葡萄酒中矿质元素的研究进展

赵遵乐，邹琴艳，吴帅，张岩，谭伟

（枣庄学院食品科学与制药工程学院，山东枣庄 277160）

葡萄是世界上广泛栽培的水果之一，其栽培面积和产量长期位居世界水果前列。据国际葡萄与葡萄酒组织（OIV）报道，2018 年全球葡萄种植面积740 万hm2，产量为7 780 万t[1]。全世界近70%的葡萄用于葡萄酒的酿造[2]。葡萄酒是一种饮用广泛的低酒精度饮料，由葡萄酿制而成，味甘醇美，营养丰富，并能防治多种疾病，正逐步成为受我国居民喜爱的饮料。葡萄酒中含有丰富的矿质元素，这些矿质元素一方面可以满足人体所需的生理功效，通过参与人体酶、激素、维生素的合成与转化，维持机体正常的能量转换和新陈代谢等[3-5]，如Ca、K、Na 等大量元素及Fe、Cu、Zn 等微量元素，同时也存在一些危害人体健康的重金属元素，如Cd、Pb 等[6-9]；另一方面，这些矿质元素也会影响葡萄酒的稳定性与品质。这些矿质元素主要来源于葡萄果实，是葡萄从土壤中吸收的[10]。葡萄酒中矿质元素的含量与种植葡萄的土壤中矿质元素的含量具有相关性[11]。因此，研究葡萄和葡萄酒中的主要矿质元素对于提高葡萄酒的品质及优化葡萄酒的口感有重要意义，也具有重要的商业价值和社会价值[2]。国外关于葡萄酒矿质元素的相关研究较早，而我国则在2000 年之后才有了较快的发展，本文就当前葡萄与葡萄酒中矿质元素的相关研究进行了总结，为我国葡萄酒产业的发展提供理论支持。

1 矿质元素对葡萄酒品质的影响

葡萄酒的品质取决于葡萄果实的质量和酿造工艺，其中Fe、Cu、Al、Pb、Na、Zn 等金属元素影响葡萄酒的稳定性，对葡萄酒稳定性影响最大的是Fe 和Cu，葡萄本身Fe 含量很少，葡萄酒中含有微量Fe 元素是正常的，Fe 含量过多则是由于酿造加工过程中与含Fe 物质接触被污染所致[12]。葡萄酒中二价铁被氧化成三价铁时，会与磷酸盐或单宁形成络合物引起葡萄酒的破败；Cu 和Al 的含量超过一定值时，葡萄酒便产生混浊，Cu 过量时还伴有红棕色物质析出；Na 过量则会对葡萄酒的风味产生不良影响[5]。

Cu 作为一种机体必需的金属元素，少量Cu 对机体有积极的作用。杜君等[13]研究了Cu 离子胁迫对葡萄汁中酿酒酵母的影响，发现Cu 胁迫影响酵母的存活率，还能显著影响酵母对还原糖的利用性能，进而影响CO2和酒精的产量。欧盟规定Cu 在葡萄酒发酵过程中应该控制在0.078 mmol/L 以内。Pb 是一种常见的重金属元素，也是葡萄酒品质的重要检测指标。葡萄酒中Pb 含量过高时，会降低葡萄酒的稳定性，还会损害人体的各个系统[12]。SO2作为一种防腐剂被广泛的应用于食品工业中。葡萄酒加工酿造过程使用SO2的目的在于抑制细菌的繁殖、防止氧化与变质。郭安鹊[14]研究发现Fe 和Cu 在葡萄酒非酶氧化褐变中起关键作用，以EDTA 配合SO2能有效防止葡萄酒的氧化褐变，而且能降低SO2在葡萄酒中的用量。

2 葡萄酒中矿质元素含量的影响因素

2.1 种植过程中引起的矿质元素差异

2.1.1 土壤条件所致的

（1）立地条件对葡萄果实矿质元素含量的影响

葡萄中的矿质元素主要是从土壤中吸收而得，所以土壤中矿质元素的种类和含量直接影响葡萄中矿质元素的种类和含量。克热曼·赛米等[15]研究了新疆阿图什不同类型土壤条件对木纳格葡萄初果期和盛果期果实品质和矿质元素的影响。结果表明，不同类型土壤栽培条件下不同树龄葡萄果实品质有一定的差异，不同土壤类型会使葡萄酒中的矿质元素种类及含量存在差异。所以在土壤的物理性状、水分和矿质营养的含量适宜时，果树根系才能生长良好、分布均匀，使其根系保持较强的吸收力和吸收面积，以保证葡萄树对土壤中矿质元素的吸收，从而获得优质果实[16]。刘霞等[17]采用火焰原子吸收光谱法测定了河西走廊张掖地区葡萄园土壤、赤霞珠葡萄和葡萄酒中的11 种元素，结果表明，河西走廊张掖地区土壤矿质元素丰富，葡萄对土壤中Ca、K、Mg 及Na 的吸收较好，土壤中的矿质元素与葡萄果实中的矿质元素呈正相关（P＜0.01），且土壤含有多种有助于葡萄果实发育的微量元素。

李记明等[18]研究了沙壤土和粘土两种质地的土壤对蛇龙珠葡萄果实和葡萄酒的影响，跟踪测定了成熟期葡萄果实的单果质量、矿质元素、总酚及总花色苷等，并分析了这两种类型土壤产出的葡萄所酿葡萄酒的理化指标和感官差异。研究表明，土壤类型对葡萄果实和葡萄酒品质有较大影响，沙壤土产的葡萄成熟期较早，果实糖分、果皮颜色物质比粘土产的葡萄果实含量较高，所酿葡萄酒颜色和香气较好。综合而言，沙壤土更适合葡萄的生长发育。

（2）产区对葡萄酒中矿质元素含量的影响

马艳[19]采用电感耦合等离子体质谱法对宁夏贺兰山东麓产区、四川产区、河北产区、山东产区的不同葡萄酿造的78 种葡萄酒中的16 种矿质元素含量进行了测定，结果表明，不同产区葡萄的特征矿质元素差异较大，可通过葡萄酒矿质元素含量产地差异性分辨出葡萄酒的不同产区。杨学威等[9]对湿法消解与直接稀释两种前处理方式进行比较，采用ICP-MS 测定了新疆和环渤海湾两个产区30 种葡萄酒中的26 种矿质元素，结果表明Ti、Cr、Cu、Rb、Ag、Sn、Ba 等元素含量基本相同。环渤海湾产区Be 为新疆产区的4 倍，而新疆产区Li 为环渤海湾产区的3 倍，同种元素的含量基本在同一数量级，但数值上差异明显，可为葡萄酒的产地鉴别提供依据。孙翔宇等[20]以我国四个主要葡萄产区的葡萄为样本，采用电感耦合等离子体质谱法测定铜含量，结果表明Cu 含量整体水平良好，四个产区中通化产区葡萄酒Cu 含量最高，其次为贺兰山东麓产区，河西走廊和怀涿盆地产区含量较少。贺兰山东麓产区样品Cu 含量分布比较集中，通化产区葡萄酒中Cu 含量分布呈现两极化，而怀涿盆地与河西走廊两个产区的Cu 含量分布较为平均，说明葡萄品种在同一产区不同酒庄中的表现是相似的，但受土壤条件等影响，在不同产地表现又有一定的区别。

由于生产中，葡萄中矿质元素主要从种植地的土壤中吸收，而葡萄酒中绝大部分矿质元素源自原料葡萄，在研究葡萄酒产地判别时，相较于葡萄酒中的其他成分具有一定的优势，因此是葡萄酒产区鉴别的有效因子，葡萄酒原产地鉴别在国内外已有大量研究。如Iglesias 等[21]采用ICP－AES 和ICP－MS 法测定了来自西班牙Catalonia原产地，名为Empordà-Costa Brava 的葡萄酒样品中宏量、微量和痕量元素的含量，并对数据进行分析以区分Empordà-Costa Brava 和西班牙其他葡萄酒原产地的葡萄酒。结果发现，由Sr 和Ba 这两种元素构成的判别方程对现有样品可能实现100%的原产地识别。Coetzee 等[22]采用ICP-MS 法测定南非西开普省3 个重要葡萄酒原产地（Stellenbosch，Robertson 和Swartland）40 个葡萄酒样品的40 种矿质元素含量，经过数据统计分析可以实现3个葡萄酒原产地的区分。结果发现其中20 种元素在3 个原产地间有显著的差异，并采用逐对判别分析法对葡萄酒进行了产地鉴别。此法对现有样品的识别准确率为100%。国内如韩深等[23-25]应用ICP-MS 法检测出了不同产地间元素含量存在显著性差异，表明了不同产区葡萄酒的矿质元素有明显的产区特异性，根据其特异性可初步区分葡萄的产地。张昂等[26]测定了贺兰山东麓、沙城、通化及云南红等4 个原产地80 个葡萄酒样品中的15 种矿质元素，逐步判别分析筛选出了Zr、Li、Sr、Cs、Mg 这5 个对产地判别起关键作用的指标，以此建立了判别模型，得出了不同原产地葡萄酒的回代和交叉检验的整体正确判别率分别为96.3%和98.8%。

2.1.2 葡萄品种对矿质元素的吸收差异

葡萄植株不同的生长发育期，不同器官对矿质元素的需量是不同的。叶片是整个植株上对土壤矿质营养反应最敏感的器官，它的矿质营养状况可以在一定程度上体现植株对土壤矿质元素的吸收利用状况[27]。

不同葡萄品种对矿质元素的吸收是有差异的。史祥宾等[28]在连续7 年里研究了巨峰葡萄在不同生育阶段对矿质元素的需求规律，结果表明萌芽期至始花期树体对N、P、K、Ca、Mg 等元素的需求量占全年需求量的比例（需求比率）均超过了11%，其中N 的需求比率最高，其次依次为K、Ca、Mg 和p。骆萌等[29]采用密闭式营养液循环供给系统栽培探究新疆吐鲁番地区4 年生无核白葡萄水分和矿质元素的周年吸收规律，每1 hm2对矿质元素的吸收量为Ca（341.8 kg）＞K（325.9 kg）＞N（227.9 kg）＞Mg（117.8 kg）＞P（22.9 kg）＞Fe（1.9 kg）＞B（728.3 g）＞Mn（460.6 g）＞Zn（198.1 g）＞Cu（182.3 g）。

2.1.3 施肥对葡萄中矿质元素的影响

在葡萄果实生长发育过程中，适时适量施肥对葡萄的生长及果浆品质具有重要作用。了解葡萄生长中的需肥特点，即可以提高养分利用率，同时也可以减少病虫害的发生[30]。

（1）水培法

霍格兰营养液是植物营养液最常用的一种配方，常用于葡萄种植中，有利于葡萄的繁殖和生长发育。但浓度过高或过低均不能使葡萄果实品质达到最优。使用合理的浓度处理葡萄植株，更有利于提高葡萄对矿质元素的吸收。

孙美等[31]研究不同浓度改良的霍格兰营养液对玫瑰香葡萄矿质元素含量的影响，发现较高浓度的营养液有利于葡萄果实中矿质元素积累，而微量元素在果实和叶片中含量变化规律不明显。刘爱玲[32]以霍格兰氏配方配置的营养液处理葡萄，发现葡萄中各矿质元素的含量与营养液的浓度成正比。张旭东[33]研究发现，早夏黑葡萄在5 种不同浓度霍格兰氏配方营养液处理下，高浓度营养液葡萄植株贪青旺长现象严重，在整个生长发育过程中，Ca 元素积累最多，其它矿质元素的含量变化规律不明显。

（2）叶面施肥法

叶面施肥以叶面吸收为目的，将葡萄植株所需养分直接喷施到叶面上，直接供给作物吸收，不需要经过土壤，避免了养分在土壤中固定或转化，因为不需要经过根系吸收、茎秆运输过程，所以一般叶面施肥吸收营养元素效果更好更快[34]。

刘迪等[35]用6 种微量元素和15 种稀土元素的混合液喷施葡萄叶片，通过ICP-MS 分析葡萄果实中矿质元素的吸收情况。结果发现Mo 含量增加最明显，Cu、Zn、Al在高浓度和多次喷施下有显著的增加，其它微量元素含量变化不明显，稀土元素含量呈现累积效应。田娟娟等[36]以赤霞珠等酿酒葡萄品种为试材，利用ICP-MS 分析施用艾佐迈对葡萄成熟叶片中10 种必需矿质元素的影响，结果表明艾佐迈施肥处理可以显著提高赤霞珠叶片中10 种矿质元素的含量，同时可以显著提高蛇龙珠叶片中大部分矿质元素的含量，而贵人香葡萄叶片中的矿质元素和稀土元素（除Mo 外）的含量则无显著性提高。宋长征[37]针对贺兰山东麓葡萄种植区土壤缺锌问题，对葡萄叶面分别于花前两周和花后两周喷施3 种不同浓度锌肥，结果发现，锌肥提高了成熟果实可溶性固形物、单宁、总酚、总类黄酮、总黄烷醇和花色苷的含量，同时降低了可滴定酸含量，有效改善了梅鹿辄葡萄果实的品质及酚类和香气物质。

（3）土壤施肥法

土壤施肥是根据土壤肥力水平、气候环境以及葡萄对各种营养元素的需要等选择合适肥料施于土壤中，从而增加葡萄对土壤中矿质元素的吸收量，进而提高葡萄果实的品质，增加产量。

秦嗣军[38]对双优山葡萄进行土壤施肥，发现叶柄内7种矿质元素含量的季节性含量变化与鲜食葡萄明显不同。经过施肥后双优山葡萄各矿质元素含量变化稳定，对于葡萄的生长发育有着重要影响。王海波等[39]以3 a 生藤稔葡萄品种嫁接苗为试材，土施硒肥，结果发现硒在果实中先积累到种子中，其次累积到果肉中，最后累积到果皮中。研究表明，施硒能够提高果实硒含量，一定浓度的硒肥还能增加果实的可溶性糖、VC 及可溶性固形物等营养物质含量，改善葡萄果实品质[39-40]。

2.2 葡萄酒的加工过程对葡萄酒矿质元素的影响

葡萄酒的酿造加工过程会对葡萄酒矿质元素的含量产生不同程度影响。李记明等[3]研究发现对葡萄进行机械处理，能使Fe 元素的含量有一定增加，其他元素的影响很小。姚路畅[41]利用小容器酿造法对霞多丽葡萄在-20 ℃冷冻处理以及未冷冻处理下进行酿酒试验。对葡萄酒理化指标分析得，冷冻处理后葡萄酒中一些微量元素含量明显高于未处理。Castiñeira 等[42]对德国5 个产区的5 种白葡萄酒酿造工艺过程中63 种元素（包括一些非金属元素和稀土元素）含量的变化进行了研究。发现一些元素在整个酿造工艺过程中含量几乎恒定不变；发酵前加入膨润土作为澄清剂，V 等元素含量保持恒定；发酵后加膨润土，Sr、Zn、Mn 等元素含量几乎不受影响。Catarino 等[43]研究了6 种膨润土的添加对葡萄酒矿质元素组成的影响，结果表明添加膨润土能使葡萄酒中Cu、Zn 和Rb 等元素的含量显著降低。

目前的研究已证实，葡萄酒酿造工艺中使用澄清剂及过滤助剂等，会造成酒液中一些稀土元素含量的升高，稀土元素含量过高，可能会对葡萄酒的稳定性产生影响。所以，OIV 已经制定了相关标准，限制膨润土等澄清剂的使用[44]。

3 葡萄和葡萄酒中矿质元素的检测

葡萄酒中矿质元素的测定一般采用原子吸收光谱法、等离子体原子发射光谱法、氢化物原子荧光法以及分光光度法等方法。但是原子吸收法在测定过程中受到较多因素的影响，往往导致检测结果的偏离[45]；而分光光度法需要将每个元素逐一分析，速度较慢。所以目前多采用电感耦合等离子体质谱-原子发射光谱、电感耦合等离子体发射光谱、电感耦合等离子体质谱等方法来检测，与前两种相比，这三种方法测量速度更快，灵敏度、精确度更高。

3.1 电感耦合等离子体质谱法

电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）是利用高温电离耦合等离子和质谱仪相结合，分析元素和同位素的一种方法[46-47]，主要测量物质中的微量元素[48]。ICP-MS具有灵敏度高、检出限低、抗干扰能力强、线性范围宽、谱线简单，可同时进行多元素分析的优点，可对70 多种元素进行分析，但是操作较为繁琐、仪器昂贵。

杨玉梅等[49]利用ICP-MS 快速检测了矿质元素含量很低的玫瑰蜜（Vitis viniferaL.Rose Honey）葡萄酒中的57 种矿质元素，检测的3 种葡萄单品均可检测到57 种元素，不同酒中各元素含量有着显著差异，表明这种方法检出限低，具有较高的准确度和回收率。芮玉奎等[50]采用ICP-MS 检测了4 种葡萄酒中各种重金属和微量元素，发现葡萄酒中含有丰富的人体所必需的元素，以Rb、Mn、Sr、Zn、Fe、Ba 等含量较高，其中大量元素有7 种，含量从高到低分别是K＞P＞Mg＞Ca＞Na＞Al≈Si；微量元素有29 种。张强等[51]建立了电热板湿法消解、ICP-MS 测定茶淀玫瑰香葡萄中多元素的分析方法，方法检出限为0.002 8～4.56 μg/L，同时利用该法发现汉沽两地葡萄园中的玫瑰香葡萄矿质元素含量和类型具有相似性，有明显的地域特征。这项研究为其原产地判定提供了基础数据，对快速发展农产品溯源技术有着重大意义。

3.2 电感耦合等离子体发射光谱法

电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）是利用高频感应电流产生的高温将反应气体加热、电离，选择元素发出的特征谱线进行测定，设备和操作费用较高，但具有速度快、检出限低、灵敏度高、干扰小、线性范围宽以及多元素同时检测等诸多优点，大大提高了工作效率，从而被广泛应用于分析测试领域[52]。

张燕等[52]利用微波消解仪消化葡萄酒，采用ICPOES 法测定其中的K、Na、Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Ba、P、Sr、Al、Sn 这12 种矿质元素，被测元素的相对标准偏差结果在0.2%～4.5%。对同种葡萄分别采用ICP-OES 法和国家标准规定检测方法检测所得结果基本一致。相比于滴定法和原子分光光度计法，ICP-OES 法不需要添加掩蔽剂，且准确度高，精密度好，并能同时测定多种元素等优点，而且利用微波消解、ICP-OES 所需样品量少，胡晓江[53]通过微波消解-ICP-OES 检测了葡萄酒中的Fe 和Cu，以了解和判断葡萄酒的褐变趋势。结果表明样品中Fe 和Cu 含量分别为3.26、0.226 mg/L，该方法加标回收率＞98%，RSD＜3.0%，方法最低检出限Fe 为0.03 mg/L、Cu 为0.02 mg/L，与国家标准GB/T15038 中规定的原子吸收法和分光光度法相比，具有明显的优越性，且简便、快速、精度高。

3.3 电感耦合等离子体-原子发射光谱法

电感耦合等离子体原子发射光谱法是以电感耦合等离子炬为激发光源的一类光谱分析方法。物质经过激发后发射的光谱强度与物质中元素的成分密切相关，故通过对物质的发射光谱分析，可以得到物质的化学成分[54]。该方法分析速度快，具有很好的检出限，分析的准确度和精密度较高，测定范围广，可同时测定样品中多种元素的含量。不足之处在于设备费用较高，操作复杂，样品需要预先转化为溶液（固体直接进样时精密度和准确度降低），对有些元素优势不明显[55]。

贾文庆等[56]采用浓硝酸-高氯酸（4：1）的混合溶液对红提葡萄叶片样品进行消解，采用电感耦合等离子体（ICP-AES）测定两种不同长势的叶片样品中Zn、Ca、Mn、Fe、B 等7 种矿质元素含量。测得回收率为97%～103%，Mn、B 在长势弱的叶片中比长势旺盛的含量高，而K、Mg、Zn、Fe 则相反，Ca 在两种不同生长势叶片中含量相似，该试验结果为葡萄的科学施肥提供了参考。夏拥军等[57]运用ICP-AES 法测定葡萄酒中Fe、Mn、Pb 和Cu 的含量，在预处理过程中采用水浴蒸干和微波灰化相结合的方法，减少了金属元素的损失，且大大提高了实际样品的检出限。其中Fe、Mn、Pb 和Cu 含量分别为6.512、1.320、0.051、0.368 mg/L，加标回收率为89.8%～102.6%，精密度为1.83%～4.96%，该法测定采用的分析试剂较为便宜、分析成本低、方法快速。

4 展望

随着时代发展和人们消费水平的提高，近几年葡萄酒产业发展迅速。矿质元素作为葡萄和葡萄酒的重要组成成分，对葡萄酒的口感及品质有很大的影响。一些矿质元素是人体所需要的，但有些如Cu、Fe 等会破坏葡萄酒的稳定性，使葡萄酒发生褐变，变得浑浊，使葡萄酒的味觉和色泽发生改变，从而导致葡萄酒的品质下降。目前可以采用ICP-OES、ICP-AES 和ICP-MS 等方法分析葡萄和葡萄酒中的矿质元素，三种方法具有检出限低、灵敏度高的特点，可用于多元素的测定。施肥、酿酒工艺及产区对葡萄酒中矿质元素含量都有不同影响，目前可以通过葡萄酒中矿质元素产地特异性进行葡萄酒原产地的初步鉴别。

我国葡萄酒产业发展还不够成熟，葡萄产地缺乏整体的规范和地域化，管理不规范，栽培技术不到位等现象较普遍，导致我国葡萄酒品质不高。而矿质元素的含量是影响葡萄酒品质的一个重要因素，我国在这方面的研究相对较少，尤其是葡萄酒中矿质元素与原产地的相关性。应加强这方面的研究，以提高葡萄酒的品质，保护葡萄酒的原产地。