赤水河流域不同地區(qū)醬香型白酒礦質元素特征分析及產(chǎn)地辨識初探

王 麗，盧 君 *，山其木格，唐 平，畢榮宇，王 凡，李長文

（1.貴州國臺酒業(yè)股份有限公司，貴州 仁懷 564501；2.天士力控股集團有限公司研究院，天津 300410）

醬香型白酒作為中國白酒主體香型之一，有著悠久的歷史文化，遵循傳統(tǒng)的釀造工藝‘釀造周期為1年，通過2次投糧、9次蒸煮、8次發(fā)酵、7次取酒’[1]，再經(jīng)常年儲藏、盤勾勾兌、精心調(diào)味而成，亦成就了其獨特的品質與風格。赤水河對于生產(chǎn)好酒有著不可或缺的地理優(yōu)勢，孕育了眾多中國名優(yōu)白酒品牌，既有單品銷售額全球第一的茅臺酒，也有郎酒、習酒、國臺、釣魚臺等強勢產(chǎn)品，還有正在赤水河沿岸大力投資的珍酒、勁牌等新銳陣營[2]，在過去一年赤水河流域醬香型白酒產(chǎn)能占全國醬酒產(chǎn)能的85%，其營收占全國醬酒市場的90%以上[3]，已經(jīng)形成了典型的產(chǎn)業(yè)集群。

由于各地具有獨特的氣候、土壤、水源等自然因素及不同的人文技術條件，因而各地具有獨特地理標志的天然物產(chǎn)和產(chǎn)品[4]。酒類產(chǎn)品同樣由于其所采用的釀酒水源等自然因素不同和釀造設備、工藝、技術水平等人文因素差異也賦予了其特定的地理標志。酒類地理標志產(chǎn)品的保護可以傳承和保護地方工藝特色。特別是名優(yōu)白酒等地理標志產(chǎn)品，產(chǎn)自特定原產(chǎn)地，其品質和聲譽具有鮮明的地域特色，并與其原產(chǎn)地的地質地理環(huán)境關系密切[5]。建立與原產(chǎn)地地質地理環(huán)境密切相關的白酒組分特定指標，對于識別名優(yōu)白酒的地域來源和豐富中國酒文化都具有重要意義。

白酒中礦質元素來源與釀造原料、生產(chǎn)用水等原產(chǎn)地的地質地理環(huán)境關系密切，因此礦質元素含量差異可為白酒產(chǎn)地判別提供可能性。目前國內(nèi)針對白酒產(chǎn)地辨識較常用的有基于電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜法（inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry，ICP-AES）[6-8]、電感耦合等離子體-質譜法（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）[9-11]，基于氣相色譜-同位素比值質譜法（gas chromatography-isotope ratio mass spectrometry，GCIRMS）[12-14]，或者是二者結合被認為是有效的白酒產(chǎn)地判別手段[15]。因此，本研究采用常用的電感耦合等離子體-質譜法（ICP-MS）對圍繞赤水河流域的茅臺核心地區(qū)、習水地區(qū)、遵義市區(qū)、金沙地區(qū)以及四川古藺地區(qū)的不同品牌的35個具有代表性的醬香型白酒進行研究，以礦質元素為測定基礎，結合計量學的分析技術處理數(shù)據(jù)，探索建立赤水河流域醬香型白酒的產(chǎn)地判別模型，旨在更好的豐富醬香型白酒的產(chǎn)地判別研究，為較集中地域范圍內(nèi)醬香型白酒的產(chǎn)地判別研究奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

實驗用酒樣均為醬香型白酒成品酒，分別來自于赤水河流域不同產(chǎn)區(qū)及不同品牌，酒樣具體信息見表1。

表1 白酒樣品信息Table 1 Information of Baijiu samples

礦質元素標準品溶液：鎂（Mg）、鋁（Al）、釩（V）、鎘（Cr）、錳（Mn）、鐵（Fe）、鎳（Ni）、鋅（Zn）、砷（As）、銣（Rb）、鍶（Sr）、銫（Cs）、鈦（Ti）、鈮（Nb）、鋰（Li）、鈧（Sc）、釔（Y）、銦（In）、鉍（Bi）（1 000 mg/L）：國家有色金屬材料分析中心。

65%硝酸（優(yōu)級純）：美國默克公司。

1.2 儀器與設備

MARS6微波消解儀：美國CEM公司；電感耦合等離子體質譜儀：美國Thermo Fisher公司；DH-VGS40全自動真空趕酸系統(tǒng)：北京東行科儀儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品處理方法

準確量取1 mL酒樣于消解罐中，將消解罐置于趕酸系統(tǒng)中100 ℃加熱趕走乙醇（約30 min），待消解罐冷卻后加入濃硝酸4 mL后置于通風廚過夜進行預消解，第二天微波消解（升溫程序：120 ℃，升溫時間5 min，恒溫5 min；150 ℃，升溫時間5 min，恒溫10 min；190 ℃，升溫時間5 min，恒溫20 min），待消解液冷卻后轉移到50 mL離心管中用純水定容至刻線待測。相同方法準備試劑空白。

1.3.2 標準溶液的配制

分別配制不同濃度的混合標準品溶液1：Al、Mg、Fe、Zn、V、Cr、Mn、Ni、As、Rb、Sr、Cs；混合標準品溶液2：Ti、Nb；具體濃度見表2（C1～C6表示不同濃度體系的標準溶液）。

表2 標準溶液的配制Table 2 Preparation of standard solution

1.3.3 ICP-MS測定條件

儀器預熱后用調(diào)諧液（Ba、Bi、Ce、Co、In、Li、U，各1.0μg/L）進行調(diào)諧，射頻功率1 550 W，霧化室溫度2.6 ℃，霧化器流速1.0 L/min，冷卻氣流速1.0 L/min，輔助氣流速1.0 L/min，蠕動泵轉速40 r/min，自動進樣，采樣深度5 mm，跳峰模式采樣，分析模式動能歧視（kinetic energy discrimination，KED），重復3次，掃描10次；校正方程：儀器軟件推薦。外標法定量，以5%硝酸為介質，將元素標準溶液逐級稀釋并繪制標準曲線。內(nèi)標溶液（由Li、Sc、Y、In、Bi 5種元素組成，各10 μg/L）通過內(nèi)標管在線加入。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 13.0對數(shù)據(jù)進行方差分析（Duncan test），使用Simca P進行主成分分析（principal component analysis，PCA）及偏最小二乘法判別分析（partial least squares-discriminant analysis，PLS-DA）。

2 結果與分析

2.1 礦質元素含量測定

按所建立的分析方法上機測定后，電感耦合等離子體質譜儀自動繪制14種礦質元素標準曲線。連續(xù)測定空白溶液11次，以各元素測定結果的3倍標準偏差所對應濃度為各元素的檢出限。以測定結果的10倍標準偏差所對應的濃度為各元素的定量限。在樣品中分別加入高、中、低3個不同濃度的混合標準品溶液，檢測并計算各元素的加標回收率，結果見表3。

由表3可知，各元素標準曲線線性良好，相關系數(shù)＞0.971，檢出限0.000 5～1.54 ng/mL，定量限為0.002～5.13 ng/mL，說明方法線性關系好，檢出限低。采用所建立的ICP-MS法對實際的白酒樣品進行加標回收實驗，各元素的加標回收率為90.39%～112.28%，表明方法的準確度好。

表3 14種礦質元素的標準曲線及檢測限、定量限、回收率Table 3 Calibration curve,detection limit,quantitative limit and recovery rate of 14 mineral elements

2.2 赤水河流域醬香型白酒中礦質元素的地域分布差異分析

14種元素顯著性差異分析結果見表4。結果表明，在五個不同地區(qū)均有14種元素（Mg、Al、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Zn、As、Rb、Sr、Cs、Ti、Nb）檢出，Al、Fe、Zn、Rb、Sr 5種元素的含量在四川古藺地區(qū)醬香型白酒中顯著高于貴州的茅臺鎮(zhèn)核心地區(qū)、習水地區(qū)、遵義市區(qū)與金沙4個地區(qū)，Al元素含量是貴州各地區(qū)醬香型白酒的1.98～6.00倍，F(xiàn)e元素含量是貴州各地區(qū)醬香型白酒的1.74～3.66倍，Zn元素含量是貴州各地區(qū)醬香型白酒的1.97～18.92倍，Rb元素含量是貴州各地區(qū)醬香型白酒的1.30～1.78倍，Sr元素含量是貴州各地區(qū)醬香型白酒的1.75～2.43倍。從地理位置上看，四川古藺地區(qū)位于赤水河的左岸，相對位于下游。貴州茅臺鎮(zhèn)核心地區(qū)、遵義市區(qū)、金沙地區(qū)、習水地區(qū)均位于赤水河右岸，且相對位于上游。盡管整個赤水河流域醬香型白酒釀造幾乎都遵循傳統(tǒng)的醬香型白酒釀造工藝，但因局部地理環(huán)境及人工釀造過程（特別是儲酒、勾調(diào)等）[16]產(chǎn)生的差異，可能造成Al、Fe、Zn、Rb、Sr等礦質元素在不同產(chǎn)地及品牌中的差異。另外，貴州各地區(qū)醬香型白酒中，Al、Fe、Rb、Sr 4種元素含量在金沙地區(qū)含量最低，Zn、As、Cs 3種元素含量在金沙地區(qū)著高于貴州其他3個地區(qū)，As元素含量分別是茅臺鎮(zhèn)核心地區(qū)的1.72倍、習水地區(qū)的2.36倍、遵義市區(qū)的2.59倍，Cs元素含量分別是茅臺鎮(zhèn)核心地區(qū)的1.81倍、習水地區(qū)的1.81倍、遵義市區(qū)的2.22倍。另外，Mg、Cr、Mn、Ni 4種元素含量在貴州遵義市區(qū)醬香型白酒中顯著高于貴州其他3個地區(qū)（P＜0.05）。

表4 不同地區(qū)醬香型白酒中14種礦質元素含量Table 4 Contents of 14 mineral elements of sauce-flavor Baijiu in different geographical regions

2.3 赤水河流域不同地區(qū)醬香型白酒中礦質元素的主成分分析及偏最小二乘分析

對赤水河流域5個不同產(chǎn)地的醬香型白酒中的14種礦質元素含量數(shù)據(jù)歸一化處理后，進行無監(jiān)督的主成分分析，結果顯示，前3個主成分累計解釋79.6%的總變異（R2X），說明這幾個主成分已經(jīng)涵蓋了14種元素的絕大部分信息，Q2=0.58認為模型預測能力較好。不同地區(qū)醬香型白酒主成分分析得分見圖1。

如圖1所示，四川古藺地區(qū)醬香型白酒單獨聚為一類位于第一象限，茅臺鎮(zhèn)核心地區(qū)、習水地區(qū)、遵義市區(qū)、金沙地區(qū)醬香型白酒相互聚集位于二、三、四象限?？梢姷谝恢鞒煞謙[1]結合第二主成分t[2]可以將四川古藺地區(qū)醬香型白酒與貴州茅臺鎮(zhèn)核心地區(qū)、遵義市區(qū)、金沙地區(qū)、習水地區(qū)醬香型白酒明顯的區(qū)分開來。二、三、四這3個象限中，金沙地區(qū)醬香型白酒相對集中，而茅臺鎮(zhèn)核心地區(qū)、習水地區(qū)、遵義市區(qū)醬香型白酒相互聚攏。這可能是由于金沙地區(qū)醬香型白酒與茅臺鎮(zhèn)核心地區(qū)、習水地區(qū)、遵義市區(qū)這3個地區(qū)醬香型白酒在某些礦質元素含量上有較大差異。且該推測與前述（文中2.2）貴州各地區(qū)醬香型白酒礦質元素含量特征分析結果相佐證。GT2、DYT1與茅臺鎮(zhèn)核心地區(qū)醬香型白酒較分散，原因可能是由于二者儲存年份較長，金屬元素含量隨著貯存時間均有不同程度的增加所致[17]。據(jù)文獻[18]報道金沙地區(qū)醬香型白酒中風味物質與貴州其他地區(qū)醬香型白酒風味物質差異明顯，可見金沙地區(qū)醬香型白酒確有其獨特之處。綜上，可見基于礦質元素分析的無監(jiān)督的主成分分析模型僅可初步對赤水河流域醬香型白酒進行產(chǎn)地判別，無法達到準確判別的目的，尤其在較集中地域范圍內(nèi)。盡管上述各地區(qū)醬香型白酒中礦質元素含量具有顯著性差異，但由于白酒中礦質元素來源廣泛，不同來源對礦質元素的貢獻程度也不盡相同。因此，準確的產(chǎn)地判別可能需要尋找能夠充分代表產(chǎn)地特征的‘因子’或者是多種檢測或分析方法相結合。

圖1 不同地區(qū)醬香型白酒主成分分析得分圖Fig.1 Principal component analysis score plots of sauce-flavor Baijiu in different region

基于上述主成分分析結果，本研究繼而采用有監(jiān)督的偏最小二乘判別分析（PLS-DA）法建立了四川古藺地區(qū)醬香型白酒與貴州各地區(qū)醬香型白酒的分類判別模型（如圖2A所示）。該模型R2X=0.738，R2Y=0.985，Q2=0.928。排列實驗[19]（圖2B所示）回歸線斜率較大、與縱軸截距較?。≧2截距應＜0.45，Q2截距應＜0.05），提示有較多的數(shù)據(jù)用來解釋模型；其次R2與Q2值相差小，認為模型所解釋的數(shù)據(jù)與預測數(shù)據(jù)差值小。因此證明模型擬合良好、質量優(yōu)良，預測能力良好。圖2A可見，四川古藺地區(qū)醬香型白酒（LJ）單獨聚為一類，位于第一象限，茅臺鎮(zhèn)核心地區(qū)（MT）、習水地區(qū)（XJ）、遵義市區(qū)（ZJ）、金沙地區(qū)（JS）醬香型白酒相互聚攏為另一類，主要位于第二、三象限。

圖2 不同地區(qū)醬香型白酒偏最小二乘分析散點圖（A）及排列實驗驗證偏最小二乘法判別分析模型（B）Fig.2 Scatter diagram of partial least-squares analysis of sauce-flavor Baijiu in different regions (A) and permutation experiment validation of partial least squares-discriminant analysis model (B)

PLS-DA分析是基于偏最小二乘法回歸的一種判別方式，以預設分組變量，作為有監(jiān)督的分析，彌補PCA方法的不足，強化組間的差異，變量重要性分析值（variable importance in the projection，VIP）可以量化PLS-DA的每個變量對分類的貢獻度[20]，便于篩選重要的分類變量[21]。赤水河流域不同地區(qū)醬香型白酒礦質元素VIP值分布圖見圖3。由圖3可知，VIP值越大，認為變量在不同產(chǎn)地間差異越顯著[22]。以VIP＞1為標準，篩選到對于模型分類起到重要作用的特征變量5種：Rb、Mg、Zn、Sr、Nb。該結果與前述各元素含量顯著性差異分析結果一定程度相吻合。白酒中Mg較常見來源于白酒釀造過程中的加漿水[17]，或者是儲酒容器。李清亮等[10]報道Zn元素是區(qū)分不同類型白酒的特征元素之一。有報道說明[23]，Nb元素在判別地理環(huán)境方面的應用報道。Sr元素屬于堿土金屬元素，在動、植物中與鈣共存，Rb、Sr均可能來源于某些礦泉，有文獻報道利用Sr同位素進行食品產(chǎn)地溯源[24-25]，因此推測白酒中Rb、Sr元素很可能是從釀造原料或釀造用水引入。綜上所述認為四川古藺地區(qū)醬香型白酒與貴州各地區(qū)醬香型白酒中礦質元素有較大差異。

圖3 不同地區(qū)醬香型白酒偏最小二乘法判別分析VIP值分布圖Fig.3 Partial least squares-discriminant analysis VIP value of sauce-flavor Baijiu in different geographical origin

3 結論

本研究采用微波消解結合電感耦合等離子體-質譜法建立了醬香型白酒中14種礦質元素的含量測定方法。隨后圍繞赤水河流域四川古藺地區(qū)、貴州茅臺鎮(zhèn)核心地區(qū)、習水地區(qū)、遵義市區(qū)、金沙地區(qū)5個不同地區(qū)代表性醬香型白酒樣品中14種礦質元素展開分析。發(fā)現(xiàn)，Al、Fe、Zn、Rb、Sr5種元素的含量在四川古藺地區(qū)醬香型白酒中顯著高于貴州的茅臺鎮(zhèn)核心地區(qū)、習水地區(qū)、遵義市區(qū)與金沙地區(qū)。基于14種礦質元素的主成分分析模型可將四川古藺地區(qū)醬香型白酒與貴州茅臺鎮(zhèn)核心地區(qū)、習水地區(qū)、遵義市區(qū)與金沙地區(qū)醬香型白酒明顯區(qū)分，且通過偏最小二乘分析發(fā)現(xiàn)，Rb、Mg、Zn、Sr、Nb 5種元素為判別四川古藺地區(qū)與貴州各地區(qū)醬香型白酒的重要分類變量。另外主成分分析結果顯示，貴州各地區(qū)醬香型白酒相互聚攏，無明顯區(qū)分趨勢?？梢娀诘V質元素結合無監(jiān)督的主成分分析僅可初步對赤水河流域醬香型白酒進行產(chǎn)地判別，無法達到準確判別的目的，尤其在較集中地域范圍內(nèi)。因此準確的產(chǎn)地判別可能需要借助其他能代表充分白酒產(chǎn)地特征的因子，或者其他的分析判別方法來達到準確的醬香型白酒產(chǎn)地判別的這一目的。本研究豐富了醬香型白酒的產(chǎn)地判別，尤其為較集中地域范圍內(nèi)的醬香型白酒產(chǎn)地判別研究積累經(jīng)驗，提供借鑒。