综述：葡萄酒质量控制中的分析工具

《Beverages》：Analytical Tools in Wine Quality Control

　　

对可靠、快速且低成本质量控制分析工具的需求，推动了葡萄酒行业不同仪器分析方法的发展与应用。本综述旨在收集并探讨文献中报道的最具相关性的分析方法，重点关注光谱学、色谱学、电分析及基于传感器的技术（包括电子鼻和电子舌），以及这些技术与化学计量学工具的联用。所研究的方法在不同精度水平上展现了测定化学成分、检测污染物与掺假行为、评估感官品质相关属性，以及监测发酵和陈酿过程的潜力。具有高分析通量的无损检测方法进展被着重强调，这类方法因适用于日常分析而在过程控制中具有理想的应用价值。尽管取得了上述进展，灵敏度、选择性、基质效应和方法标准化相关的挑战仍然存在，限制了这些方法的工业落地。最后，本综述明确了研究空白，指出了不同方法的标准化流程开发方向，以及将分析方法整合到葡萄酒酿造行业决策框架的前景。

引言部分首先指出葡萄酒是全球消费最广泛的饮品之一，其风味多样性源于葡萄品种、土壤气候条件和人为因素的共同作用。葡萄酒价格跨度极大，使其成为造假的主要目标，因此国际监管框架日益严格。国际葡萄与葡萄酒组织（OIV）规定的关键质量参数包括乙醇、亚硫酸盐、还原糖、总酸和挥发酸、pH值、色泽和可溶性固形物，同时常规质量控制还需覆盖甘油、蔗糖、生物胺、重金属、氰化物、苯甲酸、甲醇、农药、霉菌毒素、氨基甲酸乙酯及病原微生物的测定。葡萄酒的复杂基质包含醇类、糖类、多糖、有机酸、矿物质、蛋白质、多酚和挥发性化合物，这些成分的化学与物理化学相互作用形成了多样的感官感知。其中多酚类物质（包括儿茶素、黄酮类、单宁、香豆素、二苯乙烯类和羟基肉桂酸）不仅调控葡萄酒的色泽、风味、口感和涩味，还具有抗氧化、心脏保护、神经保护和抗菌作用。由于多酚谱极易受土壤气候条件影响，年份对葡萄酒品质和市场价值具有决定性作用，而花色苷相关指标已被证实可作为干红葡萄酒酒龄评估的实用化学标志物，靶向与非靶向多酚分析也因此成为葡萄酒真伪鉴别的重要策略。为解析复杂的成分相互作用并保障产品完整性，先进分析技术与稳健化学计量学的联用已成为葡萄酒真实性评价的核心路径，当前的技术趋势涵盖质谱、色谱、毛细管电泳和电化学方法，新兴方向则包括数字成像、微流控芯片技术，并结合统计学、化学计量学和机器学习实现深度解析。

材料与方法部分说明本综述的关键词组合包括：葡萄酒与质量控制、葡萄酒与色谱方法、葡萄酒与光谱学方法、葡萄酒与伏安法、葡萄酒与电分析、葡萄酒与质量参数、葡萄酒与分析工具及真实性、葡萄酒与分析方法、葡萄酒与电分析、葡萄酒与近红外光谱、葡萄酒与紫外光谱、葡萄酒与质谱、葡萄酒与微流控。

分析方法是全文的核心章节，首先介绍经典OIV方法，即《葡萄酒与葡萄汁国际分析方法汇编》中的官方参考方法，以经典湿化学分析为主，例如氧化还原滴定法测定亚硫酸盐和总还原糖、酸碱滴定法测定总酸和挥发酸，以及蒸馏结合密度法测定酒精度。

分离方法在葡萄酒分析中是不可替代的质量与真实性保障工具。色谱技术凭借高选择性和灵敏度，可应对含上千种浓度差异极大的化合物的复杂基质，实现掺假识别、酿造异常诊断和各类化合物的定性与定量。液相色谱（HPLC）及其与紫外-可见光谱（UV-Vis）、二极管阵列检测器（DAD）、质谱（MS/MS）和全二维液相色谱（LC×LC）的联用，广泛用于有机酸、糖类、醇类、酚类（花青素、黄酮醇、儿茶素）、氨基酸和生物胺的分子谱图解析。HPLC-UV成本低、操作简便，适合日常糖和酸的检查，但灵敏度和抗干扰能力不足；LC-MS/MS和LC×LC可实现复杂多酚的超灵敏检测和分离，但成本高昂、操作复杂，多用于高级研究、真实性验证和食品安全合规场景。液相色谱在氮基化合物分析中具有重要价值：氨基酸是香气前体物质和酵母营养来源，其谱图可用于监控酿造过程；生物胺则与食品安全直接相关，组胺、酪胺等物质的浓度监测是质量控制和消费者健康保障的关键。反相HPLC（RP-HPLC）以C18柱为核心，是单体酚分析的基准方法，样品前处理可通过液液萃取（LLE）和固相萃取（SPE）优化，但净化步骤和长洗脱程序会降低分析速度。针对橡木来源的鞣花单宁，已有简化SPE前处理和融合核C18柱的方法实现了vescalagin等难分离组分的精准定量，同时可同步分析没食子酸和鞣花酸。全二维液相色谱（LC×LC）具备极高的峰容量，可分离甘油、糖类、有机酸、氨基酸和复杂多酚，结合相似指数、Fisher比率等化学计量学模型可实现产地溯源。此外，离子交换HPLC可在40分钟内完成葡萄酒和葡萄汁主要有机组分的等度分离，无需复杂前处理；多波长检测结合平行因子分析（PARAFAC2）可解析三维数据（样品×保留时间×波长），校正保留时间漂移并提取纯组分谱图。高效薄层色谱（HPTLC）和微平面色谱（μ-PLC）则是中小型酒庄的低成本选择，可直接分析稀释样品，单次运行可并行处理20个样品，设备操作简单，无需复杂技术培训。

气相色谱（GC）是葡萄酒挥发性组分表征的首选工具，可分离酯类、醇类、酸类、内酯、羰基化合物、挥发性酚、萜烯和含硫/氮分子，解决嗅觉相关性不依赖于浓度的难题。气相色谱-嗅闻技术（GC-O）将色谱分离与训练有素的评价员感官评价结合，通过检测频率法、香气提取物稀释分析（AEDA）等方法量化气味活性，明确低浓度高影响力物质的感官贡献。GC-O研究已证实葡萄酒感官品质由多种分子的协同作用决定，而2-甲氧基-3,5-二甲基吡嗪等异味标志物会掩盖果香并降低评分。气相色谱-质谱（GC-MS）是挥发性谱图分析的标准方法，通过计算气味活性值（OAV）区分关键香气贡献物，亚阈值化合物仍可能通过协同或掩蔽效应影响整体感官。样品前处理从传统液液萃取、固相萃取发展到固相微萃取（SPME）和搅拌棒吸附萃取（SBSE），大幅提升了痕量物质富集效率。质谱检测器从单四极杆、离子阱（IT-MS）到飞行时间质谱（TOF-MS）和高分辨质谱（QTOF-MS），逐步解决了复杂基质中的共流出干扰问题。全二维气相色谱（GC×GC）通过正交色谱柱大幅提升峰容量，可分离β-大马酮等超痕量降异戊二烯类物质，这类物质是优质葡萄酒甜果香和花香的核心驱动因子。GC还可用于监控发酵和陈酿过程中挥发性成分的演变，结合定量描述性分析（QDA）关联化学组成与感官感知，并检测脂肪酸、甲氧基吡嗪等异味物质，评估微生物污染和储存风险，GC-QTOF-MS还可用于农药残留等污染物的筛查。

毛细管电泳（CE）主要用于葡萄酒的酚类、有机酸、无机物种、醛类、糖类、醇类、蛋白质和神经活性胺的分析，可实现品种、产地、年份和品质的区分。该方法对多酚的检测限低于2.24 mg·L^?1，相对标准偏差低于3.50%，可在25分钟内同步测定20种多酚，其蛋白峰的蛋白酶敏感性也可反映葡萄酒的稳定性，且蛋白信号强度与年份、酿造条件和品种密切相关，因此具备真伪鉴别潜力。

光谱学方法作为高通量替代方案，涵盖原子光谱（AAS、ICP）和分子光谱（紫外/可见、红外）。紫外-可见光谱（UV-Vis）依赖发色团的特征电子跃迁，可快速筛查酚类物质的吸收特征，但选择性不足，280–290 nm区域的谱带重叠严重，需结合化学计量学实现氧化动力学跟踪、发酵糖监测、色素掺假鉴别等功能。中红外光谱（mid-IR）基于分子振动特征，C=O、C–H等键的伸缩振动可对应有机酸、甘油、乙醇和糖类的定量区域，傅里叶变换红外光谱（FTIR）结合偏最小二乘回归（PLS）、支持向量回归（SVR）等算法，可同步测定糖、酒精、甘油和挥发酸，并实现产地溯源。近红外光谱（NIR）受水和乙醇的O–H倍频与合频吸收主导，需排除高噪声区域，其优势在于无需样品制备、非破坏性、速度快，结合化学计量学可实现产地鉴别和PDO（原产地命名保护）产品认证，手持式设备还可在田间同步测定总酚、黄酮、花青素和缩合单宁，指导采收决策。拉曼光谱可透过玻璃容器直接分析，乙醇特征峰（880 cm^?1）可用于酒精度测定，S–O和O–H/S–H伸缩振动区域可监测游离与总亚硫酸盐含量，结合傅里叶变换和化学计量学可实现100%的产地、品种、年份和酒龄鉴别准确率，便携式设备还可用于加工和运输环节的实时多酚分析。原子光谱（AAS、ICP-MS）主要用于矿物和金属元素测定，结合主成分分析（PCA）和线性判别分析（LDA），通过¹¹B/¹⁰B等同位素比值和微量元素指纹可实现产地溯源。核磁共振（H1 NMR）具有非破坏性、重现性好的特点，可用于代谢组学研究、温度与开瓶时间对成分的影响评估、赭曲霉毒素A去除过程的代谢变化分析、发酵过程监控和甲醇定量，其结果与GC-MS相当，是高分辨率真实性鉴别的重要工具。质谱（MS）常与色谱联用，可追踪陈酿过程中木材释放的挥发性和极性化合物，结合同位素比质谱和高分辨质谱可解析产地、气候和次级代谢产物信息，GC-MS可指导葡萄园管理优化代谢组，LC-MS则可同时监控48种农药残留。

葡萄酒电分析是快速低成本的分析路径，适用于抗氧化剂、多酚、重金属和亚硫酸盐的测定。电位分析法依托离子选择性电极，可实现氯离子、氟离子等阴离子和钾离子、钙离子、铵根离子的测定，纸基电子舌仅需40 μL样品即可区分不同品种葡萄酒，微流控电位系统对钾离子的检测限达75 ± 12 mg·L^?1，线性范围覆盖葡萄酒典型浓度。溶出电位法可测定白葡萄酒中的铜和铅，但红葡萄酒中的多酚会产生基质络合效应。电位滴定可用于总酸度和柠檬酸的测定，柠檬酸占比和滴定曲线形状可揭示酸组成的掺假行为，还可评估氧化还原状态，关联甲硫醛和苯乙醛等异味物质的生成与氧化条件的关系。针对商业电极的不可逆氧化还原过程导致的混合电位问题，电生氯气、电生碘等替代氧化剂提升了抗氧化能力测定的准确性。

伏安法是电分析的核心技术，分为线性伏安法（LV）、循环伏安法（CV）、差分脉冲伏安法（DPV）和方波伏安法（SWV）。CV和LV易受电容干扰导致峰合并，DPV可有效降低二氧化硫干扰，对波特酒总酚的测定结果比CV低50%。抗坏血酸会在0.5 V附近产生氧化峰，与邻苯二酚类多酚的氧化电位接近，增加了同步检测难度。碳基电极是葡萄酒伏安分析的主流选择，单壁/多壁碳纳米管修饰电极可显著提升灵敏度和选择性，但电氧化过程易在电极表面形成绝缘膜，需通过机械抛光和碱溶液电化学处理恢复活性。喷墨印刷的金纳米颗粒/银复合电极可实现二氧化硫的超快速测定，兼具低成本和高可靠性。伏安数据与化学计量学的结合可通过线性伏安图预测16种红葡萄酒的化学组成和氧气消耗速率，且可分别通过一阶和二阶导数伏安图的波峰预测单体和聚合花青素含量。

电化学方法与葡萄酒氧化还原状态密切相关，电化学指数（EI）是常用的抗氧化能力评价指标。“Blasco EI”通过施加不同固定电位氧化所有抗氧化物质，根据阳极电流计算总抗氧化或多酚含量，按氧化电位分为0.8 V、0.5 V和0.3 V三组，分别对应不同抗氧化能力。“Lino EI”则结合阳极峰电位（E_pa）和峰电流（I_pa），通过公式EI = I_pa1/E_pa1+ I_pa2/E_pa2+ … + I_pan/E_pan计算，低E_pa代表高还原能力，高I_pa代表高浓度抗氧化剂。便携式微型电极装置可通过LV实时跟踪酿造过程中的氧化还原状态，不同品种的伏安指纹具有显著区分度，可确定浸皮等工艺的最佳时长，红葡萄酒的总酚含量显著高于白葡萄酒品种。LV还可用于绘制葡萄酒氧化特征谱，通过氧化与未氧化样品的伏安图差值评估氧化速率，其与氧气消耗率的相关系数可达0.69。

电化学（生物）传感器可覆盖葡萄糖、酒精、有机酸、酚类、蛋白质、香气成分、生物胺、防腐剂及酵母的监测，满足从浸皮、发酵到陈酿的全流程质量控制需求。在安全合规方面，传感器可实现对亚硫酸盐、甲醇、重金属、砷、赭曲霉毒素A、山梨酸和氨基甲酸乙酯等污染物的早期筛查。结合化学计量学的传感器阵列已发展出电子舌和电子鼻，智能手机接口的小型化设备已实现现场部署。

电子舌与电子鼻旨在替代主观性较强的人工品评，通过交叉敏感的传感器阵列结合模式识别软件生成指纹图谱，实现常规仪器难以完成的分类任务。在葡萄园管理中，电子舌可测定糖度、涩味（多酚含量）和酸度，辅助采收时机决策，电子鼻则可模拟品评员的香气评价功能。具体应用包括：电子舌基于酶生物传感器阵列结合自组织映射（SOM）实现31种商业葡萄酒的分类；电位型电子舌将酶共价固定在PVC膜中，引入金纳米颗粒或铜酞菁作为电子介体，检出限低于0.1 mM，结合PLS和PCA可区分单一品种白葡萄酒（PC1 77%；PC2 15%）和红葡萄酒（PC1 63%；PC2 30%）；伏安型电子舌采用金属电极和石墨复合材料电极阵列，结合傅里叶变换、遗传算法和线性判别分析，可区分橡木桶类型并模拟感官评价；酶修饰电子舌可通过人工神经网络区分20种桃红卡瓦酒。电子鼻方面，低成本金属氧化物气体传感器结合k-means聚类可实现品种分类，最高准确率达100%；集成金属氧化物传感器与开放式数字微流控系统的电子鼻可通过疏水多孔微通道选择性检测香气特征，实现葡萄酒快速区分；氧化锡多传感器阵列掺杂铬和铟后，结合PCA和概率神经网络，对橡木桶类型和酒窖差异的分类成功率分别达97%和84%，可用于酒龄监控和造假检测。在缺陷检测中，金属氧化物半导体（MOS）气体传感器电子鼻以乙酸为挥发性标志物，可区分高、中、低质量葡萄酒；伏安传感器阵列结合离散小波变换和人工神经网络，可定量检测Brett缺陷相关的4-乙基苯酚、4-乙基愈创木酚和4-乙基儿茶酚，浓度范围0–25 mg·L^?1内的预测模型训练集与验证集相关系数R达0.958。

结论部分指出，本综述展示了电化学、光谱学和质谱技术与化学计量学联用在葡萄酒分析中的显著进展，这些方法在质量控制、真实性评估和酿造过程监控方面可达到与传统方法相当的快速性、灵敏度和可持续性。尽管面临方法标准化、验证和工业转化等挑战，现代分析技术与多元统计策略的整合仍是葡萄酒研究的未来方向，传感器小型化和实时监控技术的持续发展将进一步拓展行业分析能力，推动酿造创新。