因。同時我們還發現供試葡萄酒樣中鋅和銅元素也有類似的規律，且在發酵過程中含量均呈下降趨勢，考慮這可能是由于在發酵過程中被釀酒酵母吸附或者被轉化為不溶性鹽造成的[27]，如CuS、Cu2S等。葡萄中鎂元素含量均低于葡萄酒中的鎂元素含量，其中赤霞珠中鎂元素含量相較其品種變化最為明顯，變化率為41.65%。赤霞珠和蛇龍珠葡萄酒中錳元素含量相比其他葡萄中錳含量較高，有學者認為葡萄酒中的錳元素來自于土壤，或是由于在釀酒過程中后期的除雜脫臭等原因，造成葡萄酒中錳元素含量增加[28]。我們在蛇龍珠、小味兒多葡萄中檢測到鉛元素，經調查發現，蛇龍珠和小味兒多葡萄的種植區域靠近公路，可能是在其生長階段受到尾氣排放、人為活動等因素的影響所致。

圖1 四個不同品種釀酒葡萄及葡萄酒中微量元素的 含量變化Fig.1 Trace elements changes in four different wine grapes and wine

2.4 健康風險評估

為了評估長期飲用葡萄酒的潛在危害，我們參考了葡萄酒中微量元素的EDI。評估的目標是成年飲酒者，假設1名成年飲酒者飲酒量為200 mL/d(約為1杯葡萄酒)，這類似于其他研究[29]中的195 g/d葡萄酒飲用量。由于體重越小，EDI計算值越大，因此選擇60 kg作為成人飲酒者的平均體重進行計算，以便將評估結果應用于更多的人。根據JECFA對污染物攝入量耐受極限和危害性的報告，我們選取了除鉀、鈣、鈉、鎂4種有益元素之外的鋅、鐵等8種元素進行EDI評估(表5)。從表5中可以看出，8種微量元素中除銅[0.003 1 mg/(kg·d)]、錳[0.002 3 mg (kg·d)]元素外，其他元素的平均EDI均為0.000 0 mg/(kg·d)，說明4種葡萄酒中銅、錳元素的EDI相比于其他元素較高。研究結果表明，銅、錳元素作為人體必需的微量元素，對人體健康至關重要，但是含量一旦超標，將會導致人體組織形態和代謝的非正常變化，因此，建議人們通過食品搭配，保證微量元素的合理攝入。

表5 葡萄酒微量元素EDI 單位：mg/(kg·d)Table 5 EDI of trace elements in wine

健康風險評估是一種系統的評估方法，用來評估由于人體暴露于某種風險后出現的不良反應的嚴重程度。飲用葡萄酒攝入微量元素的健康風險是根據THQ值進行評估的，該值被認為是評估污染物相關風險的有用參數。THQ是葡萄酒中微量元素的EDI與相應參考劑量的比值，這種方法表明了污染物暴露所導致的風險水平。根據美國環保局(Enviromental Protection Agency, EPA)2020年的數據[30]，Fe=0.700 0 mg/(kg·d)，Cu=0.040 0 mg/(kg·d)，Mn=0.024 0 mg/(kg·d)，Zn=0.300 0 mg/(kg·d)，Cd=0.000 5 mg/(kg·d)和Pb=0.003 5 mg/(kg·d)，我們根據以上數據計算得到THQ值(表6)。所有葡萄酒中，每種估計元素的THQ值都≤1，這表明每天飲用200 mL葡萄酒的人群在攝入這些元素時不會有明顯的健康風險。此外，即使THQ值≤1，THQ值越高表明暴露風險的概率越高。

表6 不同品種葡萄酒中微量元素的THQTable 6 THQ of trace elements in different varieties of wine

3 結論與討論

試驗對新疆維吾爾自治區五家渠市4種釀酒葡萄及其葡萄酒中微量元素含量進行測定，結果表明,釀酒葡萄及葡萄酒富含鎂、鉀、鈉元素，而鈣、鋅、鐵、銅、錳、鉛元素含量相對較低，未檢測到汞、砷、鎘元素；其中赤霞珠葡萄酒含有較高含量的銅、錳元素，相比于其他葡萄酒，蛇龍珠中鈣元素含量相對較低；葡萄酒發酵過程會引起葡萄酒中微量元素的變化，其中鎂元素呈上升趨勢，而鉀、鈣、鋅、鐵、銅元素呈下降趨勢。健康風險評估表明，THQ值遠低于1，這意味著人群每天單獨攝入200 mL葡萄酒，不會構成顯著的健康風險。中國居民營養與健康狀況調查結果顯示：中國居民的食物消費結構和生活方式發生了變化，營養失衡和過度營養現象已經出現。這就迫切需要借鑒國際上先進方法和成功經驗，開展微量元素的定量和風險評估工作，提供評估結果以及管理措施建議。盡管目前世界各國已經對微量元素的攝入量提出了一定的要求，但多數適用性技術目前仍處于邊試行、邊探索的過程，還未形成成熟的體系。因此，對其他產區釀酒葡萄及其葡萄酒中微量元素的含量、健康風險等問題還有待進一步研究。