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    新疆葡萄酒产区土壤、葡萄叶、葡萄果实和葡萄酒中矿物质元素含量及其相关性分析

    时间：2023-01-22 19:15:44来源：百花范文网本文已影响人

    李泽涵，李函伦，彭 昕，艾赛提·阿合旦，杨兴元*

    （1.新疆农业大学 食品科学与药学学院，新疆 乌鲁木齐 830052；
    2.新疆微生物学会，新疆 乌鲁木齐 830091）

    我国酿酒葡萄种植面积不断增大，葡萄原料品质问题成为焦点，原料的品质好坏决定了最终葡萄酒的质量[1]。与西方国家相比，中国酿酒葡萄品质欠佳，主要原因是中国果农为提高收成，一味地追求酿酒葡萄产量滥用大量化肥及药物，忽视葡萄品质，造成酿酒葡萄品质参差不齐。葡萄酒中含有大量丰富的矿质元素，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，均是植物生长所必需[2]。虽然每一种化学元素在植物中含量存在差异，但它们各自对植物起到的作用是其他元素无可替代的。这些矿物质主要源于葡萄种植的土壤，如种植方式、环境污染、气候、酿造工艺流程及葡萄品种，均会影响葡萄从土壤中吸取矿物质种类和数量的差异[3]。

    矿物质丰富的肥沃土壤更适合葡萄枝条的发育，但对于酿酒葡萄来说过分的营养无益处。肥沃土壤往往浅层营养充足，进而造成葡萄根系无法深入生长吸收足量矿物质，根系较浅导致葡萄酒无法产生一些香气、使总酚含量下降、降低其陈酿潜力，从而很难体现葡萄酒典型性[4]。

    不同产区由于土壤、生态、气候、葡萄管理方式不同，即使同种葡萄矿物质元素之间也会存在很大差异，矿物质作为构成葡萄酒重要成分之一[5]，对葡萄酒诸多理化性质均有重要影响，部分矿物质是酒精发酵必不可少的，如Mg、Zn等，Fe、Cu等参与葡萄酒的氧化还原，K、Ca、Na等影响着葡萄酒的澄清和稳定；
    世界贸易组织和国标葡萄酒技术法规[6]中规定，钠≤60 mg/L，锌≤5 mg/L，铁≤8 mg/L，铜≤1 mg/L，镉≤0.01 mg/L，砷≤0.2 mg/L，铅≤0.2 mg/L。葡萄酒是一个多组分复杂体系，由于葡萄酒化学组分种类及含量不同，构成葡萄酒特有的个性[7]。土壤、叶片、果实均影响葡萄酒中矿物质元素，因此，研究土壤、叶片、果实、葡萄酒中矿物质种类及含量，了解葡萄酒原料矿物质形成特点，对生产中实现葡萄酒耐贮藏提升其陈酿潜力具有指导意义。

    为确定矿物质与葡萄及葡萄酒的相关性，本研究以不同土壤及器官（叶片、葡萄、葡萄酒）的铜（Cu）、铁（Fe）、钾（K）、镁（Mg）、锌（Zn）、钠（Na）、铝（Al）、钙（Ca）、镉（Cd）、镍（Ni）、锂（Li）、锡（Sn）、砷（As）、铅（Pb）和锰（Mn）的含量为研究对象，采用原子火焰吸收分光光度计法[8]、原子荧光吸收分光光度计法[9]、原子石墨吸收分光光度计法[10]测定新疆3个子产区36种葡萄器官中的上述元素含量，使用显著性分析、相关性分析、偏最小二乘判别分析（partial least square-discriminant analysis，PLS-DA）进行分析。旨在探讨葡萄酒的真实性和优良性，研究影响葡萄酒化学组分因素、葡萄酒化学组分来源、变化、发展等问题，为指导新疆三产区区域性及环境中矿物质对葡萄酒相关性影响提供理论依据。

    1.1 材料与试剂

    本试验所用样品分别采集于新疆维吾尔自治区伊犁市、新疆维吾尔自治区和硕县、新疆维吾尔自治区石河子市。试验采样36个样本（土壤、叶片、葡萄、葡萄酒）。所采样品均在产区三点取样。葡萄酒即为同一酿造条件下酿制而成。样品冷藏保存，12 h内运回实验室，冷藏保存。

    Cu、Fe、K、Mg、Zn、Na、Al、Ca、Cd、Ni、Li、Pb、Mn、Sn、As元素的标准储备液（纯度≥95%）：国标北京检验认证有限公司；
    硝酸（分析纯）：天津市科密欧化学试剂有限公司。

    1.2 仪器与设备

    TAS-990 ATG型原子吸收分光光度计：沈阳华光精密仪器股份有限公司；
    TU1901 紫外-可见分光光度计（配1 cm璃比色皿）：京普希通用仪器有限责任公司；
    PHS-3C型pH计：上海仪电科学仪器有限公司；
    BCD-160冰箱：青岛海尔有限公司；
    PL303分析天平：瑞士Mettler Toledo公司；
    CEMMARS6微波消解仪：美国CEM公司。

    1.3 测定方法

    1.3.1 样品处理

    土壤前处理：首先将土壤样品放在通风避光的环境中自然风干，完全风干后挑拣出杂物，后过20目筛混匀，再取100 g样品用研钵细磨，过100目筛，混匀装袋备用[11]。

    葡萄叶片：将叶片果柄除去，后放入烘箱烘干（65 ℃、10 h），将其粉碎备用。

    葡萄果实：将葡萄去果梗，放入烘箱烘干后将其粉碎备用[12]。

    1.3.2 葡萄酒酿制工艺流程

    赤霞珠葡萄→除梗破碎→添加偏重亚硫酸钾→冷浸渍→接种F15酵母→发酵→浸渍→皮渣分离→苹乳发酵→发酵监控→发酵结束→调整二氧化硫→在储酒罐中陈酿→成品

    1.3.3 样品进行微波消解处理

    铜用5%的硝酸稀释5倍，其余用微波消解仪进行前处理[13]。微波消解仪前处理[14-15]：称取0.50 g样品于消解管中，尽量将所有样品置于管底。移取硝酸5 mL于消解管中，并将粘壁的样品冲至管底，设定消解程序，将消化好的样品放置赶酸板上120 ℃、30 min，150 ℃、60 min。赶酸至样品体积1 mL，放入试管中定容，待测，所有样品重复3次，微波消解程序见表1。

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

    1.3.4 仪器条件

    原子吸收分光光度计测定Cu、Fe、K、Mg、Zn、Na、Al、Ca、Sn、Cd、Ni、Li、Pb、Mn元素含量[16-18]，仪器条件见表2。双道氢化物-原子荧光光度计测定As元素，仪器条件：灯主电流50mA，灯辅电流40 mA，负高压300 V，载气流量200 mL/min，屏蔽气流量400 mL/min[19]。对每个样品，均设置3次独立重复检测、3次分析重复。

    表2 仪器工作条件Table 2 Instrument working conditions

    1.3.5 统计学分析及数据处理

    使用Microsoft Office Excel 2019和Origin 2018对试验所得数据进行基本处理，并用利IBMSPSSStatistics20.0对样品数据进行描述性统计、相关性分析（Pearson法，P＜0.05），利用Duncan"s多重比较在置信区间0.05下对数据进行差异显著性分析。R语言3.6.1版本Ropls分析PLS-DA，Ggplot2进行可视化。

    2.1 不同葡萄酒产区矿物质含量分析

    2.1.1 三个产区土壤矿物质含量分析

    三个葡萄酒产区土壤中矿物质元素含量测定结果见表3。由表3可知，伊犁产区中Ca和Fe含量最高，分别为50.23 mg/g和38.13 mg/g；
    和硕产区Ca元素含量最高为43.69mg/g；
    石河子产区Ca、Al元素含量最高分别为67.54mg/g和27.53 mg/g。三个产区各矿物质元素含量间具有显著差异性（P＜0.05）。

    表3 三个葡萄产区土壤中矿物质元素含量Table 3 Mineral elements contents in soils from three grape producing regions

    在伊犁产区土壤中Al、Mn、Fe、Li、Cu、Zn含量显著高于其他两地（P＜0.05），和硕土壤中K、Cd、Pb含量显著高于其他两地（P＜0.05），石河子产区中Mg、Ca显著高于伊犁产区以及和硕产区（P＜0.05），在三个产区之间元素具有显著差异（P＜0.05）。

    2.1.2 三个产区葡萄叶片矿物质含量分析

    矿物质元素在三个产区葡萄叶片中含量和分布情况见表4。由表4可知，在三个产区中葡萄叶矿物质元素中，14种元素至少在两个不同产区之间都有显著性差异（P＜0.05）。三个产区中，伊犁产区中Ca、Na、Zn、Li、As、Pb元素含量显著高于和硕、石河子产区（P＜0.05）。伊犁产区中K元素显著低于和硕、石河子产区（P＜0.05），这可能由于伊犁产区降雨量高于和硕、石河子产区导致K元素含量低。和硕产区中K、Mg、Cu、Cd含量显著高于其他两产区（P＜0.05），Fe、Ni、Zn、Al元素含量显著低于伊犁、石河子两产区（P＜0.05）。石河子中Fe、Al、Ni元素含量显著高于其他两产区（P＜0.05），Na、Cd、Cu元素在三个产区中含量最低。

    表4 三个葡萄产区葡萄叶中矿物质元素含量Table 4 Mineral elements contents in grape leaves from three grape producing regions

    2.1.3 三个产区葡萄果实、葡萄酒矿物质元素的差异

    浸渍作用是葡萄汁对葡萄皮的浸泡过程，是干红葡萄酒发酵过程中的重要环节之一[20]。通过浸渍过程，葡萄皮中的香气物质、花色苷以及优质单宁等有效成分会被浸提入葡萄酒中，赋予葡萄酒在香气、颜色和口感上的不同品质。同时，葡萄原料中的矿质元素也会通过浸渍作用进入到葡萄酒中，这是葡萄酒中矿质元素的主要来源[21]。三个产区果实、葡萄酒中常量元素含量测定结果见表5、表6。

    由表5、表6可知，虽然同来自于新疆地区但不同葡萄酒产区葡萄果实及葡萄酒中矿物质元素存在显著性差异（P＜0.05）。在伊犁产区：葡萄果实中的Fe元素含量为10.75 μg/g、Na含量为19.73 μg/g、Mn含量为1.42 μg/g、Zn含量为1.26 μg/g，Ca含量为137.08 μg/g，这5种元素含量显著高于其他两产区（P＜0.05），而Cu、K元素含量分别为0.33 μg/g、2.46 mg/g，显著低于其他两产区（P＜0.05）。葡萄酒中Fe含量为4.85 mg/L、Zn元素含量为0.78 mg/L、Cu含量为0.43 mg/L、Ca含量为64.24 mg/L，这4种元素显著高于其他两产区（P＜0.05），Mg、Na元素含量分别为124.33 mg/L、22.73 mg/L，显著低于其他两产区（P＜0.05）。

    表5 三个葡萄产区果实中矿物质元素含量Table 5 Mineral element contents in grape fruits from three grape producing regions

    表6 三个葡萄产区葡萄酒中矿物质元素含量Table 6 Mineral elements contents in wine from three grape producing regions

    在和硕产区：葡萄果实的K、Cu元素含量为3.93 mg/g、0.62 mg/g，这两种元素显著高于其他两产区（P＜0.05），而Fe元素含量为8.08 μg/g、Mg元素含量为83.32 μg/g、Mn元素含量为0.88 μg/g，这两种元素含量均显著低于其他两产区（P＜0.05）。葡萄酒中K元素含量为929.01 mg/L，显著高于其他两产区（P＜0.05），Ca元素含量为57.09 mg/L，显著低于其他两产区（P＜0.05）。

    在石河子产区：葡萄果实中的矿物质Mg元素含量为260.05 mg/g，显著高于其他两产区元素含量（P＜0.05），Na、Ca元素含量分别为12.48 μg/g、116.73 μg/g，显著低于其他两产区（P＜0.05），其余矿物质元素含量均在三个产区之间。葡萄酒中Mg、Na和Mn元素含量分别为163.59 mg/L、25.23 mg/L、1.30 mg/L，显著高于其他两产区（P＜0.05），Ca元素含量为62.49 mg/L，在其他两产区之间，其余元素均低于其他两产区。

    2.2 土壤与果实中矿物质元素相关性分析

    对三个产区葡萄产地土壤样品和葡萄果实矿物质元素进行皮尔森相关性分析，结果见表7。由表7可知，除伊犁产区土壤和果实矿物质元素含量分布极显著相关（P＜0.01），和硕、石河子的土壤和果实中矿物质元素均无相关性（P＞0.05）。因此，对单种矿物质进行皮尔森相关性分析，结果见表8。从表8可知，果实中Mn元素与土壤中的Fe元素呈现极显著负相关（P＜0.01），果实中的Mn元素与土壤中的Mn元素呈现极显著负相关（P＜0.01）。

    表7 三个葡萄产区土壤和葡萄果实矿物质元素的皮尔森相关性分析Table 7 Pearson correlation analysis of mineral elements in soil and grape fruit from three grape producing areas

    2.3 不同产区土壤、叶片、果实、葡萄酒之间矿物质元素的偏最小二乘法辨别分析

    对葡萄园土壤、叶片、果实、葡萄酒之间的矿物质进行偏最小二乘法辨别分析，以提取产区辨别元素，并以此来反映原始变化量的大部分信息。结果见图1。

    偏最小二乘法辨别分析将多个矿物质元素变量简化成2个变量，从图1a可知，在提取出来的两个主成分（principal component，PC）中，主成分1方差贡献率为50%和主成分2方差贡献率24%，可以基本反映出样品中原有的矿物质信息。通过这两个主成分分析可以看出伊犁土壤中的矿物质元素与其他两地之间有显著区别，其他两个产区有明显的簇。这说明影响主成分1和主成分2的矿质元素基本可以体现出不同葡萄酒产区中土壤矿物质的差异性。由图1b～图1d可知，主成分1、2将三个产区葡萄叶、果实、果酒中的矿物质信息很好的区分开来。由此可以很好地体现出不同产区葡萄叶片中的矿物质元素之间存在差异性。通过这两个主成分可以将三个产区葡萄酒中的矿物质有效区分，这说明影响主成分1（PC1）和主成分2（PC2）的矿物质元素可以很好的体现不同葡萄园中葡萄酒中矿物质的差异性。

    图1 三个产区土壤、叶片、果实、果酒中矿物质元素含量的偏最小二乘法辨别分析结果Fig.1 Results of partial least squares discrimination analysis of mineral elements in soil,leaves,fruit and wine in three producing areas

    2.4 讨论

    葡萄树在各个生育期里会吸收足量的矿物质元素，吸收渠道有两种：一是通过地下部根系；
    二是地上部叶面吸肥。葡萄果实中的矿物质从土壤中吸收，而葡萄酒中矿质元素主要来源于果实[22]。葡萄酒中矿质元素的含量与种植葡萄的土壤中矿质元素的含量具有相关性[23]。本试验对新疆三个产区（伊犁、和硕、石河子）的矿物质元素在土壤、果实、葡萄酒间关联性分析表明，各元素之间具有相关性联系，但矿物质之间相关联系较少。我国土壤矿质元素含量的变幅很大，不同土质和不同区域土壤之间的差异明显，即使是同一土壤类型，也可能由于成土母质、成土过程与人类生产活动影响的不同使矿质元素含量具有差异，土壤中具有多种如Ca、Mg、Cu、Zn、Fe、Mn等有益于葡萄植株生长和果实发育的矿物质元素[24]。王小龙等[25]认为土壤中Ca、K、Mg等元素对葡萄品质具有良好影响效果，对照本试验，发现三个产区检测的土壤中K、Mg、Al、Fe、Zn元素含量显著高于其他元素含量（P＜0.05），因此，此环境适宜葡萄生长，同时产区中矿物质元素含量最低为Pb、Sn、As、Cd。在伊犁产区果实中的Mn元素与土壤中的Fe、Mn元素呈现负相关（P＜0.01），这与苏博文[26]研究结果一致。在伊犁产区中Zn、Cu、Li含量显著高于和硕、石河子产区（P＜0.05），和硕产区中K元素含量显著高于伊犁、石河子产区（P＜0.05），石河子产区中Ca元素含量显著高于伊犁、和硕产区（P＜0.05），其中伊犁产区Zn、Cu、Li、和硕产区K、石河子产区Ca元素可初步作为产区鉴别元素。植物中叶片是进行光合作用、为果实植株生长发育提供营养和贮藏的重要器官，同时叶片中的矿物质含量可以反应出植株的营养状况。三个产区检测的叶片中K、Mg元素含量明显高于其他元素，这与孙海高[27]研究结果相一致。果实品质与矿物质有密切联系，葡萄果实生长发育过程中，发现叶片中N、P、K、Ca、Mg极显著高于果实，其中Ca、N、K含量较高，表明在果实生长发育过程中对Ca、K的需求量高于其他矿质元素[28]，本试验三个产区果实中K、Mg、Ca元素含量高于其他7种矿物质元素与上述研究结果相对应。其中伊犁产区Ca、Zn含量最高，和硕产区K含量最高，石河子产区Mg含量最高，三者差异性显著（P＜0.05）。在葡萄酒中Fe、Cu、Al、Pb、Na、Zn等金属元素影响葡萄酒的稳定性[29]，对葡萄酒稳定性影响最大的是Fe和Cu，在伊犁产区中Fe、Cu、Ca、Zn含量最高，Mg、Na含量最低；
    和硕产区中K元素含量最高，Ca元素含量最低；
    石河子产区中Mg、Na、Mn含量最高，Fe、K、Zn、Cu含量最低。由此推测葡萄酒稳定性伊犁产区＞石河子产区＞和硕产区。

    新疆伊犁、和硕、石河子三个产区矿物质元素在土壤、叶片、果实、葡萄酒中含量与分布情况表明，各矿物质元素在三个不同产区之间均具有显著性差异（P＜0.05），三个产区间果实、葡萄酒样品中矿物质元素的含量分布在同一产区较相似，在不同产区间差异明显。

    在三产区中仅伊犁产区中的土壤与果实呈现关联性，伊犁产区果实中Mn元素与土壤中的Fe、Mn元素呈现极显著负相关（P＜0.01）。在三个产区样品元素中Al、K、Na、Zn、Mg、Fe、Ca含量均大于其他元素含量，Pb、Al等元素差异不显著（P＞0.05）。和硕与伊犁产区矿物质元素含量差异较明显，后续可探究金属元素差异对葡萄酒颜色的影响。

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