鍶同位素在葡萄酒產地溯源中的研究進展

焦 彧，馮蘭平，李百蟬，周 煉*

（中國地質大學 地質過程與礦產資源國家重點實驗室，湖北 武漢 430074）

食品的安全和質量越來越受消費者的關注，并且真實性和原產地保護一直是國內外消費者和政府關心的問題[1-2]。而葡萄酒的產地在很大程度上決定本身的價值[3]，葡萄酒標簽僅提供產地信息，因此部分不法商販通過偽造地理標簽的方式誤導消費者，從而給品牌競爭帶來信任危機。全球葡萄酒主要產區分布在南北緯30°～50°間，其中歐洲南部產區分布最為密集，也是葡萄酒產地溯源的關鍵點[4]，并且由于歐洲是世界葡萄酒的主要產地，因此歐盟在1992年建立了農產食品地理標志保護的基本框架，通過相關法律強制要求在標簽上注明產地，并且批準了原產地保護（protected designation oforigin，PDO）規范、地理標志保護（protected geographical indication，PGI）和傳統特色保護（traditional specialitiesguaranteed，TSG）三種標識對農產食品的地理標志進行保護[5]。適宜的氣候條件和地形的多樣性使得我國有遼闊的適合生產釀酒葡萄的區域，目前我國葡萄酒主要有10個產區，集中于北緯38°～53°之間，分別是膠東半島產區、河北產區、天津產區、黃河故道產區、寧夏產區、甘肅產區、東北產區、新疆產區、西南產區和山西產區。并且由于人們日益受葡萄酒的營養滋補作用、醫學作用（如延緩衰老、預防心腦血管疾病、預防癌癥）、美容養顏作用及文化熏陶作用等影響，使得近年來葡萄酒在我國國內需求不斷增長，我國成為世界上葡萄酒消費增長最快的市場[6]。

葡萄酒行業是我國食品行業的朝陽產業，但是假冒偽劣產品屢禁不止。盡管2008年有關“年份葡萄酒”和“產地葡萄酒”的規定作為強制性的標準寫進了法規，但其相應的具體鑒別方法仍亟待解決[4]。同時，隨著市場全球化，不同地區的酒商交流與學習葡萄酒釀造技術，并根據市場需求對產品特征進行調整，僅憑酒的顏色香氣及味覺推斷采摘年份、產地等信息已經非常困難[7]。

1 葡萄酒產地溯源方法

目前，葡萄酒產地溯源主要有4種方法：第一種是礦質元素指紋分析，葡萄酒中含有豐富的礦質元素，這些礦質元素主要來源于植物對土壤的吸收，因而不同產區土壤的礦質元素種類和含量比例具有特異性，因此葡萄酒的礦質元素組成也具有明顯的地理差異，用以葡萄酒的溯源研究，但是TRUJILLO JPP等[8]對馬德拉群島和亞速爾群島地區酒的礦質元素指紋分析得出，兩個產區Fe、Cu、Zn和Mn元素的差異性不僅與土壤的組成有關，還與酒廠設備和釀造過程有關；第二種是芳香物質組成分析，依靠葡萄成熟及釀造過程中產生揮發性物質的香氣進行葡萄酒溯源和分類[9]；第三種是紅外檢測，利用不同葡萄酒的不同的紅外光譜進行葡萄酒溯源[10]；第四種是穩定同位素技術，吳浩等[4]認為穩定同位素技術具有精度高、前處理過程簡單等特點，有望成為產地溯源與鑒定的標準方法。

目前，已報道的能夠進行食品示蹤的同位素主要有氫、碳、氧、氮、硫、硼、鉛和鍶。點特異性天然同位素分餾核磁共振分析（site-specific natural isotopic fractionation-nuclear magnetic resonance，SNIF-NMR），SNIF-NMR能提供有機分子特定位點氫同位素比值，而有機分子的氫同位素比值通常與產地氣候和地理條件密切相關，因此可以進行葡萄酒示蹤[11]，但是FAUHLC等[12]認為SNIF-NMR沒有考慮到酵母種類、發酵溫度等因素。江偉等[1]利用C、H、O同位素對河北昌黎、山東煙臺蓬萊、寧夏賀蘭山東麓和河北沙城四個地區的60個樣品進行分析，得出單一利用任何一種同位素對4個產地的鑒別效果都不明顯。而MAGDASD A等[13]用碳和氧同位素對羅馬尼亞不同年份的部分葡萄酒進行示蹤分析，發現所有樣品的δ13C相似，而δ18O在不同年份存在明顯的差別。氮和硫同位素在食品示蹤方面主要應用于橙汁、牛奶、羊肉和黃油的溯源[14-18]，在葡萄酒溯源方面的報道很少，近期DURANTEC等[19]研究特倫托產區葡萄酒和蘭布魯斯科酒時，得出葡萄汁中δ15N的比值比土壤中偏輕，但是比葡萄枝偏重。COETZEEPP等[20]對南非、法國和意大利三個地區的葡萄酒硼同位素用四級桿電感耦合等離子體質譜（inductively coupled plasma-quadrupolemassspectrometry，ICP-QMS）儀測定分析，得出三個地區11B/10B的差值在0.5%～1.5%之間，能夠較好的對葡萄酒進行溯源，但是對肥料和灌溉是否對11B/10B有影響沒有定論。DEAN JR等[21]對澳大利亞和歐洲的葡萄酒鉛同位素研究，發現兩個地區的鉛同位素具有明顯的不同，但是MEDINA B等[22]認為葡萄酒中鉛同位素容易受到空氣污染的影響。逯海等[7]首次用鎂同位素對中國8個地區的葡萄酒進行示蹤研究，發現不同產地的葡萄酒中鎂同位素組成差異明顯，并且同一產地不同莊園的葡萄酒中的鎂同位素組成也有顯著差異，但是存在來自不同區域但具有相近同位素比值的樣品。而利用鍶同位素進行葡萄酒示蹤的研究較多，也比較完善，在葡萄酒生產的主要過程中都有較為詳細的研究和報道，并且一致認為葡萄酒中的鍶來源于其產地的地質環境，所以87Sr/86Sr比值可以作為判斷紅酒產地的一種較好的方法[23]，同時DURANTEC等[24]研究認為鍶同位素為不同類型的食品提供了較為可靠的結果，特別是酒。在國內利用碳、氫、氧和礦質元素指紋分析進行葡萄酒溯源研究較多，但是利用鍶同位素進行葡萄酒溯源的研究還未見報道。

2 鍶同位素示蹤葡萄酒源地的原理

鍶的原子序數為38，相對原子質量為87.62，屬堿土金屬。自然界中鍶有84Sr、86Sr、87Sr和88Sr四種同位素，相對豐度為0.56%、9.86%、7.02%、82.56%，其中87Sr由87Rb經過β衰變而成，半衰期為4.88×1010年[25]，87Sr是放射成因同位素，86Sr是非放射成因同位素，均屬于穩定同位素，并且一般認為，鍶同位素與輕同位素有所不同，87Sr/86Sr比值不會因化學或者生物過程發生同位素分餾作用，而主要受到鍶來源的控制[26]。在地球科學領域，標準物質主要為球粒隕石均一巖漿庫（chondriticuniform reservoir，CHUR），87Sr/86SrCHUR=0.7045，水文學中常用的標準物質為海水，對于食品科學來說，常用的標準物質為美國國家標準與技術研究院（nationalinstituteofstandardsand technology，NIST）987。實際上，食品示蹤領域的研究主要基于同位素比值之間的區別，當87Sr/86Sr比值的差值≥0.1%時即存在區別，因此需要內精度和精確度＜0.02%，內精度參考的同位素標準物質NIST 987的參考值為87Sr/86Sr=0.710 34±0.000 26[27]。

巖石中鍶的濃度取決于巖石的性質和礦物組成，火成巖中，玄武巖、安山巖和英安巖中含量較高，而在超鎂鐵質巖中含量較低；沉積巖中，鍶主要富集于碳酸鹽礦物中[28]，目前虧損地幔中的地球化學儲庫和巖石的87Sr/86Sr比值在0.702左右，而舊大陸地殼為0.943以上[29]。巖石中的鍶經過風化作用釋放，通過土壤、植物和動物循環，最終由河流的搬運作用進入海洋，就整個過程的時間尺度考慮，由于87Rb的半衰期較長，每個組分的87Sr/86Sr比值沒有顯著的變化。另外，在低溫狀態下，生物學的動力分餾和平衡分餾可以忽略不計，并且88Sr/86Sr為常數，可以校正87Sr/86Sr中可能存在的分餾[28]。

3 樣品前處理過程和分析方法

葡萄酒樣品消解后，使用Dowex50W×8樹脂進行分離，再上機測試。葡萄酒和土壤的消解方式有低溫消解法、高溫消解法和微波消解法，因為含有有機質，所以使用較多的為微波消解法。根據分離時上樣介質（鹽酸和硝酸）的不同，可以將葡萄酒的消解方式分為兩種，而不同的上樣介質有不同的分離步驟和方法。第一種可以是加一定體積的高純硝酸，常溫常壓下反應至少2 h消解葡萄酒中的乙醇，接著用微波或者加入濃硝酸和雙氧水在一定溫度條件下繼續消解[24]，最后用2.5mol/L HCl溶解后轉入離心管，離心后分離；第二種可以是將5～10mL葡萄酒在90℃條件下蒸干，然后在40℃條件下加兩次3m L雙氧水（30%）消解24 h，90℃蒸干，再在150℃加兩次2m L硝酸（67%）消解24 h，蒸干后加入1m L 3mol/L的HNO3離心后分離[30]。并且DURANTEC等[24]對蘭布魯斯科葡萄酒使用微波消解法和低溫消解法進行比較，發現不同的消解方式不會影響數據的分析。

葡萄酒中鍶來源于其產地，而葡萄藤根系生長的最大深度為40～60 cm，因此土壤樣品在不同深度（0～20 cm；20～40 cm；40～60 cm）采取，風干，研磨至200目，用消解罐加入高純HF+HNO3在100℃條件下消解，最終用鹽酸溶解后分離[29]。同時經研究，土壤樣品的消解方式中微波消解法有消解時間短，耗用試劑量少，樣品污染小，精度高，對環境污染較小等特點，是土壤樣品消解的首選方法[31-32]。也可以在土壤中加入醋酸銨（NH4Ac）[33]或硝酸銨（NH4NO3）[34]進行萃取，過濾蒸干后，用鹽酸溶解分離。

葡萄酒和土壤中鍶的分離過程可以分為兩步，具體過程可參考文獻[35-36]。鍶同位素的測定儀器主要有兩種，分別為熱電離質譜儀（thermal ionizationmass spectrometer，TIMS）和多接受電感耦合等離子體質譜儀（multi-collector inductively coupled plasmamassspectrometer，MC-ICP-MS）。同位素質譜儀測定87Sr/86Sr時，87Rb的存在干擾了87Sr的準確性，使用陽離子交換樹脂Dowex 50W×8進行淋洗，只要保證Rb/Sr＜0.01，則完全可以扣除Rb的干擾[37-38]，并且使用TIMS測定時，由于Rb的電離溫度（700℃）低于Sr的電離溫度（1 300℃），因而在獲取Sr數據時不存在Rb的干擾[39]。傳統的TIMS具有穩定性好、精度高、干擾少等優點，而MC-ICP-MS可以獲得與TIMS相媲美的數據精度，分析時間短，效率高[38]。

4 鍶同位素示蹤葡萄酒的研究進展

從分析角度看，食品示蹤可以采用兩種方式，一種是采用直接或者間接的方式區分“相似”食品的不同地理起源，另外一種是將食品與原產地聯系起來，然后根據其來源追溯食品原產地[27]，葡萄酒示蹤也基本采用這兩種方式。

4.1 不同產區葡萄酒的區分

利用鍶同位素對葡萄酒進行溯源示蹤較早的報道為1993年HORNP等[40]對法國、科索沃、意大利葡萄酒的87Sr/86Sr比值測定后發現，不同地區葡萄酒的87Sr/86Sr比值不同，并且在實驗中發現具有同源標簽樣品的87Sr/86Sr比值有較大的差別，得出樣品的標簽可能存在錯誤。FERNANDESJR等[41]對葡萄牙杜羅河地區的葡萄酒研究也發現不同莊園葡萄酒87Sr/86Sr比值存在明顯不同。

4.2 葡萄酒溯源

DURANTEC等[19，24，34]分別在2013年、2015年和2016年對意大利摩德納地區蘭布魯斯科品種葡萄和葡萄酒進行研究和報道，分別得出葡萄汁和葡萄枝中的87Sr/86Sr比值與土壤洗脫液的87Sr/86Sr比值很相近；同一品種不同年份的葡萄酒中鍶同位比值沒有明顯的不同，土壤和葡萄酒87Sr/86Sr比值范圍完全一致；雖然葡萄酒的釀造過程會對葡萄酒中的鍶產生影響，如添加劑和澄清劑的使用，但研究表明，鍶同位素仍是葡萄酒示蹤重要指標。并在2018年，該研究者[42]對之前的研究進行了總結，通過對土壤和葡萄枝取樣的優化，發現葡萄酒中87Sr/86Sr比值與土壤和植物中87Sr/86Sr比值非常接近，得出87Sr/86Sr比值可用于示蹤葡萄酒的原產地。與DURANTE C等[24]研究不同的是，其他研究者得出葡萄酒的釀造過程不會對鍶同位素造成明顯的分餾。如MARCHIONNIS等[30]對切薩內賽品種葡萄酒的鍶同位素進行分析研究，發現葡萄酒釀造過程中，鍶的比值得以較完整的保存，并且不受釀酒年份的影響，并且得出葡萄汁與葡萄酒的相關系數為0.94。TESCIONE I等[43]對意大利半島五個不同區域的葡萄、葡萄汁、葡萄酒、澄清劑和使用的酵母的鍶同位素比值測定分析，得出葡萄、葡萄汁和葡萄酒中的鍶來源于根系的對土壤的吸收，反映了相應的基巖的鍶同位素值，而與葡萄品種、添加劑和澄清劑沒有關系。VINCIGUERRA V等[44]對加拿大魁北克葡萄酒鍶同位素進行分析發現，土壤與葡萄的87Sr/86Sr相關系數為0.88，而葡萄與酒的87Sr/86Sr相關系數為0.94，由此得出葡萄酒的釀造過程并不會影響鍶同位素的分餾，葡萄酒中的87Sr/86Sr比值可以代表葡萄中的87Sr/86Sr比值。PETRINIR等[33]對意大利北部格雷拉莊園2010年、2011年和2012年葡萄汁分析研究，得出土壤與葡萄汁之間的87Sr/86Sr比值具有顯著相關性，但同時也發現葡萄皮的鍶同位素偏輕，可能由于環境或殺菌劑對葡萄藤局部表面的影響。CATARINO S等[45]研究發現，釀酒過程中的木材老化也不會影響鍶同位素的分餾，而GEANǎE I等[46]對羅馬尼亞的葡萄酒研究發現不同源區葡萄酒的87Sr/86Sr比值有較大的差別，且與源區的土壤值具有很好的相關性。

由此可見，目前葡萄酒示蹤研究中較多的是將葡萄酒與原產地土壤和植物等信息聯系起來，僅限于利用鍶同位素對葡萄酒進行溯源的研究較少。并且發現葡萄酒與源區土壤中的87Sr/86Sr比值具有較好的相關性，并且認為陸地植被的鍶同位素組成以土壤中不穩定鍶為主，受基巖年齡與組成、土壤水分和大氣輸入的影響，而且土壤洗脫液的87Sr/86Sr比值最接近葡萄酒和葡萄汁的比值，葡萄根系吸收的土壤可能深度為20～30 cm[33]。

總結了報道的地區或莊園中葡萄酒和土壤中87Sr/86Sr比值，為相關重要產區的葡萄酒示蹤提供一定的參考，并且根據表1中的數據，以大洲為劃分依據繪制了相關產區的87Sr/86Sr比值的范圍圖（見圖1）。

圖1 部分地區葡萄酒的87Sr/86Sr比值Fig.187Sr/86Srratioofwineinsomeareas

由表1可看出，BARBASTEM等[47]研究的地區較多，但是樣品數量較少（只有一個），只有法國圣達美隆地區有4個樣品，對葡萄酒示蹤的參考具有一定的局限性。而對歐洲地區研究比較深入，樣品的數量較多，參考的可信度比較高。由圖1可看出，葡萄酒的87Sr/86Sr比值范圍為0.70471～0.72311之間，超出了COELHOI等[29]在2017年總結的葡萄酒的鍶同位素比值范圍，而且羅馬尼亞87Sr/86Sr比值范圍較大，但是所研究的兩個地區烏蘭西的87Sr/86Sr比值（0.71310～0.72311）和多瑙河階地區域（0.71015～0.71296）具有明顯的不同。

5 結論與展望

利用鍶同位素進行葡萄酒產地示蹤是一種較為直接、有效且影響因素較少的方式，雖在國內還未見報道，但是具有較好地發展前景。同時，葡萄酒的釀造過程，如添加劑和澄清劑的使用是否會影響葡萄酒中鍶同位素的分餾還需進一步研究，因此為準確利用同位素進行葡萄酒示蹤研究，仍需要做大量且全面的工作。可以建立重要葡萄酒產區的標準葡萄酒，將要被示蹤的產品與標準葡萄酒進行對比；建立葡萄酒產區鍶同位素數據庫，包括葡萄莊園的地質特征、氣候條件、葡萄酒的制作程序等；可以結合其他同位素或礦質元素指紋分析等方法可以更好地實現對葡萄酒的溯源。