河西走廊张掖地区土壤、葡萄及葡萄酒矿质元素特征分析

刘 霞，李彩霞，焦 扬*

（河西学院 农业与生物技术学院，甘肃 张掖 734000）

葡萄酒营养丰富，包含多种维生素、酚类物质及矿物质。葡萄园中土壤类型千变万化，使得葡萄和葡萄酒中的矿质元素含量和种类也截然不同，这也是研究葡萄酒中矿质元素和产地特征相关性的依据所在[1-3]。葡萄酒中矿质元素大部分来源于葡萄原料，而葡萄原料中的矿质元素是由根系从土壤中吸收的，不同产区具备不同的地质条件，因而具备不同的矿质元素特征，这就导致产区矿质元素特征具备一定的指纹效应，通过指纹特征就可以鉴定不同产区葡萄酒并有效保障产区风格和品质[4-7]。近年来，很多学者开始研究葡萄酒中的矿质元素与其产地相关性，已经鉴别出了用来描述和区别不同原产地葡萄与葡萄酒特征的矿质元素[8-11]，且已证实此鉴别方法具很高的准确率[12-13]，加强和完善了葡萄酒原产地保护和地理标志鉴定的效果[14-15]。

我国葡萄酒原产地保护工作起步较晚，截止目前只是对昌黎、贺兰山东麓、烟台等几个地理标志产品在宏观方面做了产地范围和产品质量要求的规定，而对于不同产地鉴别体系的探索还严重不足[3]，这就会导致葡萄酒无法溯源以及假冒伪劣葡萄酒的有机可乘。我国河西走廊有悠久的葡萄种植历史和良好的葡萄种植气候条件，有望成为我国最具代表性的葡萄酒产区之一。作为河西走廊重要组成的子产区——张掖地区，多年来一直是优质葡萄原料的主要贡献者，尤其是赤霞珠（Cabernet Sauvignon）和梅洛（Merlot），它们是当地种植量最大的酿酒葡萄品种，表现优良、品质极佳。

本研究以河西走廊张掖地区赤霞珠葡萄（葡萄汁、葡萄籽、葡萄皮、葡萄果梗）、葡萄园土样以及赤霞珠葡萄酒为试材，通过石墨炉/火焰原子吸收光谱（flame-atomic ab-sorption spectrometry，FAAS）法测定各样品中铁（Fe）、镉（Cd）、钠（Na）、钾（K）、锌（Zn）、锰（Mn）、镁（Mg）、铅（Pb）、镍（Ni）、铜（Cu）、钙（Ca）共11种矿质元素的含量。分析赤霞珠葡萄园、葡萄果实以及葡萄酒中矿质元素的含量特征及其相关性，以揭示河西走廊张掖产区赤霞珠葡萄原料和葡萄酒的元素特征，为基于矿质元素的河西走廊产区葡萄及葡萄酒产品的鉴别研究及地理标志奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

赤霞珠（Cabernet Sauvignon）葡萄（平均粒质量1.78 g，果粒近圆形，蓝黑色，可溶性固形物含量28%）、土壤样品：张掖地区板桥庄园；同批次赤霞珠原酒：张掖国风酒业有限公司。

盐酸、硝酸（均为分析纯）：白银良友化学试剂有限公司；K、Na、Ca、Mg单元素标准液（1 000 g/mL）：国家有色金属及电子材料分析测试中心；无机元素混合溶液标准物质（GBW（E）081531）：中国计量科学研究院。试验所用水均为重蒸水。

1.2 仪器与设备

SP-3520AAPC-8火焰原子吸收分光光度计：上海光谱仪器有限公司；KND-08消化炉：上海新嘉电子有限公司；JH502电子天平：上海精密科学仪器有限公司；SZ-97A玻璃蒸馏水器：上海亚荣生化仪器厂；KQ-250DE数控超声波清洗器：昆山市超声仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品的采集及前处理

（1）土壤的采集及前处理

土壤采集：选取张掖临泽县板桥镇产区的板桥葡萄庄园，在2016年葡萄采摘前，选择树体产量具有代表性的地段，在葡萄根系主要分布区取土，深度0～60 cm，每块地随机选取5个点取样，将全部土样均匀混合后采用四分法从中选取1 kg的土样，装入洁净的塑料袋内。

土壤前处理：首先将土壤样品放在通风避光的环境中自然风干，完全风干后用木棒锤细，拣出掺杂在内的碎石、树根等杂物，然后过20目筛混匀，再取100 g样品用研钵细磨，全部过100目筛，混匀装袋分析备用[1]。

（2）葡萄果实的采集及前处理

对应土壤样品位点，在葡萄植株的不同位置采集果粒用于检测。

葡萄前处理：将果实不同器官分离出来，放入烘箱内烘干，然后将烘干后的皮、籽、果梗、果肉进行粉碎，装袋分析备用。

（3）酒样的准备

准备与样品同一批次赤霞珠葡萄原料的次年葡萄原酒。

1.3.2 试验方法

（1）土壤样品的消解

准确称取样品0.5 g，放入聚四氟乙烯坩埚中，用水湿润后，加入10 mL盐酸，于通风橱内电热板上（110℃）加热，当蒸发至约剩3 mL时，取下稍冷。加入5 mL硝酸，加热（180℃）15 min后，依次加入5 mL氢氟酸和3 mL高氯酸，加盖后于电热板上加热（220℃）1 h左右，然后开盖，继续加热除硅，为了达到良好的除硅效果，应20～30 min摇动一次坩埚。当加热至冒浓厚白烟时，加盖分解黑色有机碳化物。待坩埚壁上的黑色有机物消失后，开盖，驱赶白烟并蒸至黏稠状[16]。当样品消解液呈现白色或淡黄色的黏稠物的时候加入2%硝酸溶解残渣，再用超纯水冲洗坩埚盖以及坩埚内壁，最后放在电热板上加热至微沸，冷却后将溶液过滤转移至50 mL容量瓶中，超纯水定容，定容后转移至塑料试剂瓶中，过滤后备测。

（2）葡萄及葡萄酒样品的消解

准确称取样品2.0 g，放入聚四氟乙烯坩埚中，加入8 mL浓硝酸和2 mL高氯酸，盖上坩埚盖，常温下静置6～8 h[17]。然后80℃消解1 h，再以120℃消解2.0～2.5 h。消煮液完全澄清后，打开坩埚盖，温度设定为130℃。待没有浓烟冒出时（坩埚中液体1 mL左右）向坩埚中加入2%硝酸，溶解残渣，过滤转移至50 mL容量瓶中，超纯水定容，定容后转移至塑料试剂瓶中，过滤后待测。

（3）样品的上机检测

处理后样品的上机测定参数按照表1所设置。

表1 火焰原子吸收分光光度计检测条件Table 1 Detection conditions of the flame atomic absorption spectrophotometer

1.3.3 数据处理与统计

本次试验所有数据由Microsoft Excel 2010处理并由IBM SPSS Statistics22.0进行统计与分析。

2 结果与分析

2.1 葡萄园土壤中矿质元素含量比较

对张掖临泽县板桥镇产区的板桥葡萄园土壤中K、Ca、Mg、Fe、Cu、Zn、Mn、Ni、Pb、Cd 11种金属元素进行测定，测定结果如表2所示。

表2 土壤中矿质元素含量检测结果Table 2 Determination results of mineral elements contents in soil

由表2可知，上述11种矿质元素在张掖板桥赤霞珠葡萄园中均有存在，但其含量存在明显差异，其中Ca元素的含量最高，为161.50 g/kg，而较高的Ca含量有利于提高葡萄结果数和穗质量，且能够降低葡萄裂果率，改善葡萄果实品质[18]；其次为Na、Fe和K元素，含量依次为45.72 g/kg、23.27 g/kg和9.98 g/kg。而具备潜在毒性或不稳定性Pb、Cu、Zn和Cd元素在该地区土壤中的含量较低，可以避免其被植株大量吸收而进入酒中所造成的不稳定性和不安全的隐患[19]。Mg和Mn的含量依次为2.02 g/kg和1.32 g/kg，Mg是葡萄正常发育和提高葡萄果实品质必备的矿质元素之一，参与植株光合作用的进行[20]，而Mn元素是葡萄果实发育、浆果成熟度和色泽保障的重要因素[21]。因此，从矿质元素的组成来看，该地区葡萄园矿质元素丰富且合理，Ca、Na、Fe和K元素可以作为产区土壤标志元素群使用。

2.2 葡萄各部位中矿质元素含量比较

不同的土壤条件会赋予葡萄原料不同的矿质元素组成特征。对板桥葡萄园赤霞珠葡萄各部位中的矿质元素进行了测定与分析，结果如表3所示。

表3 赤霞珠不同部位金属元素含量检测结果Table 3 Determination results of metallic elements contents in different parts of Cabernet Sauvignonmg/kg

由表3可知，该地区赤霞珠葡萄的各部位中，含量最多的矿质元素均为K和Ca，其次为Mg和Na。具体对果实各部位相比较而言，K在果梗和果皮中的含量最高，分别为30 097.95 mg/kg和23 030.39 mg/kg；Ca在果梗和种子中的含量最高，分别为12 086.32 mg/kg和8 498.87 mg/kg；而果肉中各种矿质元素的含量均较低，K、Ca、Mg和Na的含量依次为3 155.74 mg/kg、245.80 mg/kg、106.33 mg/kg以及52.82 mg/kg，说明果肉部分对土壤矿质元素的吸收和储存能力较差。此外，和土壤中的矿质元素含量相比较发现，赤霞珠葡萄对土壤中丰富存在的Ca元素吸收较好，但对同样含量丰富的Na和Fe的吸收能力不及对K和Mg的吸收能力，因此土壤中Na和Fe的含量高低与赤霞珠葡萄原料中这两种元素的含量之间无直接关联。结果表明，赤霞珠葡萄不同组织结构对于不同矿质元素的吸收和储存情况具有明显差异性，总体而言可筛选K和Ca为该产区特征元素进行产区赤霞珠原料鉴别。

2.3 葡萄酒中矿质元素含量比较

浸渍作用是葡萄汁对葡萄皮的浸泡过程，是干红葡萄酒发酵过程中的重要环节之一[22-23]。通过浸渍过程，葡萄皮中的香气物质、花色苷以及优质单宁等有效成分会被浸提入葡萄酒中，赋予葡萄酒在香气、颜色和口感上的不同品质。同时，葡萄原料中的矿质元素也会通过浸渍作用进入到葡萄酒中，这是葡萄酒中矿质元素的主要来源。对同一批次的赤霞珠原酒取样进行矿质元素测定，结果如表4所示。

表4 赤霞珠新鲜原酒中矿质元素含量检测结果Table 4 Determination results of mineral elements in base wines of Cabernet Sauvignon

干红葡萄酒发酵是带皮浸渍发酵（去梗且保持种子完整度），因此其中矿质元素的主要来源即是果肉，其次为果皮。由表4可知，赤霞珠葡萄原酒中K、Ca、Mg 3种元素含量较高，与果皮和果肉中这3种矿质元素含量高低相一致，其次为Na元素。其他元素含量均较低且除了Cd元素以外，都未超过国家标准GB 2762—2005《食品中污染物限量》[24]的限量要求。与国标中Cd元素限量标准0.05 mg/kg比较，该赤霞珠原酒中Cd含量超标，这可能是因为酿酒过程中的污染所致[25]。结果表明，该产区赤霞珠葡萄酒矿质元素含量分布合理且安全，可筛选K、Ca和Mg元素为该产区赤霞珠葡萄酒的鉴别元素。

2.4 葡萄园土壤与葡萄、葡萄酒中矿质元素的相关性

葡萄园土壤与葡萄、葡萄酒中矿质元素的关联性分析结果如表5所示。

表5 葡萄园土壤与赤霞珠葡萄各部位及葡萄酒中矿质元素的相关性Table 5 Correlation of the mineral elements between the vineyard soils,different parts of Cabernet Sauvignon grapes and wine

由表5可知，葡萄梗、皮、籽与葡萄园土壤中矿质元素含量呈正相关，葡萄肉与葡萄园土壤中矿质元素含量成负相关，可能是由于葡萄果肉对于矿质元素的吸收贮存能力相对较差所致，可能还与果肉中大量水分的稀释效应有关。其中葡萄籽与土壤中矿质元素相关极显著（P＜0.01），相关系数为0.762，这说明葡萄籽是土壤矿质元素的主要吸收和贮存部位。葡萄原酒与葡萄园土壤中矿质元素含量呈正相关，但相关性不显著（相关系数为0.099），但是葡萄原酒中矿质元素却与葡萄皮、肉均呈极显著正相关（P＜0.01），相关系数分别高达0.995和0.991，这说明葡萄原酒中的矿质元素主要来自于葡萄原料（尤其是葡萄皮和果肉），与土壤中矿质元素的含量多少无直接关联，这与前面的分析相符合。另外，葡萄籽由于在酿造过程是完整状态，所以不会对其中成分进行浸提，从而导致其相关性较低。因此，葡萄原料采收后，可以通过控制浸渍强度的方式来改变葡萄酒中矿物质的含量，从而调整葡萄酒的品质。

3 结论

河西走廊张掖地区葡萄园土壤中矿质元素丰富，具有多种有益于葡萄植株生长和果实发育的大量和微量元素，其中Ca元素的含量明显高于其他元素含量，其次是Na、Fe、K，故Ca可作为该产区的特征元素起到产区土壤鉴别的作用。该产区除果肉外，赤霞珠葡萄原料中的矿质元素与土壤中矿质元素呈现正相关（P＜0.05），赤霞珠葡萄果皮、果肉和种子中含量最多的矿质元素都是K和Ca，其中K在果梗和果皮中的含量最高、而Ca在果梗和种子中的含量最高，故可筛选K和Ca为该产区特征元素进行产区赤霞珠原料鉴别。此外，赤霞珠葡萄酒中的矿质元素与土壤中矿质元素的关联性不大，却与葡萄原料中的矿质元素呈极显著正相关性（P＜0.01），进一步说明葡萄酒中的矿质元素含量的高低主要与所使用的酿酒葡萄原料有关。赤霞珠葡萄酒中含量最多的矿质元素为K、Ca和Mg，故可将此三种元素作为特征元素应用于该产区赤霞珠葡萄酒的鉴定和区分，以此为河西走廊产区赤霞珠葡萄酒的原产地保护和地理标志提供理论依据。