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了解葡萄園產地和釀酒廠對紅葡萄酒元素特征的影響
閱讀：622 發布時間：2022-1-19前言：消費者希望了解所購買食品的安全性和可靠性的需求日益增加。在高價值 食品中摻入低品質組分或將高價值食品替換為低品質組分的現象令人擔 憂。將廉價的產品使用虛假標簽標注為高價值品牌，然后作為*級產品出 售，也可以獲取利潤，對于與特定產地相關的食品而言尤其如此。葡萄 酒、奶酪、火腿、橄欖油和蜂蜜經常出現這種情況。將 DNA 指紋圖譜與多 種有機標記物的檢測相結合，人們提出了一種多元素分析方法，用于鑒定 食品的真偽。 多種因素影響食品和飲料中的元素組成。例如，葡萄酒的金屬元素特征取 決于葡萄種植的土壤的組成、葡萄栽培實踐（例如，施用農用化學品及灌 溉）以及葡萄酒釀造過程（包括儲存和陳化）[1]
通過原子光譜對痕量元素進行特征識別的方法已被用于 確定葡萄酒是否可以被鑒定為來自特定區域 [2]。多年 來，ICP-MS一直被用于葡萄酒的元素指紋圖譜分析 [3-7]。 本研究采用 ICP-MS 針對葡萄園產地和釀酒廠加工過 程對 65 個紅葡萄酒樣品的綜合影響進行了研究。使用 Agilent Mass Profiler Professional (MPP) 集成式化學計量學 軟件，通過 63 種元素的濃度表征對不同葡萄酒的產地 進行建模分析。通過分析來源于同一葡萄園但是在不同 釀酒廠加工的葡萄酒，可以將葡萄園的影響與釀酒廠的 影響分開，反之亦然。這樣有助于了解葡萄酒的元素特 征在生產過程中改變的程度。
實驗 化學品與標準品 在所有校準溶液配制和稀釋中均使用超純水 (18 MWcm–1, EMD Millipore) 和乙醇 (200 proof, Gold Shield Distributors, Hayward, CA)。使用前，將混合內標用 1% HNO3 按 1:10 進行稀釋。SPEX CertiPrep 多元素校準標樣（1、2A、3 和 4）和混合內標（10 mg/L，溶于 1% HNO3 中）購自 SPEX, Metuchen, NJ。超純硝酸購自賽默飛世爾科技公 司，環境加標混合溶液來自安捷倫。 樣品與樣品前處理 來自加利福尼亞北部五個不同葡萄園的 65 個市售紅葡 萄酒樣品為五家不同的商業釀酒廠所生產，如圖 1 所 示。每種葡萄酒均由單一葡萄栽培品種制成，包括歐亞 種葡萄、赤霞珠、梅洛、黑比諾。每個釀酒廠均使用單 獨的發酵容器對來自各個葡萄園的葡萄進行發酵。發酵 完成后，在進行其他后續發酵處理之前，直接從不銹 鋼罐中取樣。將葡萄酒取樣至不含金屬的 50 mL 塑料管 (VWR, Radnor, PA) 中，在分析之前儲存于 4 °C 下。分析 前，將所有葡萄酒樣品用 5% HNO3 按 1:3 的比例進行稀 釋，使乙醇含量降至約 4%，對每個樣品重復分析兩次
儀器：本研究采用了配備八極桿反應池系統 (ORS3 ) 碰撞/反應 池的 Agilent 7700x ICP-MS。使用 1% 硝酸將含有 6 Li、Sc、 Ge、Y、In、Tb 和 Bi 的內標 (ISTD) 溶液稀釋至 1 µg/L。 使用霧化器之前的混合三通將 ISTD 溶液與樣品在線混 合。使用安捷倫調諧混標（Li、Y、Ce、Tl 和 Co）和安捷倫檢測器 P/A 校準溶液（Zn、Be、Cd、As、Ni、Pb、 Mg、Th、Ca、Co、Sr、V、Cr、Mn、6Li、Sc、In、Lu、 Bi、Y、Yb、Mo、Sb、Sn、Ge、Ru、Pd、Ti 和 Ir）對 ICPMS 進行每日的校準和調諧。利用安捷倫環境加標混合 標樣對葡萄酒樣品加標。表 1 列出了儀器操作參數。
校準 用 5% HNO3 和 4% 乙醇對標準溶液進行基體匹配，使 之與葡萄酒樣品重點酸和碳含量相匹配，對所有 63 種 監測的元素在 0 和 500 µg/L 的濃度之間進行六點校 準。表 2 列出了所檢測的全部 46 種元素及其檢測限 (LOD)。濃度較高的元素（> 500 µg/L；B、Na、Mg、 Si、P、K、Ca、Mn、Cu、Rb、Sr 和 Ba）用 5% HNO3 按 1:1000 稀釋后進行分析（標準溶液用 5% 的 HNO3 進行 基體匹配）。在整個運行中分析加標樣品，以確保分析 方法的有效性，并且每 10 個樣品運行一次連續校準空 白樣品和連續校準驗證樣品。
使用 Mass Profiler Professional 軟件進行數據分析 Agilent ICP-MS MassHunter 軟件用于采集和分析數據。 在數據分析中，將所有葡萄酒的元素濃度導入安捷倫集 成式 MPP 化學計量學軟件，對大的復雜數據組（65 個 葡萄酒樣品 × 46 個監測的元素 × 三次重復測定）進行 統計分析。MPP 還提供了便于研究和確定多維數據組 的關系的數據可視化工具，在本例中，該數據組為來自 五個不同的葡萄園和釀酒廠組合的 65 個葡萄酒樣品和 46 種元素濃度。在 MPP 中對 log2 刻度濃度數據進行方 差分析 (ANOVA)，以評價釀酒廠和葡萄園的影響以及釀 酒廠與葡萄園的相互影響。將統計顯著性設置為 5%。 選擇規范變量分析 (CVA) 作為一種分類技術，使用多變 量 ANOVA 模型研究各個釀酒廠、葡萄園和釀酒廠-葡萄 園組合彼此之間的差異。
結果與討論：元素分析 在 63 種監測的元素中，檢測到 46 種，將這 46 種元素 包含于隨后的數據分析中。在整個序列中分析加標樣 品得到的回收率在 93%（對于 Ba）和 103%（對于 Ca） 之間。所檢測的元素未表現出與不同的葡萄栽培品種相 關聯的顯著差異。然而，在五家不同的釀酒廠（33 種 顯著不同的元素）、五家不同的葡萄園（26 種顯著不同 的元素）和 15 種不同的釀酒廠-葡萄園組合（17 種顯著 不同的元素：Be、Na、P、Ti、Zn、As、Rb、Cd、Sb、 Cs、La、Pr、Dy、Er、Tm、Yb 和 Tl）之間發現元素含量 存在顯著差異。這些發現表明葡萄種植與葡萄酒釀造均 影響葡萄酒的元素組成。相比于不同的葡萄園產地，采 用不同加工方法的釀酒廠所制得的葡萄酒之間存在更多 顯著不同的元素。這可以解釋為葡萄酒釀造方法比葡萄 園位置對葡萄酒的元素含量影響更大。有關葡萄園和釀 酒廠影響的完整詳細數據可參見 Hopfer 等人于 2015 年 發表的文獻 [1]。
釀酒廠與葡萄園相互影響 基于上文提及的 17 種元素，使用 MPP 軟件獲得樣品的 CVA 圖示（圖 2）。來自 A 和 B 釀酒廠的葡萄酒存在清晰 的簇。葡萄園 1 中種植的葡萄（A1、C1 和 D1）形成群 組，與釀造葡萄酒的釀酒廠無關。類似的模式存在于葡 萄園 5 中種植的葡萄。葡萄園 2 和 3 在地理位置上彼此 靠近，其土壤條件可能相似。這反映在分值圖（圖 2） 中，其中 A2 和 B2 葡萄酒位于圖片右側，而 A3 和 B3 葡萄酒位于左側。對于葡萄園 4 中種植的葡萄，僅制備 了兩個樣品（B4 和 E4），而結果表明釀酒廠對元素組 成的影響掩蓋了葡萄園的影響。 根據圖 3A 和 3B 所示的分值箱線圖和總結構系數，可 以研究哪些元素促成了圖 2 所示的葡萄酒樣品的分離。 圖 3A 表明沿水平第一維度 CV1，葡萄酒受到較強的葡 萄園影響（對于出現在 CV1 刻度相對側的葡萄園 1 和 5 而言）或受到釀酒廠葡萄園綜合影響（對于釀酒廠 A 和 B 以及葡萄園 2 和 4）而分離。引起葡萄酒的水平 分離的元素如圖 3B 所示。右側葡萄酒中存在較高濃度 的 Be、Rb、Cs、Tl 和某些稀土元素，而左側葡萄酒與 Na、P、Ti、Zn、As 相關并且在較小程度上與 Cd 和 Sb 相關。
結論 元素分析越來越多地應用于對食品和飲料（包括葡萄 酒）的產地進行表征。為了更好地了解葡萄園產地和釀 酒廠加工的綜合影響，通過將 Agilent 7700x/7800 ICP-MS 與 Agilent Mass Profiler Professional 化學計量學軟件相結 合對 65 個紅葡萄酒中的元素含量進行了研究。研究表 明元素特征無法區分不同類型的葡萄（葡萄品種）。然 而，元素指紋圖譜分析能夠根據葡萄園產地、釀酒廠以 及兩種因素的組合對葡萄酒樣品進行分類。17 種元素 表明存在顯著的釀酒廠-葡萄園相互影響，即在 15 種釀 酒廠葡萄園組合中，這 17 種元素的元素濃度均在不同 程度上受到葡萄種植和葡萄酒釀造的共同影響。對這些 綜合影響的研究使我們對使用多元素指紋圖譜測定紅葡 萄酒的產地有了更深入的了解。