赤水河流域不同地区酱香型白酒矿质元素特征分析及产地辨识初探

王 丽，卢 君 *，山其木格，唐 平，毕荣宇，王 凡，李长文

（1.贵州国台酒业股份有限公司，贵州 仁怀 564501；2.天士力控股集团有限公司研究院，天津 300410）

酱香型白酒作为中国白酒主体香型之一，有着悠久的历史文化，遵循传统的酿造工艺‘酿造周期为1年，通过2次投粮、9次蒸煮、8次发酵、7次取酒’[1]，再经常年储藏、盘勾勾兑、精心调味而成，亦成就了其独特的品质与风格。赤水河对于生产好酒有着不可或缺的地理优势，孕育了众多中国名优白酒品牌，既有单品销售额全球第一的茅台酒，也有郎酒、习酒、国台、钓鱼台等强势产品，还有正在赤水河沿岸大力投资的珍酒、劲牌等新锐阵营[2]，在过去一年赤水河流域酱香型白酒产能占全国酱酒产能的85%，其营收占全国酱酒市场的90%以上[3]，已经形成了典型的产业集群。

由于各地具有独特的气候、土壤、水源等自然因素及不同的人文技术条件，因而各地具有独特地理标志的天然物产和产品[4]。酒类产品同样由于其所采用的酿酒水源等自然因素不同和酿造设备、工艺、技术水平等人文因素差异也赋予了其特定的地理标志。酒类地理标志产品的保护可以传承和保护地方工艺特色。特别是名优白酒等地理标志产品，产自特定原产地，其品质和声誉具有鲜明的地域特色，并与其原产地的地质地理环境关系密切[5]。建立与原产地地质地理环境密切相关的白酒组分特定指标，对于识别名优白酒的地域来源和丰富中国酒文化都具有重要意义。

白酒中矿质元素来源与酿造原料、生产用水等原产地的地质地理环境关系密切，因此矿质元素含量差异可为白酒产地判别提供可能性。目前国内针对白酒产地辨识较常用的有基于电感耦合等离子体-原子发射光谱法（inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry，ICP-AES）[6-8]、电感耦合等离子体-质谱法（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）[9-11]，基于气相色谱-同位素比值质谱法（gas chromatography-isotope ratio mass spectrometry，GCIRMS）[12-14]，或者是二者结合被认为是有效的白酒产地判别手段[15]。因此，本研究采用常用的电感耦合等离子体-质谱法（ICP-MS）对围绕赤水河流域的茅台核心地区、习水地区、遵义市区、金沙地区以及四川古蔺地区的不同品牌的35个具有代表性的酱香型白酒进行研究，以矿质元素为测定基础，结合计量学的分析技术处理数据，探索建立赤水河流域酱香型白酒的产地判别模型，旨在更好的丰富酱香型白酒的产地判别研究，为较集中地域范围内酱香型白酒的产地判别研究奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

实验用酒样均为酱香型白酒成品酒，分别来自于赤水河流域不同产区及不同品牌，酒样具体信息见表1。

表1 白酒样品信息Table 1 Information of Baijiu samples

矿质元素标准品溶液：镁（Mg）、铝（Al）、钒（V）、镉（Cr）、锰（Mn）、铁（Fe）、镍（Ni）、锌（Zn）、砷（As）、铷（Rb）、锶（Sr）、铯（Cs）、钛（Ti）、铌（Nb）、锂（Li）、钪（Sc）、钇（Y）、铟（In）、铋（Bi）（1 000 mg/L）：国家有色金属材料分析中心。

65%硝酸（优级纯）：美国默克公司。

1.2 仪器与设备

MARS6微波消解仪：美国CEM公司；电感耦合等离子体质谱仪：美国Thermo Fisher公司；DH-VGS40全自动真空赶酸系统：北京东行科仪仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 样品处理方法

准确量取1 mL酒样于消解罐中，将消解罐置于赶酸系统中100 ℃加热赶走乙醇（约30 min），待消解罐冷却后加入浓硝酸4 mL后置于通风厨过夜进行预消解，第二天微波消解（升温程序：120 ℃，升温时间5 min，恒温5 min；150 ℃，升温时间5 min，恒温10 min；190 ℃，升温时间5 min，恒温20 min），待消解液冷却后转移到50 mL离心管中用纯水定容至刻线待测。相同方法准备试剂空白。

1.3.2 标准溶液的配制

分别配制不同浓度的混合标准品溶液1：Al、Mg、Fe、Zn、V、Cr、Mn、Ni、As、Rb、Sr、Cs；混合标准品溶液2：Ti、Nb；具体浓度见表2（C1～C6表示不同浓度体系的标准溶液）。

表2 标准溶液的配制Table 2 Preparation of standard solution

1.3.3 ICP-MS测定条件

仪器预热后用调谐液（Ba、Bi、Ce、Co、In、Li、U，各1.0μg/L）进行调谐，射频功率1 550 W，雾化室温度2.6 ℃，雾化器流速1.0 L/min，冷却气流速1.0 L/min，辅助气流速1.0 L/min，蠕动泵转速40 r/min，自动进样，采样深度5 mm，跳峰模式采样，分析模式动能歧视（kinetic energy discrimination，KED），重复3次，扫描10次；校正方程：仪器软件推荐。外标法定量，以5%硝酸为介质，将元素标准溶液逐级稀释并绘制标准曲线。内标溶液（由Li、Sc、Y、In、Bi 5种元素组成，各10 μg/L）通过内标管在线加入。

1.3.4 数据处理

使用SPSS 13.0对数据进行方差分析（Duncan test），使用Simca P进行主成分分析（principal component analysis，PCA）及偏最小二乘法判别分析（partial least squares-discriminant analysis，PLS-DA）。

2 结果与分析

2.1 矿质元素含量测定

按所建立的分析方法上机测定后，电感耦合等离子体质谱仪自动绘制14种矿质元素标准曲线。连续测定空白溶液11次，以各元素测定结果的3倍标准偏差所对应浓度为各元素的检出限。以测定结果的10倍标准偏差所对应的浓度为各元素的定量限。在样品中分别加入高、中、低3个不同浓度的混合标准品溶液，检测并计算各元素的加标回收率，结果见表3。

由表3可知，各元素标准曲线线性良好，相关系数＞0.971，检出限0.000 5～1.54 ng/mL，定量限为0.002～5.13 ng/mL，说明方法线性关系好，检出限低。采用所建立的ICP-MS法对实际的白酒样品进行加标回收实验，各元素的加标回收率为90.39%～112.28%，表明方法的准确度好。

表3 14种矿质元素的标准曲线及检测限、定量限、回收率Table 3 Calibration curve,detection limit,quantitative limit and recovery rate of 14 mineral elements

2.2 赤水河流域酱香型白酒中矿质元素的地域分布差异分析

14种元素显著性差异分析结果见表4。结果表明，在五个不同地区均有14种元素（Mg、Al、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Zn、As、Rb、Sr、Cs、Ti、Nb）检出，Al、Fe、Zn、Rb、Sr 5种元素的含量在四川古蔺地区酱香型白酒中显著高于贵州的茅台镇核心地区、习水地区、遵义市区与金沙4个地区，Al元素含量是贵州各地区酱香型白酒的1.98～6.00倍，Fe元素含量是贵州各地区酱香型白酒的1.74～3.66倍，Zn元素含量是贵州各地区酱香型白酒的1.97～18.92倍，Rb元素含量是贵州各地区酱香型白酒的1.30～1.78倍，Sr元素含量是贵州各地区酱香型白酒的1.75～2.43倍。从地理位置上看，四川古蔺地区位于赤水河的左岸，相对位于下游。贵州茅台镇核心地区、遵义市区、金沙地区、习水地区均位于赤水河右岸，且相对位于上游。尽管整个赤水河流域酱香型白酒酿造几乎都遵循传统的酱香型白酒酿造工艺，但因局部地理环境及人工酿造过程（特别是储酒、勾调等）[16]产生的差异，可能造成Al、Fe、Zn、Rb、Sr等矿质元素在不同产地及品牌中的差异。另外，贵州各地区酱香型白酒中，Al、Fe、Rb、Sr 4种元素含量在金沙地区含量最低，Zn、As、Cs 3种元素含量在金沙地区著高于贵州其他3个地区，As元素含量分别是茅台镇核心地区的1.72倍、习水地区的2.36倍、遵义市区的2.59倍，Cs元素含量分别是茅台镇核心地区的1.81倍、习水地区的1.81倍、遵义市区的2.22倍。另外，Mg、Cr、Mn、Ni 4种元素含量在贵州遵义市区酱香型白酒中显著高于贵州其他3个地区（P＜0.05）。

表4 不同地区酱香型白酒中14种矿质元素含量Table 4 Contents of 14 mineral elements of sauce-flavor Baijiu in different geographical regions

2.3 赤水河流域不同地区酱香型白酒中矿质元素的主成分分析及偏最小二乘分析

对赤水河流域5个不同产地的酱香型白酒中的14种矿质元素含量数据归一化处理后，进行无监督的主成分分析，结果显示，前3个主成分累计解释79.6%的总变异（R2X），说明这几个主成分已经涵盖了14种元素的绝大部分信息，Q2=0.58认为模型预测能力较好。不同地区酱香型白酒主成分分析得分见图1。

如图1所示，四川古蔺地区酱香型白酒单独聚为一类位于第一象限，茅台镇核心地区、习水地区、遵义市区、金沙地区酱香型白酒相互聚集位于二、三、四象限。可见第一主成分t[1]结合第二主成分t[2]可以将四川古蔺地区酱香型白酒与贵州茅台镇核心地区、遵义市区、金沙地区、习水地区酱香型白酒明显的区分开来。二、三、四这3个象限中，金沙地区酱香型白酒相对集中，而茅台镇核心地区、习水地区、遵义市区酱香型白酒相互聚拢。这可能是由于金沙地区酱香型白酒与茅台镇核心地区、习水地区、遵义市区这3个地区酱香型白酒在某些矿质元素含量上有较大差异。且该推测与前述（文中2.2）贵州各地区酱香型白酒矿质元素含量特征分析结果相佐证。GT2、DYT1与茅台镇核心地区酱香型白酒较分散，原因可能是由于二者储存年份较长，金属元素含量随着贮存时间均有不同程度的增加所致[17]。据文献[18]报道金沙地区酱香型白酒中风味物质与贵州其他地区酱香型白酒风味物质差异明显，可见金沙地区酱香型白酒确有其独特之处。综上，可见基于矿质元素分析的无监督的主成分分析模型仅可初步对赤水河流域酱香型白酒进行产地判别，无法达到准确判别的目的，尤其在较集中地域范围内。尽管上述各地区酱香型白酒中矿质元素含量具有显著性差异，但由于白酒中矿质元素来源广泛，不同来源对矿质元素的贡献程度也不尽相同。因此，准确的产地判别可能需要寻找能够充分代表产地特征的‘因子’或者是多种检测或分析方法相结合。

图1 不同地区酱香型白酒主成分分析得分图Fig.1 Principal component analysis score plots of sauce-flavor Baijiu in different region

基于上述主成分分析结果，本研究继而采用有监督的偏最小二乘判别分析（PLS-DA）法建立了四川古蔺地区酱香型白酒与贵州各地区酱香型白酒的分类判别模型（如图2A所示）。该模型R2X=0.738，R2Y=0.985，Q2=0.928。排列实验[19]（图2B所示）回归线斜率较大、与纵轴截距较小（R2截距应＜0.45，Q2截距应＜0.05），提示有较多的数据用来解释模型；其次R2与Q2值相差小，认为模型所解释的数据与预测数据差值小。因此证明模型拟合良好、质量优良，预测能力良好。图2A可见，四川古蔺地区酱香型白酒（LJ）单独聚为一类，位于第一象限，茅台镇核心地区（MT）、习水地区（XJ）、遵义市区（ZJ）、金沙地区（JS）酱香型白酒相互聚拢为另一类，主要位于第二、三象限。

图2 不同地区酱香型白酒偏最小二乘分析散点图（A）及排列实验验证偏最小二乘法判别分析模型（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归的一种判别方式，以预设分组变量，作为有监督的分析，弥补PCA方法的不足，强化组间的差异，变量重要性分析值（variable importance in the projection，VIP）可以量化PLS-DA的每个变量对分类的贡献度[20]，便于筛选重要的分类变量[21]。赤水河流域不同地区酱香型白酒矿质元素VIP值分布图见图3。由图3可知，VIP值越大，认为变量在不同产地间差异越显著[22]。以VIP＞1为标准，筛选到对于模型分类起到重要作用的特征变量5种：Rb、Mg、Zn、Sr、Nb。该结果与前述各元素含量显著性差异分析结果一定程度相吻合。白酒中Mg较常见来源于白酒酿造过程中的加浆水[17]，或者是储酒容器。李清亮等[10]报道Zn元素是区分不同类型白酒的特征元素之一。有报道说明[23]，Nb元素在判别地理环境方面的应用报道。Sr元素属于碱土金属元素，在动、植物中与钙共存，Rb、Sr均可能来源于某些矿泉，有文献报道利用Sr同位素进行食品产地溯源[24-25]，因此推测白酒中Rb、Sr元素很可能是从酿造原料或酿造用水引入。综上所述认为四川古蔺地区酱香型白酒与贵州各地区酱香型白酒中矿质元素有较大差异。

图3 不同地区酱香型白酒偏最小二乘法判别分析VIP值分布图Fig.3 Partial least squares-discriminant analysis VIP value of sauce-flavor Baijiu in different geographical origin

3 结论

本研究采用微波消解结合电感耦合等离子体-质谱法建立了酱香型白酒中14种矿质元素的含量测定方法。随后围绕赤水河流域四川古蔺地区、贵州茅台镇核心地区、习水地区、遵义市区、金沙地区5个不同地区代表性酱香型白酒样品中14种矿质元素展开分析。发现，Al、Fe、Zn、Rb、Sr5种元素的含量在四川古蔺地区酱香型白酒中显著高于贵州的茅台镇核心地区、习水地区、遵义市区与金沙地区。基于14种矿质元素的主成分分析模型可将四川古蔺地区酱香型白酒与贵州茅台镇核心地区、习水地区、遵义市区与金沙地区酱香型白酒明显区分，且通过偏最小二乘分析发现，Rb、Mg、Zn、Sr、Nb 5种元素为判别四川古蔺地区与贵州各地区酱香型白酒的重要分类变量。另外主成分分析结果显示，贵州各地区酱香型白酒相互聚拢，无明显区分趋势。可见基于矿质元素结合无监督的主成分分析仅可初步对赤水河流域酱香型白酒进行产地判别，无法达到准确判别的目的，尤其在较集中地域范围内。因此准确的产地判别可能需要借助其他能代表充分白酒产地特征的因子，或者其他的分析判别方法来达到准确的酱香型白酒产地判别的这一目的。本研究丰富了酱香型白酒的产地判别，尤其为较集中地域范围内的酱香型白酒产地判别研究积累经验，提供借鉴。