六類蒸餾酒中16種無機(jī)元素的測定及主成分分析

范 濤，謝正敏 *，安明哲，魏金萍，黃 箭，張 倩

（1.宜賓五糧液股份有限公司，四川 宜賓 644000；2.中國輕工業(yè)濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 宜賓 644000）

中國白酒與朗姆酒、威士忌、金酒、伏特加和白蘭地被稱為世界六大蒸餾酒，具有悠久的歷史和獨(dú)特的釀造技藝，在食品工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位[1]。近年來隨著生活水平的提高，消費(fèi)者的需求也越來越多元化。除了中國白酒，威士忌、金酒、朗姆酒、伏特加和白蘭地等不同類型的酒精飲料也受到眾多消費(fèi)者的喜愛[2]。因此，不同蒸餾酒的品質(zhì)也越來越受到更多關(guān)注。其中，蒸餾酒中的各種微量元素不僅影響著其品質(zhì)，還影響著人們的健康[3-4]。有研究表明，過量攝入金屬元素與氧化損傷、慢性炎癥疾病、癌癥以及過早衰老有關(guān)[5]。如過量吸收鎳（Ni）會(huì)導(dǎo)致其在腎臟、骨骼和甲狀腺中積累，從而導(dǎo)致毒性引起各種疾病[6]。GENCHI G等[7]研究表明，過量攝入鎘（Cd）會(huì)導(dǎo)致乳腺癌等多種癌癥的發(fā)生。另一方面，鈉（Na）、鉀（K）、鎂（Mg）、銅（Cu）和鐵（Fe）等離子含量過高也會(huì)導(dǎo)致酒的品質(zhì)變差，甚至出現(xiàn)金屬味[8-9]。因此，蒸餾酒中各種無機(jī)元素的檢測和分析對于確保其品質(zhì)以及飲用安全尤為重要。

目前，多種元素分析技術(shù)已被廣泛用于食品行業(yè)中的元素分析，包括原子吸收光譜法（atomic absorption spectroscopy，AAS）、原子發(fā)射光譜法（atomic emission spectrometry，AES）、電感耦合等離子發(fā)射光譜（inductively coupled plasma optical emission spectrometer，ICP-OES）、電感耦合等離子體質(zhì)譜法（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）[10-13]等。其中，ICP-MS由于其測定方法操作簡單、速度較快、準(zhǔn)確度較高、檢出限低等優(yōu)勢[14-16]被廣泛用于環(huán)境、食品等檢測中。如PASVANKA K等[17]利用ICP-MS測定不同葡萄酒中的Na、Mg、磷（P）、K等共44種元素，結(jié)合偏最小二乘判別分析（partial least-squares discrimination analysis，PLS-DA）將不同地區(qū)和品種的葡萄酒進(jìn)行區(qū)分。卓俊納等[18]利用ICP-MS測定不同品牌醬香型白酒中16種金屬元素，通過聚類分析和偏最小二乘判別分析等將不同品牌醬香型白酒進(jìn)行區(qū)分，同時(shí)利用偏最小二乘判別分析結(jié)合變量重要性投影（variable importance projection，VIP）值建立驗(yàn)證模型，發(fā)現(xiàn)Na、鈣（Ca）、鋁（Al）、K等是造成不同品牌醬香型白酒差異性的主要無機(jī)元素。郭金喜等[19]利用電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜（ICP-MS/MS）對3種新疆黑枸杞紅酒中的22種微量元素進(jìn)行檢測，結(jié)合主成分分析（principal component analysis，PCA）法提取其中5種成分來評(píng)判新疆黑枸杞紅酒中微量元素的分布。

主成分分析法作為一種降維的統(tǒng)計(jì)方法，可以將多個(gè)原始變量抽取和壓縮成能代表原始變量信息大量信息的少數(shù)綜合指標(biāo)，并保持?jǐn)?shù)據(jù)集對方差貢獻(xiàn)最大的特征，從而充分反映總體特征[20]。許多食品的地理保護(hù)，產(chǎn)地溯源等均采用該方法進(jìn)行[19]。本研究利用微波消解法處理六類共36種國內(nèi)外蒸餾酒樣品，并利用ICP-MS法測定其中的Na、Mg、Al、K、Ca、Fe、鋰（Li）、硼（B）、鈦（Ti）、鉻（Cr）、錳（Mn）、Cu、鍶（Sr）、鋇（Ba）、鉛（Pb）、Ni 16種無機(jī)元素，對檢測結(jié)果進(jìn)行主成分分析，確定六類蒸餾酒中的特征元素，旨在為六類蒸餾酒中無機(jī)元素的分析提供科學(xué)方法，以及為防偽鑒定和質(zhì)量控制等方面提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

Na、Mg、Al、K、Ca、Fe、Li、B、Ti、Cr、Mn、Cu、Sr、Ba、Pb、Ni、Rh、Tl單元素離子標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液（1 000 mg/L）：國家有色金屬及電子材料分析測試中心；標(biāo)準(zhǔn)調(diào)諧液Tune A：美國Thermo-Fisher公司；體積分?jǐn)?shù)65%硝酸：德國Sigma-Aldrich公司；實(shí)驗(yàn)室用水均為超純水；所有容器以及聚四氟乙烯消解罐均用體積分?jǐn)?shù)10%硝酸浸泡24 h以上，依次用自來水和超純水反復(fù)沖洗后使用。

白蘭地（BLD）（5種）、朗姆酒（LM）（3種）、威士忌（WSJ）（7種）、金酒（JJ）（4種）、濃香型白酒（12種）、伏特加（FTJ）（5種）蒸餾酒樣品：市售。

1.2 儀器與設(shè)備

X-Series2系列電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）儀：美國Thermo Fisher公司；Mili-Q 超純水處理機(jī)：美國Millipore公司；MARS6微波消解儀：美國CEM公司；HWS26型電熱恒溫水浴鍋：上海一恒科技有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品處理

根據(jù)前期研究，采用微波消解法對酒樣進(jìn)行預(yù)處理[21]。取蒸餾酒均勻樣品5 mL于50 mL燒杯中，65 ℃水浴鍋中蒸至液體僅剩2 mL左右，轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯消解罐中，并用超純水多次少量反復(fù)沖洗燒杯，轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯消解罐中，加入5 mL硝酸，140 ℃加熱1 h進(jìn)行預(yù)消解，隨后按照微波消解儀標(biāo)準(zhǔn)操作步驟消解。微波消解程序如下：第一步，溫度120 ℃，爬升時(shí)間5 min，保持時(shí)間5 min；第二步，溫度150 ℃，爬升時(shí)間5 min，保持時(shí)間10 min；第三步，溫度180 ℃，爬升時(shí)間5 min，保持時(shí)間20 min。消解完成后140 ℃趕酸至液體只剩下2 mL，轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶定容。

1.3.2 檢測方法

ICP-MS測定樣品前使用10 μg/L調(diào)諧液對儀器進(jìn)行調(diào)諧，使儀器各參數(shù)條件達(dá)到最佳。通過內(nèi)標(biāo)混合T型接頭在所有上機(jī)測試樣品中在線加入5 μg/L的Rh和Tl混合元素作為內(nèi)標(biāo)。由于不同元素濃度的差異比較大，因此將Na、Mg、Al、K、Ca、Fe配制成一組混標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度梯度分別為0、100μg/L、200μg/L、300μg/L、400μg/L、600μg/L；Li、B、Ti、Cr、Mn、Cu、Sr、Ba、Pb、Ni配制成一組混標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度梯度分別為0、1 μg/L、4 μg/L、7 μg/L、10 μg/L、15 μg/L、20 μg/L。

ICP-MS工作參數(shù)：射頻功率1 400 W；輔助氣流量：0.69L/min；冷卻氣流量：13.02L/min；霧化器流量：0.88L/min；碰撞/反應(yīng)池系統(tǒng)碰撞氣成分：氫氣（H2）7%、氦氣（He）93%；碰撞/反應(yīng)池系統(tǒng)碰撞氣流量：5.95 mL/min；蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速：25 r/min；掃描模式：Main-Peak jump；采樣深度：100 step。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS 22.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析和Kruskal-Wallis秩和檢驗(yàn)分析不同酒樣之間元素之間的差異性，GraphPad Prism進(jìn)行畫圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線與檢出限

分別將本研究中涉及的16種無機(jī)元素按上述質(zhì)量濃度配制混合標(biāo)準(zhǔn)溶液后，按所建立的分析方法對相應(yīng)元素進(jìn)行測定并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。以連續(xù)測定空白溶液6次的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差所對應(yīng)的濃度為各元素的檢出限，10倍標(biāo)準(zhǔn)偏差所對應(yīng)的濃度為定量限，結(jié)果見表1。

表1 16種無機(jī)元素分析的線性回歸方程、線性相關(guān)系數(shù)、檢出限和定量限Table 1 Linear regression equation,linear correlation coefficient,detection limits and quantitative limits of 16 inorganic elements

續(xù)表

由表1可知，ICP-MS測得的16種無機(jī)元素制作的標(biāo)準(zhǔn)曲線線性相關(guān)系數(shù)（R2）為0.999 4～0.999 9，檢出限為0.009～0.585 μg/L，定量限為0.03～1.95 μg/L，表明該方法線性關(guān)系好，檢出限低。

2.2 分析方法的準(zhǔn)確度與精密度

為保證方法準(zhǔn)確性，利用所建立的ICP-MS檢測方法對酒樣進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。分別對相應(yīng)樣品進(jìn)行6次平行測定，計(jì)算回收率以及相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSD），結(jié)果見表2。由表2可知，樣品中16種無機(jī)元素加標(biāo)回收率在87.70%～109.60%，表明該方法的準(zhǔn)確度適用于樣品檢測；RSD≤5.76%，表明該方法的準(zhǔn)確性高，精密度好，滿足進(jìn)行樣品檢測的要求。

表2 分析方法的準(zhǔn)確度與精密度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Accuracy and precision tests results of analytical methods

2.3 六類蒸餾酒中無機(jī)元素含量分析

測定了市售36種蒸餾酒樣品中16種無機(jī)元素的含量，結(jié)果見圖1和表3。由圖1和表3可知，不同類型的蒸餾酒含有的無機(jī)元素含量有差異。16種無機(jī)元素中Na或K的含量相對其他元素含量較高，其余的一些金屬元素Mn、Ni、Pb、Cu、Fe、Cr的含量遠(yuǎn)低于我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 2757—2012《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)蒸餾酒及其配制酒》、GB 23545—2009《白酒中錳的測定電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》和GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》中以及相關(guān)國外的參考限量值[5]。白蘭地中16種無機(jī)元素平均含量大小依次為：K＞Na＞Ca＞Cu＞Mg＞Fe＞B＞Al＞Mn＞Ba＞Ti＞Sr＞Pb＞Cr＞Li＞Ni；朗姆酒中16種無機(jī)元素平均含量大小依次為：Na＞K＞Ca＞Fe＞Mg＞Al＞Cu＞B＞Ti＞Mn＞Ba＞Sr＞Cr＞Ni＞Pb＞Li；威士忌中16種無機(jī)元素平均含量大小依次為：K＞Na＞Ca＞Mg＞Cu＞Fe＞B＞Ti＞Al＞Mn＞Ba＞Sr＞Pb＞Li＞Ni＞Cr；金酒中16種無機(jī)元素平均含量大小依次為：Na＞Ca＞K＞Mg＞Al＞Fe＞Cu＞Ti＞Ba＞B＞Sr＞Cr＞Pb＞Mn＞Ni＞Li；濃香型白酒中16種無機(jī)元素平均含量大小依次為：Na＞Ca＞Al＞K＞Mg＞Fe＞Cu＞B＞Ti＞Mn＞Sr＞Li＞Cr＞Ni＞Ba＞Pb；伏特加中16種無機(jī)元素平均含量大小依次為：Na＞Ca＞Mg＞K＞Al＞Fe＞B＞Sr＞Ti＞Pb＞Cu＞Ba＞Mn＞Li＞Ni＞Cr。

表3 36種蒸餾酒樣品中16種無機(jī)元素含量范圍Table 3 Concentration range of 16 kinds of inorganic elements in 36 spirits samples μg/L

圖1 蒸餾酒中16種無機(jī)元素的相對含量Fig.1 Relative contents of 16 kinds of inorganic elements in spirits

通過Kruskal-Wallis 秩和檢驗(yàn)對不同蒸餾酒元素之間比較分析發(fā)現(xiàn)（圖2），白蘭地與白酒在Al、Li、Ti、Pb元素含量之間存在顯著性差異（P＜0.05），與威士忌在Ti元素含量之間存在極顯著差異（P＜0.01），與金酒在Mn和Cu元素之間存在顯著性差異（P＜0.05），與伏特加在K、Mn、Cu和Ba元素之間差異性顯著（P＜0.05）；朗姆酒僅與金酒在Fe元素之間存在顯著性差異（P＜0.05）；威士忌與金酒在K、B、Cu元素之間差異性顯著（P＜0.05），與白酒在K、Cr、Al、B元素之間同樣存在顯著性差異（P＜0.05），與伏特加之間僅有K、Mn和Cu元素之間存在顯著性差異（P＜0.05）；金酒與濃香型白酒在Fe、Li、Sr和Ni元素之間差異性顯著（P＜0.05）；濃香型白酒與伏特加在Ca、Li、Cr和Ni元素之間差異性顯著（P＜0.05）。造成這些蒸餾酒不同元素之間差異的原因有很多，主要包括釀造原料、生產(chǎn)設(shè)備以及儲(chǔ)存容器等[9，18，22-23]。本研究中所涉及到的六類蒸餾酒釀制原料包括各種谷類糧食以及甘蔗薯類等，而在釀酒過程中，釀酒原料（糧食、水等）的元素也會(huì)進(jìn)入酒體中，因此會(huì)造成不同酒體中無機(jī)元素的差異。另外生產(chǎn)過程中各種類型的酒會(huì)接觸各種各樣的生產(chǎn)設(shè)備，設(shè)備中的一些元素也會(huì)隨之進(jìn)入酒體導(dǎo)致差異。白蘭地、威士忌釀制完成后存放于橡木桶中老熟，而白酒存放于不銹鋼罐、陶壇罐或陶瓷器具等[18，24-25]，不同的儲(chǔ)存容器將會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入酒體的元素之間形成差異。因此未來需通過測量大量相應(yīng)的樣品，以便獲得更為全面的信息用以確認(rèn)不同類型蒸餾酒的無機(jī)元素含量之間的特征。

圖2 不同蒸餾酒16種無機(jī)元素之間Kruskal-Wallis秩和檢驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Results of Kruskal-Wallis rank sum test among 16 kinds of inorganic elements in different spirits

2.4 主成分分析

2.4.1 適用性檢驗(yàn)

主成分分析法通過降維提取少數(shù)幾個(gè)指標(biāo)來代表大多數(shù)變量信息，這種分析方法最大的特點(diǎn)是損失很少的信息[26-27]。為了驗(yàn)證本研究中36種蒸餾酒的16種無機(jī)元素含量是否適合主成分分析，利用SPSS 22軟件將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行Z-score標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到新的原始數(shù)據(jù)采用KOM檢驗(yàn)法和Bartlett球體檢驗(yàn)法進(jìn)行因子分析的適用性檢驗(yàn)。通過分析，結(jié)果顯示KOM值等于0.624，說明指標(biāo)之間存在一定的相關(guān)性。Bartlett球體檢驗(yàn)結(jié)果為384.406，Sig值為0.000，表明拒絕相關(guān)系數(shù)是單位陣，即各個(gè)指標(biāo)是相關(guān)的。兩項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果都表明該數(shù)據(jù)適合因子分析法。

2.4.2 無機(jī)元素的正態(tài)分布檢驗(yàn)

利用SPSS 22.0軟件對16種無機(jī)元素進(jìn)行K-S檢驗(yàn)，檢驗(yàn)其正態(tài)性分布。分析結(jié)果顯示，Na、Mg、Al、K、Ca、Fe、Li、B、Ti、Cr、Mn、Cu、Sr、Ba、Pb、Ni的顯著性（雙側(cè)）P值分別為0.249、0.149、0.302、0.280、0.225、0.152、0.273、0.228、0.141、0.163、0.174、0.282、0.291、0.321、0.186、0.200，均大于顯著水平α=0.05，表明36種蒸餾酒中的16種無機(jī)元素的含量數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布。

2.4.3 無機(jī)元素的相關(guān)性分析

利用相關(guān)系數(shù)矩陣對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見表4。由表4可知，16種無機(jī)元素之間大部分顯著相關(guān)（P＜0.05），少數(shù)處于極顯著相關(guān)（P＜0.01），表明蒸餾酒中無機(jī)元素之間相關(guān)性較強(qiáng)，可以用主成分分析法對其進(jìn)行處理。

表4 16種無機(jī)元素間的相關(guān)性矩陣Table 4 Correlation matrix of 16 kinds of inorganic elements

2.4.4 無機(jī)元素的因子分析

采用主成分分析法提取公因子，進(jìn)行因子分析，根據(jù)特征值選取大于1的確定主成分個(gè)數(shù)，結(jié)果見表5。由表5可知，當(dāng)主成分個(gè)數(shù)達(dá)到5時(shí)，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到78.865%，包含了16種元素的大部分信息，說明前5個(gè)因子具有代表總體的特征而又有一定的區(qū)別性，因此本實(shí)驗(yàn)選取前5個(gè)主成分評(píng)判蒸餾酒中的無機(jī)元素的分布。

表5 主成分分析特征值和總體方差描述Table 5 Eigenvalue and population variance description of principal component analysis

通過SPSS 22計(jì)算出主成分初始因子載荷矩陣，由表6可得第一因子F1、第二因子F2、第三因子F3、第四因子F4和第五因子F5的因子得分模型，分別為：

表6 初始因子載荷矩陣Table 6 Loading matrix of initial factors

由表6可知，第一因子F1在XLi和XNi處有較高的載荷值，與對應(yīng)的Li和Ni呈高度正相關(guān)；第二因子F2在XB和XMn處載荷值較高，與對應(yīng)的B和Mn呈高度正相關(guān)；第三因子F3在XSr處載荷值較高，與對應(yīng)的Sr呈負(fù)相關(guān)；第四因子F4在XNa處有較高的載荷值，與對應(yīng)的Na呈高度正相關(guān)；第五因子F5在XBa處載荷值較高，與對應(yīng)的Ba呈高度正相關(guān)。由于第一因子F1和第二因子F2對方差的總的貢獻(xiàn)率達(dá)到51.804%，因此其所對應(yīng)的Li、Ni、B和Mn可作為本研究中六類蒸餾酒的特征元素。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以微波消解法對六類蒸餾酒進(jìn)行前處理，利用ICP-MS檢測Na、Mg、Al、K、Ca、Fe、Li、B、Ti、Cr、Mn、Cu、Sr、Ba、Pb、Ni等16種無機(jī)元素含量。各元素的檢出限為0.009～0.585 μg/L，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD≤5.67%，加標(biāo)回收率在87.70%～109.60%，檢測方法的精密度和準(zhǔn)確性高，能夠滿足實(shí)際樣品分析要求。本研究中檢測的Mn、Ni、Pb、Cu、Fe、Cr元素含量均低于現(xiàn)有的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)及國外相關(guān)的參考限量值。由于不同類型蒸餾酒釀造原料、工藝、貯存容器等方面的差異，除Na和Mg外，其余元素在不同酒樣中均有顯著性差異（P＜0.05），未來仍需通過測定更多的樣品以獲得更為全面的信息并確認(rèn)不同類型蒸餾酒無機(jī)元素含量差異特征。大部分無機(jī)元素之間具有顯著相關(guān)性，通過SPSS 22.0對16種無機(jī)元素含量進(jìn)行主成分分析，提取了5個(gè)主成分因子來評(píng)判國內(nèi)外蒸餾酒中無機(jī)元素的分布，確定了Li、Ni、B和Mn為蒸餾酒中的特征元素。同時(shí)，本研究為六類蒸餾酒的質(zhì)量控制、防偽鑒別等方面提供一定的參考。