新疆葡萄酒產(chǎn)區(qū)土壤、葡萄葉、葡萄果實和葡萄酒中礦物質(zhì)元素含量及其相關(guān)性分析

李澤涵，李函倫，彭 昕，艾賽提·阿合旦，楊興元*

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆微生物學(xué)會，新疆 烏魯木齊 830091）

我國釀酒葡萄種植面積不斷增大，葡萄原料品質(zhì)問題成為焦點，原料的品質(zhì)好壞決定了最終葡萄酒的質(zhì)量[1]。與西方國家相比，中國釀酒葡萄品質(zhì)欠佳，主要原因是中國果農(nóng)為提高收成，一味地追求釀酒葡萄產(chǎn)量濫用大量化肥及藥物，忽視葡萄品質(zhì)，造成釀酒葡萄品質(zhì)參差不齊。葡萄酒中含有大量豐富的礦質(zhì)元素，其中包括Ca、K、Na、Mg等大量元素，也包括Fe、Cu、Zn、Cr等微量元素，均是植物生長所必需[2]。雖然每一種化學(xué)元素在植物中含量存在差異，但它們各自對植物起到的作用是其他元素?zé)o可替代的。這些礦物質(zhì)主要源于葡萄種植的土壤，如種植方式、環(huán)境污染、氣候、釀造工藝流程及葡萄品種，均會影響葡萄從土壤中吸取礦物質(zhì)種類和數(shù)量的差異[3]。

礦物質(zhì)豐富的肥沃土壤更適合葡萄枝條的發(fā)育，但對于釀酒葡萄來說過分的營養(yǎng)無益處。肥沃土壤往往淺層營養(yǎng)充足，進而造成葡萄根系無法深入生長吸收足量礦物質(zhì)，根系較淺導(dǎo)致葡萄酒無法產(chǎn)生一些香氣、使總酚含量下降、降低其陳釀潛力，從而很難體現(xiàn)葡萄酒典型性[4]。

不同產(chǎn)區(qū)由于土壤、生態(tài)、氣候、葡萄管理方式不同，即使同種葡萄礦物質(zhì)元素之間也會存在很大差異，礦物質(zhì)作為構(gòu)成葡萄酒重要成分之一[5]，對葡萄酒諸多理化性質(zhì)均有重要影響，部分礦物質(zhì)是酒精發(fā)酵必不可少的，如Mg、Zn等，F(xiàn)e、Cu等參與葡萄酒的氧化還原，K、Ca、Na等影響著葡萄酒的澄清和穩(wěn)定；世界貿(mào)易組織和國標(biāo)葡萄酒技術(shù)法規(guī)[6]中規(guī)定，鈉≤60 mg/L，鋅≤5 mg/L，鐵≤8 mg/L，銅≤1 mg/L，鎘≤0.01 mg/L，砷≤0.2 mg/L，鉛≤0.2 mg/L。葡萄酒是一個多組分復(fù)雜體系，由于葡萄酒化學(xué)組分種類及含量不同，構(gòu)成葡萄酒特有的個性[7]。土壤、葉片、果實均影響葡萄酒中礦物質(zhì)元素，因此，研究土壤、葉片、果實、葡萄酒中礦物質(zhì)種類及含量，了解葡萄酒原料礦物質(zhì)形成特點，對生產(chǎn)中實現(xiàn)葡萄酒耐貯藏提升其陳釀潛力具有指導(dǎo)意義。

為確定礦物質(zhì)與葡萄及葡萄酒的相關(guān)性，本研究以不同土壤及器官（葉片、葡萄、葡萄酒）的銅（Cu）、鐵（Fe）、鉀（K）、鎂（Mg）、鋅（Zn）、鈉（Na）、鋁（Al）、鈣（Ca）、鎘（Cd）、鎳（Ni）、鋰（Li）、錫（Sn）、砷（As）、鉛（Pb）和錳（Mn）的含量為研究對象，采用原子火焰吸收分光光度計法[8]、原子熒光吸收分光光度計法[9]、原子石墨吸收分光光度計法[10]測定新疆3個子產(chǎn)區(qū)36種葡萄器官中的上述元素含量，使用顯著性分析、相關(guān)性分析、偏最小二乘判別分析（partial least square-discriminant analysis，PLS-DA）進行分析。旨在探討葡萄酒的真實性和優(yōu)良性，研究影響葡萄酒化學(xué)組分因素、葡萄酒化學(xué)組分來源、變化、發(fā)展等問題，為指導(dǎo)新疆三產(chǎn)區(qū)區(qū)域性及環(huán)境中礦物質(zhì)對葡萄酒相關(guān)性影響提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

本試驗所用樣品分別采集于新疆維吾爾自治區(qū)伊犁市、新疆維吾爾自治區(qū)和碩縣、新疆維吾爾自治區(qū)石河子市。試驗采樣36個樣本（土壤、葉片、葡萄、葡萄酒）。所采樣品均在產(chǎn)區(qū)三點取樣。葡萄酒即為同一釀造條件下釀制而成。樣品冷藏保存，12 h內(nèi)運回實驗室，冷藏保存。

Cu、Fe、K、Mg、Zn、Na、Al、Ca、Cd、Ni、Li、Pb、Mn、Sn、As元素的標(biāo)準(zhǔn)儲備液（純度≥95%）：國標(biāo)北京檢驗認證有限公司；硝酸（分析純）：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

TAS-990 ATG型原子吸收分光光度計：沈陽華光精密儀器股份有限公司；TU1901 紫外-可見分光光度計（配1 cm璃比色皿）：京普希通用儀器有限責(zé)任公司；PHS-3C型pH計：上海儀電科學(xué)儀器有限公司；BCD-160冰箱：青島海爾有限公司；PL303分析天平：瑞士Mettler Toledo公司；CEMMARS6微波消解儀：美國CEM公司。

1.3 測定方法

1.3.1 樣品處理

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)干后挑揀出雜物，后過20目篩混勻，再取100 g樣品用研缽細磨，過100目篩，混勻裝袋備用[11]。

葡萄葉片：將葉片果柄除去，后放入烘箱烘干（65 ℃、10 h），將其粉碎備用。

葡萄果實：將葡萄去果梗，放入烘箱烘干后將其粉碎備用[12]。

1.3.2 葡萄酒釀制工藝流程

赤霞珠葡萄→除梗破碎→添加偏重亞硫酸鉀→冷浸漬→接種F15酵母→發(fā)酵→浸漬→皮渣分離→蘋乳發(fā)酵→發(fā)酵監(jiān)控→發(fā)酵結(jié)束→調(diào)整二氧化硫→在儲酒罐中陳釀→成品

1.3.3 樣品進行微波消解處理

銅用5%的硝酸稀釋5倍，其余用微波消解儀進行前處理[13]。微波消解儀前處理[14-15]：稱取0.50 g樣品于消解管中，盡量將所有樣品置于管底。移取硝酸5 mL于消解管中，并將粘壁的樣品沖至管底，設(shè)定消解程序，將消化好的樣品放置趕酸板上120 ℃、30 min，150 ℃、60 min。趕酸至樣品體積1 mL，放入試管中定容，待測，所有樣品重復(fù)3次，微波消解程序見表1。

表1 微波消解程序Table 1 Microwave digestion program

1.3.4 儀器條件

原子吸收分光光度計測定Cu、Fe、K、Mg、Zn、Na、Al、Ca、Sn、Cd、Ni、Li、Pb、Mn元素含量[16-18]，儀器條件見表2。雙道氫化物-原子熒光光度計測定As元素，儀器條件：燈主電流50mA，燈輔電流40 mA，負高壓300 V，載氣流量200 mL/min，屏蔽氣流量400 mL/min[19]。對每個樣品，均設(shè)置3次獨立重復(fù)檢測、3次分析重復(fù)。

表2 儀器工作條件Table 2 Instrument working conditions

1.3.5 統(tǒng)計學(xué)分析及數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Office Excel 2019和Origin 2018對試驗所得數(shù)據(jù)進行基本處理，并用利IBMSPSSStatistics20.0對樣品數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計、相關(guān)性分析（Pearson法，P＜0.05），利用Duncan's多重比較在置信區(qū)間0.05下對數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析。R語言3.6.1版本Ropls分析PLS-DA，Ggplot2進行可視化。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同葡萄酒產(chǎn)區(qū)礦物質(zhì)含量分析

2.1.1 三個產(chǎn)區(qū)土壤礦物質(zhì)含量分析

三個葡萄酒產(chǎn)區(qū)土壤中礦物質(zhì)元素含量測定結(jié)果見表3。由表3可知，伊犁產(chǎn)區(qū)中Ca和Fe含量最高，分別為50.23 mg/g和38.13 mg/g；和碩產(chǎn)區(qū)Ca元素含量最高為43.69mg/g；石河子產(chǎn)區(qū)Ca、Al元素含量最高分別為67.54mg/g和27.53 mg/g。三個產(chǎn)區(qū)各礦物質(zhì)元素含量間具有顯著差異性（P＜0.05）。

表3 三個葡萄產(chǎn)區(qū)土壤中礦物質(zhì)元素含量Table 3 Mineral elements contents in soils from three grape producing regions

在伊犁產(chǎn)區(qū)土壤中Al、Mn、Fe、Li、Cu、Zn含量顯著高于其他兩地（P＜0.05），和碩土壤中K、Cd、Pb含量顯著高于其他兩地（P＜0.05），石河子產(chǎn)區(qū)中Mg、Ca顯著高于伊犁產(chǎn)區(qū)以及和碩產(chǎn)區(qū)（P＜0.05），在三個產(chǎn)區(qū)之間元素具有顯著差異（P＜0.05）。

2.1.2 三個產(chǎn)區(qū)葡萄葉片礦物質(zhì)含量分析

礦物質(zhì)元素在三個產(chǎn)區(qū)葡萄葉片中含量和分布情況見表4。由表4可知，在三個產(chǎn)區(qū)中葡萄葉礦物質(zhì)元素中，14種元素至少在兩個不同產(chǎn)區(qū)之間都有顯著性差異（P＜0.05）。三個產(chǎn)區(qū)中，伊犁產(chǎn)區(qū)中Ca、Na、Zn、Li、As、Pb元素含量顯著高于和碩、石河子產(chǎn)區(qū)（P＜0.05）。伊犁產(chǎn)區(qū)中K元素顯著低于和碩、石河子產(chǎn)區(qū)（P＜0.05），這可能由于伊犁產(chǎn)區(qū)降雨量高于和碩、石河子產(chǎn)區(qū)導(dǎo)致K元素含量低。和碩產(chǎn)區(qū)中K、Mg、Cu、Cd含量顯著高于其他兩產(chǎn)區(qū)（P＜0.05），F(xiàn)e、Ni、Zn、Al元素含量顯著低于伊犁、石河子兩產(chǎn)區(qū)（P＜0.05）。石河子中Fe、Al、Ni元素含量顯著高于其他兩產(chǎn)區(qū)（P＜0.05），Na、Cd、Cu元素在三個產(chǎn)區(qū)中含量最低。

表4 三個葡萄產(chǎn)區(qū)葡萄葉中礦物質(zhì)元素含量Table 4 Mineral elements contents in grape leaves from three grape producing regions

2.1.3 三個產(chǎn)區(qū)葡萄果實、葡萄酒礦物質(zhì)元素的差異

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[20]。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[21]。三個產(chǎn)區(qū)果實、葡萄酒中常量元素含量測定結(jié)果見表5、表6。

由表5、表6可知，雖然同來自于新疆地區(qū)但不同葡萄酒產(chǎn)區(qū)葡萄果實及葡萄酒中礦物質(zhì)元素存在顯著性差異（P＜0.05）。在伊犁產(chǎn)區(qū)：葡萄果實中的Fe元素含量為10.75 μg/g、Na含量為19.73 μg/g、Mn含量為1.42 μg/g、Zn含量為1.26 μg/g，Ca含量為137.08 μg/g，這5種元素含量顯著高于其他兩產(chǎn)區(qū)（P＜0.05），而Cu、K元素含量分別為0.33 μg/g、2.46 mg/g，顯著低于其他兩產(chǎn)區(qū)（P＜0.05）。葡萄酒中Fe含量為4.85 mg/L、Zn元素含量為0.78 mg/L、Cu含量為0.43 mg/L、Ca含量為64.24 mg/L，這4種元素顯著高于其他兩產(chǎn)區(qū)（P＜0.05），Mg、Na元素含量分別為124.33 mg/L、22.73 mg/L，顯著低于其他兩產(chǎn)區(qū)（P＜0.05）。

表5 三個葡萄產(chǎn)區(qū)果實中礦物質(zhì)元素含量Table 5 Mineral element contents in grape fruits from three grape producing regions

表6 三個葡萄產(chǎn)區(qū)葡萄酒中礦物質(zhì)元素含量Table 6 Mineral elements contents in wine from three grape producing regions

在和碩產(chǎn)區(qū)：葡萄果實的K、Cu元素含量為3.93 mg/g、0.62 mg/g，這兩種元素顯著高于其他兩產(chǎn)區(qū)（P＜0.05），而Fe元素含量為8.08 μg/g、Mg元素含量為83.32 μg/g、Mn元素含量為0.88 μg/g，這兩種元素含量均顯著低于其他兩產(chǎn)區(qū)（P＜0.05）。葡萄酒中K元素含量為929.01 mg/L，顯著高于其他兩產(chǎn)區(qū)（P＜0.05），Ca元素含量為57.09 mg/L，顯著低于其他兩產(chǎn)區(qū)（P＜0.05）。

在石河子產(chǎn)區(qū)：葡萄果實中的礦物質(zhì)Mg元素含量為260.05 mg/g，顯著高于其他兩產(chǎn)區(qū)元素含量（P＜0.05），Na、Ca元素含量分別為12.48 μg/g、116.73 μg/g，顯著低于其他兩產(chǎn)區(qū)（P＜0.05），其余礦物質(zhì)元素含量均在三個產(chǎn)區(qū)之間。葡萄酒中Mg、Na和Mn元素含量分別為163.59 mg/L、25.23 mg/L、1.30 mg/L，顯著高于其他兩產(chǎn)區(qū)（P＜0.05），Ca元素含量為62.49 mg/L，在其他兩產(chǎn)區(qū)之間，其余元素均低于其他兩產(chǎn)區(qū)。

2.2 土壤與果實中礦物質(zhì)元素相關(guān)性分析

對三個產(chǎn)區(qū)葡萄產(chǎn)地土壤樣品和葡萄果實礦物質(zhì)元素進行皮爾森相關(guān)性分析，結(jié)果見表7。由表7可知，除伊犁產(chǎn)區(qū)土壤和果實礦物質(zhì)元素含量分布極顯著相關(guān)（P＜0.01），和碩、石河子的土壤和果實中礦物質(zhì)元素均無相關(guān)性（P＞0.05）。因此，對單種礦物質(zhì)進行皮爾森相關(guān)性分析，結(jié)果見表8。從表8可知，果實中Mn元素與土壤中的Fe元素呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)（P＜0.01），果實中的Mn元素與土壤中的Mn元素呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)（P＜0.01）。

表7 三個葡萄產(chǎn)區(qū)土壤和葡萄果實礦物質(zhì)元素的皮爾森相關(guān)性分析Table 7 Pearson correlation analysis of mineral elements in soil and grape fruit from three grape producing areas

2.3 不同產(chǎn)區(qū)土壤、葉片、果實、葡萄酒之間礦物質(zhì)元素的偏最小二乘法辨別分析

對葡萄園土壤、葉片、果實、葡萄酒之間的礦物質(zhì)進行偏最小二乘法辨別分析，以提取產(chǎn)區(qū)辨別元素，并以此來反映原始變化量的大部分信息。結(jié)果見圖1。

偏最小二乘法辨別分析將多個礦物質(zhì)元素變量簡化成2個變量，從圖1a可知，在提取出來的兩個主成分（principal component，PC）中，主成分1方差貢獻率為50%和主成分2方差貢獻率24%，可以基本反映出樣品中原有的礦物質(zhì)信息。通過這兩個主成分分析可以看出伊犁土壤中的礦物質(zhì)元素與其他兩地之間有顯著區(qū)別，其他兩個產(chǎn)區(qū)有明顯的簇。這說明影響主成分1和主成分2的礦質(zhì)元素基本可以體現(xiàn)出不同葡萄酒產(chǎn)區(qū)中土壤礦物質(zhì)的差異性。由圖1b～圖1d可知，主成分1、2將三個產(chǎn)區(qū)葡萄葉、果實、果酒中的礦物質(zhì)信息很好的區(qū)分開來。由此可以很好地體現(xiàn)出不同產(chǎn)區(qū)葡萄葉片中的礦物質(zhì)元素之間存在差異性。通過這兩個主成分可以將三個產(chǎn)區(qū)葡萄酒中的礦物質(zhì)有效區(qū)分，這說明影響主成分1（PC1）和主成分2（PC2）的礦物質(zhì)元素可以很好的體現(xiàn)不同葡萄園中葡萄酒中礦物質(zhì)的差異性。

圖1 三個產(chǎn)區(qū)土壤、葉片、果實、果酒中礦物質(zhì)元素含量的偏最小二乘法辨別分析結(jié)果Fig.1 Results of partial least squares discrimination analysis of mineral elements in soil,leaves,fruit and wine in three producing areas

2.4 討論

葡萄樹在各個生育期里會吸收足量的礦物質(zhì)元素，吸收渠道有兩種：一是通過地下部根系；二是地上部葉面吸肥。葡萄果實中的礦物質(zhì)從土壤中吸收，而葡萄酒中礦質(zhì)元素主要來源于果實[22]。葡萄酒中礦質(zhì)元素的含量與種植葡萄的土壤中礦質(zhì)元素的含量具有相關(guān)性[23]。本試驗對新疆三個產(chǎn)區(qū)（伊犁、和碩、石河子）的礦物質(zhì)元素在土壤、果實、葡萄酒間關(guān)聯(lián)性分析表明，各元素之間具有相關(guān)性聯(lián)系，但礦物質(zhì)之間相關(guān)聯(lián)系較少。我國土壤礦質(zhì)元素含量的變幅很大，不同土質(zhì)和不同區(qū)域土壤之間的差異明顯，即使是同一土壤類型，也可能由于成土母質(zhì)、成土過程與人類生產(chǎn)活動影響的不同使礦質(zhì)元素含量具有差異，土壤中具有多種如Ca、Mg、Cu、Zn、Fe、Mn等有益于葡萄植株生長和果實發(fā)育的礦物質(zhì)元素[24]。王小龍等[25]認為土壤中Ca、K、Mg等元素對葡萄品質(zhì)具有良好影響效果，對照本試驗，發(fā)現(xiàn)三個產(chǎn)區(qū)檢測的土壤中K、Mg、Al、Fe、Zn元素含量顯著高于其他元素含量（P＜0.05），因此，此環(huán)境適宜葡萄生長，同時產(chǎn)區(qū)中礦物質(zhì)元素含量最低為Pb、Sn、As、Cd。在伊犁產(chǎn)區(qū)果實中的Mn元素與土壤中的Fe、Mn元素呈現(xiàn)負相關(guān)（P＜0.01），這與蘇博文[26]研究結(jié)果一致。在伊犁產(chǎn)區(qū)中Zn、Cu、Li含量顯著高于和碩、石河子產(chǎn)區(qū)（P＜0.05），和碩產(chǎn)區(qū)中K元素含量顯著高于伊犁、石河子產(chǎn)區(qū)（P＜0.05），石河子產(chǎn)區(qū)中Ca元素含量顯著高于伊犁、和碩產(chǎn)區(qū)（P＜0.05），其中伊犁產(chǎn)區(qū)Zn、Cu、Li、和碩產(chǎn)區(qū)K、石河子產(chǎn)區(qū)Ca元素可初步作為產(chǎn)區(qū)鑒別元素。植物中葉片是進行光合作用、為果實植株生長發(fā)育提供營養(yǎng)和貯藏的重要器官，同時葉片中的礦物質(zhì)含量可以反應(yīng)出植株的營養(yǎng)狀況。三個產(chǎn)區(qū)檢測的葉片中K、Mg元素含量明顯高于其他元素，這與孫海高[27]研究結(jié)果相一致。果實品質(zhì)與礦物質(zhì)有密切聯(lián)系，葡萄果實生長發(fā)育過程中，發(fā)現(xiàn)葉片中N、P、K、Ca、Mg極顯著高于果實，其中Ca、N、K含量較高，表明在果實生長發(fā)育過程中對Ca、K的需求量高于其他礦質(zhì)元素[28]，本試驗三個產(chǎn)區(qū)果實中K、Mg、Ca元素含量高于其他7種礦物質(zhì)元素與上述研究結(jié)果相對應(yīng)。其中伊犁產(chǎn)區(qū)Ca、Zn含量最高，和碩產(chǎn)區(qū)K含量最高，石河子產(chǎn)區(qū)Mg含量最高，三者差異性顯著（P＜0.05）。在葡萄酒中Fe、Cu、Al、Pb、Na、Zn等金屬元素影響葡萄酒的穩(wěn)定性[29]，對葡萄酒穩(wěn)定性影響最大的是Fe和Cu，在伊犁產(chǎn)區(qū)中Fe、Cu、Ca、Zn含量最高，Mg、Na含量最低；和碩產(chǎn)區(qū)中K元素含量最高，Ca元素含量最低；石河子產(chǎn)區(qū)中Mg、Na、Mn含量最高，F(xiàn)e、K、Zn、Cu含量最低。由此推測葡萄酒穩(wěn)定性伊犁產(chǎn)區(qū)＞石河子產(chǎn)區(qū)＞和碩產(chǎn)區(qū)。

3 結(jié)論

新疆伊犁、和碩、石河子三個產(chǎn)區(qū)礦物質(zhì)元素在土壤、葉片、果實、葡萄酒中含量與分布情況表明，各礦物質(zhì)元素在三個不同產(chǎn)區(qū)之間均具有顯著性差異（P＜0.05），三個產(chǎn)區(qū)間果實、葡萄酒樣品中礦物質(zhì)元素的含量分布在同一產(chǎn)區(qū)較相似，在不同產(chǎn)區(qū)間差異明顯。

在三產(chǎn)區(qū)中僅伊犁產(chǎn)區(qū)中的土壤與果實呈現(xiàn)關(guān)聯(lián)性，伊犁產(chǎn)區(qū)果實中Mn元素與土壤中的Fe、Mn元素呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)（P＜0.01）。在三個產(chǎn)區(qū)樣品元素中Al、K、Na、Zn、Mg、Fe、Ca含量均大于其他元素含量，Pb、Al等元素差異不顯著（P＞0.05）。和碩與伊犁產(chǎn)區(qū)礦物質(zhì)元素含量差異較明顯，后續(xù)可探究金屬元素差異對葡萄酒顏色的影響。