六类蒸馏酒中16种无机元素的测定及主成分分析

范 涛，谢正敏 *，安明哲，魏金萍，黄 箭，张 倩

（1.宜宾五粮液股份有限公司，四川 宜宾 644000；2.中国轻工业浓香型白酒固态发酵重点实验室，四川 宜宾 644000）

中国白酒与朗姆酒、威士忌、金酒、伏特加和白兰地被称为世界六大蒸馏酒，具有悠久的历史和独特的酿造技艺，在食品工业和国民经济中占有重要地位[1]。近年来随着生活水平的提高，消费者的需求也越来越多元化。除了中国白酒，威士忌、金酒、朗姆酒、伏特加和白兰地等不同类型的酒精饮料也受到众多消费者的喜爱[2]。因此，不同蒸馏酒的品质也越来越受到更多关注。其中，蒸馏酒中的各种微量元素不仅影响着其品质，还影响着人们的健康[3-4]。有研究表明，过量摄入金属元素与氧化损伤、慢性炎症疾病、癌症以及过早衰老有关[5]。如过量吸收镍（Ni）会导致其在肾脏、骨骼和甲状腺中积累，从而导致毒性引起各种疾病[6]。GENCHI G等[7]研究表明，过量摄入镉（Cd）会导致乳腺癌等多种癌症的发生。另一方面，钠（Na）、钾（K）、镁（Mg）、铜（Cu）和铁（Fe）等离子含量过高也会导致酒的品质变差，甚至出现金属味[8-9]。因此，蒸馏酒中各种无机元素的检测和分析对于确保其品质以及饮用安全尤为重要。

目前，多种元素分析技术已被广泛用于食品行业中的元素分析，包括原子吸收光谱法（atomic absorption spectroscopy，AAS）、原子发射光谱法（atomic emission spectrometry，AES）、电感耦合等离子发射光谱（inductively coupled plasma optical emission spectrometer，ICP-OES）、电感耦合等离子体质谱法（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）[10-13]等。其中，ICP-MS由于其测定方法操作简单、速度较快、准确度较高、检出限低等优势[14-16]被广泛用于环境、食品等检测中。如PASVANKA K等[17]利用ICP-MS测定不同葡萄酒中的Na、Mg、磷（P）、K等共44种元素，结合偏最小二乘判别分析（partial least-squares discrimination analysis，PLS-DA）将不同地区和品种的葡萄酒进行区分。卓俊纳等[18]利用ICP-MS测定不同品牌酱香型白酒中16种金属元素，通过聚类分析和偏最小二乘判别分析等将不同品牌酱香型白酒进行区分，同时利用偏最小二乘判别分析结合变量重要性投影（variable importance projection，VIP）值建立验证模型，发现Na、钙（Ca）、铝（Al）、K等是造成不同品牌酱香型白酒差异性的主要无机元素。郭金喜等[19]利用电感耦合等离子体串联质谱（ICP-MS/MS）对3种新疆黑枸杞红酒中的22种微量元素进行检测，结合主成分分析（principal component analysis，PCA）法提取其中5种成分来评判新疆黑枸杞红酒中微量元素的分布。

主成分分析法作为一种降维的统计方法，可以将多个原始变量抽取和压缩成能代表原始变量信息大量信息的少数综合指标，并保持数据集对方差贡献最大的特征，从而充分反映总体特征[20]。许多食品的地理保护，产地溯源等均采用该方法进行[19]。本研究利用微波消解法处理六类共36种国内外蒸馏酒样品，并利用ICP-MS法测定其中的Na、Mg、Al、K、Ca、Fe、锂（Li）、硼（B）、钛（Ti）、铬（Cr）、锰（Mn）、Cu、锶（Sr）、钡（Ba）、铅（Pb）、Ni 16种无机元素，对检测结果进行主成分分析，确定六类蒸馏酒中的特征元素，旨在为六类蒸馏酒中无机元素的分析提供科学方法，以及为防伪鉴定和质量控制等方面提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

Na、Mg、Al、K、Ca、Fe、Li、B、Ti、Cr、Mn、Cu、Sr、Ba、Pb、Ni、Rh、Tl单元素离子标准储备液（1 000 mg/L）：国家有色金属及电子材料分析测试中心；标准调谐液Tune A：美国Thermo-Fisher公司；体积分数65%硝酸：德国Sigma-Aldrich公司；实验室用水均为超纯水；所有容器以及聚四氟乙烯消解罐均用体积分数10%硝酸浸泡24 h以上，依次用自来水和超纯水反复冲洗后使用。

白兰地（BLD）（5种）、朗姆酒（LM）（3种）、威士忌（WSJ）（7种）、金酒（JJ）（4种）、浓香型白酒（12种）、伏特加（FTJ）（5种）蒸馏酒样品：市售。

1.2 仪器与设备

X-Series2系列电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）仪：美国Thermo Fisher公司；Mili-Q 超纯水处理机：美国Millipore公司；MARS6微波消解仪：美国CEM公司；HWS26型电热恒温水浴锅：上海一恒科技有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 样品处理

根据前期研究，采用微波消解法对酒样进行预处理[21]。取蒸馏酒均匀样品5 mL于50 mL烧杯中，65 ℃水浴锅中蒸至液体仅剩2 mL左右，转移至聚四氟乙烯消解罐中，并用超纯水多次少量反复冲洗烧杯，转移至聚四氟乙烯消解罐中，加入5 mL硝酸，140 ℃加热1 h进行预消解，随后按照微波消解仪标准操作步骤消解。微波消解程序如下：第一步，温度120 ℃，爬升时间5 min，保持时间5 min；第二步，温度150 ℃，爬升时间5 min，保持时间10 min；第三步，温度180 ℃，爬升时间5 min，保持时间20 min。消解完成后140 ℃赶酸至液体只剩下2 mL，转移至100 mL容量瓶定容。

1.3.2 检测方法

ICP-MS测定样品前使用10 μg/L调谐液对仪器进行调谐，使仪器各参数条件达到最佳。通过内标混合T型接头在所有上机测试样品中在线加入5 μg/L的Rh和Tl混合元素作为内标。由于不同元素浓度的差异比较大，因此将Na、Mg、Al、K、Ca、Fe配制成一组混标，标准溶液质量浓度梯度分别为0、100μg/L、200μg/L、300μg/L、400μg/L、600μg/L；Li、B、Ti、Cr、Mn、Cu、Sr、Ba、Pb、Ni配制成一组混标，标准溶液质量浓度梯度分别为0、1 μg/L、4 μg/L、7 μg/L、10 μg/L、15 μg/L、20 μg/L。

ICP-MS工作参数：射频功率1 400 W；辅助气流量：0.69L/min；冷却气流量：13.02L/min；雾化器流量：0.88L/min；碰撞/反应池系统碰撞气成分：氢气（H2）7%、氦气（He）93%；碰撞/反应池系统碰撞气流量：5.95 mL/min；蠕动泵转速：25 r/min；扫描模式：Main-Peak jump；采样深度：100 step。

1.3.3 数据处理

利用Excel 2013进行数据整理，SPSS 22.0对数据进行主成分分析和Kruskal-Wallis秩和检验分析不同酒样之间元素之间的差异性，GraphPad Prism进行画图分析。

2 结果与分析

2.1 标准曲线与检出限

分别将本研究中涉及的16种无机元素按上述质量浓度配制混合标准溶液后，按所建立的分析方法对相应元素进行测定并绘制标准曲线。以连续测定空白溶液6次的3倍标准偏差所对应的浓度为各元素的检出限，10倍标准偏差所对应的浓度为定量限，结果见表1。

表1 16种无机元素分析的线性回归方程、线性相关系数、检出限和定量限Table 1 Linear regression equation,linear correlation coefficient,detection limits and quantitative limits of 16 inorganic elements

续表

由表1可知，ICP-MS测得的16种无机元素制作的标准曲线线性相关系数（R2）为0.999 4～0.999 9，检出限为0.009～0.585 μg/L，定量限为0.03～1.95 μg/L，表明该方法线性关系好，检出限低。

2.2 分析方法的准确度与精密度

为保证方法准确性，利用所建立的ICP-MS检测方法对酒样进行加标回收实验。分别对相应样品进行6次平行测定，计算回收率以及相对标准偏差（relative standard deviation，RSD），结果见表2。由表2可知，样品中16种无机元素加标回收率在87.70%～109.60%，表明该方法的准确度适用于样品检测；RSD≤5.76%，表明该方法的准确性高，精密度好，满足进行样品检测的要求。

表2 分析方法的准确度与精密度试验结果Table 2 Accuracy and precision tests results of analytical methods

2.3 六类蒸馏酒中无机元素含量分析

测定了市售36种蒸馏酒样品中16种无机元素的含量，结果见图1和表3。由图1和表3可知，不同类型的蒸馏酒含有的无机元素含量有差异。16种无机元素中Na或K的含量相对其他元素含量较高，其余的一些金属元素Mn、Ni、Pb、Cu、Fe、Cr的含量远低于我国国家标准GB 2757—2012《食品安全国家标准蒸馏酒及其配制酒》、GB 23545—2009《白酒中锰的测定电感耦合等离子体原子发射光谱法》和GB 2762—2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》中以及相关国外的参考限量值[5]。白兰地中16种无机元素平均含量大小依次为：K＞Na＞Ca＞Cu＞Mg＞Fe＞B＞Al＞Mn＞Ba＞Ti＞Sr＞Pb＞Cr＞Li＞Ni；朗姆酒中16种无机元素平均含量大小依次为：Na＞K＞Ca＞Fe＞Mg＞Al＞Cu＞B＞Ti＞Mn＞Ba＞Sr＞Cr＞Ni＞Pb＞Li；威士忌中16种无机元素平均含量大小依次为：K＞Na＞Ca＞Mg＞Cu＞Fe＞B＞Ti＞Al＞Mn＞Ba＞Sr＞Pb＞Li＞Ni＞Cr；金酒中16种无机元素平均含量大小依次为：Na＞Ca＞K＞Mg＞Al＞Fe＞Cu＞Ti＞Ba＞B＞Sr＞Cr＞Pb＞Mn＞Ni＞Li；浓香型白酒中16种无机元素平均含量大小依次为：Na＞Ca＞Al＞K＞Mg＞Fe＞Cu＞B＞Ti＞Mn＞Sr＞Li＞Cr＞Ni＞Ba＞Pb；伏特加中16种无机元素平均含量大小依次为：Na＞Ca＞Mg＞K＞Al＞Fe＞B＞Sr＞Ti＞Pb＞Cu＞Ba＞Mn＞Li＞Ni＞Cr。

表3 36种蒸馏酒样品中16种无机元素含量范围Table 3 Concentration range of 16 kinds of inorganic elements in 36 spirits samples μg/L

图1 蒸馏酒中16种无机元素的相对含量Fig.1 Relative contents of 16 kinds of inorganic elements in spirits

通过Kruskal-Wallis 秩和检验对不同蒸馏酒元素之间比较分析发现（图2），白兰地与白酒在Al、Li、Ti、Pb元素含量之间存在显著性差异（P＜0.05），与威士忌在Ti元素含量之间存在极显著差异（P＜0.01），与金酒在Mn和Cu元素之间存在显著性差异（P＜0.05），与伏特加在K、Mn、Cu和Ba元素之间差异性显著（P＜0.05）；朗姆酒仅与金酒在Fe元素之间存在显著性差异（P＜0.05）；威士忌与金酒在K、B、Cu元素之间差异性显著（P＜0.05），与白酒在K、Cr、Al、B元素之间同样存在显著性差异（P＜0.05），与伏特加之间仅有K、Mn和Cu元素之间存在显著性差异（P＜0.05）；金酒与浓香型白酒在Fe、Li、Sr和Ni元素之间差异性显著（P＜0.05）；浓香型白酒与伏特加在Ca、Li、Cr和Ni元素之间差异性显著（P＜0.05）。造成这些蒸馏酒不同元素之间差异的原因有很多，主要包括酿造原料、生产设备以及储存容器等[9，18，22-23]。本研究中所涉及到的六类蒸馏酒酿制原料包括各种谷类粮食以及甘蔗薯类等，而在酿酒过程中，酿酒原料（粮食、水等）的元素也会进入酒体中，因此会造成不同酒体中无机元素的差异。另外生产过程中各种类型的酒会接触各种各样的生产设备，设备中的一些元素也会随之进入酒体导致差异。白兰地、威士忌酿制完成后存放于橡木桶中老熟，而白酒存放于不锈钢罐、陶坛罐或陶瓷器具等[18，24-25]，不同的储存容器将会导致进入酒体的元素之间形成差异。因此未来需通过测量大量相应的样品，以便获得更为全面的信息用以确认不同类型蒸馏酒的无机元素含量之间的特征。

图2 不同蒸馏酒16种无机元素之间Kruskal-Wallis秩和检验结果Fig.2 Results of Kruskal-Wallis rank sum test among 16 kinds of inorganic elements in different spirits

2.4 主成分分析

2.4.1 适用性检验

主成分分析法通过降维提取少数几个指标来代表大多数变量信息，这种分析方法最大的特点是损失很少的信息[26-27]。为了验证本研究中36种蒸馏酒的16种无机元素含量是否适合主成分分析，利用SPSS 22软件将原始数据进行Z-score标准化处理，得到新的原始数据采用KOM检验法和Bartlett球体检验法进行因子分析的适用性检验。通过分析，结果显示KOM值等于0.624，说明指标之间存在一定的相关性。Bartlett球体检验结果为384.406，Sig值为0.000，表明拒绝相关系数是单位阵，即各个指标是相关的。两项检验结果都表明该数据适合因子分析法。

2.4.2 无机元素的正态分布检验

利用SPSS 22.0软件对16种无机元素进行K-S检验，检验其正态性分布。分析结果显示，Na、Mg、Al、K、Ca、Fe、Li、B、Ti、Cr、Mn、Cu、Sr、Ba、Pb、Ni的显著性（双侧）P值分别为0.249、0.149、0.302、0.280、0.225、0.152、0.273、0.228、0.141、0.163、0.174、0.282、0.291、0.321、0.186、0.200，均大于显著水平α=0.05，表明36种蒸馏酒中的16种无机元素的含量数据均服从正态分布。

2.4.3 无机元素的相关性分析

利用相关系数矩阵对数据进行分析，结果见表4。由表4可知，16种无机元素之间大部分显著相关（P＜0.05），少数处于极显著相关（P＜0.01），表明蒸馏酒中无机元素之间相关性较强，可以用主成分分析法对其进行处理。

表4 16种无机元素间的相关性矩阵Table 4 Correlation matrix of 16 kinds of inorganic elements

2.4.4 无机元素的因子分析

采用主成分分析法提取公因子，进行因子分析，根据特征值选取大于1的确定主成分个数，结果见表5。由表5可知，当主成分个数达到5时，累计方差贡献率达到78.865%，包含了16种元素的大部分信息，说明前5个因子具有代表总体的特征而又有一定的区别性，因此本实验选取前5个主成分评判蒸馏酒中的无机元素的分布。

表5 主成分分析特征值和总体方差描述Table 5 Eigenvalue and population variance description of principal component analysis

通过SPSS 22计算出主成分初始因子载荷矩阵，由表6可得第一因子F1、第二因子F2、第三因子F3、第四因子F4和第五因子F5的因子得分模型，分别为：

表6 初始因子载荷矩阵Table 6 Loading matrix of initial factors

由表6可知，第一因子F1在XLi和XNi处有较高的载荷值，与对应的Li和Ni呈高度正相关；第二因子F2在XB和XMn处载荷值较高，与对应的B和Mn呈高度正相关；第三因子F3在XSr处载荷值较高，与对应的Sr呈负相关；第四因子F4在XNa处有较高的载荷值，与对应的Na呈高度正相关；第五因子F5在XBa处载荷值较高，与对应的Ba呈高度正相关。由于第一因子F1和第二因子F2对方差的总的贡献率达到51.804%，因此其所对应的Li、Ni、B和Mn可作为本研究中六类蒸馏酒的特征元素。

3 结论

本实验以微波消解法对六类蒸馏酒进行前处理，利用ICP-MS检测Na、Mg、Al、K、Ca、Fe、Li、B、Ti、Cr、Mn、Cu、Sr、Ba、Pb、Ni等16种无机元素含量。各元素的检出限为0.009～0.585 μg/L，相对标准偏差RSD≤5.67%，加标回收率在87.70%～109.60%，检测方法的精密度和准确性高，能够满足实际样品分析要求。本研究中检测的Mn、Ni、Pb、Cu、Fe、Cr元素含量均低于现有的相应标准及国外相关的参考限量值。由于不同类型蒸馏酒酿造原料、工艺、贮存容器等方面的差异，除Na和Mg外，其余元素在不同酒样中均有显著性差异（P＜0.05），未来仍需通过测定更多的样品以获得更为全面的信息并确认不同类型蒸馏酒无机元素含量差异特征。大部分无机元素之间具有显著相关性，通过SPSS 22.0对16种无机元素含量进行主成分分析，提取了5个主成分因子来评判国内外蒸馏酒中无机元素的分布，确定了Li、Ni、B和Mn为蒸馏酒中的特征元素。同时，本研究为六类蒸馏酒的质量控制、防伪鉴别等方面提供一定的参考。