河西走廊張掖地區(qū)土壤、葡萄及葡萄酒礦質(zhì)元素特征分析

劉 霞，李彩霞，焦 揚*

（河西學(xué)院 農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，甘肅 張掖 734000）

葡萄酒營養(yǎng)豐富，包含多種維生素、酚類物質(zhì)及礦物質(zhì)。葡萄園中土壤類型千變?nèi)f化，使得葡萄和葡萄酒中的礦質(zhì)元素含量和種類也截然不同，這也是研究葡萄酒中礦質(zhì)元素和產(chǎn)地特征相關(guān)性的依據(jù)所在[1-3]。葡萄酒中礦質(zhì)元素大部分來源于葡萄原料，而葡萄原料中的礦質(zhì)元素是由根系從土壤中吸收的，不同產(chǎn)區(qū)具備不同的地質(zhì)條件，因而具備不同的礦質(zhì)元素特征，這就導(dǎo)致產(chǎn)區(qū)礦質(zhì)元素特征具備一定的指紋效應(yīng)，通過指紋特征就可以鑒定不同產(chǎn)區(qū)葡萄酒并有效保障產(chǎn)區(qū)風(fēng)格和品質(zhì)[4-7]。近年來，很多學(xué)者開始研究葡萄酒中的礦質(zhì)元素與其產(chǎn)地相關(guān)性，已經(jīng)鑒別出了用來描述和區(qū)別不同原產(chǎn)地葡萄與葡萄酒特征的礦質(zhì)元素[8-11]，且已證實此鑒別方法具很高的準(zhǔn)確率[12-13]，加強和完善了葡萄酒原產(chǎn)地保護和地理標(biāo)志鑒定的效果[14-15]。

我國葡萄酒原產(chǎn)地保護工作起步較晚，截止目前只是對昌黎、賀蘭山東麓、煙臺等幾個地理標(biāo)志產(chǎn)品在宏觀方面做了產(chǎn)地范圍和產(chǎn)品質(zhì)量要求的規(guī)定，而對于不同產(chǎn)地鑒別體系的探索還嚴重不足[3]，這就會導(dǎo)致葡萄酒無法溯源以及假冒偽劣葡萄酒的有機可乘。我國河西走廊有悠久的葡萄種植歷史和良好的葡萄種植氣候條件，有望成為我國最具代表性的葡萄酒產(chǎn)區(qū)之一。作為河西走廊重要組成的子產(chǎn)區(qū)——張掖地區(qū)，多年來一直是優(yōu)質(zhì)葡萄原料的主要貢獻者，尤其是赤霞珠（Cabernet Sauvignon）和梅洛（Merlot），它們是當(dāng)?shù)胤N植量最大的釀酒葡萄品種，表現(xiàn)優(yōu)良、品質(zhì)極佳。

本研究以河西走廊張掖地區(qū)赤霞珠葡萄（葡萄汁、葡萄籽、葡萄皮、葡萄果梗）、葡萄園土樣以及赤霞珠葡萄酒為試材，通過石墨爐/火焰原子吸收光譜（flame-atomic ab-sorption spectrometry，F(xiàn)AAS）法測定各樣品中鐵（Fe）、鎘（Cd）、鈉（Na）、鉀（K）、鋅（Zn）、錳（Mn）、鎂（Mg）、鉛（Pb）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鈣（Ca）共11種礦質(zhì)元素的含量。分析赤霞珠葡萄園、葡萄果實以及葡萄酒中礦質(zhì)元素的含量特征及其相關(guān)性，以揭示河西走廊張掖產(chǎn)區(qū)赤霞珠葡萄原料和葡萄酒的元素特征，為基于礦質(zhì)元素的河西走廊產(chǎn)區(qū)葡萄及葡萄酒產(chǎn)品的鑒別研究及地理標(biāo)志奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

赤霞珠（Cabernet Sauvignon）葡萄（平均粒質(zhì)量1.78 g，果粒近圓形，藍黑色，可溶性固形物含量28%）、土壤樣品：張掖地區(qū)板橋莊園；同批次赤霞珠原酒：張掖國風(fēng)酒業(yè)有限公司。

鹽酸、硝酸（均為分析純）：白銀良友化學(xué)試劑有限公司；K、Na、Ca、Mg單元素標(biāo)準(zhǔn)液（1 000 g/mL）：國家有色金屬及電子材料分析測試中心；無機元素混合溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW（E）081531）：中國計量科學(xué)研究院。試驗所用水均為重蒸水。

1.2 儀器與設(shè)備

SP-3520AAPC-8火焰原子吸收分光光度計：上海光譜儀器有限公司；KND-08消化爐：上海新嘉電子有限公司；JH502電子天平：上海精密科學(xué)儀器有限公司；SZ-97A玻璃蒸餾水器：上海亞榮生化儀器廠；KQ-250DE數(shù)控超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品的采集及前處理

（1）土壤的采集及前處理

土壤采集：選取張掖臨澤縣板橋鎮(zhèn)產(chǎn)區(qū)的板橋葡萄莊園，在2016年葡萄采摘前，選擇樹體產(chǎn)量具有代表性的地段，在葡萄根系主要分布區(qū)取土，深度0～60 cm，每塊地隨機選取5個點取樣，將全部土樣均勻混合后采用四分法從中選取1 kg的土樣，裝入潔凈的塑料袋內(nèi)。

土壤前處理：首先將土壤樣品放在通風(fēng)避光的環(huán)境中自然風(fēng)干，完全風(fēng)干后用木棒錘細，揀出摻雜在內(nèi)的碎石、樹根等雜物，然后過20目篩混勻，再取100 g樣品用研缽細磨，全部過100目篩，混勻裝袋分析備用[1]。

（2）葡萄果實的采集及前處理

對應(yīng)土壤樣品位點，在葡萄植株的不同位置采集果粒用于檢測。

葡萄前處理：將果實不同器官分離出來，放入烘箱內(nèi)烘干，然后將烘干后的皮、籽、果梗、果肉進行粉碎，裝袋分析備用。

（3）酒樣的準(zhǔn)備

準(zhǔn)備與樣品同一批次赤霞珠葡萄原料的次年葡萄原酒。

1.3.2 試驗方法

（1）土壤樣品的消解

準(zhǔn)確稱取樣品0.5 g，放入聚四氟乙烯坩堝中，用水濕潤后，加入10 mL鹽酸，于通風(fēng)櫥內(nèi)電熱板上（110℃）加熱，當(dāng)蒸發(fā)至約剩3 mL時，取下稍冷。加入5 mL硝酸，加熱（180℃）15 min后，依次加入5 mL氫氟酸和3 mL高氯酸，加蓋后于電熱板上加熱（220℃）1 h左右，然后開蓋，繼續(xù)加熱除硅，為了達到良好的除硅效果，應(yīng)20～30 min搖動一次坩堝。當(dāng)加熱至冒濃厚白煙時，加蓋分解黑色有機碳化物。待坩堝壁上的黑色有機物消失后，開蓋，驅(qū)趕白煙并蒸至黏稠狀[16]。當(dāng)樣品消解液呈現(xiàn)白色或淡黃色的黏稠物的時候加入2%硝酸溶解殘渣，再用超純水沖洗坩堝蓋以及坩堝內(nèi)壁，最后放在電熱板上加熱至微沸，冷卻后將溶液過濾轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中，超純水定容，定容后轉(zhuǎn)移至塑料試劑瓶中，過濾后備測。

（2）葡萄及葡萄酒樣品的消解

準(zhǔn)確稱取樣品2.0 g，放入聚四氟乙烯坩堝中，加入8 mL濃硝酸和2 mL高氯酸，蓋上坩堝蓋，常溫下靜置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，打開坩堝蓋，溫度設(shè)定為130℃。待沒有濃煙冒出時（坩堝中液體1 mL左右）向坩堝中加入2%硝酸，溶解殘渣，過濾轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中，超純水定容，定容后轉(zhuǎn)移至塑料試劑瓶中，過濾后待測。

（3）樣品的上機檢測

處理后樣品的上機測定參數(shù)按照表1所設(shè)置。

表1 火焰原子吸收分光光度計檢測條件Table 1 Detection conditions of the flame atomic absorption spectrophotometer

1.3.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計

本次試驗所有數(shù)據(jù)由Microsoft Excel 2010處理并由IBM SPSS Statistics22.0進行統(tǒng)計與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 葡萄園土壤中礦質(zhì)元素含量比較

對張掖臨澤縣板橋鎮(zhèn)產(chǎn)區(qū)的板橋葡萄園土壤中K、Ca、Mg、Fe、Cu、Zn、Mn、Ni、Pb、Cd 11種金屬元素進行測定，測定結(jié)果如表2所示。

表2 土壤中礦質(zhì)元素含量檢測結(jié)果Table 2 Determination results of mineral elements contents in soil

由表2可知，上述11種礦質(zhì)元素在張掖板橋赤霞珠葡萄園中均有存在，但其含量存在明顯差異，其中Ca元素的含量最高，為161.50 g/kg，而較高的Ca含量有利于提高葡萄結(jié)果數(shù)和穗質(zhì)量，且能夠降低葡萄裂果率，改善葡萄果實品質(zhì)[18]；其次為Na、Fe和K元素，含量依次為45.72 g/kg、23.27 g/kg和9.98 g/kg。而具備潛在毒性或不穩(wěn)定性Pb、Cu、Zn和Cd元素在該地區(qū)土壤中的含量較低，可以避免其被植株大量吸收而進入酒中所造成的不穩(wěn)定性和不安全的隱患[19]。Mg和Mn的含量依次為2.02 g/kg和1.32 g/kg，Mg是葡萄正常發(fā)育和提高葡萄果實品質(zhì)必備的礦質(zhì)元素之一，參與植株光合作用的進行[20]，而Mn元素是葡萄果實發(fā)育、漿果成熟度和色澤保障的重要因素[21]。因此，從礦質(zhì)元素的組成來看，該地區(qū)葡萄園礦質(zhì)元素豐富且合理，Ca、Na、Fe和K元素可以作為產(chǎn)區(qū)土壤標(biāo)志元素群使用。

2.2 葡萄各部位中礦質(zhì)元素含量比較

不同的土壤條件會賦予葡萄原料不同的礦質(zhì)元素組成特征。對板橋葡萄園赤霞珠葡萄各部位中的礦質(zhì)元素進行了測定與分析，結(jié)果如表3所示。

表3 赤霞珠不同部位金屬元素含量檢測結(jié)果Table 3 Determination results of metallic elements contents in different parts of Cabernet Sauvignonmg/kg

由表3可知，該地區(qū)赤霞珠葡萄的各部位中，含量最多的礦質(zhì)元素均為K和Ca，其次為Mg和Na。具體對果實各部位相比較而言，K在果梗和果皮中的含量最高，分別為30 097.95 mg/kg和23 030.39 mg/kg；Ca在果梗和種子中的含量最高，分別為12 086.32 mg/kg和8 498.87 mg/kg；而果肉中各種礦質(zhì)元素的含量均較低，K、Ca、Mg和Na的含量依次為3 155.74 mg/kg、245.80 mg/kg、106.33 mg/kg以及52.82 mg/kg，說明果肉部分對土壤礦質(zhì)元素的吸收和儲存能力較差。此外，和土壤中的礦質(zhì)元素含量相比較發(fā)現(xiàn)，赤霞珠葡萄對土壤中豐富存在的Ca元素吸收較好，但對同樣含量豐富的Na和Fe的吸收能力不及對K和Mg的吸收能力，因此土壤中Na和Fe的含量高低與赤霞珠葡萄原料中這兩種元素的含量之間無直接關(guān)聯(lián)。結(jié)果表明，赤霞珠葡萄不同組織結(jié)構(gòu)對于不同礦質(zhì)元素的吸收和儲存情況具有明顯差異性，總體而言可篩選K和Ca為該產(chǎn)區(qū)特征元素進行產(chǎn)區(qū)赤霞珠原料鑒別。

2.3 葡萄酒中礦質(zhì)元素含量比較

浸漬作用是葡萄汁對葡萄皮的浸泡過程，是干紅葡萄酒發(fā)酵過程中的重要環(huán)節(jié)之一[22-23]。通過浸漬過程，葡萄皮中的香氣物質(zhì)、花色苷以及優(yōu)質(zhì)單寧等有效成分會被浸提入葡萄酒中，賦予葡萄酒在香氣、顏色和口感上的不同品質(zhì)。同時，葡萄原料中的礦質(zhì)元素也會通過浸漬作用進入到葡萄酒中，這是葡萄酒中礦質(zhì)元素的主要來源。對同一批次的赤霞珠原酒取樣進行礦質(zhì)元素測定，結(jié)果如表4所示。

表4 赤霞珠新鮮原酒中礦質(zhì)元素含量檢測結(jié)果Table 4 Determination results of mineral elements in base wines of Cabernet Sauvignon

干紅葡萄酒發(fā)酵是帶皮浸漬發(fā)酵（去梗且保持種子完整度），因此其中礦質(zhì)元素的主要來源即是果肉，其次為果皮。由表4可知，赤霞珠葡萄原酒中K、Ca、Mg 3種元素含量較高，與果皮和果肉中這3種礦質(zhì)元素含量高低相一致，其次為Na元素。其他元素含量均較低且除了Cd元素以外，都未超過國家標(biāo)準(zhǔn)GB 2762—2005《食品中污染物限量》[24]的限量要求。與國標(biāo)中Cd元素限量標(biāo)準(zhǔn)0.05 mg/kg比較，該赤霞珠原酒中Cd含量超標(biāo)，這可能是因為釀酒過程中的污染所致[25]。結(jié)果表明，該產(chǎn)區(qū)赤霞珠葡萄酒礦質(zhì)元素含量分布合理且安全，可篩選K、Ca和Mg元素為該產(chǎn)區(qū)赤霞珠葡萄酒的鑒別元素。

2.4 葡萄園土壤與葡萄、葡萄酒中礦質(zhì)元素的相關(guān)性

葡萄園土壤與葡萄、葡萄酒中礦質(zhì)元素的關(guān)聯(lián)性分析結(jié)果如表5所示。

表5 葡萄園土壤與赤霞珠葡萄各部位及葡萄酒中礦質(zhì)元素的相關(guān)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、籽與葡萄園土壤中礦質(zhì)元素含量呈正相關(guān)，葡萄肉與葡萄園土壤中礦質(zhì)元素含量成負相關(guān)，可能是由于葡萄果肉對于礦質(zhì)元素的吸收貯存能力相對較差所致，可能還與果肉中大量水分的稀釋效應(yīng)有關(guān)。其中葡萄籽與土壤中礦質(zhì)元素相關(guān)極顯著（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)為0.762，這說明葡萄籽是土壤礦質(zhì)元素的主要吸收和貯存部位。葡萄原酒與葡萄園土壤中礦質(zhì)元素含量呈正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著（相關(guān)系數(shù)為0.099），但是葡萄原酒中礦質(zhì)元素卻與葡萄皮、肉均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別高達0.995和0.991，這說明葡萄原酒中的礦質(zhì)元素主要來自于葡萄原料（尤其是葡萄皮和果肉），與土壤中礦質(zhì)元素的含量多少無直接關(guān)聯(lián)，這與前面的分析相符合。另外，葡萄籽由于在釀造過程是完整狀態(tài)，所以不會對其中成分進行浸提，從而導(dǎo)致其相關(guān)性較低。因此，葡萄原料采收后，可以通過控制浸漬強度的方式來改變葡萄酒中礦物質(zhì)的含量，從而調(diào)整葡萄酒的品質(zhì)。

3 結(jié)論

河西走廊張掖地區(qū)葡萄園土壤中礦質(zhì)元素豐富，具有多種有益于葡萄植株生長和果實發(fā)育的大量和微量元素，其中Ca元素的含量明顯高于其他元素含量，其次是Na、Fe、K，故Ca可作為該產(chǎn)區(qū)的特征元素起到產(chǎn)區(qū)土壤鑒別的作用。該產(chǎn)區(qū)除果肉外，赤霞珠葡萄原料中的礦質(zhì)元素與土壤中礦質(zhì)元素呈現(xiàn)正相關(guān)（P＜0.05），赤霞珠葡萄果皮、果肉和種子中含量最多的礦質(zhì)元素都是K和Ca，其中K在果梗和果皮中的含量最高、而Ca在果梗和種子中的含量最高，故可篩選K和Ca為該產(chǎn)區(qū)特征元素進行產(chǎn)區(qū)赤霞珠原料鑒別。此外，赤霞珠葡萄酒中的礦質(zhì)元素與土壤中礦質(zhì)元素的關(guān)聯(lián)性不大，卻與葡萄原料中的礦質(zhì)元素呈極顯著正相關(guān)性（P＜0.01），進一步說明葡萄酒中的礦質(zhì)元素含量的高低主要與所使用的釀酒葡萄原料有關(guān)。赤霞珠葡萄酒中含量最多的礦質(zhì)元素為K、Ca和Mg，故可將此三種元素作為特征元素應(yīng)用于該產(chǎn)區(qū)赤霞珠葡萄酒的鑒定和區(qū)分，以此為河西走廊產(chǎn)區(qū)赤霞珠葡萄酒的原產(chǎn)地保護和地理標(biāo)志提供理論依據(jù)。