主题:【第十二届原创】不同产区葡萄酒中的微量元素及风险评估

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7月一等奖

不同产区葡萄酒中的微量元素及风险评估



摘要:以不同产区葡萄酒样品为研究对象,通过加标回收比较了湿法和微波消解两种前处理方式,建立了微波消解-电感耦合等离子体质谱法(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)测定葡萄酒中28种微量元素的方法,并测定了3个产区的葡萄酒样品。结果表明,所建方法28种元素在各自线性范围内线性关系良好(相关系数:0.988~0.999),微波消解(回收率:80~126%)效果优于湿法消解(回收率:74~110%),检出限为0.001~0.395 μg/L,精密度为0.515~6.51%;对于在所有被测样品中可检出的微量元素,不同元素质量浓度差异较大,方差分析显示Cs、Lu、Re、Rh、Yb或可作为特征元素用于产区鉴别;此外,初步评估由饮用所测葡萄酒摄入的稀土元素对人体健康没有显著风险。所建方法快速、准确、高效,可为葡萄酒的产地鉴别和风险评估研究提供支撑。
关键词:葡萄酒;电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS);微量元素;微波消解;产区鉴别
我国葡萄酒标准GB/T 15037-2006规定,葡萄酒是以鲜葡萄或葡萄汁为原料,经过完全或部分发酵酿制而成,酒精度不低于7.0%的酒精饮品。近年来,葡萄酒作为一款保健型发酵饮品,随着人们生活水平和健康意识的提升而越来越受青睐,与此同时,葡萄酒的安全性和真实性也广受关注。微量元素是葡萄酒的重要组成成分,葡萄酒中的微量元素主要源于葡萄果实。在葡萄生长过程中,土壤中的微量元素通过根、茎迁移至果实并保存了生长地的特征信息。但还有研究表明,葡萄酒酿造过程中膨润土的使用会影响微量元素的组成,而有些微量元素的含量和组成在葡萄酒的酿造过程中相对稳定,因此,对微量元素的分析可被用于葡萄酒产地属性的鉴别研究。赵芳等应用ICP-MS测定了不同原产地葡萄酒样中15种稀土元素质量浓度,通过多元统计分析可以对原产地进行有效鉴别。除了与葡萄酒的来源密切相关外,微量元素还影响着葡萄与葡萄酒的风味特征,刘迪等研究了叶面喷施微量元素混合溶液对葡萄果实中元素含量和主要香气物质的影响,发现稀土元素在喷施后呈现累积效应,且对C6类香气物质的合成有一定影响。另一方面,虽然以稀土元素为主的微量元素在日常生活中对人的健康危害鲜有报道,但其摄入量以及在体内的累积量超过一定限量对生物体的毒害影响不可忽视。高浓度的稀土元素会破坏细胞膜系统,损伤染色体,具有遗传毒性,对动物注射La溶液会产生高血糖、低血压,以及肝脾脏会发生病变,Yb的化合物具有剧毒性,会刺激眼睛和皮肤,严重时可能致畸,Sc、Ce、Nd、Eu、Dy在低浓度时无毒,但摄入高浓度后会致死。因此,这些微量元素通过葡萄酒的饮用进入人体后,就有可能对人体的健康安全造成隐患
目前,分析葡萄酒中微量元素最常用是电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法,可以高效、准确地同时测定多种微量元素。本研究拟建立应用ICP-MS测定葡萄酒中以稀土元素为主的28种微量元素的方法,通过对加标回收率的考察比较湿法消解和微波消解两种前处理方式,并对三个产区酒样进行测定,旨在准确测定不同产区葡萄酒中微量元素的质量浓度,以此为葡萄酒的产区鉴别和微量元素摄入风险评估研究提供依据。
1  材料与方法
1.1  材料与试剂
赤霞珠葡萄酒:采集自河西走廊、西南高山和延怀河谷等3个产区,样品均为当地原料酿造的干型红葡萄原酒。
硝酸(HNO3,MOS级),北京化学试剂研究所;去离子水(电阻率18.2 MΩ·cm);无水乙醇,国药集团;混合元素标准溶液(100 mg/L,介质为0.5%HNO3/2%HCl/1%HF):含Au、Ce、Cs、Ga、Ge、Hf、Os、Pt、Re、Rh、Ru、Ta、W、Zr的A系列标准溶液,含Dy、Er、Eu、Gd、Ho、La、Lu、Nd、Pr、Sc、Sm、Tb、Tm、Yb的B系列标准溶液,加拿大SCP公司;调谐溶液(含Mg、In、Ce、Ba和U各1.00 μg/L),美国PerkinElmer公司;Y单元素内标溶液(10.0 μg/L,介质为0.5%HNO3),加拿大SCP公司。
1.2  仪器与设备
PerkinElmer ICP-MS Elan DRC-e电感耦合等离子体质谱仪:配备40.68 MHz自激式射频发生器、GemCleanTM十字交叉雾化器、RytonTM高分子惰性材料双通道雾化室,美国PerkinElmer公司;Anton Paar Multiwave 3000微波消解系统,奥地利Anton Paar GmbH公司;LabTech EHD 36电热消解板,北京莱伯泰科仪器公司;微量移液器,德国eppendorf公司。
1.3  消解方式
湿法消解:量取5.00 mL酒样于消解管,加入1.00 mL浓硝酸,于电热板上以100℃加热,浓缩至2.00 mL,冷却至室温后转入容量瓶,2%的硝酸溶液定容至25.0 mL,待测。相同的方法准备试剂空白。
微波消解:量取5.00 mL酒样于微波消解管,在电热板上以100℃赶醇浓缩至2.00 mL,加入1.00 mL浓硝酸后进行微波消解(温度:190℃;压力:1.38 MPa;爬升时间:20.0 min;保持时间:10.0 min),结束后以100℃赶酸至2.00 mL,冷却至室温后转入容量瓶,2%的硝酸溶液定容至25.0 mL,待测。用相同的方法准备试剂空白。
1.4  测定方法
仪器开机至稳定,用调谐液优化仪器参数,仪器工作参数见表1。编辑测定方法,选择仪器软件推荐校正方程及各测定核素,在线引入Y元素作为内标,观察内标基线灵敏度和稳定性,待稳定后将空白溶液、标准系列溶液及样品溶液分别引入仪器,绘制标准曲线,根据回归方程分别计算各元素的浓度。

表1 ICP-MS工作参数

Table 1 Working parameter of ICP-MS

参数Parameters

设定值Value

参数Parameters

设定值Value

射频功率RF power (W)

1100

等离子气流量

Plasma flow (L/min)

15.0

载气流量

Carrier flow (L/min)

0.940

辅助气流量

Auxiliary flow (L/min)

1.20

透镜电压Lens voltage (V)

5.50

雾化室温度

Atomization chamber temperature (℃)

2.00

蠕动泵转速

Speed of peristaltic pump (r/s)

0.100

采样流量

Sampling flow rate (mL/min)

0.800

采样深度Sampling depth (mm)

8.00

重复次数Repetitions

3.00



1.5  数据处理
实验数据采用Microsoft Office 2016和SPSS Statistics 19.0进行处理和分析,显著水平为P < 0.05。
2  结果与分析
2.1  线性范围及仪器检出限
分别移取A、B系列标准溶液各0.100 mL,用2%硝酸溶液定容至20.0 mL,得到浓度为500 μg/L的A、B中间液。为使标准曲线更加接近于样品的测定值,分别移取0.025、0.050、0.100、0.500、1.00、5.00 mL A中间液,以及0.025、0.050、0.100、0.500、1.00、2.00 mL B中间液,再用2%硝酸溶液定容至25.0 mL,得到6组不同浓度梯度的A、B系列溶液,将相同浓度梯度的A、B系列溶液混合,得到浓度为0.250、0.500、1.00、5.00、10.0、50.0(B系列为20.0)μg/L的混合标准溶液。

按照表1设定的仪器条件测定所配制的混合标准溶液,绘制标准曲线并计算相关系数和斜率。连续平行测定11次2%的硝酸空白溶液,依据IUPAC,以3倍标准偏差对应的浓度作为检出限(LOD),以10倍标准偏差对应的浓度作为定量限(LOQ),结果如表2所示。28种微量元素标准曲线的相关系数在0.988~0.999范围内,说明被测元素在各自线性范围内线性关系良好;LOD和LOQ分别在0.001~0.395 μg/L和0.003~1.30 μg/L范围内,表明该方法灵敏度较高。

表2 各元素线性范围及检出限

Table 2 Linear range and detection limit of each element

元素

Element

线性范围Linear range (μg/L)

斜率

Slope

相关系数

R2

检出限

LOD (μg/L)

定量限

LOQ (μg/L)

197Au

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 50.0

0.008

0.998

0.011

0.035

140Ce

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 50.0

0.034

0.999

0.007

0.022

133Cs

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 50.0

0.064

0.988

0.002

0.007

164Dy

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 20.0

0.014

0.999

0.004

0.013

166Er

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 20.0

0.017

0.999

0.002

0.008

153Eu

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 20.0

0.026

0.999

0.002

0.008

69Ga

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 50.0

0.014

0.999

0.069

0.227

158Gd

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 20.0

0.012

0.999

0.005

0.015

74Ge

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 50.0

0.005

0.999

0.058

0.192

180Hf

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 50.0

0.019

0.999

0.011

0.038

165Ho

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 20.0

0.049

0.999

0.002

0.006

139La

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 20.0

0.037

0.999

0.006

0.020

175Lu

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 20.0

0.051

0.999

0.002

0.006

142Nd

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 20.0

0.012

0.999

0.015

0.050

192Os

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 50.0

0.018

0.999

0.010

0.033

141Pr

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 20.0

0.043

0.999

0.003

0.011

195Pt

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 50.0

0.007

0.999

0.005

0.017

187Re

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 50.0

0.024

0.999

0.004

0.014

103Rh

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 50.0

0.026

0.999

0.011

0.036

102Ru

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 50.0

0.009

0.999

0.395

1.30

45Sc

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 20.0

0.015

0.993

0.366

1.21

152Sm

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 20.0

0.013

0.999

0.004

0.013

181Ta

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 50.0

0.039

0.999

0.012

0.038

159Tb

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 20.0

0.052

0.999

0.003

0.009

169Tm

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 20.0

0.052

0.999

0.001

0.003

184W

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 50.0

0.011

0.999

0.018

0.059

174Yb

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 20.0

0.016

0.999

0.006

0.021

90Zr

0.250, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 50.0

0.012

0.999

0.057

0.188



2.2  加标回收率比较
通常,应用ICP-MS分析样品中的元素时需先对样品进行消解处理,常见消解方式主要有湿法消解和微波消解。为考察两种前处理方式的消解效果,本研究对已知元素质量浓度的酒样进行3水平6平行的基质加标试验,同时计算方法精密度。结果见表3,大部分元素在微波消解条件下的回收率显著高于湿法消解(P < 0.05),因此,微波消解作为样品前处理效果优于湿法消解。在各元素加标水平下,微波消解所得回收率在80~126%范围内,精密度在0.515~6.51%范围内,表明该方法准确度和精密度良好,结果满足测定要求。

表3 不同消解方式的加标回收率

Table 3 Recovery rate of different digestion methods

元素

Element

加标水平

Added (μg/L)

微波消解microwave digestion

湿法消解wet digestion

回收率

Recovery (%)

精密度

Precision (%)

回收率

Recovery (%)

精密度

Precision (%)

197Au

0.050

122*

6.51

92

5.33

0.100

81

5.14

80

4.12

0.500

87

4.73

89

4.58

140Ce

0.100

86

4.22

85

2.64

0.200

82

2.17

81

4.21

1.00

83*

1.94

88

2.06

133Cs

0.050

85

4.89

82

3.31

0.100

101*

3.67

91

3.63

0.500

86

2.67

84

3.72

164Dy

0.050

92*

3.74

84

2.67

0.100

83

4.43

81

2.21

0.500

87*

2.02

77

2.43

166Er

0.050

99*

3.56

89

3.11

0.100

89*

4.20

79

2.20

0.500

88

3.43

84

3.41

153Eu

0.050

95

3.52

92

4.20

0.100

90

3.41

89

2.33

0.500

90*

1.78

79

2.44

69Ga

1.00

100*

3.11

90

3.32

5.00

92

1.41

97

2.42

10.0

91

1.89

93

1.93

158Gd

0.050

108*

4.08

98

4.27

0.100

91

5.41

89

4.37

0.500

90

1.78

90

1.32

74Ge

0.050

91

1.51

87

2.45

0.100

93*

2.89

83

4.44

0.500

89

4.39

85

3.42

180Hf

0.100

85*

1.61

80

2.56

0.200

81*

4.11

87

4.32

1.00

97*

3.41

82

4.42

165Ho

0.050

97

3.89

88

3.22

0.100

83

4.38

80

3.42

0.500

90

2.12

87

3.89

139La

0.100

91*

1.78

87

2.78

0.200

96*

3.13

86

3.56

1.00

85

2.89

87

3.78

175Lu

0.050

90

5.61

88

4.43

0.100

98*

4.12

88

3.61

0.500

88

2.11

82

3.52

142Nd

0.050

116*

0.717

108

1.73

0.100

88

2.02

80

4.03

0.500

91*

2.08

89

2.89

192Os

0.050

89*

5.63

76

3.43

0.100

88*

3.09

79

2.14

0.500

82

3.52

80

4.31

141Pr

0.050

98*

3.06

78

3.32

0.100

81

5.11

77

4.10

0.500

88

2.83

76

3.80

195Pt

0.050

99

4.22

98

3.29

0.100

83

5.21

83

5.53

0.500

85

2.17

83

2.52

187Re

0.050

98*

4.24

88

5.20

0.100

80

2.70

79

3.74

0.500

87*

1.53

80

3.51

103Rh

0.050

109*

5.45

90

6.37

0.100

82

3.67

80

4.44

0.500

86

0.635

88

2.62

102Ru

0.050

104*

3.67

84

4.78

0.100

93*

4.70

76

4.34

0.500

87*

3.51

75

2.62

45Sc

1.00

98*

4.13

89

4.08

5.00

105

1.63

102

3.62

10.0

86*

3.12

96

3.07

152Sm

0.050

126*

4.14

110

6.28

0.100

97*

2.33

87

2.43

0.500

90*

5.31

79

4.32

181Ta

0.050

89*

2.84

79

3.67

0.100

90*

4.30

74

4.51

0.500

87*

0.515

78

4.46

159Tb

0.050

89*

1.30

80

3.31

0.100

81

3.91

78

3.78

0.500

85*

0.697

75

1.52

169Tm

0.050

91*

3.30

79

4.23

0.100

80

2.89

81

3.21

0.500

88*

0.927

82

2.89

184W

0.050

108*

3.60

98

3.92

0.100

96

3.04

93

3.67

0.500

97*

1.90

83

2.22

174Yb

0.050

108*

3.54

99

5.16

0.100

82

3.78

79

3.59

0.500

89*

0.633

80

2.60

90Zr

1.00

88*

1.44

98

2.21

5.00

102*

2.08

92

2.56

10.0

103*

1.34

93

3.28

注:上标*表示在同一添加水平上微波消解与湿法消解回收率之间的差异达到显著水平(P < 0.05)。



2.3  样品测定及分析
选用微波消解为前处理方式对所采集的30个酒样进行分析,结果如表4所示,28种微量元素除Au、Ge、Os、Pt、Ru、Ta、Tb(部分有检出)外在所有测定样品中均有检出,包括稀土元素(其中Pm为人工放射性元素,自然界中并不单独存在;Y为本研究所用内标元素,不在测定项目内)和贵金属元素,且不同元素质量浓度差异较大。在检出元素中,除Cs外,同一种元素在不同酒样中数量级基本相同,Ga、Sc和Zr在葡萄酒中质量浓度大于1.00 μg/L,其余元素质量浓度均较低。根据人体对稀土元素每日允许摄入量是不超过4.20 mg,所测酒样中所有检出元素质量浓度之和最高未超过110 μg/L,因此,即使每日饮用1.00 L葡萄酒,所摄入稀土元素的量也远低于安全限值。所以,本研究所选3个产区的酒样在稀土元素摄入方面对人体健康没有显著风险。
尽管部分元素质量浓度的标准偏差较大,但方差分析结果显示,Cs、Lu、Re、Rh、Yb等元素在3个产区间存在显著性差异(P < 0.05,下同),其中Re在3个产区间相互差异均达到显著,河西走廊质量浓度最高,延怀河谷次之,西南高山最低;Cs、Lu、Rh、Yb在河西走廊产区和西南高山产区间达到显著性差异;除Cs外,其他元素河西走廊质量浓度显著高于西南高山。由此可得,Cs、Lu、Re、Rh、Yb或可作为这3个产区鉴别的特征元素。另一方面,在更系统准确地进行产区判别时还需测定更多元素并结合大量样本进行分析。

表4 不同产区葡萄酒中各元素质量浓度

Table 4 The concentration of each element in wine from different wine producing regions

元素

Element

河西走廊

Hexi Corridor (μg/L)

西南高山

Southwest Highland (μg/L)

延怀河谷

Yanhuai Valley (μg/L)

197Au

ND

ND

ND

140Ce

0.129 ± 0.099a

0.141 ± 0.121a

0.128 ± 0.123a

133Cs

0.864 ± 0.351a

10.8 ± 11.7b

4.54 ± 2.70ab

164Dy

0.023 ± 0.021a

0.014 ± 0.015a

0.013 ± 0.015a

166Er

0.019 ± 0.013a

0.011 ± 0.009a

0.012 ± 0.011a

153Eu

0.026 ± 0.010a

0.028 ± 0.011a

0.024 ± 0.005a

69Ga

2.49 ± 0.918a

2.83 ± 1.07a

2.29 ± 0.437a

158Gd

0.024 ± 0.024a

0.016 ± 0.017a

0.012 ± 0.015a*

74Ge

ND

ND

ND

180Hf

0.029 ± 0.021a*

0.036 ± 0.038a*

0.022 ± 0.017a*

165Ho

0.006 ± 0.005a

0.003 ± 0.003a*

0.003 ± 0.004a*

139La

0.147 ± 0.251a

0.066 ± 0.065a

0.040 ± 0.040a

175Lu

0.005 ± 0.003b*

0.003 ± 0.002a*

0.004 ± 0.003ab*

142Nd

0.062 ± 0.060a

0.055 ± 0.061a

0.036 ± 0.043a*

192Os

ND

ND

ND

141Pr

0.015 ± 0.013a

0.013 ± 0.015a

0.009 ± 0.009a*

195Pt

ND

ND

ND

187Re

0.026 ± 0.005c

0.012 ± 0.007a*

0.018 ± 0.003b

103Rh

0.063 ± 0.014b

0.042 ± 0.014a

0.051 ± 0.011ab

102Ru

ND

ND

ND

45Sc

45.7 ± 9.85a

42.2 ± 14.3a

48.1 ± 16.1a

152Sm

0.050 ± 0.027a

0.052 ± 0.029a

0.040 ± 0.012a

181Ta

ND

ND

ND

159Tb

0.004 ± 0.003*

ND

ND

169Tm

0.003 ± 0.002a

0.002 ± 0.002a*

0.002 ± 0.002a*

184W

0.184 ± 0.141a

0.311 ± 0.203a

0.194 ± 0.046a

174Yb

0.029 ± 0.017b

0.014 ± 0.010a*

0.021 ± 0.016ab

90Zr

1.69 ± 1.26a

1.68 ± 0.896a

1.55 ± 0.839a

注:(1)表中数据均为平均值 ± 标准偏差,每个产区样品数量n = 10,不同小写字母表示有显著性差异(P < 0.05);(2)ND表示结果低于检测限,没有检出;(3)上标“*”表示结果高于检出限但低于定量限,为估计值。



3  结论
    本研究建立了ICP-MS测定葡萄酒中28种微量元素的方法,所建方法线性关系良好,灵敏度和准确度较高。加标回收率显示微波消解效果优于湿法消解。应用所建方法测定了河西走廊、西南高山及延怀河谷等3个产区的30个葡萄酒样品,结果表明,3个产区所选酒样通过日常饮用在稀土元素摄入方面对人体健康没有显著风险,初步筛选出Cs、Lu、Re、Rh、Yb等元素或可作为对这3个产区进行区分的特征元素。本研究为应用微量元素分析对葡萄酒进行产地鉴别提供依据,同时也为评估葡萄酒的稀土元素摄入风险提供参考。
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通过不同产区葡萄酒中的微量元素分析,了解了不同葡萄酒各具特色,独自风格。
hhciq
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品质不是目的,产地区分是终极目标
是的。
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品质不是目的,产地区分是终极目标
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zyl3367898
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数据真齐全,看来做了不少实验,微量元素还影响到葡萄酒的风味特征。