三排净原酒中常见金属离子及其酿造迁移规律

赵跃峰，王新磊，侯 敏，樊 倩，郑福平,*，黄明泉，李贺贺，张福艳，张煜行

(1.北京工商大学 北京食品营养与人类健康高精尖创新中心， 北京 100048；2.北京工商大学 食品质量与安全北京实验室， 北京 100048；3.河北衡水老白干酿酒(集团)有限公司， 河北 衡水 053000)

白酒是中国的国酒，是世界六大蒸馏酒之一[1-2]。目前对白酒的挥发性成分研究较多[3-7]，对其金属离子研究很少。事实上金属离子对白酒的口感和老熟有着显著的影响，例如钾离子可以增加酒体的醇甜感，镁离子会使酒体出现苦涩感，铜离子可去除新酒气、增加酒的老练感等[8-10]。

目前，检测酒中金属离子含量的方法主要有原子荧光光谱法[11]、石墨炉原子吸收光谱法(GFAAS)[12]、火焰原子吸收光谱法(FAAS)[13]、电感耦合等离子体发射光谱法(ICP- OES)[14]和电感耦合等离子体质谱法(ICP- MS)[15-17]等。前3种方法使用相应的空心阴极灯测定金属离子含量，每次只对单种元素进行测定，不能满足快速检测的需要；而ICP- MS能同时测定多种元素含量。测定金属离子含量前，一般需对样品进行前处理，常见方法有湿法消解法、干灰化法、微波消解法、硝酸稀释法等。这些方法步骤繁多，消耗时间长，易引入污染物。课题组建立了基体匹配、在线内标校正以及直接进样的方法，可对白酒中24种金属离子直接进行测定[16]。

老白干香型白酒以“酒体纯净、醇香清雅”著称[18]，三排净工艺是其特有的一种酿造工艺，工艺流程见图1。ICP- MS结合课题组自建方法，对传统工艺和机械化工艺生产的三排净原酒(BBSP)中金属离子含量进行测定，并通过ICP- MS结合湿法消解对三排净原酒酿造过程中各生产环节物料中的金属离子含量进行监测。

图1 三排净原酒生产工艺Fig.1 Flow diagram of BBSP

1 材料与方法

1.1 仪器与设备

iCAP Q型电感耦合等离子体质谱仪、GenPure UV- TOC Xcad plus型超纯水仪，美国赛默飞世尔科技有限公司；SH230N型重金属消解仪，山东海能科学仪器有限公司。

1.2 材料与试剂

1.2.1实验材料

传统工艺和机械化工艺生产的4种三排净原酒样品(信息见表1)及传统工艺酿造过程中的高粱、清蒸稻壳、大曲、润粮水等原材料样品，蒸大茬酒前酒醅(酒醅1)、蒸大茬酒后酒糟(酒糟1)、蒸二茬酒前酒醅(酒醅2)、蒸二茬酒后酒糟(酒糟2)、蒸烧酒前酒醅(酒醅3)、蒸烧酒后酒糟(酒糟3)等酿造中间环节样品，以及大茬酒、二茬酒、烧酒等原酒样品均由河北衡水老白干酒业股份有限公司提供。

表1 4种三排净原酒信息

大茬酒、二茬酒混合称为普通酒；普通酒的中间馏分称为中段酒；夏季由于地温过高需延长酿酒发酵期，所生产的普通酒称为压排酒;为提高三排净原酒生产效率，采用不锈钢发酵槽代替地缸控温发酵，所生产的普通酒为机械化酒。

1.2.2实验试剂

ICPMS- QC2- 1混合标准溶液(元素质量浓度10.00 mg/L， HNO3水溶液体积分数5%)、ICPMS- IS- MIX1- 1内标标准溶液(元素质量浓度10.00 mg/L， HNO3水溶液体积分数2%)，美国AccuStandard公司。硝酸(体积分数65%～70%，Optima级)、乙醇(色谱级)，美国赛默飞世尔科技有限公司。

1.3 三排净原酒中金属离子含量测定

1.3.1混合标准溶液和内标的配制

10 mL容量瓶中加入4.5 mL酒精，取ICPMS- QC2- 1混合标准溶液，用2% HNO3水溶液定容，配制成元素质量浓度为500.0、200.0、100.0、50.0、20.0、10.0、5.0、2.0、1.0、0.5 μg/L的不同梯度的混合标准溶液系列1；2% HNO3溶液作为空白对照。

内标ICPMS- IS- MIX1- 1用超纯水稀释至10 μg/L，待用。

1.3.2样品前处理方法

取表1中4种酒样各7 mL于10 mL容量瓶中，用2% HNO3水溶液定容至刻度，待用。

1.3.3ICP-MS测原酒的工作条件

将空白溶液、混合标准溶液系列1、4种定容后的酒样按表2的工作参数用ICP- MS进行测定，在线加入10.0 μg/L的Y、In和Bi的内标混合溶液进行内标校正。由工作站软件分析数据，绘制标准曲线，计算4种原酒酒样中金属离子含量。

表2 原酒中金属离子含量测定的仪器工作参数

1.4 传统三排净原酒酿造环节物料中金属离子含量测定

1.4.1混合标准溶液和内标的配制

取ICPMS- QC2- 1混合标准溶液超纯水定容至10 mL，配制成各元素质量浓度500.0、200.0、100.0、50.0、20.0、10.0、5.0、2.0、1.0、0.5 μg/L的混合标准溶液系列2。

内标ICPMS- IS- MIX1- 1用超纯水稀释至10.0 μg/L，待用。

1.4.2样品前处理方法

分别称取传统三排净原酒酿酒环节材料(大茬酒、二茬酒、烧酒及润粮水除外)0.500 0 g于聚四氟消解罐中，加15 mL硝酸，同时在另外3个空消解罐中加入15 mL硝酸做空白对照，静置过夜。次日，将温度升至120 ℃，保持60 min；然后升温至180 ℃，保持180 min，消解结束。在140 ℃下蒸发至约1 mL，分2次加入4 mL超纯水(每次2 mL)，再次蒸发。

转移消解液至10 mL容量瓶中，用超纯水定容，待用。因一些金属离子含量过高，故测定这些金属离子时会将溶液稀释200倍，个别稀释600倍，以确保所测离子含量在标准曲线范围内。

分别称取5.000 0 g大茬酒、二茬酒、烧酒及润粮水于聚四氟消解罐中，在80 ℃下蒸发乙醇至溶液约1 mL，用超纯水定容到10 mL容量瓶中，待用。

1.4.3ICP- MS测物料的工作条件2

将定容后的大茬酒、二茬酒、烧酒及润粮水样品按1.3.3的方法测定金属离子含量。将空白溶液、混合标准溶液系列2及消解后样品按表3的工作参数用ICP- MS进行测定，参照1.3.3的方法计算消解后样品的金属离子含量。

表3 物料中金属离子含量测定的仪器工作参数

1.5 数据处理

数据均为3次重复实验的平均值，利用Excel 2016进行数据处理，SPSS 22.0进行统计学分析及显著性检验。

2 结果与分析

2.1 三排净原酒中常见金属离子含量

经检测，传统工艺原酒与机械化原酒中常见金属离子含量见表4。

表4 传统工艺与机械化工艺三排净原酒中常见金属离子含量

由表4可知，机械化工艺生产的原酒中金属离子含量普遍偏低，离子总含量约为3种传统工艺原酒中的7.95%～20.24%。机械化原酒中，Mg离子质量浓度最高，为21.45 μg/L，其次是K、Fe、Na 3种离子，其质量浓度分别为17.60、15.91、10.32 μg/L；Al、Mn、Ni等离子质量浓度均小于5 μg/L，未检测到Cu离子。机械化原酒中Al离子质量浓度为4.07 μg/L，仅为传统工艺白酒的0.81%～3.82%；Fe离子质量浓度略高于传统中段酒，分别约为普通酒和压排酒的20.46%、11.60%。

3种传统工艺原酒中，在中段酒中除Ni离子含量略大于普通酒和压排酒外，其余金属离子含量均低于普通酒与压排酒。普通酒及压排酒的所有金属离子总含量约为中段酒的2.54～2.55倍，这是因为中段酒在蒸馏过程中仅摘取普通酒的中间部分馏分，故金属离子含量较少。普通酒中除Al、K、Ni 3种离子含量略高于压排酒之外，其余金属离子含量均低于压排酒，这可能是因为压排酒延长了发酵时间，地缸材质中的金属离子更多地迁移到糟醅中。传统工艺原酒中，Al离子和K离子质量浓度较大，均大于100 μg/L，而Mn、Ni、Cu 3种离子质量浓度均小于6 μg/L。

2.2 传统三排净原酒酿造环节物料中金属离子的含量分析

传统三排净工艺原酒酿造过程中，各酿造环节物料中常见金属离子含量见表5。

表5 传统三排净原酒酿造环节物料中常见金属离子含量

由表5可知，4种酿酒原料中，大曲中的金属离子总质量比最高，为6 769.96 mg/kg；其次是高粱和清蒸稻壳，分别为4 582.88、3 471.12 mg/kg；润粮水中金属离子总质量比最低，为255.89 mg/kg。在大曲、高粱、清蒸稻壳中，K离子的质量比最高，分别为5 051.46、3 383.08、2 676.64 mg/kg；其次是Mg离子，质量比分别为1 487.29、1 146.11、348.83 mg/kg。K、Mg离子含量明显高于其他金属离子，这可能是因为K、Mg是植物生长所必需的矿物质，因此在原料中含量较高。润粮水中，Na离子质量比明显高于其他离子，为223.09 mg/kg。

传统工艺酿造环节物料中金属离子总质量比从小到大依次为酒醅1(2 960.14 mg/kg)、酒糟1(3 396.39 mg/kg)、酒醅2(3 615.95 mg/kg)、酒糟2(3 658.18 mg/kg)、酒醅3(3 975.96 mg/kg)、酒糟3(4 334.76 mg/kg)，可见随着酿造过程的进行，各生产环节物料中金属离子总含量呈上升趋势。究其原因，首先，在蒸酒过程中，酒不断从醅中蒸出，金属离子主要留在酒糟中，导致其含量因浓缩而升高；其次，在多次发酵过程中，各金属离子由地缸不断迁移到糟醅中，导致了金属离子含量的升高；最后，在多次发酵、蒸馏过程中，补充加入的大曲、稻壳对金属离子含量也有一定影响。对比酿酒原料与酿造环节物料金属离子含量发现，绝大多数金属离子由高粱、大曲、稻壳等酿酒原料引入，仅有少量是由润粮水或在发酵蒸馏的过程中引入的。蒸馏出的大茬酒、二茬酒、烧酒中的金属离子含量见表6。

表6 大茬酒、二茬酒、烧酒中金属离子含量

由表6可知，大茬酒、二茬酒、烧酒中各金属离子的质量浓度很低，均未超过100 μg/L； Al离子在大茬酒中质量浓度(15.63 μg/L)明显低于二茬酒(88.02 μg/L)和烧酒(92.38 μg/L)；而Cu离子在大茬酒中质量浓度(60.22 μg/L)却明显高于二茬酒(8.66 μg/L)和烧酒(9.57 μg/L)；其他各离子在3种酒中含量基本相当。3种酒样中，Al离子质量浓度均值最高，为65.34 μg/L；其次是Fe、Na、Mg离子，质量浓度均值分别为55.39、49.90、46.65 μg/L；Mn离子在3种酒样中质量浓度均小于3 μg/L，Ni离子质量浓度最小，仅为0.44～0.79 μg/L。对比表5、表6可知，大茬酒、二茬酒、烧酒中常见金属离子总质量浓度分别为相应蒸馏前酒醅中金属离子的0.007 8%、0.007 0%、0.007 2%。可见在蒸酒过程中，从酒醅转移到原酒中的金属离子非常少，金属离子因其非挥发性绝大部分被留在糟醅中。

2.3 酒醅、酒糟中常见金属离子相关性分析

由表5可知，对比相应批次的酒醅(蒸酒前)和酒糟(蒸酒后)中金属离子含量，发现二者总体差别不大。为了更准确地对比各批次酒醅和酒糟中金属离子的含量差异，使用SPSS 22.0进行配对样本t检验，结果见表7。

表7 3对酒醅和酒糟的配对样本t检验结果

Sig.代表相关系数的概率值，小于显著性水平0.05说明数据变化前后有显著的相关性；Sig.(双侧)代表双尾显著性差异，大于0.05说明这一对均值没有显著性差异。

由表7可知，每对酒醅和酒糟的相关系数均介于0.999～1.000，线性相关性强；3对酒醅和酒糟的Sig.都小于0.05，说明每对酒醅和酒糟间都具有显著相关性。3对酒醅和酒糟的双尾显著性差异都大于0.05，说明每对酒醅和酒糟间的金属离子含量均值都无显著性差异，进一步说明蒸馏过程中大多数金属离子都留在了糟醅中。

3 结 论

对比传统工艺和机械化工艺生产的三排净原酒发现，机械化工艺原酒中金属离子含量普遍偏低，离子总含量约为传统工艺原酒中的7.95%～20.24%。3种传统工艺原酒中，压排酒金属离子总含量最高，普通酒金属离子总含量略低于压排酒，中段酒最低；普通酒及压排酒中的金属离子总含量约为中段酒的2.54～2.55倍。对比传统三排净原酒酿酒原料与各酿造环节物料中金属离子含量发现，绝大多数金属离子由高粱、大曲、稻壳等酿酒原料引入，仅有少量是由润粮水或在发酵和蒸馏过程中引入的；金属离子在酒醅1、酒糟1、酒醅2、酒糟2、酒醅3、酒糟3中的总含量依次增大，显示随着酿造过程的进行，各环节物料中金属离子含量呈上升趋势。大茬酒、二茬酒、烧酒中金属离子含量约为相应酒醅的0.007 8%、0.007 0%、0.007 2%，表明金属离子因其非挥发性绝大部分被留存在糟醅中，向原酒中迁移极少。加强对白酒酿造过程中金属离子迁移规律的研究，有助于加深人们对酿造规律的掌控，可为改进生产工艺，提高产品质量提供指导。