葡萄酒中非生物代谢来源有害物质的研究进展

孙晓涵,张雪,石宝晖,张会宁,马雯,,4,5*

1(宁夏大学 农学院,宁夏 银川,750021)2(宁夏大学 食品与葡萄酒学院,宁夏 银川,750021) 3(福建蓝家渡酒庄有限公司,福建 龙岩,364201)4(葡萄与葡萄酒教育部工程研究中心,宁夏 银川,750021) 5(宁夏葡萄与葡萄酒工程技术中心,宁夏 银川,750021)

葡萄酒作为果酒的一种,是葡萄或葡萄汁在酿酒酵母的作用下经过酒精发酵形成的葡萄副产物。随着中国葡萄酒市场的不断扩大,葡萄酒这一产品也拥有了更多的消费者,人们也越来越重视葡萄酒的安全质量问题,开始更多关注葡萄酒生产过程中可能产生的有害物质尤其是非生物代谢来源的有害物质。这些物质往往产生于酿酒葡萄的种植、葡萄酒的酿造或陈酿过程,如种植期间喷洒的农药、使用的加工助剂以及后期加工设备带来的污染等,若没有全产业链的安全生产标准规范、参考标准以及防控措施就极易造成葡萄酒的质量安全问题。

葡萄酒中非生物代谢来源的有害物质超标不但会严重影响葡萄酒的品质,对香气、颜色、口感产生不良影响[1],还会危害人体健康。葡萄酒中常见的生物代谢来源有害产物有氨基甲酸乙酯、赭曲霉毒素A和生物胺等物质[2];非生物代谢有害产物主要包括抗农药残留、重金属污染和卤代芳香族有机物等。这些物质会对人体造成伤害,农药残留在人体内蓄积导致慢性中毒,还存在致畸、致癌、致突变等风险[3];重金属不仅危害葡萄的生长,也会随着在葡萄中的富集进入葡萄酒[4];卤代芳香族有机物很容易在葡萄酒的生产过程中出现[5]。

如果葡萄酒的品质不佳,消费者的健康难以保障,消费者就会丧失对产品的信任,从而造成客户流失、销量下降等负面影响,严重阻碍企业的生存与发展,甚至影响到国产葡萄酒品牌的树立以及迈向世界的步伐。世界卫生组织将葡萄酒中某些对人体健康存在严重危害的物质列为关键监测物,这些物质成为国际贸易中的关键技术因素。因此,从这些非生物代谢来源有害产物的来源、检测及防控措施方面总结阐释,有助于为预防控制葡萄酒中过量的非生物代谢来源的有害产物提供理论参考。本文详细阐述了农药残留、重金属和卤代芳香族有机物3种非生物代谢来源有害物质对葡萄酒质量和安全的影响,着重从它们的来源、危害、检测方法及防控措施4个方面进行了阐释。

1 农药残留

不易降解的农药施用后在土壤及作物的部分残留称为农药残留,其在生物体内积累,会导致中毒反应。

1.1 农药残留的来源及危害

葡萄酒中的农药残留污染主要来源于葡萄原料。葡萄种植过程中经常发生病虫害,为保证葡萄的品质和产量,在种植过程中,杀菌剂、杀虫剂、除草剂的使用通常不可避免。常用于葡萄病虫害防治的农药包括有机氯农药和有机磷农药。比如,用于防治霜霉病的有机氯农药百菌清,在植物表面具有良好的黏附性,不易被雨水冲刷,极易在植物表面残留[6],使用不合理易造成葡萄农药残留超标,如使用农药残留超标的葡萄原料酿造葡萄酒,残留农药就可能转移到葡萄酒中从而危害人体健康。

有机氯农药能在人体脂肪、组织器官中蓄积从而引发中毒[3],还具有致畸、致癌、致突变的能力。有机磷农药(如乐果)有神经毒素,可抑制胆碱酯酶活性,造成乙酰胆碱的过量蓄积,从而引起中枢神经中毒。这些农药会通过与葡萄表面接触以及根部和叶部吸收等途径残留在葡萄中,最终转移到葡萄酒中[7],但是国家相关标准并未对葡萄酒中的农药残留限量做出有关限定,仅对于葡萄中的农药残留限量做出了限定[GB 2763—2021 《食品安全国家标准 食品中农药最大残留限量》]。表1中是国家标准对葡萄农药残留限量规定,共涉及176种农药。OIV组织也未对葡萄酒中农药残留做出相关规定,但是在一些进口葡萄酒中检测到了部分农药残留[8]。研究发现,各种加工工艺都会影响葡萄酒中最终的农药残留度,大部分加工过程可降低农药残留,如一些水溶性较小的农药残留在澄清过滤过程中有所降低;但也存在某些农药母体在微生物作用下代谢为比自身毒性更大的产物,如三唑酮在酵母发酵过程代谢为三唑醇[9]。如若在种植过程中喷施不合理,极易造成葡萄中农残超标,这些农药残留及其代谢物最终通过饮用进入人体,在人体内蓄积对健康造成严重危害。

农药残留不但影响人体健康,还会抑制酵母菌等微生物的活性,从而抑制酒精发酵,影响香气物质的产生和色泽变化,进而对葡萄酒的品质造成不良影响[7, 10]。BRIZ-CID等[10]对经农药处理和未经农药处理的葡萄酿制的葡萄酒中酚类成分、颜色和香气变化进行了研究对比,发现在2013年的葡萄酒中,杀菌剂处理增加了葡萄酒中单体花色苷和黄烷-3-醇的含量,同时提高了亮度,但降低了成熟果香和新鲜果香。

1.2 农药残留的检测及去除方法

色谱法是国标中常用的农残的检测方法,具有操作简单、快速准确的优点。近年来,关于优化色谱检测方法的研究探索也在持续进行。崔宗岩等[11]采用固相微萃取-气相色谱-串联质谱法检测葡萄酒中的农残,通过优化萃取条件,使可检测目标农药达94种,检出限<10 μg/L,操作简单、快速。CASTRO等[12]采用超高效液相色谱-串联质谱,为50种化合物中48种提供了低于1 ng/mL的定量限,线性响应度高达200 ng/mL,快速、准确,适用于葡萄酒中农残的快速筛查检测。周春红等[13]用超高效液相色谱-质谱/质谱联用法对葡萄酒中41种农药残留进行检测,该方法前处理简单,线性良好,适于广泛应用。此外,还有一些关于传感器法[14-15]、免疫分析法[16-17]和快速离子迁移谱检测[18]等方法的研究。

减少农药残留可以从源头和加工过程两方面入手:一是从源头上,科学合理使用农药,减少农药的用量和使用频次,发展新型环保农药;培育抗病害品种,利用葡萄自身的防御体系抵御病虫害[3]。POZO-BAYN等[19]通过基因转移,将二苯乙烯合成酶DNA植入到葡萄砧木来增强其抗菌性。二是从加工过程中除去,包括去皮、澄清等。DOULIA等[20]研究了7种不同的澄清剂对红酒中农药的吸附效果:活性炭>明胶>蛋清>聚乙烯吡咯烷酮(PVPP)>酪蛋白>膨润土,发现农药疏水性越好,澄清效果越好,单一溶液中农药的去除效果最好。刘振宇等[21]研究了脉冲电场法对农药降解的作用,发现该方法能有效降解葡萄酒醪中的有机磷农药,为脉冲电场在葡萄酒加工中的应用提供了理论支撑和参考。

2 重金属污染

重金属分为必需重金属和非必需重金属,具有较高的原子序数和密度,不易分解,摄入过量会危害人体健康。

2.1 重金属的污染的来源及危害

葡萄酒中的金属污染可能来源于原料、酿造过程、贮存过程和销售过程等不同的阶段,工艺设备的质量及组成是影响成品中金属含量的关键[22]。原料中的金属可能来源于土壤,受化学农药、化肥使用和环境污染状况的影响;加工过程的处理、包装材料的质量以及葡萄酒中化学成分之间的相互作用对葡萄酒中的金属含量也有重要影响;此外,掺假也会带入一些不必要的金属[22]。表2是国家标准GB/T 15037—2006《葡萄酒》、GB 2762—2022《食品安全国家标准 食品中污染物限量》与OIV标准葡萄酒重金属污染物的限量值。

表1 葡萄中农药残留限量表Table 1 Limits of pesticide residues in grapes

表2 葡萄酒重金属污染物限量Table 2 Heavy metal contaminant limits for wine

金属浓度是影响葡萄酒消费和保存的一个重要参数,对葡萄酒的品质有着正面或负面影响。适量的金属浓度可以去除酒中的异味,过量则会影响葡萄酒的品质和健康[22]。所以葡萄酒中某些金属离子必须维持在一定的浓度水平。例如,酒精正常发酵需要低浓度的锌,而过量的铁、钙、铜和锰等会影响葡萄酒的口感、产生沉淀,例如铁过量会造成“蓝色破败病”或“白色破败病”[3]。并且,有害重金属在人体内摄入过量或累积会严重危害人体健康。例如铅会影响亚铁血红素的产生、伤害脑细胞,导致癌变和突变[3],对镉元素长期接触会对肾脏有损伤,还会引起骨质疏松等症状,如果是孕妇,还会对胎儿造成不良的围产期效应[23]。

2.2 重金属的检测及去除方法

原子吸收光谱法、原子发射光谱法、电感耦合等离子体发射光谱法和离子色谱是常用的金属分析方法[22],TUZEN等[24]采用色谱吸附剂108固相微萃取-火焰原子吸收光谱法测定葡萄酒中的金属离子,方便,成本低,较富集痕量金属离子的方法快速;色谱吸附剂108的再利用率高达200个循环以上;该方法的分析性能与其他预浓缩方法相当,且适用于大体积样本金属离子的富集,容易洗脱。此外,还有伏安法[25]、传感器法[26]和荧光法[27]等。

葡萄酒中金属离子的去除主要通过加工过程加入离子交换树脂、碳酸镁和碳酸钙等来降低某些金属离子的含量。PALACIOS等[28]研究了选择性离子交换树脂技术作为“蓝色澄清”技术的一种替代技术应用于去除雪莉酒中的金属离子,实验结果证明,离子交换技术比“蓝色澄清”技术稳定性好,更经济、更有效,可以大幅减少金属离子的含量,有利于品质的保持和加工方式的改进。BORNET等[29]研究发现真菌源壳聚糖、几丁质、几丁质葡聚糖和几丁质葡聚糖水解产物可以降低金属离子含量,并对其毒性进行了研究,为其在金属离子去除中的应用提供了理论支撑。此外,以下措施也可以减少金属含量合理选择葡萄园址,正确使用农药化肥,尽量选用有机肥,适当进行土壤改良;选用优质设备和包装,避免加工过程金属的混入;加强培训,增强生产者的安全责任意识等。

3 卤代芳香族有机物

芳香族有机物中一个或多个官能团被卤素原子取代而形成的新有机物就是卤代芳香族有机物,这些物质结构稳定,不易分解,可以通过日常接触进入人体,危害人的身体健康。

3.1 卤代芳香族有机物污染的来源和危害

葡萄酒中的卤代芳香族有机物污染经常是由生产过程的污染引起的,也可能由设备、添加剂、加工助剂引起。葡萄酒中卤代芳香族有机物污染主要为木材来源和水来源。木材来源主要是指卤代苯酚因其杀灭生物的性能而被广泛用作木材防腐剂,葡萄酒陈酿过程中所用的橡木桶或是其他木制品通常会使用卤代苯酚做防腐处理,所以卤代苯酚例如2,4,6-三氯苯酚(2,4,6-trichlorophenol,TCP)和TCP的溴化等价物2,4,6-三溴苯酚(2,4,6-tribromophenol,TBP)也是常见的污染物。除木材防腐作用外,软木塞漂白(即次氯酸盐洗涤)也是TCP的常见来源,但是目前多数软木塞制造商也已经不再采用这个方法。水来源主要是指葡萄酒生产用水所带来的卤代有机物。葡萄酒生产过程中的水,无论是直接接触的水,或是间接接触的水都必须是生活饮用水,这些水通常都需要进行消毒处理。氯化消毒法由于其效率高、成本低,已经广泛用于水的消毒中,然而氯化消毒法所用的消毒剂在消毒过程中会与水中有机物与Br-和I-等发生反应,从而形成一系列卤代消毒副产物(disinfection byproducts,DBPs)[30-31]。这些卤代消毒副产物有些已经被监管,而有些还未被监管。目前水中报道的卤代芳香族有卤代硝基酚、卤代酚、卤代羟基苯甲酸、卤代羟基苯甲醛和最近新发现的卤羟基苯甲腈等。在葡萄酒的生产过程中,木材和水源都是不可缺少的部分,如果木材和水源质量不达标,葡萄酒就极有可能发生卤代有机物物污染。

卤代有机物尤其是卤代芳香族有机物对人体危害极大,这些物质大部分可以被人体吸收并累积,引发膀胱癌[32],免疫功能障碍。这些物质很多都具有遗传毒性[5],还可能导致胎儿先天性心血管疾病[33-34]和小于胎龄儿出生的几率上升等。除引发疾病外,TCP这种卤代产物还可以作为三氯苯甲醚的前体[2],经过微生物甲基化作用后就可以转化为三氯苯甲醚污染葡萄酒的香气。

3.2 卤代芳香族有机物的检测和去除方法

卤代芳香族有机物的检测可以采用气相色谱-质谱法(GC-MS)、超高效液相色谱-串联三重四极杆质谱仪(UPLC-QqQ-MS/MS)等方法,其中越来越多DBPs被检测出,LI等[31]用磁性固相萃取与UHPLC-MS/MS结合的方式测得了水的消毒副产物中11种新兴的卤代芳香族有机物,FANG等[35]设计了一种基于银纳米棱镜改性的自调控荧光探针对DBPs进行检测等。除对水源的检测外,李昕颖[36]也直接对葡萄酒中的卤代芳香族有机物进行了检测,用顶空固相微萃取-气相色谱串联质谱(HS-SPME-GC-MS/MS)共检测出9种卤代苯甲醚与卤代苯酚。

卤代芳香族有机物主要是通过水源和木材进入葡萄酒,所以最有效的方式就是解决木材和水源的污染问题,木材目前主要靠自然降解,更好的方式是选择品质优良木材供应商。水源中去除方式包括使用生物炭进行吸附[37]和膜过滤[38],例如微滤、超滤、纳滤、反渗透等膜过滤方式,或是使用强氧化剂[39-40](例如臭氧、过氧化氢)等方式氧化处理。

4 结论与展望

尽管相关的检测技术和安全标准在不断完善与更新,但目前还是缺乏经济、简便、准确、及时高效的检测方法,不利于对葡萄酒中的有害物质进行及时精准的监测;同时国内缺乏相应的标准体系,规范不足加上生产者安全知识匮乏及利益至上的生产方式,使得葡萄酒的质量安全状况不容乐观,造成各生产企业产品良莠不齐。所以,葡萄酒中有害物质的检测及防控亟待得到重视和改善。基于此,本文主要对葡萄酒中常见的3种非生物代谢来源危害进行了阐释和归纳并提出了检测与预防措施(见表3),这些危害主要来源于原料、酿造和陈酿过程。防控危害也应从葡萄园管理出发,严格把控原料品质,严格控制整个酿造和陈酿过程;并加快完善葡萄酒相关的限量标准及检测技术,为葡萄酒质量安全的全产业链防治提供较为系统、全面的标准规范和技术支持,以酿造出优质健康的葡萄酒,推动我国葡萄酒产业长足健康发展。

表3 葡萄酒中非生物代谢来源有害物质的 来源及检测方法Table 3 Sources of chemically harmful substances in wine and methods of detection