陳晨，樊瑋，張保，荀航，姚曦，湯鋒*

1(國際竹藤中心，國家林業(yè)和草原局/北京市共建竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實驗室，北京，100102)2(中國林業(yè)科學(xué)研究院，北京，100091)

竹飲料是以竹資源為主要原料開發(fā)的一類功能飲品，包括含酒精飲料和無酒精飲料。含酒精竹飲料主要有竹酒[1]、竹紅酒[2]、竹啤酒[3]等產(chǎn)品，無酒精竹飲料主要有竹汁飲料、竹瀝飲料和竹葉黃酮飲料等產(chǎn)品[4]。竹酒是一種中國傳統(tǒng)含酒精飲料，近幾年在酒類飲品中形成了一定的市場規(guī)模。竹酒是通過將基酒注入活竹腔中封閉陳釀一段時間獲得的，其制作過程類似于葡萄酒在橡木桶中的陳釀。而陳釀容器會顯著影響酒的成分、顏色和香味等屬性[5]，如橡木桶可以在葡萄酒陳釀過程中影響41種揮發(fā)性物質(zhì)的含量[6]，也會影響酒體中Fe元素和Cu元素的濃度[7]。過量的Na元素會導(dǎo)致白酒香氣變差；Mg、Ca、Cu、Zn過量容易使酒的口味苦澀；酒體中添加一定量的K能增加甜醇感；Fe過量會使酒質(zhì)變差，甚至出現(xiàn)鐵腥味[8]。毛竹(Phyllostachyspubescens) 是單軸散生型常綠竹種，竹稈直徑通常5～10 cm，壁厚約1 cm，節(jié)間長度20～30 cm，是制作竹酒最常用的材料。基酒在竹腔中陳釀時，土壤、空氣、水等環(huán)境中存在的物質(zhì)[9]可能通過竹子進(jìn)入酒體而影響竹酒的顏色、香氣、口味以及穩(wěn)定性和安全性。鑒于礦質(zhì)元素可能影響竹酒的品質(zhì)，進(jìn)而影響人體健康[5]，所以對酒體中礦質(zhì)元素的檢測尤為重要。電感耦合等離子體質(zhì)譜法是一種簡單快捷的檢測方法，穩(wěn)定性好，精確度高，對痕量元素敏感，適合同時進(jìn)行多種元素的分析[10]。

針對目前我國市場上竹酒礦質(zhì)元素的研究空白及缺少評價標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，本研究采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法，對市售竹酒樣品中的14種礦質(zhì)元素進(jìn)行檢測，包括人體必需常量元素Na、Mg、K、Ca；人體必需微量元素Fe、Co、Cu、Zn；人體可能必需微量元素Mn、Ni；具有潛在毒性但低劑量可能對人體有益的微量元素Al、As、Cd、Pb[11]。并基于主成分分析法和聚類分析法，分析、篩選竹酒樣品中的關(guān)鍵礦質(zhì)元素，結(jié)合竹酒陳釀實驗，驗證竹酒制作前后酒體中關(guān)鍵礦質(zhì)元素的差異，為構(gòu)建竹酒產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 實驗樣品

從市場上收集竹酒樣品，樣品基酒需經(jīng)過在活竹腔中的封閉陳釀過程后制成竹酒，而非只是將竹節(jié)當(dāng)做容器的容器竹酒。最終得到10種竹酒樣品，樣品編號為S1～S10。驗證實驗的不同基酒購自瀘州老窖，編號為B1～B4。

表1 竹酒和基酒樣品Table 1 Samples of bamboo liquor and base liquor

1.1.2 試劑

HNO3，分析純，北京化工廠；水為超純水,實驗室制備；含Na、Mg、K、Ca、Fe、Co、Cu、Zn、Mn、Ni、Al、As、Cd、Pb的10 μg/mL的高純度混合標(biāo)準(zhǔn)溶液 (介質(zhì)為體積分?jǐn)?shù)5%HNO3)，其中Na、Mg、Al、K、Ca質(zhì)量濃度為1000 μg/mL，色譜純，美國Agilent公司；標(biāo)準(zhǔn)溶液系列由高純度混合標(biāo)準(zhǔn)溶液逐級稀釋 (介質(zhì)為體積分?jǐn)?shù)5% HNO3)；10 μg/mL 含Li、Co、Y、Ce、Tl混合標(biāo)準(zhǔn)調(diào)諧液 (介質(zhì)為體積分?jǐn)?shù)2% HNO3)，色譜純，美國Agilent公司。

1.1.3 儀器與設(shè)備

Agilent 7700型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，美國 Agilent公司；Cascada AN實驗室超純水系統(tǒng)，美國 Pall公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 礦質(zhì)元素測定

采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法[12]。

吸取一定量的樣品過0.22 μm有機(jī)濾膜后，用超純水稀釋50倍，直接進(jìn)樣。

電感耦合等離子質(zhì)譜儀經(jīng)全自動調(diào)諧后，儀器滿足穩(wěn)定性、靈敏度、雙電荷、氧化物等各項指標(biāo)。主要檢測參數(shù)為：載氣 99.99%高純度氬氣；載氣流速 1.11 mL/min；射頻功率 1 150 W；采樣深度 6.2 mm；S/C溫度 2 ℃；氧化物范圍 0～0.6%；雙電荷范圍 0～2.5%。在電感耦合等離子體質(zhì)譜儀的最佳工作參數(shù)下，收集空白和標(biāo)準(zhǔn)溶液，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。將樣品代入后求得礦質(zhì)元素的含量。

1.2.2 驗證實驗

將不同酒精度的基酒B1、B2、B3、B4在毛竹腔中分別封閉陳釀30、60、90、120 d后，以1.2.1的方法檢測制得的竹酒中關(guān)鍵元素的含量。

工藝條件：實驗地位置，安徽省黃山市太平湖竹園 (118.03725°N，30.355345°E)；注酒竹種，毛竹 (Phyllostachyspubescens)；毛竹竹齡，1～4年；注酒部位，毛竹竹腔距根部1.5 m處，每根毛竹注1節(jié)竹腔；注酒工藝，2 mm微孔注酒；開孔部位，注酒竹腔上部竹節(jié)處；開孔角度 45°；注酒體積 500 mL。注酒完畢后用熱熔槍進(jìn)行蠟封。樣品采集方式：使用10 mm鉆頭在注酒竹腔下部竹節(jié)上1 cm處開孔，并在竹腔上部隨機(jī)開一氣孔，進(jìn)行樣品采集。相同基酒封閉陳釀不同時間所采用的毛竹不同株。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

市售竹酒樣品和基酒樣品均為3個平行，結(jié)果以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用SPSS 24.0軟件(美國IBM公司)進(jìn)行方差分析、主成分分析、聚類分析等數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 礦質(zhì)元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀自動繪制的14種礦質(zhì)元素標(biāo)準(zhǔn)曲線見表1，各元素標(biāo)準(zhǔn)曲線線性良好，相關(guān)系數(shù)在0.993 7～1.000 0。

2.2 竹酒的礦質(zhì)元素

竹酒中14種礦質(zhì)元素檢測結(jié)果見表2。結(jié)果表明，10種竹酒中人體必需常量元素Na、Mg、Ca、K 的含量較高，分別為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含量較高，分別為0.81～5.90、0.05～0.60、0.01～0.08和0.13～1.78 mg/L，其余微量元素含量較低。竹酒樣品中各元素含量符合蒸餾酒及其配制酒中重金屬元素的規(guī)定限量[13]。

表1 14種礦質(zhì)元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線與檢測限Table 1 Calibration cur e and detection limit of 14 mineral elements

表2 竹酒中14種礦質(zhì)元素的含量 單位：mg/L

竹酒是以白酒為基酒制作而成的，所以具有一定的蒸餾酒屬性。為從重金屬元素的角度驗證竹酒的安全性并初步篩選出酒體中含量較高的礦質(zhì)元素，將竹酒中14種礦質(zhì)元素含量與白酒[14]、威士忌[15-17]、白蘭地[18-19]3種蒸餾酒中的礦質(zhì)元素含量進(jìn)行對比。結(jié)果表明,竹酒中K元素和Mn元素含量遠(yuǎn)高于這3種蒸餾酒，其他礦質(zhì)元素含量均在3種蒸餾酒相應(yīng)礦質(zhì)元素的含量范圍之內(nèi)。竹酒的安全性良好，且相對于白酒、威士忌、白蘭地，竹酒富含K、Mn元素，是一種天然的K、Mn元素補(bǔ)充飲品。

K元素具有維持人體內(nèi)正常的糖、蛋白質(zhì)代謝、酸堿平衡及滲透壓等功效，是人體生長的必需元素。K元素的缺乏可能會導(dǎo)致高血壓[20]、心血管疾病[21]及中樞神經(jīng)的病變[22]；Mn具有抗氧化、促進(jìn)骨骼生長發(fā)育、促進(jìn)酶活及代謝的功效，對心血管系統(tǒng)大有裨益，缺乏Mn元素會導(dǎo)致貧血[23]及帕金森氏病等癥狀[24]，而Mn攝入過量會導(dǎo)致頭暈、嗜睡和精神衰退等癥狀，嚴(yán)重的會影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)[25]。

2.3 竹酒中14種礦質(zhì)元素的主成分分析

14種礦質(zhì)元素間的相關(guān)性結(jié)果見表3。結(jié)果顯示，各礦質(zhì)元素間存在著一定的相關(guān)性。常量元素Na、Mg、K、Ca中，Na、Mg、Ca三者極顯著相關(guān)(P≤0.01)，而K元素只與Cu具有弱顯著正相關(guān)(P≤0.05)。微量元素中，Mn、Zn、Cd、Pb四種元素都與Na、Mg、Ca極顯著正相關(guān)(P≤0.01)，而Pb與除K外的任何礦質(zhì)元素都顯著正相關(guān)(P≤0.05)。這些相關(guān)系數(shù)在一定程度上反映了各礦質(zhì)元素之間的關(guān)系，但數(shù)據(jù)間存在著相互影響，會造成信息重疊。所以對竹酒中14種礦質(zhì)元素進(jìn)行主成分分析，旨在對數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，從而對表征礦質(zhì)元素品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分析和篩選。

表3 竹酒中14種礦質(zhì)元素的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients of 14 mineral elements in bamboo liquor

采用SPSS 24.0對竹酒的14種礦質(zhì)元素進(jìn)行主成分分析表明，根據(jù)特征值大于1的原則，共分析出3個主成分，第1主成分(PC1)貢獻(xiàn)率為50.279%，第2主成分(PC2)貢獻(xiàn)率為16.934%，第3主成分(PC3)貢獻(xiàn)率為10.059%，累積貢獻(xiàn)率可達(dá)77.272%，故前3個主成分能很好地代表竹酒中14種礦質(zhì)元素。由圖1可得，第1主成分在Na、Mg、Ca、Mn、Ni、Cu、Zn、Pb、Cd有較高的載荷系數(shù)，說明這些變量與第1個主因子有較高的相關(guān)性，主要反映Na、Mg、Ca、Mn、Zn、Pb、Cd在品質(zhì)上所反映的信息。第2主成分在Al、Fe、Co、As有較高的載荷系數(shù)，說明這些變量與第2主因子有較高的相關(guān)性，主要反映Al、Fe在品質(zhì)上的信息。而第3主成分在K有較高的載荷系數(shù)，代表K元素。竹酒中的K元素為獨(dú)立的礦質(zhì)元素品質(zhì)因素，說明其對竹酒礦質(zhì)元素品質(zhì)的重要影響。

圖1 礦質(zhì)元素的載荷圖Fig.1 Component loading plot of mineral elements

2.4 竹酒中14種礦質(zhì)元素的聚類分析

為了對竹酒中礦質(zhì)元素進(jìn)行綜合評價，采用聚類分析的系統(tǒng)分析法對主成分分析的結(jié)果進(jìn)行了驗證。14種礦質(zhì)元素的聚類分析圖見圖2,結(jié)果表明，在歐式平方距離25處，竹酒的14種礦質(zhì)元素指標(biāo)可分為2類，K元素為單獨(dú)一類。在歐式平方距離15處，礦質(zhì)元素指標(biāo)可分為3類，K元素為第1類，Al、Fe、Co、As為第2類，剩下的礦質(zhì)元素為第3類。聚類分析與主成分分析的結(jié)果相吻合。

圖2 礦質(zhì)元素的聚類分析樹狀圖Fig.2 Dendrogram plot from cluster analysis of mineral elements

2.5 K元素的驗證實驗結(jié)果

目前，竹酒生產(chǎn)工藝通常以白酒為基酒，將適量基酒注入1～4年生的毛竹中，陳釀30～360 d后采收，大多按季度出售，市售竹酒產(chǎn)品基酒酒精度通常在40%～60%(乙醇體積分?jǐn)?shù))。為了探討市售竹酒樣品與白酒、威士忌、白蘭地等蒸餾酒中K元素含量存在巨大差異的原因，驗證市售竹酒樣品中鉀元素含量范圍的合理性，選擇了60%、56%、52%、40%(乙醇體積分?jǐn)?shù))4種酒精度的基酒，注入1～4年生毛竹竹腔中，封閉陳釀30、60、90、120 d后采收，檢測酒體中K元素含量，結(jié)果如圖3所示。基酒中K元素含量為1.98～19.54 mg/L，不同酒精度基酒在不同毛竹稈中陳釀30～120 d后，K元素含量可達(dá)181.53～929.24 mg/L，檢測結(jié)果與市場上采集的竹酒K元素含量范圍相近。與基酒相比，陳釀后酒體中的K元素含量顯著升高。K元素是竹子生長的必需元素,且在竹稈中含量較高[26-27]，能夠促進(jìn)光合作用、酶活力以及纖維素和木質(zhì)素的合成[28]。因此，推測在封閉陳釀過程中，竹稈會影響酒體中K元素的含量，進(jìn)而導(dǎo)致基酒陳釀前后的差異。

不同竹齡、生長狀態(tài)的毛竹，竹稈中K元素含量存在差異[27]。由于竹酒采用活竹陳釀工藝，每根竹子僅選取1節(jié)注入基酒，過多會導(dǎo)致竹子非健康生長甚至死亡。為了盡可能兼顧目前竹酒生產(chǎn)工藝的多樣性，本實驗隨機(jī)選取不同的竹子注入基酒，但由于竹齡和個體差異，導(dǎo)致竹酒中K元素檢測結(jié)果在合理的范圍內(nèi)存在一定的波動。盡管如此，與基酒相比，所得竹酒中K元素含量最少增加了9.29倍。

礦質(zhì)元素指標(biāo)可信度高且不容易通過勾兌改變，其測量方法靈敏度高，穩(wěn)定性好。本文結(jié)果表明，活竹酒礦質(zhì)元素具有以下品質(zhì)特征：K元素為14種礦質(zhì)元素中含量最高的元素；經(jīng)過在活竹中的陳釀過程，竹酒中K元素含量顯著上升；不同竹酒K元素含量不同，但均在一定的范圍之內(nèi)。相對于活竹酒，市場上僅以竹筒為容器的竹筒酒或假冒偽劣產(chǎn)品，由于沒有與活竹共生的過程，酒體中K元素含量應(yīng)達(dá)不到活竹酒的含量范圍。進(jìn)一步深入研究后，K元素含量可作為獨(dú)立的特征指標(biāo)之一，用于表征活竹酒的品質(zhì)。

圖3 基酒陳釀過程中K元素含量Fig.3 Potassium content of different base liquors during aging

3 結(jié)論

竹酒富含K元素。通過主成分分析和聚類分析的方法對竹酒14種礦質(zhì)元素進(jìn)行分析得出，K元素是表征竹酒礦質(zhì)元素品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。以K元素為指標(biāo)對竹酒的礦質(zhì)元素品質(zhì)進(jìn)行驗證發(fā)現(xiàn)，基酒在毛竹腔中封閉陳釀過程中，酒體中K元素含量顯著升高。本文研究結(jié)果為竹酒評價標(biāo)準(zhǔn)的建立提供了理論依據(jù)。