赤水河流域不同地區醬香型白酒礦質元素特征分析及產地辨識初探

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次發酵、7次取酒’[1]，再經常年儲藏、盤勾勾兌、精心調味而成，亦成就了其獨特的品質與風格。赤水河對于生產好酒有著不可或缺的地理優勢，孕育了眾多中國名優白酒品牌，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能占全國醬酒產能的85%，其營收占全國醬酒市場的90%以上[3]，已經形成了典型的產業集群。

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和產品[4]。酒類產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。酒類地理標志產品的保護可以傳承和保護地方工藝特色。特別是名優白酒等地理標志產品，產自特定原產地，其品質和聲譽具有鮮明的地域特色，并與其原產地的地質地理環境關系密切[5]。建立與原產地地質地理環境密切相關的白酒組分特定指標，對于識別名優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、生產用水等原產地的地質地理環境關系密切，因此礦質元素含量差異可為白酒產地判別提供可能性。目前國內針對白酒產地辨識較常用的有基于電感耦合等離子體-原子發射光譜法（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、習水地區、遵義市區、金沙地區以及四川古藺地區的不同品牌的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據，探索建立赤水河流域醬香型白酒的產地判別模型，旨在更好的豐富醬香型白酒的產地判別研究，為較集中地域范圍內醬香型白酒的產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區及不同品牌，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：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

儀器預熱后用調諧液（Ba、Bi、Ce、Co、In、Li、U，各1.0μg/L）進行調諧，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。內標溶液（由Li、Sc、Y、In、Bi 5種元素組成，各10 μg/L）通過內標管在線加入。

1.3.4 數據處理

使用SPSS 13.0對數據進行方差分析（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＞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醬香型白酒中顯著高于貴州的茅臺鎮核心地區、習水地區、遵義市區與金沙4個地區，Al元素含量是貴州各地區醬香型白酒的1.98～6.00倍，Fe元素含量是貴州各地區醬香型白酒的1.74～3.66倍，Zn元素含量是貴州各地區醬香型白酒的1.97～18.92倍，Rb元素含量是貴州各地區醬香型白酒的1.30～1.78倍，Sr元素含量是貴州各地區醬香型白酒的1.75～2.43倍。從地理位置上看，四川古藺地區位于赤水河的左岸，相對位于下游。貴州茅臺鎮核心地區、遵義市區、金沙地區、習水地區均位于赤水河右岸，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的醬香型白酒釀造工藝，但因局部地理環境及人工釀造過程（特別是儲酒、勾調等）[16]產生的差異，可能造成Al、Fe、Zn、Rb、Sr等礦質元素在不同產地及品牌中的差異。另外，貴州各地區醬香型白酒中，Al、Fe、Rb、Sr 4種元素含量在金沙地區含量最低，Zn、As、Cs 3種元素含量在金沙地區著高于貴州其他3個地區，As元素含量分別是茅臺鎮核心地區的1.72倍、習水地區的2.36倍、遵義市區的2.59倍，Cs元素含量分別是茅臺鎮核心地區的1.81倍、習水地區的1.81倍、遵義市區的2.22倍。另外，Mg、Cr、Mn、Ni 4種元素含量在貴州遵義市區醬香型白酒中顯著高于貴州其他3個地區（P＜0.05）。

表4 不同地區醬香型白酒中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個不同產地的醬香型白酒中的14種礦質元素含量數據歸一化處理后，進行無監督的主成分分析，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，四川古藺地區醬香型白酒單獨聚為一類位于第一象限，茅臺鎮核心地區、習水地區、遵義市區、金沙地區醬香型白酒相互聚集位于二、三、四象限。可見第一主成分t[1]結合第二主成分t[2]可以將四川古藺地區醬香型白酒與貴州茅臺鎮核心地區、遵義市區、金沙地區、習水地區醬香型白酒明顯的區分開來。二、三、四這3個象限中，金沙地區醬香型白酒相對集中，而茅臺鎮核心地區、習水地區、遵義市區醬香型白酒相互聚攏。這可能是由于金沙地區醬香型白酒與茅臺鎮核心地區、習水地區、遵義市區這3個地區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與茅臺鎮核心地區醬香型白酒較分散，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]。據文獻[18]報道金沙地區醬香型白酒中風味物質與貴州其他地區醬香型白酒風味物質差異明顯，可見金沙地區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。盡管上述各地區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，準確的產地判別可能需要尋找能夠充分代表產地特征的‘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督的偏最小二乘判別分析（PLS-DA）法建立了四川古藺地區醬香型白酒與貴州各地區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、與縱軸截距較小（R2截距應＜0.45，Q2截距應＜0.05），提示有較多的數據用來解釋模型；其次R2與Q2值相差小，認為模型所解釋的數據與預測數據差值小。因此證明模型擬合良好、質量優良，預測能力良好。圖2A可見，四川古藺地區醬香型白酒（LJ）單獨聚為一類，位于第一象限，茅臺鎮核心地區（MT）、習水地區（XJ）、遵義市區（ZJ）、金沙地區（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醬香型白酒與貴州各地區醬香型白酒中礦質元素有較大差異。

圖3 不同地區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、貴州茅臺鎮核心地區、習水地區、遵義市區、金沙地區5個不同地區代表性醬香型白酒樣品中14種礦質元素展開分析。發現，Al、Fe、Zn、Rb、Sr5種元素的含量在四川古藺地區醬香型白酒中顯著高于貴州的茅臺鎮核心地區、習水地區、遵義市區與金沙地區。基于14種礦質元素的主成分分析模型可將四川古藺地區醬香型白酒與貴州茅臺鎮核心地區、習水地區、遵義市區與金沙地區醬香型白酒明顯區分，且通過偏最小二乘分析發現，Rb、Mg、Zn、Sr、Nb 5種元素為判別四川古藺地區與貴州各地區醬香型白酒的重要分類變量。另外主成分分析結果顯示，貴州各地區醬香型白酒相互聚攏，無明顯區分趨勢。可見基于礦質元素結合無監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。因此準確的產地判別可能需要借助其他能代表充分白酒產地特征的因子，或者其他的分析判別方法來達到準確的醬香型白酒產地判別的這一目的。本研究豐富了醬香型白酒的產地判別，尤其為較集中地域范圍內的醬香型白酒產地判別研究積累經驗，提供借鑒。