贺兰山东麓酿酒葡萄质量安全及营养成分分析

开建荣，李 婧，牛 艳，王彩艳，王晓菁*

（1.宁夏农产品质量标准与检测技术研究所，宁夏 银川 750002；2.宁夏出入境检验检疫局检验检疫综合技术中心，宁夏 银川 750002）

多年来，葡萄产业是宁夏农业发展的优势特色产业和自治区六大支柱产业之一，并初步形成了区城化布局、规模化经济、专业化生产的现代葡萄产业发展模式，也成为当地群众增收致富的主要渠道之一。宁夏贺兰山东麓拥有葡萄生长栽培的自然环境优势，独特的自然地理环境非常适宜葡萄的生产和种植，具备打造世界一流的葡萄基地的潜力，被国内外专家认定为世界最佳酿酒葡萄生态栽培地区之一[1-2]。2013年，宁夏贺兰山东麓被编入《世界葡萄酒地图》。2017年，宁夏贺兰山东麓葡萄酒品牌价值达271.44亿元，位于中国地理标志产品区域品牌榜第14位。

“三分酿造，七分栽培”，酿酒葡萄果实品质对于葡萄酒品质至关重要[3-5]。酿酒葡萄中，糖、酸、酚类物质和香气物质的组成和含量及其相互间的平衡与葡萄酒感官品质密切相关[6-7]。虽然植物对铁、锰、铜、锌等微量元素的需要量很少，但它们对葡萄生长发育的作用与大量元素是同等重要的，增施中微量元素可显著改善酿酒葡萄和葡萄酒品质，锰元素是葡萄果实发育、浆果成熟度和色泽保障的重要因素[8]；铁与其他微量元素如铜、锰、锌、钼等也有密切关系，有研究表明[9]，铁可以促进叶片的吸收速率，增强光合作用，增加可溶性糖含量，镁促进了新梢的生长，提高植被覆盖率，铜增加了果实的单粒质量及产量，硼提高了果实中单宁及花色苷的含量。

目前，关于贺兰山东麓葡萄酿酒葡萄研究主要集中在栽培方式、施肥水平等对葡萄产量的品质的影响[10-13]，但酿酒葡萄质量安全评价的研究较少，且监测的营养成分较为繁杂。本研究采用单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法对宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄中的重金属进行安全性评价，从而客观了解贺兰山东麓酿酒葡萄质量状况；对酿酒葡萄中的锌、锰、铜、铁、糖、酸含量和糖酸比等主要营养指标进行分析评价，对不同种植年限对酿酒葡萄中营养成分的影响进行研究；并对酿酒葡萄营养指标进行主成分分析（principal component analysis，PCA），筛选出酿酒葡萄的特征指标，研究成果旨为推动该区葡萄产业的健康可持续发展提供基础支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

试验用酿酒葡萄采自贺兰山东麓葡萄产区的酒庄和农户，酒庄有贺兰山美御葡萄基地、迎宾酒庄葡萄地、源石酒庄葡萄地、爱尔普斯酒庄葡萄地、贺兰山米擒酒庄、张裕酒庄、容园美酒庄、甘城子密登堡酒庄、甘城子禹皇酒庄、甘城子荣光公司以及七泉沟、玉泉营和黄羊滩的农户。供试酿酒葡萄品种有梅鹿辄、赤霞珠、蛟龙珠、霞多丽和马瑟兰，于果实生理成熟期（表现出品种应有的外观和风味），取正常生长且具有代表性的葡萄共2.5 kg，测定果实主要品质指标，新鲜样品当天运回实验室。酿酒葡萄样品带回实验室后，先用自来水冲洗，再用去离子水冲洗干净，晾干，直接匀浆备用。

硝酸（分析纯）：美国Merck公司；高氯酸、盐酸、磷酸二氢钾、氢氧化钾、硼氢化钾、抗坏血酸、硫脲（均为分析纯）：国药集团化学试剂有限公司；超纯水：美国MILLI-PORE公司Milli-Q超纯水处理系统；镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、砷（As）、汞（Hg）、铜（Cu）、锌（Zn）、锰（Mn）、铁（Fe）元素的标准储备液（1 000 mg/L）：中国计量科学研究院。

1.2 仪器与设备

Spectr AA 220FS/220Z原子吸收分光光度计：美国瓦里安公司；AFS-930原子荧光光度计：北京吉天仪器有限公司；DigiBlock EHD36 石墨消解炉：莱伯泰科仪器股份有限公司；U-3900紫外分光光度计：日本日立公司；PL202-L型电子天平：美国梅特勒-托利多公司。

1.3 方法

1.3.1 分析检测

样品预处理：称取3 g 左右（精确至0.01 g）的葡萄样品于石墨消解管中，加入9 mL硝酸和1 mL高氯酸，置于石墨消解炉中消解，待消解完全并冷却后，超纯水定容至25 mL，摇匀，静置澄清后，测定元素含量。

葡萄中镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn）、锰（Mn）、铁（Fe）含量采用原子吸收分光光度法测定；砷（As）、汞（Hg）含量采用原子荧光光度计测定；总糖含量按照国标GB 5009.7—2016《食品中还原糖的测定》中的斐林试剂法；总酸含量测定按照国标GB/T 12456—2008《食品中总酸的测定》中的酸碱滴定法。

1.3.2 安全性评价

运用单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法对酿酒葡萄中重金属污染情况进行评价[14-15]。重金属污染程度分为5个等级[16]（见表1）。污染指数计算公式如下：

式中：Pi表示污染物i的单因子污染指数；Ci为污染物i的实测值，mg/kg；Si为污染物i限量标准值，mg/kg。

式中：P综合表示综合污染指数；表示单因子污染指数平均值；Pmax单因子污染指数的最大值。

表1 综合污染指数等级划分Table 1 Classification of comprehensive pollution index

按照国标GB 2762—2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》[17]和安徽省地方标准DB34/T207—2000《无公害农产品质量安全标准》[18]中规定的葡萄中重金属元素铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）、砷（As）、汞（Hg）的限量标准分别为0.20 mg/kg、0.05 mg/kg、0.50 mg/kg、0.50 mg/kg和0.01 mg/kg。

1.3.3 数据处理

利用Excel 2010、SPSS Statistics 17.0统计软件，进行数据处理与图表分析。

2 结果与分析

2.1 酿酒葡萄中重金属检测结果分析评价

重金属元素检测结果的变异系数（coefficient of variation，CV）反映了元素空间的分异特征[19]，其中，CV＜25%时属于均匀分布，25%≤CV＜50%时属于弱分异型，50%≤CV＜75%时属于分异型，≥75%时属于强分异型。贺兰山东麓酿酒葡萄中5种重金属检测结果见表2。由表2可知，2017年重金属元素检测结果的CV 范围为12.4%～57.6%，顺序为Cd＞Cu＞Pb＞As＞Cr＞Hg；2018年重金属元素检测结果的CV范围为16.0%～41.0%，顺序为Pb、Cr＞Hg＞Cd＞As。其中，2017年葡萄中Cd检测结果的CV＞50%，属于分异型，Pb和As属于弱分异型，Hg属于均匀分布型；2018年葡萄中的Pb、Cr和Hg属于弱分异型。2017年葡萄中Cd的分散程度较高，潘佳颖等[20]研究发现，贺兰山东麓葡萄主产区土壤Cd虽属于尚清洁水平，但Cd的富集系数最高，是最主要的潜在生态危险因子；庞荣丽等[21]研究发现，葡萄对不同重金属吸收能力差异较大，其中对Cd 吸收能力最强，具有富集能力。因此，镉（Cd）的分散程度较高可能是受人为影响较大或者不同品种的酿酒葡萄对重金属的吸收累积差异较大所致。

表2 贺兰山东麓酿酒葡萄重金属监测结果Table 2 Monitoring results of heavy metals in wine grape in the eastern foot of Helan Mountain

酿酒葡萄重金属严控指标Cd、Pb、Cr、Hg、As的单项污染指数（Pi）在0.009 2～0.280 0之间，均＜0.7，其中2018年Pb的单项污染指数最高，为0.28，2017和2018年贺兰山东麓酿酒葡萄中5种重金属的综合污染指数分别为0.092和0.430；其质量等级划分属一级，污染等级为安全，污染水平为清洁。

2.2 酿酒葡萄中营养成分分析评价

2.2.1 酿酒葡萄中营养成分含量

检测2017年和2018年采集的贺兰山东麓酿酒葡萄样品中Zn、Mn、Cu、Fe、糖、酸的含量、糖酸比及2018年酿酒葡萄中硝酸盐的含量，结果见表3。

表3 贺兰山东麓酿酒葡萄营养成分监测结果Table 3 Monitoring results of nutritional components in wine grape in the eastern foot of Helan Mountain

Zn、Mn、Cu、Fe是植物生长的必需元素。由表3可知，2017年葡萄样品中的Zn、Mn、Cu、Fe、糖、酸、糖酸比含量分别在0.62～1.29 mg/kg、0.86～1.87 mg/kg、0.81～1.98 mg/kg、5.3～18.1 mg/kg、16.6～23.0 g/100 g、0.41～0.89 g/100 g和21.7～52.7范围内；2018年葡萄样品中的Zn、Mn、Cu、Fe、糖、酸、糖酸比含量分别在0.43～1.60 mg/kg、0.62～2.89 mg/kg、0.54～2.00 mg/kg、4.7～15.9 mg/kg、15.3～21.4 g/100 g、0.51～1.01 g/100 g和15.7～39.6范围内。对2017年和2018年的酿酒葡萄样品中的营养成分进行方差分析，结果发现，只有糖、酸和糖酸比结果在2017年和2018年存在显著性差异（P＜0.05），而Zn、Mn、Cu、Fe含量在2年间并无显著性差异（P＞0.05）。从2017年和2018年各营养成分的变异系数可以看出，酿酒葡萄中糖的含量相较于微量元素是比较稳定的，其受酿酒葡萄品种、种植基地管理方式等因素的影响较小。酿酒葡萄中糖的含量相较于微量元素变异系数较小，说明糖受酿酒葡萄品种、种植基地管理方式等因素的影响较小。

2.2.2 酿酒葡萄营养指标相关性

对葡萄样品中的7个指标含量进行Pearson相关性分析，结果见表4。由表4可知，葡萄中多个变量之间具有显著相关性（P＜0.05）。Zn、Mn、Cu、Fe相互间、酸和锌、锰和铜呈显著正相关（P＜0.05）；糖和酸呈显著负相关（P＜0.05）。蒋鹏等[9]研究表明，铁与其他微量元素如铜、锰、锌、钼等有密切关系，可能由于铁、铜等元素共同参与叶绿素的合成；宋长征[22]研究表明，叶面喷施锌肥显著提高了转色期叶片和成熟果实锌元素的含量，缺锌处理显著降低了葡萄果实中可溶性固形物含量，但提高了可滴定酸含量，这与本研究结果相反，锌与酸具有显著的正相关关系，与糖呈负相关关系，这可能与试验方式、研究区域不同等有关；陈珂等[23]对36个不同葡萄品种10种果形进行品质比较发现可溶性固形物、可滴定酸、固酸比、维生素C（vitamin C，VC）、总黄酮、可溶性蛋白等指标之间存在显著或极显著性正相关或负相关（P＜0.05）。

表4 酿酒葡萄营养指标之间相关性分析结果Table 4 Correlation analysis results among nutrient indexes of wine grape

2.3 不同种植年限对酿酒葡萄品质的影响

对采集的酿酒葡萄样品按照种植年限不同划分为0～5年、5～10年、10～20年及＞20年4个等级，对不同年限酿酒葡萄中的5个重金属指标和8个营养指标进行方差分析，结果见表5。由表5可知，糖、Zn、Mn、Cu、Fe、Pb、Cd、Cr、As、Hg含量不受种植年限的影响；但种植年限对酿酒葡萄中的酸和糖酸比有较为显著的影响（P＜0.05），酸的含量随着种植年限的延长呈现出先升高后降低的趋势，酿酒葡萄中糖酸比在0～5年时为19.6，而在＞22年的种植年限时达到了36.8。有研究表明，在一定范围内，含糖量越高，葡萄酒质量越好[24]，含糖量及糖酸比是酿酒葡萄成熟的重要标志，有研究表明含糖量超过170 g/kg才能酿造出较高品质的葡萄酒，合适的糖酸比应为32左右[1]，本试验区域采集的样品含糖量符合，部分种植年限＜20年的样品糖酸比较低。

葡萄中Zn、Mn、Cu、Fe、Pb、Cd、Cr、As、Hg元素含量主要来源于其产地环境。王志秀等[24]研究表明，贺兰山东麓葡萄种植区种植年限与土壤深度对土壤养分状况的影响较为强烈，土壤养分因子之间的关系极为密切，某一养分因子的变化会引起其他土壤养分的明显增减；刘亨桂等[25]研究指出，葡萄等水果果实中重金属含量在一定程度上与土壤中重金属含量正相关；也有研究发现，葡萄连作可引起土壤主要微生物生理类群数量减少，导致土壤肥力降低；土壤质地能显著影响酿酒葡萄的品质，砂粒含量越高，对应可溶性固形物、总酚和单宁含量越高，可滴定酸则越低[1，24]。也许种植年限影响了土壤肥力，从而造成了酿酒葡萄品质的变化。

表5 种植年限对酿酒葡萄品质的影响Table 5 Effect of planting years on the quality of wine grape

2.4 宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄营养指标主成分分析

主成分分析是利用原变量间较强相关性的特点，用少量指标反映大量指标所提供的大部分信息[26]。对酿酒葡萄中7种营养元素含量进行主成分分析，得到主成分的特征值、贡献率及累计贡献率见表6，主成分载荷矩阵见表7。由表6可知，特征值大于1共计2个主成分，第1主成分的方差贡献率为44.26%，第2主成分的方差贡献率为26.750%，这2个主成分的累计方差贡献率为70.996%，说明这2个主成分可以很好的反映原数据70.996%的信息。由表7可知，第1主成分和Fe、Zn高度正相关；第2主成分和糖酸比高度正相关，和酸高度负相关。因此把第1主成分解释为微量元素；第2主成分解释为糖和酸。可通过得分系数将各个变量进行线性组合，建立关于第1主成分（Y1）和第2主成分（Y2）与Zn（X1）、Mn（X2）、Cu（X3）、Fe（X4）、糖（X5）、酸（X6）和糖酸比（X7）的得分系数模型。Y1=0.319X1+0.283X2+0.310X3+0.356X4+0.072X5-0.013X6+0.049X7；Y2=0.037X1+0.006X2+0.024X3+0.093X4+0.343X5-0.376X6+0.419X7。因此，可筛选出Fe、Zn、糖和酸作为酿酒葡萄的特征指标。陈珂等[23]对粒质量、果皮质量、横纵径、硬度、可溶性固形物、可滴定酸、VC、总黄酮、可溶性蛋白等评价指标经主成分分析提取5个主成分为可溶性固形物、固酸比、可溶性蛋白、粒质量等，累计方差贡献率83.21%。

表6 各主成分的特征值及累积贡献率Table 6 Characteristic values and cumulative rate of each main component

表7 主成分载荷矩阵Table 7 Loading matrix of principal components

3 结论

通过对酿酒葡萄中重金属含量的检测分析，酿酒葡萄严控指标Cd、Pb、Cr、Hg、As 均不超标，贺兰山东麓酿酒葡萄质量安全。宁夏贺兰山东麓产区葡萄尚未受到外界环境的污染。酿酒葡萄中营养元素的含量大小依次是糖＞酸＞Fe＞Mn、Cu＞Zn，酿酒葡萄中不同指标间具有显著的相关关系；Zn、Mn、Cu、Fe相互间、酸和Zn、Mn和Cu均呈显著正相关（P＜0.05）；糖和酸呈显著负相关（P＜0.05）。糖、Zn、Mn、Cu、Fe、Pb、Cd、Cr、As、Hg含量不受种植年限的影响，种植年限对酿酒葡萄中的酸和糖酸比有较为显著的影响。通过主成分分析（PCA）筛选出Fe、Zn、糖和酸作为酿酒葡萄的特征指标。