气相色谱指纹图谱法进行红葡萄酒产地溯源表征

谢建军1，陈小帆1，陈文锐1，姚 焱2，袁震宇1，周晓珊1

(1.广东出入境检验检疫局，广东 广州 510623；2.广州大学生命科学学院，广东 广州 510006)

摘 要：利用中药色谱图分析和数据管理系统和SPSS 19.0统计分析软件进行聚类分析，研究法国、南非、澳大利亚等10个常见葡萄酒产地85份红葡萄酒样品的气相色谱指纹图谱。结果表明：不同国家的红葡萄酒气相色谱指纹图谱存在差异，不同产地生产的红葡萄酒气相色谱峰的相对峰面积和数量不同，各自产地红葡萄酒气相色谱有其特征峰；初步建立了基于气相色谱指纹图谱进行产地溯源的系统聚类分析识别模式和方法，聚类分析表明，10个不同产地红葡萄酒可以很好地聚类和区分；通过对市面上购买的2种红葡萄酒商品进行了产地假冒模式的应用实验，发现该系统聚类分析识别模式可以进行初步的判别，判别效果较好。结果表明该气相色谱指纹图谱法是产地假冒红葡萄酒进行初步甄别的一种有效方法。

关键词：红葡萄酒；气相色谱；指纹图谱；产地溯源

Tracing the Geographical Origin of Red Wine Based on Gas Chromatographic Fingerprint

XIE Jian-jun1，CHEN Xiao-fan1，CHEN Wen-rui1，YAO Yan2，YUAN Zhen-yu1，ZHOU Xiao-shan1

(1. Guangdong Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Guangzhou 510623, China；

2. School of Life Science, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

Abstract：In order to discriminate among red wines according to their geographical origins, the GC fingerprint profiles of 85 samples from 10 main producing countries such as France, South Africa and Australia were cluster analyzed by using a chromatographic analysis and data management system for traditional Chinese medicines (TCMs) and statistical analysis software SPSS 19.0. A classification model was established for discriminant analysis of the grographic origin of red wines. The results showed that among red wine samples from different countries, there were differences in GC fingerprints mainly in terms of the relative peak area and the number of peaks, suggesting that each sample from different origins has characteristic GC peaks. The results of cluster analysis showed that 10 geographic origins could be classified effectively. Two commercial red wines were analyzed by using this method. One of them might be from France and the other might be from Italy. The established method proves to be effective at discriminating among red wines according to their geographical origins based on GC fingerprint profiles.

Key words：red wine；gas chromatography；fingerprint；geographical origin traceability

中图分类号：O657.7 文献标志码：A 文章编号：1002-6630(2013)18-0253-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201318052

目前，全球葡萄酒消费保持着日益增长的势头，特别是最近几年其总量基本维持在2360万t左右[1]。但是，在葡萄酒的销售和流通环节，特别是在中国市场存在着个别经营者一味追求高额利润，傍品牌、冒名牌、以次充好等制造、销售假冒伪劣葡萄酒行为，严重扰乱和干扰了正常的葡萄酒消费市场秩序[2]。当前，对红葡萄酒进行真假鉴别主要是从标签的识别、感官检查、人工合成色素的检测及酒精对于干抽出物的比值等方面综合评价进行鉴别，缺少客观、科学、统一和系统的方法对假冒葡萄酒进行客观准确的判定[3-4]。

由于葡萄酒具有很强的自然属性，它的质量与葡萄酒原料种植的生态环境、葡萄品种、采收酿制年份等有密切的关系。因此，国际和国内的专家学者将目标转向了对葡萄酒次生物质的分析，特别是对葡萄酒中携带的地理信息的特征性次生物质进行分析，通过识别和鉴别这些次生物质，对葡萄酒进行鉴定[5-10]。Kallithraka等[11]分析了红葡萄酒的反-白藜芦醇含量，对希腊产葡萄酒进行产地鉴别。傅小伟[12]展望了同位素比质谱仪或点特异性天然同位素分馏核磁共振技术在葡萄酒鉴别中的应用，认为这两种方法是国际上通用的两种同位素比值检测技术，可以研究葡萄酒加糖、加酒精以及原产地等问题。但是，这些文献报道的方法存在仪器昂贵、方法复杂、耗时长的特点。红葡萄酒具有类似于中药的复杂体系，应用指纹图谱技术可以全面反映葡萄酒内在化学成分的种类与数量、有效地表征葡萄酒质量、进行葡萄酒的溯源[13-17]。刘巍等[18]利用快速无损的近红外光谱分析技术，对47份来自昌黎、沙城和法国波尔多(Bordeaux)的红葡萄酒样品进行逐步回归分析选取光谱区域，再进行主成分分析和聚类识别，建立了判别葡萄酒原产地的预测模型。目前，尚无使用气相色谱指纹图谱技术结合聚类分析软件进行葡萄酒产地溯源和产地假冒的研究。

本实验拟通过对常见葡萄酒产地的红葡萄酒样品进行气相色谱指纹图谱研究，利用中药色谱图分析和数据管理系统和SPSS 19.0统计分析软件进行聚类分析，发掘不同国家的红葡萄酒气相色谱指纹图谱的差异，研究并表征各产地葡萄酒的气相色谱指纹图谱的共性；进而初步建立常见红葡萄酒产地溯源的系统聚类分析识别模式和方法，从而对市售存在产地假冒的红葡萄酒进行初步判别。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

红葡萄酒样本来源：法国、南非、澳大利亚、西班牙、智利、意大利、美国、德国、葡萄牙、格鲁吉亚10个国家知名品牌的干红葡萄酒样品，85个来自广东出入境检验检疫局技术中心食品实验室，2种商品红葡萄酒购自当地超市。

1.2 仪器与设备

7890A气相色谱仪(带FID检测器) 美国Agilent公司。

1.3 色谱条件

色谱柱：CP-WAX57CB毛细管柱(50m×0.25mm，0.25µm)；升温程序：40℃保持3min，以5℃/min升至50℃，保持5min，以15℃/min升至190℃，保持5min，以20℃/min升至215℃，保持12.5min；载气流速：氮气(纯度99.999%)，流量3mL/min；进样口温度：220℃；检测器温度250℃；进样模式：不分流进样；进样量1.0μL。

1.4 数据处理

采用中药色谱图分析和数据管理系统分析软件预处理后的数据，用SPSS 19.0统计分析软件进行聚类分析，采用离差平方和法，利用欧氏距离作为样品的测度，再采用夹角余弦法测量，每两个样本用组间平均连接法，获得分层聚类分析图。

2 结果与分析

2.1 10个国家红葡萄酒指纹图谱的建立

本研究随机抽取了10个常见葡萄酒生产国的红葡萄酒85种，瓶装葡萄酒样品摇匀后开塞直接取约1.0mL装瓶上机，按照1.3节中气相色谱条件进行分析，采集气相色谱指纹图谱。图1是法国和意大利产某品牌红葡萄酒的气相色谱图，8min之前主要是甲醇和乙醇的峰，在此研究中不作为特征峰进行分析，35min以后没有色谱峰出现，只采集至38min。

图 1 法国(a)和意大利(b)产红葡萄酒样品气相色谱图

Fig.1 Gas chromatograms of red wine samples from France (a) and Italy (b)

用气相色谱仪采集指纹图谱后，应用中药色谱图分析和数据管理系统对其进行分析，从每个国家红葡萄酒样品中选取相似度大于0.9900图谱作为该国的特征性指纹图谱。图2为应用中药色谱图分析和数据管理系统进行的法国和智利产各7种葡萄酒的气相色谱指纹图谱叠加，以保留时间14.08min的色谱峰(图2中箭头所指)为指定基准峰，得到每个保留时间所对应的相对峰面积，见表1。从表1可知，相同保留时间时，有的国家产红葡萄酒有色谱峰，有的国家则没有色谱峰，如保留时间为25.58min时，只有法国、美国和德国产的红葡萄酒有色谱峰，其他国家产红葡萄酒则没有出现色谱峰。此外，相同保留时间所对应的每个国家的相对峰面积都不一样，如保留时间为30.74min时，格鲁吉亚产红葡萄酒色谱峰的相对峰面积为10.9350，而葡萄牙产红葡萄酒色谱峰的相对峰面积只有0.1055。这两种情况说明不同产地的红葡萄酒在相同检测条件下，相同的保留时间时，其色谱峰的多少和峰面积的大小存在差异。因此，可以通过这些差异，利用聚类分析软件对红葡萄酒的产地进行溯源。

图 2 法国(a)和智利(b)产红葡萄酒样品气相色谱指纹图谱叠加

Fig.2 Overlapping gas chromatograms of red wine samples from France (a) and Chile (b)

表 1 10个国家红葡萄酒GC指纹图谱特征峰的保留时间和相对峰面积

Table 1 Retention time and relative peak area of characteristic peaks of red wine samples from ten countries in GC fingerprints

注：—.未检测到此保留时间的色谱峰。

2.2 10个国家产红葡萄酒的聚类分析

利用中药色谱图分析和数据管理系统和SPSS 19.0统计分析软件对2.1节中10个国家产红葡萄酒样品的相对峰面积进行相似性分析。本实验考虑采用相关系数法和余弦夹角法的方法，得到10个国家产红葡萄酒相对峰面积波动的相似性相关矩阵。根据红葡萄酒的相对峰面积的相似性相关矩阵来综合反映两产地红葡萄酒的相似性，见表2。在计算相关系数的基础上，利用SPSS 19.0统计分析软件中的系统聚类分析方法对10个国家红葡萄酒样品进行聚类和鉴别。采用组间平均联结法，根据相似系数的大小进行聚类，横坐标为临界值即为类间的距离，纵坐标为不同国家红葡萄酒样品，聚类树状图见图3。由聚类树状图3可知，该10国产的红葡萄酒可以很好地分离，德国、格鲁吉亚和法国产的红葡萄酒具有最大的相似性，被首先聚为一类；其次是美国和南非的红葡萄酒具有较好地相似性，被聚为一类；其余的红葡萄酒样品也较好的分离，依次聚为一类。结果表明，分层聚类分析法既能全面、综合地反映红葡萄酒的气相色谱指纹图谱之间的相似关系，也能反映出来自不同国家红葡萄酒产地的差异。因为，红葡萄酒的生产受其主要原料葡萄的影响很大，而葡萄的种植和品质的差别很大程度上受栽培的地理环境、土壤、气候等条件的影响，这些影响因素使葡萄和红葡萄酒的产生物理和化学成分差异。而这些化学成分的差异通过气相色谱指纹图谱采集，利用聚类分析软件进行解析，就可以将不同国家产地来源的红葡萄酒的相似性和差异进行初步的判断，从而起到溯源红葡萄酒的目的。德国、格鲁吉亚和法国产的红葡萄酒被首先聚为一类，表明选为代表这3个国家产的红葡萄酒相似性最大，通过分析这3个国家的地理位置发现，这3个国家同为欧洲国家，地理位置接近，所处纬度也靠近[19]。这种现象也进一步证实了葡萄酒的内在属性受其种植地理环境、气候所影响的事实。聚类分析法较好地反映出不同产地红葡萄酒的特性，是一种可借鉴的鉴别产地假冒葡萄酒的快速、简单识别模式。

表 2 10个国家红葡萄酒的相对峰面积相关系数近似矩阵

Table 2 Approximate matrix for correlation coefficients of relative peak areas of red wine samples from ten countries in GC fingerprints

A1.法国；A2.南非；A3.澳大利亚；A4.西班牙；A5.智利；A6.意大利；A7.美国；A8.德国；A9.葡萄牙；A10.格鲁吉亚。

图 3 10个国家红葡萄酒样品指纹图谱聚类分析树状图

Fig.3 Dendrogram of hierarchical cluster analysis of red wine samples from ten countries

2.3 产地假冒红葡萄酒鉴别应用

A1.德国1；A2.德国2；A3.法国1；A4.法国2；A5.商品1；A6.格鲁吉亚；A7.澳大利亚；A8.西班牙1；A9.西班牙2；A10.意大利；A11.商品2。

图 4 11个红葡萄酒样品聚类分析树状图

Fig.4 Dendrogram of hierarchical cluster analysis of 11 red wine samples

表 3 11份红葡萄酒样品的相对峰面积相关系数近似矩阵

Table 3 Approximate matrix for correlation coefficients of relative peak areas from 11 red wine samples

在2.2节建立聚类分析进行红葡萄酒产地鉴别模式的基础上，通过选取85份红葡萄酒样品中可代表该国家的红葡萄酒(相似度大于0.9900的图谱，作为该国的特征性指纹图谱)的9个样品，其中包括2份法国、2份德国、2份西班牙、1份格鲁吉亚、1份澳大利亚、1份意大利产的红葡萄酒，并在超市购买2种商品红葡萄酒(商品1和商品2商标标注的均是法国葡萄酒)。在1.3节相同仪器条件下采集该11份红葡萄酒气相色谱指纹图谱，按2.2节方法进行软件分析和计算，其相似性相关矩阵见表3，聚类分析树状图中横坐标为临界值即为类间的距离，纵坐标为不同红葡萄酒样品，见图4。从聚类分析树状图可以看出，相同国家红葡萄酒样品被基本被聚为一类，其中商品1与法国1、法国2有较大的相似性，被聚成一类；而商品2与法国1、法国2的相似性较差，与意大利的相似性反而更大。因此，可以初步断定商品1是法国生产，商品2可能应为意大利产红葡萄酒而假冒了法国红葡萄酒。

3 结 论

本实验通过对10个常见红葡萄酒产地85份红葡萄酒样品的气相色谱指纹图谱研究，利用中药色谱图分析和数据管理系统和SPSS 19.0统计分析软件进行聚类分析，发现代表不同国家的红葡萄酒气相色谱指纹图谱存在差异，不同产地生产的红葡萄酒气相色谱峰的相对峰面积和共有峰不同，包含能代表各个国家的特征峰；初步建立了表征10个不同国家红葡萄酒基于气相色谱指纹图谱的系统聚类分析识别模式和方法，能较好地将该10个不同国家产红葡萄酒进行聚类和区分；通过对市面上购买的2种红葡萄酒商品进行了产地假冒模式的应用实验，发现该系统聚类分析识别模式可以进行初步的判别，判别效果较好。因此，本实验建立的基于气相色谱指纹图谱的红葡萄酒系统聚类分析识别模式和方法，方法简便、成本低、可操作性强，是产地假冒红葡萄酒进行甄别的一种客观、科学的方法，值得借鉴和推广应用。

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