葡萄酒中礦質元素及其在產地鑒別中應用的研究進展

劉媛，蘇穎玥，王立杉，齊鵬宇，徐國前，王麗，張昂*

（1. 寧夏大學食品與葡萄酒學院，寧夏銀川 750021；2. 秦皇島海關技術中心，河北省秦皇島 066000；3. 河北省葡萄酒質量安全檢測重點實驗室，河北省秦皇島 066000；4. 烏魯木齊海關進出口食品安全處，新疆烏魯木齊 830011）

隨著全球經濟的快速發展，人均消費水平不斷提高，消費者對葡萄酒的關注度也持續增加。近10年來，與全球葡萄酒消費量（234～243億升）相比，生產量（248～295億升）波動幅度較大[1]。受多方面因素影響，2021年全球葡萄酒產量為260億升，相比前一年下降了1%，但消費量達到236億升，呈增長趨勢，全球出口量和出口額分別達到112億升和344億歐元，均刷新歷史最高記錄[2]。葡萄酒市場容量增加的同時，也引起一系列問題，如偽造酒標、舊瓶新裝、以次充好等，給消費者增加了很多困擾[3]。我國葡萄酒進出口檢測主要依據GB/T 15037—2006《葡萄酒》進行，檢測指標包括酒精度、總糖、干浸出物、揮發酸等，而這些指標僅能保證產品的基本質量安全，無法確認產地屬性[4]。因此，健全我國葡萄酒產地鑒別技術，開發快速準確的產地溯源方法至關重要。

目前，葡萄酒產地鑒別研究主要從礦質元素、穩定同位素及次級代謝產物（揮發性組分、酚類組分）等角度展開。穩定同位素比值測定通常使用液相色譜（Liquid chromatography, LC）、氣相色譜（Gas chromatography, GC）、高效液相色譜（High performance liquid chromatography, HPLC）及元素分析儀（Elementar, EA）等與同位素比質譜（Isotope ratio mass spectrometry, IRMS）儀聯用技術，可測定葡萄酒中單體同位素和整體同位素[5]。但該指標一定程度上容易受到氣候條件的影響，產生分餾效應，在相同地區不同年份中顯示出差異而造成產地混淆，一些氣候條件或地理位置相近的地區也不易被區分[4]。葡萄酒次級代謝產物主要包括芳香物、酚類化合物、有機酸、氨基酸等，多使用色譜與質譜聯用技術測定[6]。該指標通常與葡萄品種相關性較強，在瓶儲和檢測過程中不斷變化，使產地屬性調查存在較大難度[7]。然而，礦質元素主要來源于巖石風化形成的土壤，經根莖輸送到葡萄果實，再經釀酒過程轉移到葡萄酒中。該指標常用的測定方法有電感耦合等離子體質譜法（Inductively coupled plasma-mass spectrometry, ICP-MS）和電感耦合等離子體-發射光譜/原子發射光譜法（Inductively coupled plasma-optical emission spectrometer/atomic emission spectrometry，ICP-OES/AES）、火焰原子吸收光譜法（Fire atomic absorption spectrometry，FAAS）等[8]。由于ICP-MS具有檢測限低、樣品用量少、測樣快等優勢，在食品溯源檢測中被廣泛應用[9]。礦質元素在裝瓶后能長時間保持穩定，且相同產地年際變化不大，故可作為表征葡萄酒產地的有力工具。

世界葡萄酒市場主要依據起源、釀造歷史等將釀酒國家分為新世界和舊世界，在栽培技術、土壤條件、環境氣候等因素影響下各國葡萄酒的礦質元素指紋表現出差異。根據葡萄酒中的元素含量，可以分為常量元素（Ca、K、Mg、Na等）、微量元素（Al、Fe、Cu、Mn、Rb、Sr和Zn等）以及稀土元素（Ba、Cd、Co、Cr、Li、Ni、Pb和V等），這些元素含量分別在10～103mg·L-1、10-1～10 mg·L-1以及0.1～103μg·L-1[10]。其中堿金屬元素（Li、Rb、Cs）及堿土金屬（Mg、Sr）同位素受外界影響較小，受到研究人員的廣泛關注[11-12]。本文從礦質元素角度出發，總結了近15年內常量、微量和稀土元素用于葡萄酒產地鑒別的應用，如表1所示，還概述了不同國家元素的識別能力和濃度范圍，旨在為我國葡萄酒產地鑒別提供數據參考。

表1 基于礦質元素指紋的葡萄酒產地鑒別研究Table 1 Previous studies on geographical origin identification of wine based on mineral element fingerprints

1 葡萄酒中的礦質元素

1.1 常量元素

常量元素是構成植物體的必備元素，含量占其總量的0.01%以上[32]。這些元素通過根系從土壤中吸收，傳輸到葡萄果實中，最終到達葡萄酒中[5]。酒中含有豐富的常量元素，其中K、Ca、Mg、Na等元素含量最多，可維持葡萄酒的pH和離子平衡，并參與調控酵母細胞代謝，從而影響葡萄酒品質[33]。一般來說，K元素可促進釀酒酵母的生長繁殖，而Ca元素對其產生抑制作用，Mg元素會改變葡萄的細胞結構、光合作用及酶活性[34]。葡萄酒中常量元素含量不同，其中K元素含量最高，Mg和Ca元素含量相當，Na元素與其他常量元素相比含量較低，這些元素在檢測中應用最多[35]。Mg屬于堿土金屬，其同位素在地質和生物演變過程中會出現分餾現象。逯海等[11]研究表明，Mg同位素不僅在不同產地呈明顯差異，還在同一產地不同葡萄園呈顯著差異，但也存在差異不明顯的地區?？傮w來看該指標具有產地判別能力，但目前在葡萄酒溯源領域應用較少。ICP-OES/AES和FAAS檢測限在μg·L-1量級，多用于檢測葡萄酒中K、Ca、Mg、Na等含量較多的元素，但不適合分析含量較低的微量元素[5]。

1.2 微量元素

微量元素指在植物體內低于0.01%的元素，在植物生長過程中具有重要生理功能[32]。植物根系對元素的吸收和利用效率受多重因素影響，如品種、土壤條件及栽培方式等，這些因素使得不同產區葡萄酒中微量元素組成與含量存在先天差異，也是元素指紋技術在產地鑒別研究中的基礎[36]。但在葡萄生長和葡萄酒釀造過程中，某些因素會使葡萄酒的微量元素組成發生改變。主要包括以下幾個方面：施用含Cd、Cu、Mn、Pb和Zn元素的肥料、殺蟲劑、殺菌劑，會使酒中這些元素的含量增加；汽車尾氣以及排放到空氣、水和土壤中的污染物，會使葡萄酒中重金屬元素如Cd、Pb等濃度偏高；葡萄酒釀造過程中與釀酒材料（鋁、黃銅、玻璃、不銹鋼、木材）的長期接觸，會使酒中Al、Cd、Cr、Cu、Fe和Zn的含量相對較高；添加到葡萄酒中的絮凝劑（如膨潤土）會影響酒中Na、Ca、Al等元素含量[37]。眾多研究發現，在釀酒過程中會發生礦質元素污染問題，Cu、Zn元素甚至可以高出2～3倍[38]。在產地研究中應避免元素污染，發掘元素在酒中的自然屬性。微量元素常用檢測分析方法有ICP-OES和ICP-MS等[8]。ICPOES的檢出限在μg·L-1水平，其線性動態范圍（Linear dynamic range, LDR）大于105，可同時實現多種元素（常量、微量）的定性定量分析；而ICP-MS的檢出限為ng·L-1水平，并可進行同位素測定，其LDR可達108，當元素含量較高時需稀釋后進行檢測[39]。

1.3 稀土元素

稀土元素（Rare earth elements, REEs）共17種，包括元素周期表中鑭系以及釔（Y）和鈧（Sc）元素，這些元素的化學性質相似，可被植物從土壤中直接吸收，但不參與代謝，故原始分布不易發生改變[40]。但有研究表明，一些釀酒工藝（如澄清與過濾）會改變酒中REEs含量。早在1999年，Jakubowski等[41]發現在葡萄酒澄清過程中添加不同的膨潤土，會對酒中的REEs產生不同程度的影響，故REEs不適合作為鑒別葡萄酒產地的實用工具。Angus等[42]在REEs研究中也得到與Jakubowski一樣的結論。Aceto等[43]研究中認為，REEs從土壤到葡萄中可保持不變，而在澄清過程中使用膨潤土會影響酒中REEs含量變化。但也有學者發現選擇纖維膨潤土（Gelbenton）或蛋白質膨潤土（Evergel）通常使酒中REEs含量不會產生太大變化[44]。與其他金屬元素相比，REEs在工業上開發程度更低?，F代化檢測技術的進步和元素檢出限的提升使含量極微的REEs亦可精確檢出，使用ICP-MS顯示出一定潛力。因此，REEs可作為實用的地球化學標記物和食品溯源指標[6]。

2 常量元素在葡萄酒產地鑒別中的應用

常量元素因其含量高，且具有成熟的檢測方法，在葡萄酒產地鑒別發揮著重要作用。Rodrigues等[45]對比了新世界（巴西、阿根廷）和舊世界（西班牙、法國）葡萄酒中的常量元素，前者K、Na含量分別在402～1475 mg·L-1和13.9～344.2 mg·L-1，后者分別為276～567 mg·L-1、4.0～29.1 mg·L-1，數據范圍存在很大差異，這不僅與地質條件、土壤環境等自然因素有關，還與種植方式和釀造工藝等人為因素有關。

舊世界國家更遵循傳統，追求土壤的自然特性和葡萄酒本味，嚴格規范了化肥和食品添加劑（焦亞硫酸鹽/碳酸鹽等）的使用；而新世界國家葡萄酒釀造更傾向于人為加工使葡萄酒達到更好品質[5]。大量研究表明，自然因素是造成不同國家和地區葡萄酒中元素含量差異的主要原因[46]。Karata?等[47]發現，土耳其東南部因常年雨水不足、蒸發量高，出現了土壤積鹽、鹽堿化問題，導致該地土壤中Na元素含量較高（101～142 mg·L-1），進而使得葡萄酒中的Na元素含量（35～100 mg·L-1）也較高，與捷克共和國葡萄酒中的Na含量（2～62 mg·L-1）存在明顯不同。程文娟等[24]測定結果發現，新疆葡萄酒中Mg平均值（169.6 mg·L-1）比西南高山產區高約1.6倍（103.3 mg·L-1），可能與Mg易隨水土流失有關。Martin等[23]研究表明，臨海距離增加了土壤中Na含量，使得Na含量在澳大利亞臨海產區（50～100 mg·L-1）比其他產區（15～40 mg·L-1）高約1.3～2.5倍。Pasvanka等[48]在希臘葡萄酒中也發現，臨海使Na元素含量增加，與其他5種元素結合，能獲得希臘產區葡萄酒76.83%的判別正確率。由此可見，在葡萄酒地域檢測中應考慮氣候條件、地理變化及海陸位置等因素，進而篩選出可靠的特征元素。多種人為因素均能對葡萄酒中元素含量產生影響，Yamashita等[49]測得阿根廷氣泡酒中K含量較高，可能受到化肥使用的影響，與巴西、法國、西班牙起泡酒存在差異。Wu等[16]采用人工神經網絡（Artificial neural network, ANN）對240種來自法國波爾多、勃艮第、朗格多克-魯西榮和羅納河谷4個產區的葡萄酒進行產地判別，發現常量元素Mg、Na、K在不同產地存在差異。釀造設備和釀酒方式也會影響酒中元素含量，Na含量會受橡木桶陳年影響，在西班牙里奧哈葡萄酒中得到驗證[50]。然而，僅使用常量元素進行葡萄酒產地鑒別的應用較少，通常會與微量元素和REEs共同使用。

3 微量元素在葡萄酒產地鑒別中的應用

近15年文獻數據顯示可用于鑒別葡萄酒產地的微量元素有50余種，將其可視化顯示在圖1，應用頻率依次為Ba、Rb、Mn、Ni、Sr、Li、Pb、Cr、Co、Fe、Cu、Zn、Al、V等（圖1）。Karasinski等[51]評估了歐洲4個國家葡萄酒中微量元素特征，結果表明，波蘭特征元素為Cd、Pb；匈牙利為Be；摩爾多瓦為Li、Co、Se、Cu、Sr；保加利亞為Tl、Ba、Rb、Mo。Coetzee等[52]研究發現，南非斯泰倫博斯地區葡萄酒中特征元素為Al、Mn、Rb、Ba和W，羅伯遜地區為Se、Rb、Cs和Tl；而斯沃特蘭為Al、Mn、Rb、Sr、Ba和Tl。微量元素不僅對不同國家、地區的葡萄酒實現有效區分，還可以判別地質和氣候條件相近的產區。Martin等[23]利用微量元素對澳大利亞不同州葡萄酒進行準確區分，還利用Si、Rb、Sb、Ba、Be、Bi、Te等元素區分4個西澳大利亞州子產區；利用Li、Rb、Se、Cs、Si等元素區分3個維多利亞子產區。此外，元素含量差異亦可作為表征葡萄酒產地參數。Yamashita等[49]研究表明，巴西葡萄酒中Mn元素含量較高，介于1.12～2.86 mg·L-1，是該國葡萄酒特征元素，而法國、西班牙、阿根廷葡萄酒中的Mn含量僅為0.15～1.01 mg·L-1。氣候條件的強烈變化會引起葡萄的元素吸收效率，從而影響酒中微量元素含量。Blotevogel等[53]發現，夏季高溫使得葡萄酒中Sr元素含量增加，大量降水使得酒中Mn和Ba含量增加。隨著多元分析技術的發展，研究人員也會將大量元素與微量元素結合起來用于葡萄酒產地鑒別。Selih等[28]使用元素包括Al、B、Ca、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、Zn、Cr、Ni、Ga、Se、Sn、Sb、Ba、W、Pb等實現斯洛文尼亞產區葡萄酒識別。人為因素對葡萄酒中元素含量的影響程度不同。有機和非有機種植方式對葡萄酒微量元素的影響存在爭議，Drava等[54]研究中未發現差異，而吳浩等[55]發現金屬元素Na、Mg、K、Al及Cu含量有顯著不同。對比傳統手工釀造和工業化生產的葡萄酒發現，壓榨和陳釀過程中會使Cd、Cr、Cu、Fe、Ni、Pb、V、Zn、Al等元素含量發生變化[56]。有些元素含量變化程度較小，如Li、B、Mg、Ca、Rb、Cs和Pb等元素在不同陳釀階段加入不同澄清劑后，仍能保持恒定[57]。因此，在建立溯源模型時應盡量減少人為因素影響，顯示更多自然屬性，從而提高模型鑒別準確率和適應性。

圖1 近15年微量元素在葡萄酒中的應用頻次統計[13-31]Figure 1 Statistics of application frequency with trace elements in wine over recent 15 years

多數研究都使用了堿金屬（Li、Rb、Cs等）進行葡萄酒產地鑒別，這可能與堿金屬更易被葡萄從土壤中吸收有關，且在釀酒中不易受到污染。Catarino等[18]發現，葡萄牙杜奧產區葡萄酒特征元素為Li、Rb和Cs，其含量遠高于葡萄牙其他產區。程文娟[24]等利用Li、Rb、Cs等元素對中國新疆、賀蘭山東麓和西南高山產區葡萄酒實現了有效區分。由于堿土金屬Sr的同位素與地質關系顯示出強烈相關性，故在葡萄酒產地追溯中的應用日漸增多。Epova等[58]證實了Sr同位素在土壤、葡萄及葡萄酒中具有顯著相關性，可作為葡萄酒產地識別指標。Marchionni等[59]借助巖性和Sr同位素差異成功對意大利4個不同產區葡萄酒進行了有效區分。圖2總結了新舊世界國家葡萄酒中87Sr/86Sr比值范圍介于0.7012～0.7231。除羅馬尼亞和葡萄牙酒中數據波動較大外，其他地區數據范圍均在標準品NIST 987左右[18,21]。此外，逯海等[11]在我國40款不同產地葡萄酒中發現，大部分樣品中25Mg/24Mg、26Mg/24Mg差異較大。總的來說Mg同位素的實際應用仍較少。

圖2 新舊世界葡萄酒中87Sr/86Sr比值范圍統計Figure 2 Range statistics of 87Sr/86Sr ratios in wine from Old and New World

近年來，隨著多元技術的發展，元素與同位素在產地鑒別中共同應用的研究越來越多，并獲得良好的判別準確率。Donici等[61]通過檢測Ag、Al、As、Ba、Be、Bi等30種元素含量和K/Rb、Ca/Sr、207Pb/206Pb、208Pb/206Pb、204Pb/206Pb、87Sr/86Sr比值，可使羅馬尼亞3個產地葡萄酒判別準確率達到100%。Gean?等[21]利用Li、Ga、Ba、Pb、Mg、Ag、Cr等17種元素和Ca/Sr、87Sr/86Sr比值100%的準確判別了21個羅馬尼亞地理標志葡萄酒。Rapa等[70]測定Al、As、Au、B、Ba、Be、Bi等63種元素和11B/10B、208Pb/206Pb、207Pb/206Pb、206Pb/204Pb、208Pb/207Pb、87Sr/86Sr等6種同位素，并利用7種分類方法區分意大利PDO葡萄酒，分類準確率低于70%，可能是擴展生產區域或與另一個PDO區域距離較近造成的。在追蹤不同類型葡萄酒研究中，礦質元素與同位素組成也獲得良好應用。Coelho等[66]通過評估Li、Be、B、Al、Cr、Mn、Co等16種元素和87Sr/86Sr、208Pb/204Pb、207Pb/204Pb、206Pb/204Pb、208Pb/206Pb、208Pb/207Pb、11B/10B和18O/16O的組成發現，在葡萄牙杜羅分界地區生產的波特酒（加強酒）和葡萄酒（靜止）間存在顯著差異，該分析方法可以作為追蹤兩種類型葡萄酒地理真實性的工具。

4 稀土元素在葡萄酒產地鑒別中的應用

由于REEs含量低，檢測難度大，在葡萄酒產地鑒別上的應用仍存在爭議。韓深等[71]檢測了法國、智利、摩爾多瓦3產地41款葡萄酒中16種REEs總含量發現，摩爾多瓦產區75%以上土壤為REEs含量較高的黑鈣土，使得該地區酒中REEs總含量最高，可達0.005 mg·L-1，約比另2個地區酒中含量高2倍。Catarino等[18]在以花崗巖為主的葡萄牙杜奧產區葡萄酒中發現，REEs含量比其他2個以砂巖和泥質砂巖為主的產區葡萄酒高。趙芳等[25]測定了我國沙城、賀蘭山東麓、通化3個產區葡萄酒中15種REEs含量發現，產地與REEs間存在極顯著相關性，不同產地間具有極顯著差異，結合多元統計分析可將REEs含量用于葡萄酒產地鑒別。但部分研究發現，在葡萄酒釀造過程中某些因素會使酒中REEs組成發生改變，影響產地鑒別效果。Tatár等[27]測定添加膨潤土的匈牙利葡萄酒中REEs含量，結果顯示出一定波動性。Cerutti等[13]研究表明，盡管釀酒工藝會對REEs的含量造成潛在污染，但所獲得的REEs指紋仍能作為區分西班牙不同產地的潛在工具。因此，為了充分評估土壤中REEs與成品葡萄酒間的聯系，在以REEs作為葡萄酒產地鑒別示蹤劑時要關注土壤地質及釀酒過程中各環節的影響。

5 結束語

隨著檢測技術的不斷發展，礦質元素測定效率及準確率均得到明顯提升，并廣泛應用于產地鑒別中，包括世界各國葡萄酒。礦質元素具有地理屬性，其含量和種類主要受植株根系吸收效率、土壤巖石組成及氣候條件等自然因素和栽培管理、釀酒工藝及環境污染等人為因素影響，在不同產地表現出明顯差異，從而使酒中保留了相應的地理指紋信息。近年來，部分堿金屬和堿土金屬元素含量及其同位素比值被發現受地質因素影響較大，而其他因素影響小，被認為是可靠的產地識別指標。REEs在葡萄酒產地鑒別上的應用具有可行性，但膨潤土添加后對其影響較大。目前，仍存在相關待解決的問題包括：（1）自然及人為因素對酒中元素影響程度不明確，篩選不易被改變且具有產地特征的元素較難；（2）堿金屬和堿土金屬與土壤地質信息關系更密切，在葡萄酒產地鑒別上的作用有待被繼續挖掘；（3）REEs在葡萄酒產地鑒別上的作用仍存在爭議，在保證檢測準確的前提下，應發揮REEs潛力；（4）明確葡萄種植土壤、果實及葡萄酒元素組成間的流動性，為葡萄酒產地鑒別方法提供理論基礎；（5）我國葡萄酒礦質元素指紋數據庫尚未完善；（6）多元分析技術有待提高，應進一步優化數據模型，提高鑒別準確率。