新疆石河子、伊犁產區釀酒葡萄果實礦質元素特征分析

董 榮，喬 丹，慕靜怡，王舒偉，張珍珍

（新疆農業大學 食品科學與藥學學院，新疆 烏魯木齊 830052）

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（international organization of vine and wine，OIV）報道，2018年全球葡萄種植面積740萬hm2，產量為7 780萬t，全世界近70%的葡萄用于葡萄酒的釀造[1]。葡萄酒是用新鮮釀酒葡萄果實或葡萄汁經完全或部分酒精發酵釀制而成的含酒精飲料，其礦質元素主要來源于葡萄原料中[2-3]。礦質元素、糖、有機酸、多酚和維生素等成分是葡萄酒中重要的組成部分[4]。

葡萄酒的化學成分和產地土壤之間的相關性通常被認為是根據地理來源對葡萄酒進行分類的重要前提[5-8]。近年來針對葡萄酒原產地溯源方面進行的研究主要有兩個方面：首先為產區地理標識方面的研究，此類研究主要針對不同產區的同一品種葡萄、葡萄酒進行礦質元素組成及含量的鑒定與分析[9-12]。如吳浩等[13]基于元素含量和穩定同位素比值對寧夏賀蘭山東麓地區有機葡萄酒進行甄別，ALMEIDA C M R等[14]針對葡萄酒及其前體包括產地土壤的多元素組成及其作為葡萄酒產地指紋的潛力進行了研究。其次為針對不同品種對于礦質元素吸收的研究，此類研究主要為同葡萄酒產區中不同葡萄品種釀酒葡萄果實、葡萄酒中礦質元素種類及含量的對比[15-17]。這方面的研究有不同的結果，有研究認為葡萄品種對葡萄酒中礦質元素組成無影響[18]。但有研究指出葡萄品種對葡萄酒進行分類的準確性很高[19]，不同品種的葡萄酒中礦質元素含量不同有可能是葡萄品種之間的差異性引起的[20]。

目前，針對新疆產區釀酒葡萄果實礦質元素的研究主要為該產區釀酒葡萄果實中礦質元素含量與其他產區的對比[16，21]。對于新疆產區中子產區的葡萄漿果礦質元素含量對比研究以及同一產區內不同品種釀酒葡萄果實礦質元素吸收差異性研究較少。本研究針對新疆葡萄酒產區中天山北麓石河子產區、伊犁河谷產區種植的赤霞珠、美樂、西拉及馬瑟蘭釀酒葡萄果實中K、Ca、Na、Mg、Zn、Cu、Fe元素含量進行測定，利用偏最小二乘法（partial least squares discriminant analysis，PLS-DA）進行分析。以揭示新疆產區中釀酒葡萄果實礦質元素含量情況以及品種對于釀酒葡萄果實中礦質元素含量的影響，旨在為新疆葡萄酒原產地溯源工作奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

赤霞珠、美樂、西拉、馬瑟蘭葡萄：新疆石河子市張裕巴保男爵酒莊種植基地及伊犁州62團釀酒葡萄種植基地。上述葡萄所有植株均為“廠”字形樹形，采用常規田間管理。

鹽酸、硝酸、氫氟酸、高氯酸（均為分析純）：北京化學試劑公司；K、Na、Ca、Mg、Zn、Fe、Cu單元素標準液（1 000 g/mL）：安捷倫科技有限公司。

1.2 儀器與設備

Bruker aurora M90型電感耦合等離子體-質譜儀（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）：美國Bruker公司；KND-08消化爐：上海新嘉電子有限公司；LE203E電子天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；KQ-250E數控超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；PAL-2手持糖度計：日本ATAGO公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 果實采集及前處理

在同一酒莊或種植園同一日期采集釀酒葡萄果實，取樣時，每個樣地采用“之”字取樣法[22]，在葡萄樹陰陽面、上中下部位采集整串粒珠飽滿的葡萄，帶回實驗室。

果實前處理：將采集到的果實依次用自來水和去離子水沖洗，晾干果實上多余的水分，然后用液氮將果實速凍，放入-80 ℃冰箱貯存備用。

1.3.2 測定方法

（1）釀酒葡萄果實部分理化指標測定

可溶性固形物：用手持式糖度計進行測定；可滴定酸含量：采用酸堿滴定法（以酒石酸計）進行測定，每組樣品做3個平行。

（2）礦質元素測定

將貯存于-80 ℃冰箱的釀酒葡萄果實取出，再次用液氮速凍，然后立即將果實放入干磨機中破碎約1 min，樣品成粉末狀，裝瓶備用測定。

準確稱裝瓶備用的樣品2.0 g，放入聚四氟乙烯坩堝中，加入8 mL濃硝酸和2 mL高氯酸，蓋上坩堝蓋，常溫條件下靜置6～8 h。先80 ℃消解1 h，再120 ℃消解2.0～2.5 h。待沒有濃煙冒出后，打開坩堝蓋，溫度設定為130 ℃。待沒有濃煙冒出時（坩堝中液體1 mL左右）向坩堝中加入2%硝酸，溶解殘渣，過濾、轉移至50 mL容量瓶中，超純水定容，定容后轉移至塑料試劑瓶中，過濾后待測[23]。每個樣品設3個獨立重復，每重復平行測定3次，取平均值。

ICP-MS工作參數：運行功率設定為1.45 kW，等離子體氣流量設定為18 L/min，鞘氣流設定為0.09 L/min，輔助氣流量設定為1.80 L/min，噴霧器流量設定為1.02 mL/min；積分時間設定為10 s；延遲時間設定為1 s；重復次數為10次。

1.3.3 數據處理

試驗所有數據由Microsoft Excel 2007處理并由IBM SPSS Statistics 22.0進行統計與分析，表格、圖片使用Origin 2019b制作。

2 結果與分析

2.1 釀酒葡萄果實理化指標

由表1可知，石河子產區4個品種釀酒葡萄果實百粒質量大小依次為：赤霞珠＞西拉＞美樂＞馬瑟蘭，馬瑟蘭釀酒葡萄果實百粒質量顯著低于其他品種果實（P＜0.05）。伊犁產區4個品種釀酒葡萄果實百粒質量為：西拉、赤霞珠＞美樂＞馬瑟蘭。綜合兩個產區的釀酒葡萄果實百粒質量發現，赤霞珠葡萄果實百粒質量均顯著高于其他品種果實。兩個產區的馬瑟蘭葡萄可溶性固形物均顯著高于其他品種（P＜0.05），馬瑟蘭葡萄為中晚熟品種，在合理控制產量的前提下可溶性固形物可達到25～29°Bx[24]。美樂葡萄的可溶性固形物均低于其他品種。石河子產區美樂葡萄中可滴定酸顯著高于其他品種果實，這有可能是因為石河子產區美樂果實沒有達到完全成熟，所以出現了可溶性固形物低于其他品種果實、可滴定酸高于其他品種果實的現象。pH值與可滴定酸的變化是相對應的，石河子產區馬瑟蘭葡萄中pH值最高，伊犁產區美樂葡萄中pH值最低。

表1 釀酒葡萄果實部分理化指標測定結果Table 1 Determination results of some physicochemical indexes of wine grape fruits

2.2 釀酒葡萄果實礦質元素含量分析

新疆石河子、伊犁產區的4種釀酒葡萄果實中7種礦質元素含量情況見圖1。

圖1 石河子、伊犁產區4種釀酒葡萄果實中礦質元素含量Fig.1 Contents of mineral elements of 4 wine grape fruits in Shihezi and Yili region

由圖1可知，石河子地區4種釀酒葡萄均可檢測到7種礦質元素，通過對比發現，該產區釀酒葡萄果實中的K元素含量最高，均＞12 mg/g；其次為Ca、Mg元素，Na、Zn、Fe、Cu元素含量較低，均＜0.07 mg/g。石河子產區4種釀酒葡萄果實Na元素含量大小為西拉＞馬瑟蘭＞美樂＞赤霞珠，其中西拉葡萄果實中Na元素含量顯著高于其他品種；4種釀酒葡萄果實中K元素含量大小為馬瑟蘭＞西拉＞美樂＞赤霞珠，其中馬瑟蘭葡萄果實中K元素含量顯著高于其他品種（P＜0.05）；4種釀酒葡萄果實中Ca元素含量大小為馬瑟蘭＞美樂＞赤霞珠＞西拉，其中馬瑟蘭葡萄果實中Ca含量顯著高于其他品種；馬瑟蘭葡萄果實中Mg元素含量顯著高于其他品種（P＜0.05）；美樂葡萄果實中Zn元素顯著高于其他品種（P＜0.05）；美樂葡萄果實中Cu元素含量顯著高于其他品種；4種釀酒葡萄果實中Fe元素含量大小為美樂＞西拉＞馬瑟蘭＞赤霞珠，其中赤霞珠葡萄果實中Fe元素含量顯著低于其他品種（P＜0.05）。綜上所述，石河子地區4種釀酒葡萄果實中，美樂葡萄果實的Zn、Cu、Fe元素含量顯著高于其他品種（P＜0.05），馬瑟蘭葡萄果實的Na、K、Ca、Mg元素含量明顯高于其他品種（P＜0.05）。

伊犁產區4種釀酒葡萄均可檢測到7種礦質元素，同樣為K元素含量最高，均＞12 mg/g；其次為Ca、Mg元素。伊犁產區赤霞珠葡萄果實中Na元素顯著高于其他品種（P＜0.05）；4個釀酒葡萄果實中K元素含量在12～16 mg/g；4種釀酒葡萄果實中Ca元素含量大小為美樂＞西拉＞馬瑟蘭＞赤霞珠，美樂葡萄果實中Ca含量顯著高于其他品種（P＜0.05）；赤霞珠葡萄Mg元素含量顯著低于其他品種（P＜0.05）；4種釀酒葡萄果實中Zn元素含量大小為美樂＞西拉＞馬瑟蘭＞赤霞珠，赤霞珠果實中Zn元素含量顯著低于其他品種（P＜0.05）；赤霞珠、美樂、西拉果實中Cu元素含量無顯著差異（P＜0.05），馬瑟蘭葡萄中Cu元素低于上述3個葡萄品種。4種釀酒葡萄果實中Fe元素含量大小為西拉＞美樂＞赤霞珠＞馬瑟蘭，西拉果實中Fe元素含量顯著高于其他品種（P＜0.05），馬瑟蘭果實中Fe元素含量顯著低于上述3個品種（P＜0.05）。

對比石河子、伊犁產區同品種釀酒葡萄果實的礦質元素含量發現，相同的葡萄品種在不同的地區表現有差異。伊犁產區赤霞珠葡萄果實中的Na元素含量顯著高于石河子產區的赤霞珠葡萄果實（P＜0.05），伊犁產區赤霞珠果實中的Ca、Mg、Zn元素含量顯著低于石河子產區（P＜0.05），兩個產區的赤霞珠葡萄果實中K、Cu、Fe元素含量無顯著差異（P＞0.05）。伊犁產區的美樂葡萄果實中Ca元素含量顯著高于石河子產區的美樂葡萄（P＜0.05），但Zn、Cu、Fe元素含量顯著低于石河子地區的美樂果實（P＜0.05），兩產區的美樂葡萄中Na、K、Mg元素含量無顯著差異。石河子產區西拉葡萄中K元素含量顯著高于伊犁產區（P＜0.05），Ca、Zn元素低于伊犁產區的西拉果實，Na、Mg、Cu及Fe含量無顯著差異（P＞0.05）。對比兩產區馬瑟蘭葡萄的元素含量發現，石河子產區的馬瑟蘭釀酒葡萄果實中K、Ca、Mg、Cu及Fe元素含量顯著高于伊犁產區馬瑟蘭果實，Zn元素含量顯著低于伊犁產區馬瑟蘭果實（P＜0.05），Na元素含量無顯著差異（P＞0.05）。

2.3 釀酒葡萄果實礦質元素的雙因素多重方差分析

2.3.1 釀酒葡萄果實礦質元素的方差齊性檢驗

由表2可知，針對釀酒葡萄果實中礦質元素含量績效方差齊性檢驗，P=0.184＞0.05，說明各組中礦質元素的總體方差沒有顯著性差異，可以進行后續的多重比較分析。檢驗的無效假設為各交叉組響應變量的方差相等，模型設計：產區＋品種＋產區×品種。

表2 方差齊性檢驗結果Table 2 Results of homogeneity test of variance

2.3.2 影響礦質元素含量的因素效應分析

針對不同產區栽培的不同品種葡萄中的礦質元素含量進行單變量雙因素方差分析，結果見表3。

表3 釀酒葡萄果實中礦質元素含量雙因素方差分析Table 3 Two-factor variance analysis of mineral element contents in wine grape fruits

本實驗中，在品種（4個葡萄品種）和產區（石河子產區和伊犁產區）2個因素中，主效應極顯著（P＜0.01）。在單一因素產區中K、Mg及Fe元素主效應極顯著（P＜0.01），Ca、Zn及Cu元素為主效應顯著（P＜0.05）。在品種因素中Na、K、Ca、Mg、Zn及Fe元素呈主效應極顯著（P＜0.01）。在二維互作中，Na、K、Ca、Mg、Zn及Fe元素呈主效應極顯著（P＜0.01）。偏Eta平方的大小表示主效應或交作效應的大小，故在上述顯著的效應和互作中，產區對K元素含量作用最大（η2=0.995），其次為Fe元素（η2=0.654）、Mg元素（η2=0.690）。品種對各礦質元素含量作用的大小為：K（η2=0.999）＞Ca（η2=0.979）＞Zn（η2=0.948）＞Mg（η2=0.890）＞Fe（η22=0.764）＞Na（η2=0.624）＞Cu（η2=0.283）。二維互作中，其對果實中各礦質元素含量作用的大小次序為：K（η2=0.999）＞Ca（η2=0.974）＞Zn（η2=0.916）＞Mg（η2=0.837）＞Na（η2=0.630）＞Fe（η2=0.514）＞Cu（η2=0.258）。

2.4 釀酒葡萄礦質元素含量的PLS-DA分析

為了更直觀表明赤霞珠、美樂、西拉及馬瑟蘭果實在石河子產區元素含量分布的特點，進行了偏最小二乘法-判別分析（PLS-DA）分析，結果如圖2所示。

圖2 石河子產區4種釀酒葡萄果實礦質元素含量的偏最小二乘法-判別分析Fig.2 Partial least squares-discriminant analysis of mineral elements contents in 4 wine grape fruits in Shihezi region

由圖2a可知，4個品種可以明顯分開，說明石河子地區種植的赤霞珠、美樂、西拉、馬瑟蘭釀酒葡萄果實中的7種礦質元素含量有差異。赤霞珠果實與美樂果實較為接近，說明差異較小。西拉果實與馬瑟蘭果實差異較大。采用變量投影重要性（variable importance in projection，VIP）值篩選貢獻較大的指標。由圖2b可知，K元素對于區分4種葡萄做出了更大的貢獻（VIP值＞1），K元素在馬瑟蘭果實中含量最高。

伊犁產區赤霞珠、美樂、西拉及馬瑟蘭釀酒葡萄果實中7種礦質元素含量的分析結果見圖3。由圖3（a）可知，4個品種可以很好的區分，說明伊犁地區4種葡萄中Na、K、Ca、Mg、Zn、Cu、Fe元素含量有差異。赤霞珠葡萄與其他3種葡萄有差異，西拉與馬瑟蘭果實之間差異較小。由圖3（b）可知，K、Ca元素對于區分4種葡萄做出了更大的貢獻（VIP值＞1），K元素含量在赤霞珠果實中最高，美樂果實中Ca元素含量最高。

圖3 伊犁產區4種釀酒葡萄果實礦質元素含量的偏最小二乘法-判別分析Fig.3 Partial least squares-discriminant analysis of mineral element contents in 4 wine grape fruits in Yili region

3 討論

葡萄中礦質元素種類和含量的主要取決于葡萄品種，葡萄種植：葡萄園年齡、砧木基因型和葡萄園的管理等[3，5]，以及生長的環境：土壤、水質、氣候等[25-26]因素的影響。本研究中根據釀酒葡萄果實中礦質元素含量的對比發現，K元素含量最高，利用偏最小二乘法-判別分析發現，石河子產區主要的差異元素為K元素，伊犁產區主要的差異元素為K、Ca元素。雙因素方差分析發現，產區、品種以及二者的交互均會對K元素產生顯著性的影響（P＜0.05）。與他人的研究對比發現，K元素均為釀酒葡萄果實中含量最高的礦質元素[16，20-21，27]。釀酒葡萄果實中K元素主要是樹體從土壤中吸收而來，土壤的類型等均會影響K元素的含量，石河子產區為砂土，伊犁產區為砂壤土，但試驗地區土壤陽離子交換量都屬于較低水平，水土營養保持能力較差，在施肥措施上需要更加注意[28]。并且葡萄為喜鉀植物，鉀元素對于葡萄樹體的水分運輸[29-30]、果實著色、pH值及有機酸的含量都起著重要的作用[31]。所以K元素含量的差異有可能會影響釀酒葡萄果實的品質，從而導致葡萄酒之間存在區域特性。K元素還可以促進釀酒葡萄果實糖分的吸收，降低有機酸的含量[32]，這也進一步解釋了新疆釀酒葡萄果實中糖分高有機酸含量低的問題不僅與強烈的光照有關，也有可能與果實自身K元素含量有關。本研究發現Ca元素為果實中含量第二位的元素，并為伊犁產區的主要差異元素，史天賜等[21]的研究中Ca元素為新疆五家渠產區的特征元素，與本研究伊犁產區的結果一致。在針對意大利可可西里地區紅色釀酒葡萄中礦質元素含量分析結果與本研究一致[20]。Ca元素可以起到調控果實成熟，以及促進果實著色、乙烯合成和果肉硬度等作用。然而，植物缺鈣元素會導致各種果實生理失調現象，如果實內部損傷、外部灼傷、果裂和腐爛等[33-35]。果實中的礦質元素主要來自于土壤[36-37]，且土壤中的元素容易受到灌溉水的影響，容易在品種、產區之間出現差異，所以容易成為識別元素[32]，這與雙因素方差分析的結果一致。

4 結論

本研究結果表明，石河子、伊犁產區中4個品種的釀酒葡萄果實在成熟時K元素含量最高，其次為Ca、Mg元素。通過雙因素方差分析發現產區與品種均會對礦質元素含量產生影響。并且同一產區不同品種葡萄中的礦質元素含量有顯著差異，石河子產區差異元素為K元素，伊犁產區差異元素為K、Ca元素。故可將K元素作為特征元素應用于石河子產區赤霞珠、美樂、西拉及馬瑟蘭葡萄的鑒定和區分，K、Ca元素可作為伊犁產區4個釀酒品種的特征元素，以此為新疆葡萄酒產區中石河子產區及伊犁產區的原產地保護和地理標志提供理論依據。