葡萄酒中矿质元素及其在产地鉴别中应用的研究进展

刘媛，苏颖玥，王立杉，齐鹏宇，徐国前，王丽，张昂*

（1. 宁夏大学食品与葡萄酒学院，宁夏银川 750021；2. 秦皇岛海关技术中心，河北省秦皇岛 066000；3. 河北省葡萄酒质量安全检测重点实验室，河北省秦皇岛 066000；4. 乌鲁木齐海关进出口食品安全处，新疆乌鲁木齐 830011）

随着全球经济的快速发展，人均消费水平不断提高，消费者对葡萄酒的关注度也持续增加。近10年来，与全球葡萄酒消费量（234～243亿升）相比，生产量（248～295亿升）波动幅度较大[1]。受多方面因素影响，2021年全球葡萄酒产量为260亿升，相比前一年下降了1%，但消费量达到236亿升，呈增长趋势，全球出口量和出口额分别达到112亿升和344亿欧元，均刷新历史最高记录[2]。葡萄酒市场容量增加的同时，也引起一系列问题，如伪造酒标、旧瓶新装、以次充好等，给消费者增加了很多困扰[3]。我国葡萄酒进出口检测主要依据GB/T 15037—2006《葡萄酒》进行，检测指标包括酒精度、总糖、干浸出物、挥发酸等，而这些指标仅能保证产品的基本质量安全，无法确认产地属性[4]。因此，健全我国葡萄酒产地鉴别技术，开发快速准确的产地溯源方法至关重要。

目前，葡萄酒产地鉴别研究主要从矿质元素、稳定同位素及次级代谢产物（挥发性组分、酚类组分）等角度展开。稳定同位素比值测定通常使用液相色谱（Liquid chromatography, LC）、气相色谱（Gas chromatography, GC）、高效液相色谱（High performance liquid chromatography, HPLC）及元素分析仪（Elementar, EA）等与同位素比质谱（Isotope ratio mass spectrometry, IRMS）仪联用技术，可测定葡萄酒中单体同位素和整体同位素[5]。但该指标一定程度上容易受到气候条件的影响，产生分馏效应，在相同地区不同年份中显示出差异而造成产地混淆，一些气候条件或地理位置相近的地区也不易被区分[4]。葡萄酒次级代谢产物主要包括芳香物、酚类化合物、有机酸、氨基酸等，多使用色谱与质谱联用技术测定[6]。该指标通常与葡萄品种相关性较强，在瓶储和检测过程中不断变化，使产地属性调查存在较大难度[7]。然而，矿质元素主要来源于岩石风化形成的土壤，经根茎输送到葡萄果实，再经酿酒过程转移到葡萄酒中。该指标常用的测定方法有电感耦合等离子体质谱法（Inductively coupled plasma-mass spectrometry, ICP-MS）和电感耦合等离子体-发射光谱/原子发射光谱法（Inductively coupled plasma-optical emission spectrometer/atomic emission spectrometry，ICP-OES/AES）、火焰原子吸收光谱法（Fire atomic absorption spectrometry，FAAS）等[8]。由于ICP-MS具有检测限低、样品用量少、测样快等优势，在食品溯源检测中被广泛应用[9]。矿质元素在装瓶后能长时间保持稳定，且相同产地年际变化不大，故可作为表征葡萄酒产地的有力工具。

世界葡萄酒市场主要依据起源、酿造历史等将酿酒国家分为新世界和旧世界，在栽培技术、土壤条件、环境气候等因素影响下各国葡萄酒的矿质元素指纹表现出差异。根据葡萄酒中的元素含量，可以分为常量元素（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），这些元素含量分别在10～103mg·L-1、10-1～10 mg·L-1以及0.1～103μg·L-1[10]。其中碱金属元素（Li、Rb、Cs）及碱土金属（Mg、Sr）同位素受外界影响较小，受到研究人员的广泛关注[11-12]。本文从矿质元素角度出发，总结了近15年内常量、微量和稀土元素用于葡萄酒产地鉴别的应用，如表1所示，还概述了不同国家元素的识别能力和浓度范围，旨在为我国葡萄酒产地鉴别提供数据参考。

表1 基于矿质元素指纹的葡萄酒产地鉴别研究Table 1 Previous studies on geographical origin identification of wine based on mineral element fingerprints

1 葡萄酒中的矿质元素

1.1 常量元素

常量元素是构成植物体的必备元素，含量占其总量的0.01%以上[32]。这些元素通过根系从土壤中吸收，传输到葡萄果实中，最终到达葡萄酒中[5]。酒中含有丰富的常量元素，其中K、Ca、Mg、Na等元素含量最多，可维持葡萄酒的pH和离子平衡，并参与调控酵母细胞代谢，从而影响葡萄酒品质[33]。一般来说，K元素可促进酿酒酵母的生长繁殖，而Ca元素对其产生抑制作用，Mg元素会改变葡萄的细胞结构、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元素含量相当，Na元素与其他常量元素相比含量较低，这些元素在检测中应用最多[35]。Mg属于碱土金属，其同位素在地质和生物演变过程中会出现分馏现象。逯海等[11]研究表明，Mg同位素不仅在不同产地呈明显差异，还在同一产地不同葡萄园呈显著差异，但也存在差异不明显的地区。总体来看该指标具有产地判别能力，但目前在葡萄酒溯源领域应用较少。ICP-OES/AES和FAAS检测限在μg·L-1量级，多用于检测葡萄酒中K、Ca、Mg、Na等含量较多的元素，但不适合分析含量较低的微量元素[5]。

1.2 微量元素

微量元素指在植物体内低于0.01%的元素，在植物生长过程中具有重要生理功能[32]。植物根系对元素的吸收和利用效率受多重因素影响，如品种、土壤条件及栽培方式等，这些因素使得不同产区葡萄酒中微量元素组成与含量存在先天差异，也是元素指纹技术在产地鉴别研究中的基础[36]。但在葡萄生长和葡萄酒酿造过程中，某些因素会使葡萄酒的微量元素组成发生改变。主要包括以下几个方面：施用含Cd、Cu、Mn、Pb和Zn元素的肥料、杀虫剂、杀菌剂，会使酒中这些元素的含量增加；汽车尾气以及排放到空气、水和土壤中的污染物，会使葡萄酒中重金属元素如Cd、Pb等浓度偏高；葡萄酒酿造过程中与酿酒材料（铝、黄铜、玻璃、不锈钢、木材）的长期接触，会使酒中Al、Cd、Cr、Cu、Fe和Zn的含量相对较高；添加到葡萄酒中的絮凝剂（如膨润土）会影响酒中Na、Ca、Al等元素含量[37]。众多研究发现，在酿酒过程中会发生矿质元素污染问题，Cu、Zn元素甚至可以高出2～3倍[38]。在产地研究中应避免元素污染，发掘元素在酒中的自然属性。微量元素常用检测分析方法有ICP-OES和ICP-MS等[8]。ICPOES的检出限在μg·L-1水平，其线性动态范围（Linear dynamic range, LDR）大于105，可同时实现多种元素（常量、微量）的定性定量分析；而ICP-MS的检出限为ng·L-1水平，并可进行同位素测定，其LDR可达108，当元素含量较高时需稀释后进行检测[39]。

1.3 稀土元素

稀土元素（Rare earth elements, REEs）共17种，包括元素周期表中镧系以及钇（Y）和钪（Sc）元素，这些元素的化学性质相似，可被植物从土壤中直接吸收，但不参与代谢，故原始分布不易发生改变[40]。但有研究表明，一些酿酒工艺（如澄清与过滤）会改变酒中REEs含量。早在1999年，Jakubowski等[41]发现在葡萄酒澄清过程中添加不同的膨润土，会对酒中的REEs产生不同程度的影响，故REEs不适合作为鉴别葡萄酒产地的实用工具。Angus等[42]在REEs研究中也得到与Jakubowski一样的结论。Aceto等[43]研究中认为，REEs从土壤到葡萄中可保持不变，而在澄清过程中使用膨润土会影响酒中REEs含量变化。但也有学者发现选择纤维膨润土（Gelbenton）或蛋白质膨润土（Evergel）通常使酒中REEs含量不会产生太大变化[44]。与其他金属元素相比，REEs在工业上开发程度更低。现代化检测技术的进步和元素检出限的提升使含量极微的REEs亦可精确检出，使用ICP-MS显示出一定潜力。因此，REEs可作为实用的地球化学标记物和食品溯源指标[6]。

2 常量元素在葡萄酒产地鉴别中的应用

常量元素因其含量高，且具有成熟的检测方法，在葡萄酒产地鉴别发挥着重要作用。Rodrigues等[45]对比了新世界（巴西、阿根廷）和旧世界（西班牙、法国）葡萄酒中的常量元素，前者K、Na含量分别在402～1475 mg·L-1和13.9～344.2 mg·L-1，后者分别为276～567 mg·L-1、4.0～29.1 mg·L-1，数据范围存在很大差异，这不仅与地质条件、土壤环境等自然因素有关，还与种植方式和酿造工艺等人为因素有关。

旧世界国家更遵循传统，追求土壤的自然特性和葡萄酒本味，严格规范了化肥和食品添加剂（焦亚硫酸盐/碳酸盐等）的使用；而新世界国家葡萄酒酿造更倾向于人为加工使葡萄酒达到更好品质[5]。大量研究表明，自然因素是造成不同国家和地区葡萄酒中元素含量差异的主要原因[46]。Karataş等[47]发现，土耳其东南部因常年雨水不足、蒸发量高，出现了土壤积盐、盐碱化问题，导致该地土壤中Na元素含量较高（101～142 mg·L-1），进而使得葡萄酒中的Na元素含量（35～100 mg·L-1）也较高，与捷克共和国葡萄酒中的Na含量（2～62 mg·L-1）存在明显不同。程文娟等[24]测定结果发现，新疆葡萄酒中Mg平均值（169.6 mg·L-1）比西南高山产区高约1.6倍（103.3 mg·L-1），可能与Mg易随水土流失有关。Martin等[23]研究表明，临海距离增加了土壤中Na含量，使得Na含量在澳大利亚临海产区（50～100 mg·L-1）比其他产区（15～40 mg·L-1）高约1.3～2.5倍。Pasvanka等[48]在希腊葡萄酒中也发现，临海使Na元素含量增加，与其他5种元素结合，能获得希腊产区葡萄酒76.83%的判别正确率。由此可见，在葡萄酒地域检测中应考虑气候条件、地理变化及海陆位置等因素，进而筛选出可靠的特征元素。多种人为因素均能对葡萄酒中元素含量产生影响，Yamashita等[49]测得阿根廷气泡酒中K含量较高，可能受到化肥使用的影响，与巴西、法国、西班牙起泡酒存在差异。Wu等[16]采用人工神经网络（Artificial neural network, ANN）对240种来自法国波尔多、勃艮第、朗格多克-鲁西荣和罗纳河谷4个产区的葡萄酒进行产地判别，发现常量元素Mg、Na、K在不同产地存在差异。酿造设备和酿酒方式也会影响酒中元素含量，Na含量会受橡木桶陈年影响，在西班牙里奥哈葡萄酒中得到验证[50]。然而，仅使用常量元素进行葡萄酒产地鉴别的应用较少，通常会与微量元素和REEs共同使用。

3 微量元素在葡萄酒产地鉴别中的应用

近15年文献数据显示可用于鉴别葡萄酒产地的微量元素有50余种，将其可视化显示在图1，应用频率依次为Ba、Rb、Mn、Ni、Sr、Li、Pb、Cr、Co、Fe、Cu、Zn、Al、V等（图1）。Karasinski等[51]评估了欧洲4个国家葡萄酒中微量元素特征，结果表明，波兰特征元素为Cd、Pb；匈牙利为Be；摩尔多瓦为Li、Co、Se、Cu、Sr；保加利亚为Tl、Ba、Rb、Mo。Coetzee等[52]研究发现，南非斯泰伦博斯地区葡萄酒中特征元素为Al、Mn、Rb、Ba和W，罗伯逊地区为Se、Rb、Cs和Tl；而斯沃特兰为Al、Mn、Rb、Sr、Ba和Tl。微量元素不仅对不同国家、地区的葡萄酒实现有效区分，还可以判别地质和气候条件相近的产区。Martin等[23]利用微量元素对澳大利亚不同州葡萄酒进行准确区分，还利用Si、Rb、Sb、Ba、Be、Bi、Te等元素区分4个西澳大利亚州子产区；利用Li、Rb、Se、Cs、Si等元素区分3个维多利亚子产区。此外，元素含量差异亦可作为表征葡萄酒产地参数。Yamashita等[49]研究表明，巴西葡萄酒中Mn元素含量较高，介于1.12～2.86 mg·L-1，是该国葡萄酒特征元素，而法国、西班牙、阿根廷葡萄酒中的Mn含量仅为0.15～1.01 mg·L-1。气候条件的强烈变化会引起葡萄的元素吸收效率，从而影响酒中微量元素含量。Blotevogel等[53]发现，夏季高温使得葡萄酒中Sr元素含量增加，大量降水使得酒中Mn和Ba含量增加。随着多元分析技术的发展，研究人员也会将大量元素与微量元素结合起来用于葡萄酒产地鉴别。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等实现斯洛文尼亚产区葡萄酒识别。人为因素对葡萄酒中元素含量的影响程度不同。有机和非有机种植方式对葡萄酒微量元素的影响存在争议，Drava等[54]研究中未发现差异，而吴浩等[55]发现金属元素Na、Mg、K、Al及Cu含量有显著不同。对比传统手工酿造和工业化生产的葡萄酒发现，压榨和陈酿过程中会使Cd、Cr、Cu、Fe、Ni、Pb、V、Zn、Al等元素含量发生变化[56]。有些元素含量变化程度较小，如Li、B、Mg、Ca、Rb、Cs和Pb等元素在不同陈酿阶段加入不同澄清剂后，仍能保持恒定[57]。因此，在建立溯源模型时应尽量减少人为因素影响，显示更多自然属性，从而提高模型鉴别准确率和适应性。

图1 近15年微量元素在葡萄酒中的应用频次统计[13-31]Figure 1 Statistics of application frequency with trace elements in wine over recent 15 years

多数研究都使用了碱金属（Li、Rb、Cs等）进行葡萄酒产地鉴别，这可能与碱金属更易被葡萄从土壤中吸收有关，且在酿酒中不易受到污染。Catarino等[18]发现，葡萄牙杜奥产区葡萄酒特征元素为Li、Rb和Cs，其含量远高于葡萄牙其他产区。程文娟[24]等利用Li、Rb、Cs等元素对中国新疆、贺兰山东麓和西南高山产区葡萄酒实现了有效区分。由于碱土金属Sr的同位素与地质关系显示出强烈相关性，故在葡萄酒产地追溯中的应用日渐增多。Epova等[58]证实了Sr同位素在土壤、葡萄及葡萄酒中具有显著相关性，可作为葡萄酒产地识别指标。Marchionni等[59]借助岩性和Sr同位素差异成功对意大利4个不同产区葡萄酒进行了有效区分。图2总结了新旧世界国家葡萄酒中87Sr/86Sr比值范围介于0.7012～0.7231。除罗马尼亚和葡萄牙酒中数据波动较大外，其他地区数据范围均在标准品NIST 987左右[18,21]。此外，逯海等[11]在我国40款不同产地葡萄酒中发现，大部分样品中25Mg/24Mg、26Mg/24Mg差异较大。总的来说Mg同位素的实际应用仍较少。

图2 新旧世界葡萄酒中87Sr/86Sr比值范围统计Figure 2 Range statistics of 87Sr/86Sr ratios in wine from Old and New World

近年来，随着多元技术的发展，元素与同位素在产地鉴别中共同应用的研究越来越多，并获得良好的判别准确率。Donici等[61]通过检测Ag、Al、As、Ba、Be、Bi等30种元素含量和K/Rb、Ca/Sr、207Pb/206Pb、208Pb/206Pb、204Pb/206Pb、87Sr/86Sr比值，可使罗马尼亚3个产地葡萄酒判别准确率达到100%。Geană等[21]利用Li、Ga、Ba、Pb、Mg、Ag、Cr等17种元素和Ca/Sr、87Sr/86Sr比值100%的准确判别了21个罗马尼亚地理标志葡萄酒。Rapa等[70]测定Al、As、Au、B、Ba、Be、Bi等63种元素和11B/10B、208Pb/206Pb、207Pb/206Pb、206Pb/204Pb、208Pb/207Pb、87Sr/86Sr等6种同位素，并利用7种分类方法区分意大利PDO葡萄酒，分类准确率低于70%，可能是扩展生产区域或与另一个PDO区域距离较近造成的。在追踪不同类型葡萄酒研究中，矿质元素与同位素组成也获得良好应用。Coelho等[66]通过评估Li、Be、B、Al、Cr、Mn、Co等16种元素和87Sr/86Sr、208Pb/204Pb、207Pb/204Pb、206Pb/204Pb、208Pb/206Pb、208Pb/207Pb、11B/10B和18O/16O的组成发现，在葡萄牙杜罗分界地区生产的波特酒（加强酒）和葡萄酒（静止）间存在显著差异，该分析方法可以作为追踪两种类型葡萄酒地理真实性的工具。

4 稀土元素在葡萄酒产地鉴别中的应用

由于REEs含量低，检测难度大，在葡萄酒产地鉴别上的应用仍存在争议。韩深等[71]检测了法国、智利、摩尔多瓦3产地41款葡萄酒中16种REEs总含量发现，摩尔多瓦产区75%以上土壤为REEs含量较高的黑钙土，使得该地区酒中REEs总含量最高，可达0.005 mg·L-1，约比另2个地区酒中含量高2倍。Catarino等[18]在以花岗岩为主的葡萄牙杜奥产区葡萄酒中发现，REEs含量比其他2个以砂岩和泥质砂岩为主的产区葡萄酒高。赵芳等[25]测定了我国沙城、贺兰山东麓、通化3个产区葡萄酒中15种REEs含量发现，产地与REEs间存在极显著相关性，不同产地间具有极显著差异，结合多元统计分析可将REEs含量用于葡萄酒产地鉴别。但部分研究发现，在葡萄酒酿造过程中某些因素会使酒中REEs组成发生改变，影响产地鉴别效果。Tatár等[27]测定添加膨润土的匈牙利葡萄酒中REEs含量，结果显示出一定波动性。Cerutti等[13]研究表明，尽管酿酒工艺会对REEs的含量造成潜在污染，但所获得的REEs指纹仍能作为区分西班牙不同产地的潜在工具。因此，为了充分评估土壤中REEs与成品葡萄酒间的联系，在以REEs作为葡萄酒产地鉴别示踪剂时要关注土壤地质及酿酒过程中各环节的影响。

5 结束语

随着检测技术的不断发展，矿质元素测定效率及准确率均得到明显提升，并广泛应用于产地鉴别中，包括世界各国葡萄酒。矿质元素具有地理属性，其含量和种类主要受植株根系吸收效率、土壤岩石组成及气候条件等自然因素和栽培管理、酿酒工艺及环境污染等人为因素影响，在不同产地表现出明显差异，从而使酒中保留了相应的地理指纹信息。近年来，部分碱金属和碱土金属元素含量及其同位素比值被发现受地质因素影响较大，而其他因素影响小，被认为是可靠的产地识别指标。REEs在葡萄酒产地鉴别上的应用具有可行性，但膨润土添加后对其影响较大。目前，仍存在相关待解决的问题包括：（1）自然及人为因素对酒中元素影响程度不明确，筛选不易被改变且具有产地特征的元素较难；（2）碱金属和碱土金属与土壤地质信息关系更密切，在葡萄酒产地鉴别上的作用有待被继续挖掘；（3）REEs在葡萄酒产地鉴别上的作用仍存在争议，在保证检测准确的前提下，应发挥REEs潜力；（4）明确葡萄种植土壤、果实及葡萄酒元素组成间的流动性，为葡萄酒产地鉴别方法提供理论基础；（5）我国葡萄酒矿质元素指纹数据库尚未完善；（6）多元分析技术有待提高，应进一步优化数据模型，提高鉴别准确率。