通過(guò)整合ICP-MS礦物成分分析與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)提升特定地方葡萄酒的識(shí)別能力：以區(qū)分十種博若萊（Beaujolais）葡萄酒為例
《Talanta》：Advancing Specific Local Wine Identification through Integration of ICP-MS Mineral Wine Profiles and Machine Learning: A Case Study on Discrimination Among the Ten Beaujolais Crus
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本研究通過(guò)高 throughput ICP-MS半定量分析1288瓶勃艮第Gamay葡萄酒中的41種礦物元素，結(jié)合主成分分析（PCA）和隨機(jī)森林（RF）等機(jī)器學(xué)習(xí)方法，證實(shí)葡萄酒礦物指紋能有效區(qū)分2022與2023年份（98%準(zhǔn)確率）和十種地理標(biāo)志葡萄酒（平均92%準(zhǔn)確率），揭示土壤礦物元素與葡萄酒品質(zhì)的關(guān)聯(lián)機(jī)制，為原產(chǎn)地保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。
約翰·克萊門(mén)特（Yohann Clément）|皮埃爾·朗特里（Pierre Lantéri）|阿涅斯·阿蓋日（Agnès Hagège）|貝特朗·沙泰萊（Bertrand Chatelet）|泰奧多爾·蒂萊芒（Théodore Tillement）|科拉琳·杜魯（Coraline Duroux）|萊蒂西亞·薩爾洛（Leticia Sarlo）|弗朗索瓦·呂克斯（Fran?ois Lux）|奧利維爾·蒂萊芒（Olivier Tillement）
法國(guó)里昂第一大學(xué)（Université Claude Bernard Lyon 1）、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（CNRS）、分析科學(xué)研究所（ISA，Institut des Sciences Analytiques）、UMR 5280項(xiàng)目，維勒烏爾班（Villeurbanne）
摘要
博若萊（Beaujolais）葡萄園位于法國(guó)奧弗涅-羅訥-阿爾卑斯（Auvergne–Rh?ne–Alpes）地區(qū)，以其地質(zhì)多樣性及其十個(gè)特級(jí)產(chǎn)區(qū)（crus）的獨(dú)特風(fēng)味而聞名于世。確保這些產(chǎn)區(qū)的真實(shí)性對(duì)生產(chǎn)商和監(jiān)管機(jī)構(gòu)至關(guān)重要，因?yàn)殄e(cuò)誤標(biāo)注和欺詐行為會(huì)損害葡萄酒的經(jīng)濟(jì)價(jià)值及消費(fèi)者的信任。
在這項(xiàng)研究中，我們引入了“礦物葡萄酒分析方法”（Mineral Wine Profile，簡(jiǎn)稱MWP），這是一種高通量的ICP-MS技術(shù)，能夠半定量分析40多種礦物質(zhì)元素。研究人員分析了2022年和2023年收獲的1288款博若萊葡萄酒，這些葡萄酒來(lái)自十個(gè)不同的特級(jí)產(chǎn)區(qū)。通過(guò)多元統(tǒng)計(jì)方法和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)評(píng)估了該方法的區(qū)分能力。主成分分析（Principal Component Analysis）能夠清晰區(qū)分不同年份的葡萄酒；隨機(jī)森林模型（Random Forest）的年份分類準(zhǔn)確率達(dá)到98%，混合判別分析（Mixture Discriminant Analysis）的準(zhǔn)確率平均為92%。錯(cuò)誤分類主要發(fā)生在地理位置相鄰的產(chǎn)區(qū)之間，這反映了土壤結(jié)構(gòu)的重疊和風(fēng)土特征的連續(xù)性。元素與土壤之間的關(guān)聯(lián)（例如，鐵在富含粘土的土壤中含量較高，錳在沙質(zhì)土壤中含量較高，銫在淤泥質(zhì)土壤中含量較高）為理解風(fēng)土差異提供了機(jī)制上的見(jiàn)解。這些結(jié)果證實(shí)，葡萄酒中的礦物質(zhì)特征可以作為其產(chǎn)地的可靠化學(xué)標(biāo)志。
通過(guò)將元素分析技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，本研究展示了一種穩(wěn)健、可重復(fù)且可擴(kuò)展的葡萄酒產(chǎn)地認(rèn)證方法。除了科學(xué)價(jià)值外，MWP方法還可在風(fēng)土資源的利用、原產(chǎn)地命名控制（Appellations d’Origine Contr?lée，簡(jiǎn)稱AOC）的保護(hù)以及葡萄酒行業(yè)的欺詐預(yù)防方面發(fā)揮作用。
引言
博若萊葡萄園位于法國(guó)奧弗涅-羅訥-阿爾卑斯地區(qū)，是一個(gè)國(guó)際知名的葡萄酒產(chǎn)區(qū)，主要生產(chǎn)使用佳美（Gamay）葡萄品種釀制的紅葡萄酒。雖然“博若萊新酒”（Beaujolais Nouveau）已獲得全球認(rèn)可，但十個(gè)特級(jí)產(chǎn)區(qū)（Saint-Amour、Juliénas、Chénas、Moulin-à-Vent、Fleurie、Chiroubles、Morgon、Régnié、C?te de Brouilly和Brouilly）代表了該地區(qū)最高的附加值。這些特級(jí)產(chǎn)區(qū)具有更強(qiáng)的陳年潛力、更鮮明的風(fēng)味特征，市場(chǎng)價(jià)格也遠(yuǎn)高于普通博若萊葡萄酒。因此，驗(yàn)證這些產(chǎn)區(qū)的真實(shí)性對(duì)生產(chǎn)商和消費(fèi)者都至關(guān)重要，尤其是在國(guó)際貿(mào)易中，錯(cuò)誤標(biāo)注和欺詐行為仍是一個(gè)潛在風(fēng)險(xiǎn)。
從地質(zhì)角度來(lái)看，博若萊地區(qū)的土壤類型非常多樣，包括花崗巖、片巖、粘土-石灰?guī)r、沙質(zhì)和淤泥質(zhì)土壤[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]。這些土壤的礦物組成、保水能力和肥力各不相同，直接影響葡萄的生長(zhǎng)和葡萄酒的品質(zhì)。大致可分為以下幾類：
粘土土壤： 由粘土和粘土-石灰?guī)r混合物組成，富含礦物質(zhì)和陽(yáng)離子（Ca2+, Mg2+, K+），保水能力強(qiáng)，即使在干旱時(shí)期也能保證葡萄獲得充足的水分，同時(shí)具有較高的緩沖能力。產(chǎn)自粘土土壤的葡萄酒通常結(jié)構(gòu)緊密，單寧濃郁，顏色深沉，具有較好的陳年潛力。
沙質(zhì)土壤： 透水性高但保水能力低，排水迅速，養(yǎng)分供應(yīng)有限。這種土壤條件下的葡萄生長(zhǎng)較為旺盛，成熟較早，釀出的葡萄酒通常口感清新、香氣濃郁，但結(jié)構(gòu)層次不夠明顯。沙質(zhì)土壤適合釀造適合早期飲用的葡萄酒，如“博若萊新酒”（Beaujolais Primeurs）。
淤泥質(zhì)土壤： 含有大量細(xì)小顆粒，保水能力強(qiáng)，在夏季干旱期間可作為重要的水源。但如果管理不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致葡萄生長(zhǎng)過(guò)于旺盛，需要采取特定的種植措施（如控制樹(shù)冠、調(diào)節(jié)產(chǎn)量）。產(chǎn)自淤泥質(zhì)土壤的葡萄酒通常口感圓潤(rùn)，單寧柔和。
這種土壤類型的多樣性解釋了盡管使用相同葡萄品種，不同特級(jí)產(chǎn)區(qū)葡萄酒風(fēng)格為何存在差異。這為研究礦物組成與風(fēng)土特征之間的關(guān)系提供了科學(xué)依據(jù)。
葡萄酒中的礦物質(zhì)成分反映了葡萄園的土壤類型、環(huán)境條件、種植管理及釀酒過(guò)程，因此可以被視為葡萄酒產(chǎn)地的化學(xué)標(biāo)志[9], [10], [11], [12], [13], [14]。過(guò)去二十年里，多項(xiàng)研究利用ICP-MS及相關(guān)元素分析技術(shù)對(duì)葡萄酒進(jìn)行產(chǎn)地區(qū)分[8], [11], [13], [15], [16], [17], [18], [19]。這些研究表明，多元素分析結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法在區(qū)域或國(guó)家層面上有效區(qū)分葡萄酒。然而，現(xiàn)有方法存在兩個(gè)主要局限性：
•這些方法主要關(guān)注區(qū)域間的分類（如波爾多（Bordeaux）與勃艮第（Burgundy）的對(duì)比，而非像博若萊這樣的區(qū)域內(nèi)差異。
它們依賴的樣本量相對(duì)較小，限制了模型的普遍適用性。
為了解決這些問(wèn)題，我們提出了“礦物葡萄酒分析方法”（MWP），這是一種半定量的ICP-MS技術(shù)，能夠高通量分析40多種礦物質(zhì)元素（每天可分析超過(guò)200個(gè)樣本）。MWP有助于構(gòu)建可靠的數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。
以往的研究已成功應(yīng)用ICP-MS和化學(xué)計(jì)量學(xué)方法進(jìn)行葡萄酒的跨區(qū)域分類[11], [18], [20], [21]，但這些研究的樣本量通常較少（<300個(gè)樣本），且主要關(guān)注大規(guī)模的地理差異（如波爾多與勃艮第的對(duì)比）。據(jù)我們所知，尚未有研究使用如此大規(guī)模的數(shù)據(jù)集（>1200款葡萄酒）對(duì)博若萊的十個(gè)特級(jí)產(chǎn)區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性的分析。
在本研究中，我們對(duì)2022年和2023年收獲的1288款佳美葡萄酒進(jìn)行了分析，這些葡萄酒來(lái)自十個(gè)不同的特級(jí)產(chǎn)區(qū)。我們運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)方法和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，旨在探究：（i）葡萄酒的元素組成是否能夠區(qū)分不同年份；（ii）盡管地理位置相近，這些葡萄酒是否能夠區(qū)分不同的特級(jí)產(chǎn)區(qū)；（iii）土壤成分與礦物質(zhì)特征之間的關(guān)聯(lián)是否可以作為風(fēng)土分類的依據(jù)。我們假設(shè)葡萄酒的礦物質(zhì)特征能夠?yàn)槟攴莺吞丶?jí)產(chǎn)區(qū)的鑒定提供可靠且可重復(fù)的方法，從而有助于風(fēng)土特征的描述，并為博若萊葡萄酒的欺詐預(yù)防和質(zhì)量控制提供實(shí)際應(yīng)用。
試劑和材料
所有使用的試劑均為分析級(jí)純度。樣品稀釋和標(biāo)準(zhǔn)品制備過(guò)程中使用了電阻率為18.2兆歐的超純水（Ultrapure water）和純度為69%（體積比）的硝酸（Suprapur? grade, Roth）。樣品和標(biāo)準(zhǔn)品的收集與制備均使用經(jīng)過(guò)認(rèn)證的無(wú)金屬管。
半定量校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)品的制備過(guò)程包括將VWR公司提供的多元素標(biāo)準(zhǔn)品稀釋至特定濃度。
結(jié)果與討論
葡萄酒中的總礦物質(zhì)含量較低，占總質(zhì)量的不到0.5%。元素濃度范圍廣泛，從主要陽(yáng)離子（K、Ca、Mg、Na：10–1000 mg/L）到微量元素（Fe、Cu、Zn、Mn：0.1–10 mg/L）以及超痕量元素（如鑭系元素：<1 μg/L）。本研究分析了1288款佳美葡萄酒中的41種元素，其中2022年的樣品有691款，2023年的樣品有597款，涵蓋了十個(gè)特級(jí)產(chǎn)區(qū)。
元素分布顯示K、Ca、Mg和Na的含量最為豐富。
結(jié)論
本研究證明，通過(guò)“礦物葡萄酒分析方法”（MWP）結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，可以可靠地鑒定博若萊葡萄酒的產(chǎn)地，無(wú)論是年份還是特級(jí)產(chǎn)區(qū)。
主要發(fā)現(xiàn)包括：
•年份差異：主成分分析（PCA）和隨機(jī)森林模型（RF）在區(qū)分2022年和2023年的葡萄酒時(shí)表現(xiàn)出近乎完美的準(zhǔn)確率（98%）。
特級(jí)產(chǎn)區(qū)差異：混合判別分析（MDA）的準(zhǔn)確率為92%，錯(cuò)誤分類主要集中在相鄰的特級(jí)產(chǎn)區(qū)之間。一對(duì)所有樣本的分類方法將準(zhǔn)確率提升至94%以上。作者貢獻(xiàn)聲明
皮埃爾·朗特里（Pierre Lantéri）： 負(fù)責(zé)撰寫(xiě)、審稿與編輯、初稿撰寫(xiě)、監(jiān)督、數(shù)據(jù)分析、概念構(gòu)思。
約翰·克萊門(mén)特（Yohann Clement）： 負(fù)責(zé)撰寫(xiě)、審稿與編輯、初稿撰寫(xiě)、監(jiān)督、方法論設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、概念構(gòu)思。
負(fù)責(zé)撰寫(xiě)、審稿與編輯、初稿撰寫(xiě)、監(jiān)督。
弗朗索瓦·呂克斯（Fran?ois Lux）： 負(fù)責(zé)撰寫(xiě)、審稿與編輯、初稿撰寫(xiě)、驗(yàn)證。
萊蒂西亞·薩爾洛（Leticia Sarlo）： 負(fù)責(zé)撰寫(xiě)與……（原文此處內(nèi)容不完整）
利益沖突聲明
部分作者與M&Wine公司有關(guān)聯(lián)，該公司協(xié)助提供了樣品和數(shù)據(jù)集。本研究未接受M&Wine公司的任何資助，該公司也未參與研究設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果解讀或發(fā)表決策。作者聲明不存在可能影響本文研究的任何其他財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系。
數(shù)據(jù)獲取
每個(gè)特級(jí)產(chǎn)區(qū)和年份的樣品數(shù)量以及各特級(jí)產(chǎn)區(qū)的描述性統(tǒng)計(jì)信息（中位數(shù)、四分位數(shù)范圍）詳見(jiàn)補(bǔ)充材料。由于合同保密要求，未公開(kāi)生產(chǎn)商和地塊級(jí)別的具體信息。
作者聲明
作者聲明與本文內(nèi)容無(wú)關(guān)的任何財(cái)務(wù)或個(gè)人利益沖突。本研究未接受任何可能影響研究結(jié)果的商業(yè)機(jī)構(gòu)的資助。
致謝
我們感謝葡萄酒競(jìng)賽組織者維克托·戈麥斯（Victor Gomez）和亨利-洛朗·阿努爾德（Henri-Laurent Arnould），以及羅斯酒中心（Centre du Rosé）的吉勒斯·馬松（Gilles Masson）提供了大部分樣品。同時(shí)感謝M&Wine公司在學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)合作框架內(nèi)提供的樣品支持和數(shù)據(jù)集訪問(wèn)權(quán)限，這些支持未對(duì)數(shù)據(jù)加工、結(jié)果解讀或發(fā)表決策產(chǎn)生任何影響。
