竹筒酒陳釀過(guò)程中礦質(zhì)元素變化規(guī)律研究

竹筒酒是一種中國(guó)傳統(tǒng)含酒精飲料，已有1 800余年的飲用歷史，在傣族、客家族及土家族等少數(shù)民族聚居區(qū)尤其受歡迎[1]。近年來(lái)，竹筒酒消費(fèi)群體日益擴(kuò)大，已形成了一定的市場(chǎng)規(guī)模。其制作工藝是將基酒(白酒)注入活竹竹腔內(nèi)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的陳釀，基酒的化學(xué)成分、顏色、口感和香氣等均發(fā)生顯著變化。通常成酒色如琥珀，自帶竹香，口感清甜[1]。研究表明，富含多種礦質(zhì)元素是竹筒酒突出的特征之一[2]。

酒中的礦質(zhì)元素主要來(lái)源于釀酒原料及各個(gè)環(huán)節(jié)的引入，礦質(zhì)元素種類及其含量不僅直接影響酒的顏色、口感等酒質(zhì)特征，還與酒的功效和營(yíng)養(yǎng)密切相關(guān)[3-7]。白酒中金屬離子主要來(lái)自于貯酒器和加漿水，可作為乙醇代謝酶的活性中心和酶的激活劑，參與乙醇在人體的代謝過(guò)程；還會(huì)與醇、醛、酮、酸、酯等化合物結(jié)合形成大分子基團(tuán)，改變酒的風(fēng)味和口感等特征[3]。K離子能夠增加酒的甜醇感，Cu離子則能去除新酒氣，而Na、Zn、Fe、Mg等對(duì)酒的口感有不良影響[4]。發(fā)酵或陳釀過(guò)程，也影響酒中礦質(zhì)元素含量。葉萌祺等[8]發(fā)現(xiàn)，蘋果酒發(fā)酵過(guò)程中礦質(zhì)元素含量波動(dòng)較大。陶勇等[9]研究了劍南春不同窖齡窖泥的礦質(zhì)元素含量變化，發(fā)現(xiàn)Cu含量隨窖齡增加緩慢下降，其他元素變化不顯著。姜忠軍[10]研究發(fā)現(xiàn)白蘭地陳釀過(guò)程中K元素含量差別最大，可用K元素作為描述不同陳釀年份白蘭地特征的典型指標(biāo)。

陳晨等[2]采集市售竹筒酒樣品，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)竹筒酒含有豐富的礦質(zhì)元素，K元素含量高達(dá)222.40～968.99 mg/L，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)初步證實(shí)了竹筒酒中的K元素來(lái)源于竹稈。但是，竹筒酒中其他礦質(zhì)元素是來(lái)源于竹稈還是基酒？陳釀過(guò)程中，竹稈與基酒中礦質(zhì)元素如何變化？存在什么樣的交換規(guī)律以及竹葉黃酮是否影響礦質(zhì)元素的交換等問(wèn)題，目前尚不清楚。

因此，本文參照典型竹筒酒生產(chǎn)方法，研究陳釀過(guò)程中，K、Ca、Na、Mg、Mn、Fe、Cu、Zn、Al、Se、Ni、As、Pb、Cd、Cr、Mo、Co 17種礦質(zhì)元素在竹稈與基酒中的交換規(guī)律；通過(guò)添加外源黃酮，研究竹葉黃酮對(duì)竹稈與基酒中礦質(zhì)元素轉(zhuǎn)移的影響，以期為制定竹筒酒標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)規(guī)程及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

竹葉黃酮提取物，總黃酮含量為17.61%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，國(guó)際竹藤中心竹藤資源化學(xué)利用研究所提供；白酒，52%vol，四川不老譚酒業(yè)有限公司。

HNO3(優(yōu)級(jí)純)，中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)有限公司；實(shí)驗(yàn)用水(18.2 MΩ·cm)，實(shí)驗(yàn)室超純水儀制備；Ca、Cr、Cd、Co、Mg、Mn、Mo、Na、Ni、Pb、As、Fe、Cu、Se(1 000 μg/mL)，國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心；K、Al(1 000 μg/mL)，國(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心鋼鐵研究總院；Zn(1 000 μg/mL)，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院。

島津ICP-MS 2030電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，日本島津公司；普析TAS990原子吸收分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；ETHOS UP微波消解儀，意大利Milestone公司；Cascada AN 實(shí)驗(yàn)室超純水系統(tǒng)，美國(guó)Pall公司。

1.2 陳釀實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)地設(shè)在安徽省黃山市太平湖竹園(118.037 25°N，30.355 35°E)。選擇自然生長(zhǎng)環(huán)境條件基本一致的毛竹(竹齡1～3年)，每根毛竹在距地表水平高度1.5 m內(nèi)，間隔選取3個(gè)竹節(jié)，采用直徑為2 mm的鉆頭，在竹節(jié)處斜向下45°開孔，向竹腔內(nèi)注入100 mL基酒，采用熱熔槍密封。

添加外源黃酮的處理，準(zhǔn)確稱取一定量的竹葉黃酮提取物，精確至0.000 1 g，添加入白酒中，配制成終質(zhì)量濃度為2.5、5、10 mg/mL的基酒。其他處理同上。

分別陳釀0、3、7、10、14、21、28、35 d后，在注酒竹腔下部竹節(jié)上1 cm處開孔，用50 mL注射器取樣，待檢測(cè)。每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.3 礦質(zhì)元素檢測(cè)

采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法，各元素的前處理及檢測(cè)參數(shù)見表1。

表1 各元素前處理方法及儀器條件
Table 1 Pre-treatment methods and instrument conditions for the determination of 17 elements

1.4 結(jié)果計(jì)算與數(shù)據(jù)分析

將檢測(cè)得到的結(jié)果代入標(biāo)準(zhǔn)曲線(表2)，計(jì)算礦質(zhì)元素含量，結(jié)果以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。實(shí)驗(yàn)原始數(shù)

表2 17種礦質(zhì)元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線及檢測(cè)限
Table 2 Regression equations and detection limits for 17 mineral elements

據(jù)應(yīng)用Microsoft Excel 2013進(jìn)行處理，利用SPSS 22.0進(jìn)行顯著性差異分析，Origin 2018繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 基酒中礦質(zhì)元素檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)表明，基酒中含有一定量的礦質(zhì)元素，其中Na和Ca含量最多，分別為37.79 mg/L和32.49 mg/L；其次為Mn，含量為7.40 mg/L；Zn、Mn、Cu、Al的含量介于64.57～287.00 μg/L；Cr、As、Ni、Se、Cd含量介于0.98～6.70 μg/L；K、Fe、Pb、Mo和Co含量低于檢測(cè)限(表3)。值得注意的是，Al、As、Pb和Cd對(duì)人體有潛在毒性，除Pb未檢出外，其余3種均有檢出，其中Al的含量最高，達(dá)64.57 μg/L，但均滿足GB 2762—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》、GB 2760—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》和世界衛(wèi)生組織關(guān)于食品添加劑和污染物的限量要求[11]。

2.2 竹筒酒陳釀過(guò)程中礦質(zhì)元素變化規(guī)律

2.2.1 常量元素變化規(guī)律

陳釀過(guò)程顯著影響竹筒酒中常量元素的含量，K元素含量變化最大。陳釀初期，竹筒酒中K的含量呈指數(shù)型增長(zhǎng)(表4)，14 d時(shí)達(dá)到峰值，含量為330.83 mg/L。隨后逐漸降低，28 d后趨于平衡，含量穩(wěn)定在190 mg/L左右(圖1)。Ca、Na的含量逐漸降低，其變化符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程(表4)，半衰期分別為26.05、9.40 d，21 d后，含量趨于穩(wěn)定，Ca的含量由32.49 mg/L降至18.16 mg/L，Na的含量由37.79 mg/L降至10.84 mg/L。Mg的含量總體變化不大，基酒注入竹腔3 d后略有升高，14 d后達(dá)到最高，為10.60 mg/L，隨后緩慢下降，28 d后趨于平衡，35 d時(shí)含量為6.56 mg/L。毛竹稈中富含K元素，1～5年生毛竹竹稈中K的平均含量為2.54 mg/g[12]，遠(yuǎn)高于基酒中K的濃度，并且在陳釀初期，基酒中乙醇含量較高，提高了細(xì)胞膜的通透性，使竹稈中K迅速滲入酒中。經(jīng)氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測(cè)定，14 d后，竹筒酒中乙醇含量逐漸降低，并穩(wěn)定在10%vol左右，對(duì)細(xì)胞膜的通透性影響較小，因此酒中K的含量也逐漸降低，趨于相對(duì)穩(wěn)定。

表3 基酒中的礦質(zhì)元素含量
Table 3 Mineral element content in base liquor

2.2.2 微量元素變化規(guī)律

微量元素含量在陳釀過(guò)程具有不同程度的變化。Mn的含量在10 d內(nèi)快速增加，10 d時(shí)達(dá)到最高，為2.96 mg/L，隨后緩慢下降，35 d時(shí)含量為1.36 mg/L。Cu的含量在陳釀初期變化劇烈，3 d內(nèi)迅速升高并在第3天達(dá)到峰值，由85.43 μg/L升至178.67 μg/L，3～7 d保持在穩(wěn)定水平，7～10 d大幅下降，14 d后趨于平衡，含量達(dá)到陳釀前相同水平。Zn和Ni的含量在7～35 d期間的變化規(guī)律相似，均在第14天達(dá)到谷值，Zn的含量為54.95 μg/L，Ni的含量為2.86 μg/L，14～28 d略有上升，28～35 d又大幅下降，到35 d還未達(dá)到平衡。與陳釀前比，Ni元素含量下降了60%，Zn元素含量的降幅高達(dá)90%。研究表明，Zn2+的添加使得酒的口味欠老練、單、澀，對(duì)酒質(zhì)不利[4]，因此Zn元素在竹筒酒陳釀期間的含量下降對(duì)酒質(zhì)提升有一定的貢獻(xiàn)。Cr的含量逐漸降低，其變化符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程(表4)，半衰期為9.59 d，14 d后含量趨于穩(wěn)定，含量由6.70 μg/L降至2.11 μg/L。Fe元素僅在第3和第7天有檢出，Se在陳釀過(guò)程中均未檢出，Mo、Co在基酒和陳釀全過(guò)程均未檢出。

表4 Ca、Na、Cr、As、K元素的動(dòng)力學(xué)方程
Table 4 Kinetic equations for Ca, Na, Cr, As and K elements

a-常量元素；b-微量元素
圖1 竹筒酒中有益元素含量隨時(shí)間變化
Fig.1 Dynamics of the content of beneficial elements in bamboo liquor over time

2.2.3 有害元素變化規(guī)律

Al、As、Pb和Cd對(duì)人體有潛在毒性，其在竹筒酒中的含量受陳釀時(shí)間的影響表現(xiàn)不同。如圖2所示，Pb、Cd元素含量在陳釀初期迅速上升，Pb在7 d時(shí)達(dá)到峰值，為6.82 μg/L，Cd的含量在10 d時(shí)達(dá)到2.32 μg/L，隨后二者緩慢下降，35 d時(shí)均降到0.50 μg/L以下，遠(yuǎn)低于食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織與世界衛(wèi)生組織關(guān)于有毒重金屬的限量標(biāo)準(zhǔn)。Al和As元素的含量隨著陳釀時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷降低，Al元素在2周后不再檢出，這對(duì)酒質(zhì)的提升有益，因?yàn)锳l離子會(huì)使酒的口感單、澀[4]。As元素含量的變化規(guī)律符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)(表4)，且在12 d左右下降至初始含量的一半，35 d時(shí)降至2 μg/L以下，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 竹筒酒中有害元素含量隨時(shí)間變化
Fig.2 Dynamics of the content of harmful elements in bamboo liquor over time

2.3 外源黃酮對(duì)竹筒酒中礦質(zhì)元素變化的影響

外源黃酮提取物中含有一定量Ca、Na、Ni、As等元素，隨著添加直接進(jìn)入基酒中，提高了基酒中相應(yīng)礦質(zhì)元素的初始含量。添加后，黃酮基酒中Ca元素含量為32.49～112.45 mg/L，Na元素含量為33.06～47.58 mg/L，K元素含量為9.94～43.73 mg/L，Ni元素含量為4.89～8.99 μg/L，As元素含量為8.96～38.80 μg/L，基本與外源黃酮含量成比例增長(zhǎng)。

2.3.1 外源黃酮對(duì)常量元素的影響

外源黃酮顯著影響竹筒酒中常量元素的含量(圖3、圖4)。2.5 mg/mL外源黃酮處理，大幅提高了K含量的峰值，14 d時(shí)達(dá)到1 044.90 mg/L，是空白基酒組的3.16倍(圖3-a)；10 mg/mL外源黃酮處理，K含量上升速度最快，10 d時(shí)達(dá)到峰值，其他3組均在14 d達(dá)到峰值；21 d后，除10 mg/mL外源黃酮處理組外，另外3組的K含量都達(dá)到了平衡(圖3-a)，2.5 mg/mL外源黃酮處理組比另外3組的含量高出近1.5倍(P<0.05)(圖4)；35 d時(shí)，10 mg/mL外源黃酮處理組K元素含量最高，其次是2.5 mg/mL外源黃酮處理組。Ca的變化趨勢(shì)在不同黃酮添加量下基本一致(圖3-b)，其含量高低與竹葉黃酮添加量具有一定關(guān)系，21 d時(shí)，2.5 mg/mL外源黃酮處理組Ca元素含量顯著較低(P<0.05)，比空白基酒組低近50%，比5、10 mg/mL外源黃酮處理組低1～2倍(圖4)。Mg的變化趨勢(shì)受不同黃酮添加量影響不大(圖3-d)，外源黃酮處理僅對(duì)其含量高低有所影響。21 d時(shí)，Mg在2.5 mg/mL外源黃酮處理下的含量是其他3組的1.5倍左右，21 d后，除2.5 mg/mL外源黃酮處理組外，其他3組Mg的含量基本達(dá)到平衡。

a-K；b-Ca；c-Na；d-Mg；e-Mn；f-Cu；g-Ni；h-As
圖3 外源黃酮對(duì)礦質(zhì)元素變化規(guī)律的影響
Fig.3 Effect of exogenous flavonoids on variation of mineral elements

黃酮類化合物可以通過(guò)環(huán)上的酚羥基和羰基與金屬離子配位，形成相應(yīng)的黃酮-金屬離子螯合物[13-16]。Na元素的含量隨著竹葉黃酮添加量的增加不斷提高(圖3-c)，21 d時(shí)，10 mg/mL外源黃酮處理下的Na元素含量高達(dá)26.02 mg/L，是空白組的2倍以上(圖4)，推測(cè)隨著黃酮添加量的增加，酒中Na+與黃酮化合物生成螯合物，濃度下降，使得竹稈中Na+更趨向于向酒中擴(kuò)散，導(dǎo)致酒中的Na元素含量升高。

a-常量元素；b-微量元素
圖4 竹筒酒中有益元素含量隨黃酮添加量變化
Fig.4 Dynamics of the content of beneficial elements in bamboo liquor with flavonoid addition

2.3.2 外源黃酮對(duì)微量元素的影響

與常量元素相比，外源黃酮對(duì)微量元素影響較小。21 d時(shí)，Zn元素在2.5 mg/mL外源黃酮處理組的含量最高，為188.67 μg/L，比空白組高出1倍，比5、10 mg/mL外源黃酮處理組高出0.5倍左右。外源黃酮對(duì)Cu的變化趨勢(shì)和含量基本沒(méi)有影響，21 d時(shí)，2.5 mg/mL外源黃酮處理組的Cu的含量為105.00 μg/L，僅高于其他3組10%左右。Ni元素的變化趨勢(shì)也基本不受外源黃酮影響。21 d時(shí)，Ni元素的含量在5 mg/mL外源黃酮處理組最高，為4.27 μg/L，在2.5 mg/mL外源黃酮處理組最低，為3.43 μg/L。Cr元素含量受外源黃酮影響較為顯著，21 d時(shí)，添加黃酮的處理組比空白組高出60%～115%。Se元素含量隨黃酮添加量增加而增加，最高為0.34 μg/L，根據(jù)相關(guān)研究，這是由于Se與黃酮生成了配合物[17]，酒中游離的Se離子濃度小于竹稈中，因此竹稈中的Se離子向酒中擴(kuò)散，引起了竹筒酒中Se元素的升高。

與其他元素相反，陳釀的前21 d內(nèi)，空白組的Mn元素含量高于3個(gè)添加外源黃酮的處理組(圖3-e)，21 d時(shí)，空白組Mn含量是3個(gè)外源黃酮處理組的1.46～3.28倍(圖4)。2.5 mg/mL的外源黃酮處理組在35 d時(shí)，Mn的含量比開始陳釀前高出了15倍。據(jù)此推測(cè)竹筒酒在陳釀過(guò)程中，Mn會(huì)不斷累積，而添加外源黃酮對(duì)竹筒酒陳釀過(guò)程中Mn的累積具有減少作用。

2.3.3 外源黃酮對(duì)有害元素的影響

外源黃酮對(duì)有害元素具有不同程度的影響。外源黃酮提取物中含有8.96～38.80 μg/L的As元素，隨著陳釀過(guò)程逐漸降低，到21 d時(shí)趨于平衡。21 d時(shí)，As元素含量隨外源黃酮添加量的升高不斷升高(圖3-h)，2.5 mg/mL外源黃酮處理組含量較空白組增加較少，僅增加了10%，另外2組含量均為空白組的2倍左右。如圖5所示，酒中的Cd元素的含量在2.5 mg/mL外源黃酮處理組比空白基酒組低90%，在5、10 mg/mL外源黃酮處理組比空白基酒組低約40%。竹葉黃酮對(duì)竹筒酒中Al和Pb元素含量影響不顯著(P>0.05)，21 d時(shí)，Al元素僅在10 mg/mL 外源黃酮處理組有檢出，其原因是10 mg/mL 外源黃酮提取物中初始Al元素含量較高，為105.00 μg/L。

圖5 竹筒酒中有害元素含量隨黃酮添加量變化
Fig.5 Dynamics of the content of harmful elements in bamboo liquor with flavonoid addition

3 結(jié)論與討論

(1)竹子中富含K[18]

在陳釀過(guò)程中，竹筒酒中的K含量變化除了與竹子中的K主動(dòng)溶出有關(guān)外，還與竹筒酒中的乙醇有關(guān)。相關(guān)研究表明，植物的無(wú)氧呼吸也會(huì)產(chǎn)生乙醇，但最終會(huì)被自身的乙醇代謝途徑代謝轉(zhuǎn)化[19]。在陳釀初期，竹筒酒的乙醇含量較高，植物無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)代謝消耗，因乙醇對(duì)竹子的刺激作用，使竹筒酒中的K含量在陳釀初期呈指數(shù)型增長(zhǎng)；陳釀15 d后，竹筒酒中乙醇含量趨于穩(wěn)定，乙醇對(duì)竹子的刺激作用減少，酒中K含量受溶出作用影響，呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，在28 d左右達(dá)到了約190 mg/L的穩(wěn)定含量。Ca、Na、Cr、As元素含量的變化符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，Ca元素含量在陳釀過(guò)程中下降緩慢，降幅較?。籒a、Cr、As元素含量均在10 d左右就下降到初始含量的一半。除K、Mn元素外，各元素在陳釀過(guò)程中總體呈下降趨勢(shì)，最終在21 d左右趨于穩(wěn)定水平，因此陳釀21 d比較合適。

(2)礦質(zhì)元素對(duì)植物的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)具有重要作用[20]

K、Mg在自然界中屬于大量元素，K是植物調(diào)節(jié)葉片氣孔開閉，控制蒸騰作用的重要元素，Mg是植物光合作用酶的組成元素；Zn作為自然界中的微量元素，對(duì)植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)過(guò)程中的酶具有活化作用；Pb、Cd在自然界中屬于重金屬元素，對(duì)多數(shù)植物生長(zhǎng)具有脅迫作用。毛竹為禾本科植物，K、Mg、Zn是毛竹生長(zhǎng)過(guò)程中的必需元素，Pb、Cd對(duì)毛竹根系細(xì)胞具有損傷作用[12,21-22]。本研究中添加外源黃酮對(duì)竹筒酒中各礦質(zhì)元素含量具有不同程度的影響。2.5 mg/mL外源黃酮處理，大幅提高了K、Mg、Zn元素含量的峰值，有力地降低了有害元素Pb、Cd的含量，對(duì)As、Al元素含量無(wú)明顯影響。因此，添加外源黃酮對(duì)竹筒酒中有益元素的積累和有害元素的降低有較好的作用，且最適的添加量和最佳陳釀時(shí)間分別為2.5 mg/mL和21 d。