竹酒矿质元素评价及表征品质元素筛选

2020-11-20陈晨樊玮张保荀航姚曦汤锋

食品与发酵工业 2020年21期

陈晨，樊玮，张保，荀航，姚曦，汤锋*

1(国际竹藤中心，国家林业和草原局/北京市共建竹藤科学与技术重点实验室，北京，100102)2(中国林业科学研究院，北京，100091)

竹饮料是以竹资源为主要原料开发的一类功能饮品，包括含酒精饮料和无酒精饮料。含酒精竹饮料主要有竹酒[1]、竹红酒[2]、竹啤酒[3]等产品，无酒精竹饮料主要有竹汁饮料、竹沥饮料和竹叶黄酮饮料等产品[4]。竹酒是一种中国传统含酒精饮料，近几年在酒类饮品中形成了一定的市场规模。竹酒是通过将基酒注入活竹腔中封闭陈酿一段时间获得的，其制作过程类似于葡萄酒在橡木桶中的陈酿。而陈酿容器会显著影响酒的成分、颜色和香味等属性[5]，如橡木桶可以在葡萄酒陈酿过程中影响41种挥发性物质的含量[6]，也会影响酒体中Fe元素和Cu元素的浓度[7]。过量的Na元素会导致白酒香气变差；Mg、Ca、Cu、Zn过量容易使酒的口味苦涩；酒体中添加一定量的K能增加甜醇感；Fe过量会使酒质变差，甚至出现铁腥味[8]。毛竹(Phyllostachyspubescens) 是单轴散生型常绿竹种，竹秆直径通常5～10 cm，壁厚约1 cm，节间长度20～30 cm，是制作竹酒最常用的材料。基酒在竹腔中陈酿时，土壤、空气、水等环境中存在的物质[9]可能通过竹子进入酒体而影响竹酒的颜色、香气、口味以及稳定性和安全性。鉴于矿质元素可能影响竹酒的品质，进而影响人体健康[5]，所以对酒体中矿质元素的检测尤为重要。电感耦合等离子体质谱法是一种简单快捷的检测方法，稳定性好，精确度高，对痕量元素敏感，适合同时进行多种元素的分析[10]。

针对目前我国市场上竹酒矿质元素的研究空白及缺少评价标准的现状，本研究采用电感耦合等离子体质谱法，对市售竹酒样品中的14种矿质元素进行检测，包括人体必需常量元素Na、Mg、K、Ca；人体必需微量元素Fe、Co、Cu、Zn；人体可能必需微量元素Mn、Ni；具有潜在毒性但低剂量可能对人体有益的微量元素Al、As、Cd、Pb[11]。并基于主成分分析法和聚类分析法，分析、筛选竹酒样品中的关键矿质元素，结合竹酒陈酿实验，验证竹酒制作前后酒体中关键矿质元素的差异，为构建竹酒产品质量标准提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 实验样品

从市场上收集竹酒样品，样品基酒需经过在活竹腔中的封闭陈酿过程后制成竹酒，而非只是将竹节当做容器的容器竹酒。最终得到10种竹酒样品，样品编号为S1～S10。验证实验的不同基酒购自泸州老窖，编号为B1～B4。

表1 竹酒和基酒样品Table 1 Samples of bamboo liquor and base liquor

1.1.2 试剂

HNO3，分析纯，北京化工厂；水为超纯水,实验室制备；含Na、Mg、K、Ca、Fe、Co、Cu、Zn、Mn、Ni、Al、As、Cd、Pb的10 μg/mL的高纯度混合标准溶液 (介质为体积分数5%HNO3)，其中Na、Mg、Al、K、Ca质量浓度为1000 μg/mL，色谱纯，美国Agilent公司；标准溶液系列由高纯度混合标准溶液逐级稀释 (介质为体积分数5% HNO3)；10 μg/mL 含Li、Co、Y、Ce、Tl混合标准调谐液 (介质为体积分数2% HNO3)，色谱纯，美国Agilent公司。

1.1.3 仪器与设备

Agilent 7700型电感耦合等离子体质谱仪，美国 Agilent公司；Cascada AN实验室超纯水系统，美国 Pall公司。

1.2 实验方法

1.2.1 矿质元素测定

采用电感耦合等离子体质谱法[12]。

吸取一定量的样品过0.22 μm有机滤膜后，用超纯水稀释50倍，直接进样。

电感耦合等离子质谱仪经全自动调谐后，仪器满足稳定性、灵敏度、双电荷、氧化物等各项指标。主要检测参数为：载气 99.99%高纯度氩气；载气流速 1.11 mL/min；射频功率 1 150 W；采样深度 6.2 mm；S/C温度 2 ℃；氧化物范围 0～0.6%；双电荷范围 0～2.5%。在电感耦合等离子体质谱仪的最佳工作参数下，收集空白和标准溶液，绘制标准曲线。将样品代入后求得矿质元素的含量。

1.2.2 验证实验

将不同酒精度的基酒B1、B2、B3、B4在毛竹腔中分别封闭陈酿30、60、90、120 d后，以1.2.1的方法检测制得的竹酒中关键元素的含量。

工艺条件：实验地位置，安徽省黄山市太平湖竹园 (118.03725°N，30.355345°E)；注酒竹种，毛竹 (Phyllostachyspubescens)；毛竹竹龄，1～4年；注酒部位，毛竹竹腔距根部1.5 m处，每根毛竹注1节竹腔；注酒工艺，2 mm微孔注酒；开孔部位，注酒竹腔上部竹节处；开孔角度 45°；注酒体积 500 mL。注酒完毕后用热熔枪进行蜡封。样品采集方式：使用10 mm钻头在注酒竹腔下部竹节上1 cm处开孔，并在竹腔上部随机开一气孔，进行样品采集。相同基酒封闭陈酿不同时间所采用的毛竹不同株。

1.2.3 数据处理与统计分析

市售竹酒样品和基酒样品均为3个平行，结果以均值±标准差表示。采用SPSS 24.0软件(美国IBM公司)进行方差分析、主成分分析、聚类分析等数据处理。

2 结果与讨论

2.1 矿质元素的标准曲线

电感耦合等离子体质谱仪自动绘制的14种矿质元素标准曲线见表1，各元素标准曲线线性良好，相关系数在0.993 7～1.000 0。

2.2 竹酒的矿质元素

竹酒中14种矿质元素检测结果见表2。结果表明，10种竹酒中人体必需常量元素Na、Mg、Ca、K 的含量较高，分别为7.77～67.85、4.93～26.29、4.33～30.00和222.40～968.99 mg/L。其中K元素含量最高。微量元素Al、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb中，Mn、Fe、Cu、Zn含量较高，分别为0.81～5.90、0.05～0.60、0.01～0.08和0.13～1.78 mg/L，其余微量元素含量较低。竹酒样品中各元素含量符合蒸馏酒及其配制酒中重金属元素的规定限量[13]。

表1 14种矿质元素的标准曲线与检测限Table 1 Calibration cur e and detection limit of 14 mineral elements

表2 竹酒中14种矿质元素的含量单位：mg/L

竹酒是以白酒为基酒制作而成的，所以具有一定的蒸馏酒属性。为从重金属元素的角度验证竹酒的安全性并初步筛选出酒体中含量较高的矿质元素，将竹酒中14种矿质元素含量与白酒[14]、威士忌[15-17]、白兰地[18-19]3种蒸馏酒中的矿质元素含量进行对比。结果表明,竹酒中K元素和Mn元素含量远高于这3种蒸馏酒，其他矿质元素含量均在3种蒸馏酒相应矿质元素的含量范围之内。竹酒的安全性良好，且相对于白酒、威士忌、白兰地，竹酒富含K、Mn元素，是一种天然的K、Mn元素补充饮品。

K元素具有维持人体内正常的糖、蛋白质代谢、酸碱平衡及渗透压等功效，是人体生长的必需元素。K元素的缺乏可能会导致高血压[20]、心血管疾病[21]及中枢神经的病变[22]；Mn具有抗氧化、促进骨骼生长发育、促进酶活及代谢的功效，对心血管系统大有裨益，缺乏Mn元素会导致贫血[23]及帕金森氏病等症状[24]，而Mn摄入过量会导致头晕、嗜睡和精神衰退等症状，严重的会影响中枢神经系统[25]。

2.3 竹酒中14种矿质元素的主成分分析

14种矿质元素间的相关性结果见表3。结果显示，各矿质元素间存在着一定的相关性。常量元素Na、Mg、K、Ca中，Na、Mg、Ca三者极显著相关(P≤0.01)，而K元素只与Cu具有弱显著正相关(P≤0.05)。微量元素中，Mn、Zn、Cd、Pb四种元素都与Na、Mg、Ca极显著正相关(P≤0.01)，而Pb与除K外的任何矿质元素都显著正相关(P≤0.05)。这些相关系数在一定程度上反映了各矿质元素之间的关系，但数据间存在着相互影响，会造成信息重叠。所以对竹酒中14种矿质元素进行主成分分析，旨在对数据进行降维，从而对表征矿质元素品质的关键指标进行分析和筛选。

表3 竹酒中14种矿质元素的相关系数Table 3 Correlation coefficients of 14 mineral elements in bamboo liquor

采用SPSS 24.0对竹酒的14种矿质元素进行主成分分析表明，根据特征值大于1的原则，共分析出3个主成分，第1主成分(PC1)贡献率为50.279%，第2主成分(PC2)贡献率为16.934%，第3主成分(PC3)贡献率为10.059%，累积贡献率可达77.272%，故前3个主成分能很好地代表竹酒中14种矿质元素。由图1可得，第1主成分在Na、Mg、Ca、Mn、Ni、Cu、Zn、Pb、Cd有较高的载荷系数，说明这些变量与第1个主因子有较高的相关性，主要反映Na、Mg、Ca、Mn、Zn、Pb、Cd在品质上所反映的信息。第2主成分在Al、Fe、Co、As有较高的载荷系数，说明这些变量与第2主因子有较高的相关性，主要反映Al、Fe在品质上的信息。而第3主成分在K有较高的载荷系数，代表K元素。竹酒中的K元素为独立的矿质元素品质因素，说明其对竹酒矿质元素品质的重要影响。

图1 矿质元素的载荷图Fig.1 Component loading plot of mineral elements

2.4 竹酒中14种矿质元素的聚类分析

为了对竹酒中矿质元素进行综合评价，采用聚类分析的系统分析法对主成分分析的结果进行了验证。14种矿质元素的聚类分析图见图2,结果表明，在欧式平方距离25处，竹酒的14种矿质元素指标可分为2类，K元素为单独一类。在欧式平方距离15处，矿质元素指标可分为3类，K元素为第1类，Al、Fe、Co、As为第2类，剩下的矿质元素为第3类。聚类分析与主成分分析的结果相吻合。

图2 矿质元素的聚类分析树状图Fig.2 Dendrogram plot from cluster analysis of mineral elements

2.5 K元素的验证实验结果

目前，竹酒生产工艺通常以白酒为基酒，将适量基酒注入1～4年生的毛竹中，陈酿30～360 d后采收，大多按季度出售，市售竹酒产品基酒酒精度通常在40%～60%(乙醇体积分数)。为了探讨市售竹酒样品与白酒、威士忌、白兰地等蒸馏酒中K元素含量存在巨大差异的原因，验证市售竹酒样品中钾元素含量范围的合理性，选择了60%、56%、52%、40%(乙醇体积分数)4种酒精度的基酒，注入1～4年生毛竹竹腔中，封闭陈酿30、60、90、120 d后采收，检测酒体中K元素含量，结果如图3所示。基酒中K元素含量为1.98～19.54 mg/L，不同酒精度基酒在不同毛竹秆中陈酿30～120 d后，K元素含量可达181.53～929.24 mg/L，检测结果与市场上采集的竹酒K元素含量范围相近。与基酒相比，陈酿后酒体中的K元素含量显著升高。K元素是竹子生长的必需元素,且在竹秆中含量较高[26-27]，能够促进光合作用、酶活力以及纤维素和木质素的合成[28]。因此，推测在封闭陈酿过程中，竹秆会影响酒体中K元素的含量，进而导致基酒陈酿前后的差异。

不同竹龄、生长状态的毛竹，竹秆中K元素含量存在差异[27]。由于竹酒采用活竹陈酿工艺，每根竹子仅选取1节注入基酒，过多会导致竹子非健康生长甚至死亡。为了尽可能兼顾目前竹酒生产工艺的多样性，本实验随机选取不同的竹子注入基酒，但由于竹龄和个体差异，导致竹酒中K元素检测结果在合理的范围内存在一定的波动。尽管如此，与基酒相比，所得竹酒中K元素含量最少增加了9.29倍。

矿质元素指标可信度高且不容易通过勾兑改变，其测量方法灵敏度高，稳定性好。本文结果表明，活竹酒矿质元素具有以下品质特征：K元素为14种矿质元素中含量最高的元素；经过在活竹中的陈酿过程，竹酒中K元素含量显著上升；不同竹酒K元素含量不同，但均在一定的范围之内。相对于活竹酒，市场上仅以竹筒为容器的竹筒酒或假冒伪劣产品，由于没有与活竹共生的过程，酒体中K元素含量应达不到活竹酒的含量范围。进一步深入研究后，K元素含量可作为独立的特征指标之一，用于表征活竹酒的品质。