六類蒸餾酒中16種無機元素的測定及主成分分析

范 濤，謝正敏 *，安明哲，魏金萍，黃 箭，張 倩

（1.宜賓五糧液股份有限公司，四川 宜賓 644000；2.中國輕工業濃香型白酒固態發酵重點實驗室，四川 宜賓 644000）

中國白酒與朗姆酒、威士忌、金酒、伏特加和白蘭地被稱為世界六大蒸餾酒，具有悠久的歷史和獨特的釀造技藝，在食品工業和國民經濟中占有重要地位[1]。近年來隨著生活水平的提高，消費者的需求也越來越多元化。除了中國白酒，威士忌、金酒、朗姆酒、伏特加和白蘭地等不同類型的酒精飲料也受到眾多消費者的喜愛[2]。因此，不同蒸餾酒的品質也越來越受到更多關注。其中，蒸餾酒中的各種微量元素不僅影響著其品質，還影響著人們的健康[3-4]。有研究表明，過量攝入金屬元素與氧化損傷、慢性炎癥疾病、癌癥以及過早衰老有關[5]。如過量吸收鎳（Ni）會導致其在腎臟、骨骼和甲狀腺中積累，從而導致毒性引起各種疾病[6]。GENCHI G等[7]研究表明，過量攝入鎘（Cd）會導致乳腺癌等多種癌癥的發生。另一方面，鈉（Na）、鉀（K）、鎂（Mg）、銅（Cu）和鐵（Fe）等離子含量過高也會導致酒的品質變差，甚至出現金屬味[8-9]。因此，蒸餾酒中各種無機元素的檢測和分析對于確保其品質以及飲用安全尤為重要。

目前，多種元素分析技術已被廣泛用于食品行業中的元素分析，包括原子吸收光譜法（atomic absorption spectroscopy，AAS）、原子發射光譜法（atomic emission spectrometry，AES）、電感耦合等離子發射光譜（inductively coupled plasma optical emission spectrometer，ICP-OES）、電感耦合等離子體質譜法（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）[10-13]等。其中，ICP-MS由于其測定方法操作簡單、速度較快、準確度較高、檢出限低等優勢[14-16]被廣泛用于環境、食品等檢測中。如PASVANKA K等[17]利用ICP-MS測定不同葡萄酒中的Na、Mg、磷（P）、K等共44種元素，結合偏最小二乘判別分析（partial least-squares discrimination analysis，PLS-DA）將不同地區和品種的葡萄酒進行區分。卓俊納等[18]利用ICP-MS測定不同品牌醬香型白酒中16種金屬元素，通過聚類分析和偏最小二乘判別分析等將不同品牌醬香型白酒進行區分，同時利用偏最小二乘判別分析結合變量重要性投影（variable importance projection，VIP）值建立驗證模型，發現Na、鈣（Ca）、鋁（Al）、K等是造成不同品牌醬香型白酒差異性的主要無機元素。郭金喜等[19]利用電感耦合等離子體串聯質譜（ICP-MS/MS）對3種新疆黑枸杞紅酒中的22種微量元素進行檢測，結合主成分分析（principal component analysis，PCA）法提取其中5種成分來評判新疆黑枸杞紅酒中微量元素的分布。

主成分分析法作為一種降維的統計方法，可以將多個原始變量抽取和壓縮成能代表原始變量信息大量信息的少數綜合指標，并保持數據集對方差貢獻最大的特征，從而充分反映總體特征[20]。許多食品的地理保護，產地溯源等均采用該方法進行[19]。本研究利用微波消解法處理六類共36種國內外蒸餾酒樣品，并利用ICP-MS法測定其中的Na、Mg、Al、K、Ca、Fe、鋰（Li）、硼（B）、鈦（Ti）、鉻（Cr）、錳（Mn）、Cu、鍶（Sr）、鋇（Ba）、鉛（Pb）、Ni 16種無機元素，對檢測結果進行主成分分析，確定六類蒸餾酒中的特征元素，旨在為六類蒸餾酒中無機元素的分析提供科學方法，以及為防偽鑒定和質量控制等方面提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

Na、Mg、Al、K、Ca、Fe、Li、B、Ti、Cr、Mn、Cu、Sr、Ba、Pb、Ni、Rh、Tl單元素離子標準儲備液（1 000 mg/L）：國家有色金屬及電子材料分析測試中心；標準調諧液Tune A：美國Thermo-Fisher公司；體積分數65%硝酸：德國Sigma-Aldrich公司；實驗室用水均為超純水；所有容器以及聚四氟乙烯消解罐均用體積分數10%硝酸浸泡24 h以上，依次用自來水和超純水反復沖洗后使用。

白蘭地（BLD）（5種）、朗姆酒（LM）（3種）、威士忌（WSJ）（7種）、金酒（JJ）（4種）、濃香型白酒（12種）、伏特加（FTJ）（5種）蒸餾酒樣品：市售。

1.2 儀器與設備

X-Series2系列電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）儀：美國Thermo Fisher公司；Mili-Q 超純水處理機：美國Millipore公司；MARS6微波消解儀：美國CEM公司；HWS26型電熱恒溫水浴鍋：上海一恒科技有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品處理

根據前期研究，采用微波消解法對酒樣進行預處理[21]。取蒸餾酒均勻樣品5 mL于50 mL燒杯中，65 ℃水浴鍋中蒸至液體僅剩2 mL左右，轉移至聚四氟乙烯消解罐中，并用超純水多次少量反復沖洗燒杯，轉移至聚四氟乙烯消解罐中，加入5 mL硝酸，140 ℃加熱1 h進行預消解，隨后按照微波消解儀標準操作步驟消解。微波消解程序如下：第一步，溫度120 ℃，爬升時間5 min，保持時間5 min；第二步，溫度150 ℃，爬升時間5 min，保持時間10 min；第三步，溫度180 ℃，爬升時間5 min，保持時間20 min。消解完成后140 ℃趕酸至液體只剩下2 mL，轉移至100 mL容量瓶定容。

1.3.2 檢測方法

ICP-MS測定樣品前使用10 μg/L調諧液對儀器進行調諧，使儀器各參數條件達到最佳。通過內標混合T型接頭在所有上機測試樣品中在線加入5 μg/L的Rh和Tl混合元素作為內標。由于不同元素濃度的差異比較大，因此將Na、Mg、Al、K、Ca、Fe配制成一組混標，標準溶液質量濃度梯度分別為0、100μg/L、200μg/L、300μg/L、400μg/L、600μg/L；Li、B、Ti、Cr、Mn、Cu、Sr、Ba、Pb、Ni配制成一組混標，標準溶液質量濃度梯度分別為0、1 μg/L、4 μg/L、7 μg/L、10 μg/L、15 μg/L、20 μg/L。

ICP-MS工作參數：射頻功率1 400 W；輔助氣流量：0.69L/min；冷卻氣流量：13.02L/min；霧化器流量：0.88L/min；碰撞/反應池系統碰撞氣成分：氫氣（H2）7%、氦氣（He）93%；碰撞/反應池系統碰撞氣流量：5.95 mL/min；蠕動泵轉速：25 r/min；掃描模式：Main-Peak jump；采樣深度：100 step。

1.3.3 數據處理

利用Excel 2013進行數據整理，SPSS 22.0對數據進行主成分分析和Kruskal-Wallis秩和檢驗分析不同酒樣之間元素之間的差異性，GraphPad Prism進行畫圖分析。

2 結果與分析

2.1 標準曲線與檢出限

分別將本研究中涉及的16種無機元素按上述質量濃度配制混合標準溶液后，按所建立的分析方法對相應元素進行測定并繪制標準曲線。以連續測定空白溶液6次的3倍標準偏差所對應的濃度為各元素的檢出限，10倍標準偏差所對應的濃度為定量限，結果見表1。

表1 16種無機元素分析的線性回歸方程、線性相關系數、檢出限和定量限Table 1 Linear regression equation,linear correlation coefficient,detection limits and quantitative limits of 16 inorganic elements

續表

由表1可知，ICP-MS測得的16種無機元素制作的標準曲線線性相關系數（R2）為0.999 4～0.999 9，檢出限為0.009～0.585 μg/L，定量限為0.03～1.95 μg/L，表明該方法線性關系好，檢出限低。

2.2 分析方法的準確度與精密度

為保證方法準確性，利用所建立的ICP-MS檢測方法對酒樣進行加標回收實驗。分別對相應樣品進行6次平行測定，計算回收率以及相對標準偏差（relative standard deviation，RSD），結果見表2。由表2可知，樣品中16種無機元素加標回收率在87.70%～109.60%，表明該方法的準確度適用于樣品檢測；RSD≤5.76%，表明該方法的準確性高，精密度好，滿足進行樣品檢測的要求。

表2 分析方法的準確度與精密度試驗結果Table 2 Accuracy and precision tests results of analytical methods

2.3 六類蒸餾酒中無機元素含量分析

測定了市售36種蒸餾酒樣品中16種無機元素的含量，結果見圖1和表3。由圖1和表3可知，不同類型的蒸餾酒含有的無機元素含量有差異。16種無機元素中Na或K的含量相對其他元素含量較高，其余的一些金屬元素Mn、Ni、Pb、Cu、Fe、Cr的含量遠低于我國國家標準GB 2757—2012《食品安全國家標準蒸餾酒及其配制酒》、GB 23545—2009《白酒中錳的測定電感耦合等離子體原子發射光譜法》和GB 2762—2017《食品安全國家標準食品中污染物限量》中以及相關國外的參考限量值[5]。白蘭地中16種無機元素平均含量大小依次為：K＞Na＞Ca＞Cu＞Mg＞Fe＞B＞Al＞Mn＞Ba＞Ti＞Sr＞Pb＞Cr＞Li＞Ni；朗姆酒中16種無機元素平均含量大小依次為：Na＞K＞Ca＞Fe＞Mg＞Al＞Cu＞B＞Ti＞Mn＞Ba＞Sr＞Cr＞Ni＞Pb＞Li；威士忌中16種無機元素平均含量大小依次為：K＞Na＞Ca＞Mg＞Cu＞Fe＞B＞Ti＞Al＞Mn＞Ba＞Sr＞Pb＞Li＞Ni＞Cr；金酒中16種無機元素平均含量大小依次為：Na＞Ca＞K＞Mg＞Al＞Fe＞Cu＞Ti＞Ba＞B＞Sr＞Cr＞Pb＞Mn＞Ni＞Li；濃香型白酒中16種無機元素平均含量大小依次為：Na＞Ca＞Al＞K＞Mg＞Fe＞Cu＞B＞Ti＞Mn＞Sr＞Li＞Cr＞Ni＞Ba＞Pb；伏特加中16種無機元素平均含量大小依次為：Na＞Ca＞Mg＞K＞Al＞Fe＞B＞Sr＞Ti＞Pb＞Cu＞Ba＞Mn＞Li＞Ni＞Cr。

表3 36種蒸餾酒樣品中16種無機元素含量范圍Table 3 Concentration range of 16 kinds of inorganic elements in 36 spirits samples μg/L

圖1 蒸餾酒中16種無機元素的相對含量Fig.1 Relative contents of 16 kinds of inorganic elements in spirits

通過Kruskal-Wallis 秩和檢驗對不同蒸餾酒元素之間比較分析發現（圖2），白蘭地與白酒在Al、Li、Ti、Pb元素含量之間存在顯著性差異（P＜0.05），與威士忌在Ti元素含量之間存在極顯著差異（P＜0.01），與金酒在Mn和Cu元素之間存在顯著性差異（P＜0.05），與伏特加在K、Mn、Cu和Ba元素之間差異性顯著（P＜0.05）；朗姆酒僅與金酒在Fe元素之間存在顯著性差異（P＜0.05）；威士忌與金酒在K、B、Cu元素之間差異性顯著（P＜0.05），與白酒在K、Cr、Al、B元素之間同樣存在顯著性差異（P＜0.05），與伏特加之間僅有K、Mn和Cu元素之間存在顯著性差異（P＜0.05）；金酒與濃香型白酒在Fe、Li、Sr和Ni元素之間差異性顯著（P＜0.05）；濃香型白酒與伏特加在Ca、Li、Cr和Ni元素之間差異性顯著（P＜0.05）。造成這些蒸餾酒不同元素之間差異的原因有很多，主要包括釀造原料、生產設備以及儲存容器等[9，18，22-23]。本研究中所涉及到的六類蒸餾酒釀制原料包括各種谷類糧食以及甘蔗薯類等，而在釀酒過程中，釀酒原料（糧食、水等）的元素也會進入酒體中，因此會造成不同酒體中無機元素的差異。另外生產過程中各種類型的酒會接觸各種各樣的生產設備，設備中的一些元素也會隨之進入酒體導致差異。白蘭地、威士忌釀制完成后存放于橡木桶中老熟，而白酒存放于不銹鋼罐、陶壇罐或陶瓷器具等[18，24-25]，不同的儲存容器將會導致進入酒體的元素之間形成差異。因此未來需通過測量大量相應的樣品，以便獲得更為全面的信息用以確認不同類型蒸餾酒的無機元素含量之間的特征。

圖2 不同蒸餾酒16種無機元素之間Kruskal-Wallis秩和檢驗結果Fig.2 Results of Kruskal-Wallis rank sum test among 16 kinds of inorganic elements in different spirits

2.4 主成分分析

2.4.1 適用性檢驗

主成分分析法通過降維提取少數幾個指標來代表大多數變量信息，這種分析方法最大的特點是損失很少的信息[26-27]。為了驗證本研究中36種蒸餾酒的16種無機元素含量是否適合主成分分析，利用SPSS 22軟件將原始數據進行Z-score標準化處理，得到新的原始數據采用KOM檢驗法和Bartlett球體檢驗法進行因子分析的適用性檢驗。通過分析，結果顯示KOM值等于0.624，說明指標之間存在一定的相關性。Bartlett球體檢驗結果為384.406，Sig值為0.000，表明拒絕相關系數是單位陣，即各個指標是相關的。兩項檢驗結果都表明該數據適合因子分析法。

2.4.2 無機元素的正態分布檢驗

利用SPSS 22.0軟件對16種無機元素進行K-S檢驗，檢驗其正態性分布。分析結果顯示，Na、Mg、Al、K、Ca、Fe、Li、B、Ti、Cr、Mn、Cu、Sr、Ba、Pb、Ni的顯著性（雙側）P值分別為0.249、0.149、0.302、0.280、0.225、0.152、0.273、0.228、0.141、0.163、0.174、0.282、0.291、0.321、0.186、0.200，均大于顯著水平α=0.05，表明36種蒸餾酒中的16種無機元素的含量數據均服從正態分布。

2.4.3 無機元素的相關性分析

利用相關系數矩陣對數據進行分析，結果見表4。由表4可知，16種無機元素之間大部分顯著相關（P＜0.05），少數處于極顯著相關（P＜0.01），表明蒸餾酒中無機元素之間相關性較強，可以用主成分分析法對其進行處理。

表4 16種無機元素間的相關性矩陣Table 4 Correlation matrix of 16 kinds of inorganic elements

2.4.4 無機元素的因子分析

采用主成分分析法提取公因子，進行因子分析，根據特征值選取大于1的確定主成分個數，結果見表5。由表5可知，當主成分個數達到5時，累計方差貢獻率達到78.865%，包含了16種元素的大部分信息，說明前5個因子具有代表總體的特征而又有一定的區別性，因此本實驗選取前5個主成分評判蒸餾酒中的無機元素的分布。

表5 主成分分析特征值和總體方差描述Table 5 Eigenvalue and population variance description of principal component analysis

通過SPSS 22計算出主成分初始因子載荷矩陣，由表6可得第一因子F1、第二因子F2、第三因子F3、第四因子F4和第五因子F5的因子得分模型，分別為：

表6 初始因子載荷矩陣Table 6 Loading matrix of initial factors

由表6可知，第一因子F1在XLi和XNi處有較高的載荷值，與對應的Li和Ni呈高度正相關；第二因子F2在XB和XMn處載荷值較高，與對應的B和Mn呈高度正相關；第三因子F3在XSr處載荷值較高，與對應的Sr呈負相關；第四因子F4在XNa處有較高的載荷值，與對應的Na呈高度正相關；第五因子F5在XBa處載荷值較高，與對應的Ba呈高度正相關。由于第一因子F1和第二因子F2對方差的總的貢獻率達到51.804%，因此其所對應的Li、Ni、B和Mn可作為本研究中六類蒸餾酒的特征元素。

3 結論

本實驗以微波消解法對六類蒸餾酒進行前處理，利用ICP-MS檢測Na、Mg、Al、K、Ca、Fe、Li、B、Ti、Cr、Mn、Cu、Sr、Ba、Pb、Ni等16種無機元素含量。各元素的檢出限為0.009～0.585 μg/L，相對標準偏差RSD≤5.67%，加標回收率在87.70%～109.60%，檢測方法的精密度和準確性高，能夠滿足實際樣品分析要求。本研究中檢測的Mn、Ni、Pb、Cu、Fe、Cr元素含量均低于現有的相應標準及國外相關的參考限量值。由于不同類型蒸餾酒釀造原料、工藝、貯存容器等方面的差異，除Na和Mg外，其余元素在不同酒樣中均有顯著性差異（P＜0.05），未來仍需通過測定更多的樣品以獲得更為全面的信息并確認不同類型蒸餾酒無機元素含量差異特征。大部分無機元素之間具有顯著相關性，通過SPSS 22.0對16種無機元素含量進行主成分分析，提取了5個主成分因子來評判國內外蒸餾酒中無機元素的分布，確定了Li、Ni、B和Mn為蒸餾酒中的特征元素。同時，本研究為六類蒸餾酒的質量控制、防偽鑒別等方面提供一定的參考。