Izotopové zloženie stroncia vo vínach niektorých slovenských producentov
Úvod:
V ostatných rokoch sa čoraz intenzívnejšie a nielen v odborných diskusiách diskutuje pôvod potravín, z čoho hneď vyplynul aj jeden z prominentných problémov, týkajúci sa presného určenia geografického pôvodu vín, čo má významný dosah na ekonomické aspekty obchodu s touto komoditou. Okrem štandardných a klasických metód bežne používaných pri identifikácii a kvality vína, sa čoraz vo väčšom meradle používajú „novátorské“ analytické metódy, donedávna používané iba pri riešení rôznych problémov v oblasti veľmi špecializovaných disciplín prírodných vied, zdanlivo značne vzdialených od praktických otázok vínnej problematiky (napr. určovanie veku hornín, geochemické štúdium horninového prostredia, vôd, atmosféry). Už v druhej polovici minulého storočia boli publikované pokusy týkajúce sa použitia geochemických metód napr. zistenia koncentrácií niektorých vybratých prvkov vo vínach z rôznych regiónov spojených so sofistikovanou štatistickou analýzou údajov, ktorej cieľom bolo definovať geochemické rozdiely vo vínach rozdielnych oblastí a tým vlastne určiť parameter, ktorý sa dnes všeobecne definuje ako regionálna autenticita vína, viazaná ku štatisticky definovaným hodnotám na určitý región. Postupne však začala aplikácia iného druhu analýz, založených na úplne rozdielnom princípe a to na analýze izotopového zloženia vybraných prvkov, ktoré sú dnešnými modernými technológiami merateľné a v tejto problematike už využívané v bežnej analytickej a geochemickej praxi.
Ak sme spomenuli výraz izotopy, pre potreby tohto článku stručne pripomíname ich definíciu: izotopy sú atómy patriace k tomu istému prvku (identický počet protónov v jadre ktoré definujú prvok), ale majú rozdielny počet jadrových neutrónov. Tým individuálne jadrá atómov konkrétneho prvku majú rozdielne nukleónové číslo a preto ich relatívne atómové hmotnosti sú rozdielne (obr. 1).
Obr. 1: Izotopy vodíka v prírode. 1H – prócium, jediný prvok v prírode, ktorý v jadre atómu nemá neutrón, iba jeden protón, 2H – deutérium (atómové jadro je zložené z jedného protónu a jedného neutrónu), 3H – trícium má v atómovom jadre dva neutróny.
Veľká väčšina prvkov vyskytujúcich sa v prírode sú izotopové zmesi. V dnešnej zaužívanej praxi sa izotopy prvkov s rozdielnym nukleónovým číslom označujú indexom vľavo hore pri chemickom názve prvku, ako napr. 2H (deutérium, ťažší izotop vodíka, ktorý má v prírode tri izotopy), 16,17,18O (tri izotopy kyslíka), štyri izotopy stroncia 84,86,87,88Sr, štyri izotopy olova 204,206,207,208Pb, atď.), takých príkladov je mnoho.
Použitie izotopových metód na dokázanie autenticity vín sa historicky uberalo v podstate dvoma smermi:
- už zhruba 30 rokov sa na identifikáciu vín a ich kvality sa aplikujú analytické metódy všeobecne nazývané v anglickej literatúre SIRA (Stable Isotope Ratio Analysis, analýza pomeru stabilných izotopov), s určením izotopového zloženia vodíka 2H/1H (obr. 1), uhlíka 13C/12C a kyslíka18O/16O. Často sa v odbornej literatúre popisujú ako ľahké, resp. stabilné. Nespochybniteľne, tieto údaje majú dôležitý význam pri kvantitatívnej identifikácii vín a ich prípadného primitívneho falšovania (voda, cukor a i.), o čom svedčí obšírna publikovaná literatúra, ktorej sa v článku nevenujeme, aj keď kvôli informácii o význame použitia týchto izotopov v diskutovanej problematike citujeme dôležitú prácu Christopha et al. (2015). Na túto tému bola už pred časom venovaná v tomto časopise cielená pozornosť (napr. Vránová et al., 2018).
- Druhý, mimoriadne významný smer sa týka výskumu pomerov rádiogénnych (dcérskych) stabilných izotopov, vznikajúcich rozpadom rádioaktívnych izotopov (materských), ktoré sa nachádzajú v pôvodných horninách, v ich zvetralinách a pôdach. V publikovaných prácach bol použitý hlavne radiačný systém 87Rb → 87Sr (rubídium – stroncium) a omnoho menej 235,238U→207,206Pb (urán – olovo). Sú to extrémne silné identifikačné geologicko-geochemické (a teda aj regionálne) markery s jasnou genetickou väzbou na horninové prostredie, pretože dnešné izotopové zloženie pôd je viazané na horninový substrát. Takú väzbu metódy uvedené v predchádzajúcom odseku priamo neumožňujú.
Cieľom tohto článku je upriamiť pozornosť na použitie stroncia (Sr) v tejto problematike, ktoré svojim geochemickým významom má mimoriadny potenciál v určení regionálneho pôvodu vína, resp. presne určenej oblasti, z ktorej víno pochádza. Túto možnosť vo svojom článku týkajúceho sa metód použiteľných pri stopovaní autenticity vín už letmo spomenuli Suhaj a Kováč (2000). V priebehu času, prakticky od roku 1972 bolo na túto tému v zahraničnej literatúre publikované mimoriadne objemné množstvo prác, týkajúce sa izotopového zloženia stroncia vo vínach z rôznych oblastí Európy a tiež z iných kontinentov.
Príncíp: stroncium (Sr) je chemickým prvkom vyskytujúcim sa bežne v stopových množstvách, od desiatok do stoviek ppm (mg.kg-1), v horninách zemskej kôry (žuly, metamorfované horniny, vulkanity, vápence a iné rôzne sedimentárne horniny) a prirodzene aj ich zvetralinách a pôdach, na ktorých vinič rastie.
Prírodné stroncium, tak ako mnoho iných prvkov, je izotopovou zmesou a je zložené zo štyroch izotopov: 84Sr, 86Sr, 87Sr, 88Sr. Boldom označený izotop 87Sr je špecifický. Ten bol aj je v priebehu času v horninách produkovaný rozpadom rádioaktívneho izotopu rubídia 87Rb (polčas rádioaktívnej premeny t1/2 je 48,8 miliárd rokov), preto tento izotop kontinuálne na Zemi pribúda, aj keď extrémne pomaly. Prírastok atómov 87Sr nahromadený v priebehu času je v súčasnosti a v konkrétnej pôvodnej hornine daný jej vekom, pomerom Rb/Sr a známou rýchlosťou rádioaktívneho rozpadu 87Rb.
V izotopovej analýze stroncia sa na kvantitatívne ocenenie množstva rádiogénneho 87Sr používa ako významný prírodný geochemický indikátor (izotopový stopovač, izotopový marker) pomer 87Sr/86Sr, kde v menovateli je jeden z izotopov stroncia 86Sr použitý ako referenčný. Zistilo sa, že v dnešných horninách zemskej kôry (teda v oblastiach kde sa pestuje vinič) izotopový pomer 87Sr/86Sr kolíše zhruba v hodnotách medzi 0,706 až 0,720, aj keď existujú sporadické výnimky. Tak bolo možné očakávať, že izotopový pomer 87Sr/86Sr vo vínach rôznych oblastí bude ležať v týchto hraniciach, čo sa aj mnohými analýzami potvrdilo. Dokázala sa tiež jasná genetická väzba izotopového zloženia 87Sr/86Sr vo vínach na izotopové zloženie substrátu, na ktorom vinič rastie.
Takú možnosť iné metódy priamo neumožňujú.
Naopak, izotopy stroncia umožňujú presne kontrolovať a vystopovať geografickú autenticitu vína, čo možno precízne uskutočniť v týchto krokoch:
1. Izotopové zloženie 87Sr/86Sr pôdneho substrátu → 2. Izotopové zloženie 87Sr/86Sr pórovej vody → 3. Izotopové zloženie 87Sr/86Sr v mušte → 4. Izotopové zloženie 87Sr/86Sr vo víne.
Uvedené kroky reprezentujú ideálny izotopový pohľad na čo najpresnejšie izotopové definovanie konkrétnej oblasti, čo stručne ozrejmíme v nasledujúcom texte.
Tu je potrebné upozorniť na problém, týkajúci sa bodov 1. a 2. O tom, aký skutočný izotopový pomer bude mať víno ako konečný produkt nerozhoduje priemerné izotopové zloženie substrátu, ale izotopové zloženie média, ktoré umožňuje prestup stroncia z hornín (minerálov) substrátu do koreňového systému viniča (tzv. biostroncium, v anglickej literatúre ako bio-available strontium). Tým médiom je pórová voda, ktorá vylúhuje v rôznom stupni prítomné minerály substrátu. Schopnosť vylúhovania stroncia z minerálov pórovou vodou a jej izotopové zloženie v princípe závisí od minerálneho zloženia, veľkosti minerálnej fázy a od fyzikálno-chemických podmienok zvetrávania v danej oblasti. Tak ako izotopové zloženie, ani podmienky vylúhovania stroncia z jednotlivých minerálnych fáz celkových hornín (pôd) sa v súčasnosti nemenia.
Publikované práce sa venujú aj krokom uvedeným vyššie 3. a 4. Dôležité je, že bola dokázaná stabilita opakovaných analýz z konkrétnych vinohradov z rozdielnych sezón a v prípade malých rozdielov boli identifikované technologické vplyvy pri produkcii (napr. použitie zeolitov).
Prejdime teraz ku konkrétnym praktickým veciam.
Výsledky: Analyzovali sme pomer 87Sr/86Sr vo vínach niektorých slovenských producentov s cieľom porovnať naše pilotné údaje s publikovanými údajmi z vín iných významnejších európskych vinárskych regiónov. Boli to vína bežne dostupné v predajnej sieti rôznych oficiálnych obchodných reťazcov (23 vzoriek fľaškovaných vín), označených dátumom plnenia v rokoch 2002 – 2005.
Prirodzene, z povahy analyzovaných vzoriek nebolo možné kontrolovať iné možné vplyvy, napr. kontamináciu vzoriek výrobným procesom a tiež dôležitý údaj, či všetky vína boli napr. produkované výlučne z hrozna pochádzajúceho z viníc daného regionálneho výrobcu.
Vzorky vín sme pre účel tejto informácie zhruba rozdelili do týchto približne definovaných oblastí 1 až 6.
1 – 8 vzoriek vín zo strekovského rajónu z oblasti Belej (vzorky Ing. Petrecha) označené krúžkami na priloženom grafe modrou farbou ako stĺpec 1. Z tejto oblasti bola tiež analyzovaná vzorka vody z vodovodu odobratá v reštauračnom zariadení kaštieľa Belá.
2 – 3 vzorky vín z vinohradníckej oblasti Tokaj, červené krúžky,
3 – 3 vzorky vín zo sobraneckého rajónu (Tibava) označené žltou farbou,
4 – 9 vzoriek vín z malokarpatskej vinohradníckej oblasti, oranžové krúžky,
5 – 6 vzoriek vín z nitrianskej a stredoslovenskej oblasti, modro-šedé krúžky,
6 – vína z Moravy (2 vzorky na porovnanie).
V tabuľke 1 uvádzame orientačné rozpätie koncentrácií (minimum – maximum) niektorých analyzovaných prvkov vo vínach.
Tabuľka 1: Rozpätie koncentrácií analyzovaných prvkov vo vzorkách vín. Analýzy boli urobené technikou ICP- OES v GAL, ŠGÚDŠ, Spišská Nová Ves. SD (%) – smerodajná odchýlka meraní. Výsledky dokumentujú v podstate veľký rozptyl nameraných údajov z jednotlivých vzoriek.
V tabuľke 2 uvádzame minimálne a maximálne hodnoty nameraných izotopových pomerov.
Tabuľka 2: Variabilita pomeru 87Sr/86Sr v rámci definovaných oblastí producentov. Číslo v zátvorke je počet analyzovaných vzoriek. min - najnižší zistený izotopový pomer, max - najvyšší zistený izotopový pomer. Analytická chyba jednotlivých meraní izotopového pomeru (neuvádzaná v tabuľke) predstavuje dvojnásobok štandardnej chyby priemeru (2xSE) a v jednotlivých vzorkách kolísala medzi hodnotami 0,0020 – 0,0034 % meraného izotopového pomeru. Izotopové pomery stroncia boli merané na hmotnostnom spektrometri VG 54E (PAN, Varšava) technológiou TIMS v multikolektorovom režime, spolu s akceptovaným medzinárodným štandardom NIST 987. Všetky merané údaje boli adjustované na prijatú hodnotu štandardu (87Sr/86Sr = 0,710248).
Izotopový pomer 87Sr/86Sr v analyzovaných vínach výberu kolíše zhruba medzi hodnotami 0,7083 – 0,7107. Dokumentovaný rozptyl získaných hodnôt kopíruje vcelku presne napr. publikované údaje z niektorých vinárskych oblastí Francúzska a Talianska (Bordeaux, Lombardia, Toskánsko).
V grafe 1 sú výsledky izotopového zloženia 87Sr/86Sr v jednotlivých vzorkách vín (vertikálna os grafu) zobrazené voči definovaným oblastiam 1 – 6 (horizontálna os grafu).
Graf 1: Variabilita izotopového zloženia v analyzovaných vzorkách z rozdielnych definovaných regiónov. Biely bod v oblasti 1 je analyzovaná voda z vodovodu z kaštieľa v Belej. Analytická chyba meraní je identická, resp. menšia ako veľkosť bodov.
V znázornenej kolekcii údajov možno odčítať niekoľko zaujímavých informácií. Z hľadiska izotopovej variability pomeru 87Sr/86Sr majú malý rozptyl 3 vzorky vín z tokajskej oblasti (2). Tie jediné však majú aj veľmi špecifický a odlišný izotopový pomer v porovnaní s inými oblasťami. Ak ich napr. porovnáme s údajmi s oblasťou 3 (Tibava, 3 vzorky), rozdiel je mimoriadne výrazný. A to napriek tomu, že sú regionálne blízke a dokonca blízke aj horninovým substrátom (veľký vplyv neogénnych vulkanických hornín), ktorý je však geneticky a geochemicky zásadne odlišný (andezitový a ryolitový vulkanizmus).
Analýzy z oblasti 5 poskytujú tiež dôležitú informáciu: vcelku relatívne malý rozptyl údajov narušuje analýza označená na obrázku 2 ako IT. Bol to produkt deklarovaný na etikete, že je zložený z 80 % talianskeho vína. Odklon izotopového zloženia od „regionálnych“ hodnôt je teda v tomto prípade úplne jasný a preukázateľný. Schopnosť metódy identifikovať mimo regionálne zdroje s iným izotopovým zložením je teda zrejmá.
Najväčší izotopový rozptyl bol zistený vo vínach z malokarpatskej oblasti (4). Tu je určitá časť viníc založená na pôdach, ktorých materské horniny sú žuly (granitoidy), resp. aj staršie metamorfované horniny (bridlice), ktorých publikované izotopové pomery 87Sr/86Sr kolíšu medzi 0,7084 až 0,715, resp. 0,713 – 0,7214. Rozptyl izotopových analýz vín v podstate koreluje iba s údajmi so žúl, ale nie z metamorfovaných hornín.
Značná variabilita údajov z oblasti 1(strekovská oblasť) svedčí o značnej horninovej a izotopovej variabilite substrátu v danej oblasti. Vzorka vody, ktorú sme odobrali z vodovodu z kaštieľa v Belej, reprezentuje priemer izotopového zloženia podzemnej vody z exploatovaného vodného zdroja. Hodnota síce leží v minime údajov z vín, ale predsa len potvrdzuje väzbu jej izotopového zloženia s izotopovým zložením vína (preukázateľne aspoň v jednom prípade).
Z grafu 1 však vyplýva aj fakt, že produkované vína z rôznych oblastí môžu mať veľmi blízke izotopové pomery. Príkladom môžu byť vzorky s izotopovým zložením okolo hodnoty 0,70930 z oblastí 1, 3, 4, 5. Táto skutočnosť bola zistená aj v iných oblastiach mimo Slovenska. Z tohto poznatku sa vyvinul určitý skepticizmus týkajúci sa možnosti použitia pomeru 87Sr/86Sr ako izotopového stopovača regionálnej autenticity vín, keďže podľa publikovaných údajov analýzy z niektorých veľkoplošných areálov klasických a prominentných vinárskych oblastí v Európe sa prekrývajú. Je to žiaľ výsledok globálneho (družicového) pohľadu na problém. To však nie je správny prístup k riešeniu: je metodickou chybou očakávať, že akýkoľvek definovaný vinársky región resp. jeho plošne menšie zložky budú svojim izotopovým zložením voči ostatným výnimočné a neopakovateľné. Izotopové zloženie kôrových hornín a ich zvetralín už vopred vymedzuje variabilitu izotopového zloženia pôd a tým aj vín. Potenciálna pestrosť je navyše obmedzená už človekom, t. j. vedomým výberom oblastí, resp. výberom pôd vhodných pre vinohradníctvo. Čiže problém dokázania autenticity vín nemôže byť v určovaní akýchsi priemerných údajov oblasti, ale práve naopak, problém spočíva v presnom izotopovom definovaní čo najmenších plôch, jednotlivých honov.
Pretože variabilita typov hornín je dokázateľne značná aj v regionálne obmedzených oblastiach (ako napr. strekovský rajón, 1), dá sa očakávať, že aj konkrétne definované plošne malé oblasti (hony), na ktorých sa pestujú konkrétne odrody budú mať aj v rámci jednej vinárskej oblasti pomery 87Sr/86Sr odlíšiteľné od iných, aj geograficky blízkych. To je z hľadiska dôkazu autenticity vín veľmi povzbudivý výsledok. Bez ohľadu na variabilitu izotopového zloženia v jednotlivých rajónoch, možno na základe izotopového zloženia stroncia v jednotlivých viniciach jednoducho získať presnú databázu údajov, ktorá spoľahlivo definuje, čo je regionálne a čo nie.
Zhrnutie: Tento článok je príspevkom k diskusii o pôvode vín (Vinič a Víno, Diskusné fórum), ktorý v minulom čísle tohto časopisu publikoval B. Gabel (2020) so svojim kritickým stanoviskom k tejto závažnej problematike..
Nami uvedené výsledky sú len predbežnou, veľmi všeobecnou informáciou o pomeroch 87Sr/86Sr vo vínach slovenských producentov. Z hľadiska zistených izotopových pomerov, slovenské vína sa nachádzajú v rozptyle publikovaných a v článku spomenutých údajov európskych producentov.
Viac podstatných informácií by bolo možné získať presne orientovanými analýzami in situ produkovaných vín od jednotlivých slovenských producentov, ktorí oficiálne deklarujú regionálny pôvod vína. Prvým dôležitým krokom by malo byť definovanie izotopového zloženia stroncia vín z vinárstiev producentov a z presne definovaných honov, ktoré sú označované ako regionálne produkty. Tým by bol definovaný prirodzený rozptyl analytických údajov viazaný na konkrétne lokality pre daný región. Akékoľvek zvyšovanie produkcie napr. dovážaním hrozna, resp. muštov či vína z iných oblastí (mimo Slovenska), deklarované ako regionálne, by bolo na opísanom základe s veľkou pravdepodobnosťou jednoducho rozlíšiteľné.
Druhým podstatným a zásadným krokom by bolo viazať izotopové zloženie vína ku izotopovému zloženiu pórovej vody, v tomto prípade ku získaniu výluhu z anorganického substrátu, metódou, ktorá sa najviac blíži prírodným podmienkam.
V ostatnom čase na túto tému boli na Slovensku vykonané špecializované práce s originálnym prístupom ku získaniu takýchto izotopových hodnôt 87Sr/86Sr. To predstavuje zásadné parametre pre tvorbu spoľahlivých regionálnych databáz.
Ak už informujeme o izotopovom zložení 87Sr/86Sr vo vínach, je nutné pripomenúť, že také analýzy vyžadujú iný typ hmotnostných spektrometrov, aké sa používajú v izotopovej analýze ľahkých prvkov (H,C,O, prípadne S). Informácie, ktoré sme v článku diskutovali (ale vzhľadom k objemu publikovaných prác a charakteru tohto informatívneho článku necitovali) sa získali iným typom hmotnostných spektrometrov, ktoré sú schopné analyzovať izotopové zloženie ťažších prvkov. Na analýzu izotopového zloženia stroncia (resp. olova) sa dnes používajú dve dominantné technológie s dostatočnou požadovanou presnosťou: jednou je TIMS (Thermal Ionization Mass Spectrometry, hmotnostná spektrometria termálnou ionizáciou) a tou druhou je MC-ICP-MS (MultiCollector-Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry, multikolektorový hmotnostný spektrometer v spojení s plazmovým zdrojom). Autorom článku nie je známe, či na Slovensku je v univerzitnom prostredí, štátnych organizáciách, resp. v súkromných firmách taký typ prístrojov inštalovaný a používaný. Ak nie, je síce možné zabezpečiť analýzy externe, ale veľkým problémom by bolo, že sú časovo a finančne náročnejšie, ako by boli urobené na Slovensku. Zabezpečenie takej technológie však problém autenticity vín automaticky nevyrieši. Domnievame sa, že iba spojením presnej, cieľavedomej a dlhodobej štátnej kontrolnej stratégie s použitím uvedenej technológie možno očakávať progres, „aby nám tu všetko sedelo“.
Poďakovanie: Pánovi Ing. Petrechovi ďakujeme za poskytnutie vzoriek vín z oblasti Belej.
Literatúra
Christoph N., Hermann A., Wachter H. 2015: 25 Years authentication of wine with stable isotope analysis in the European Union – Review and Outlook. BIO Web Conferencies 5, 02020, DOI: 10.1051/bioconf/ 20150502020
Gabel B. 2020: Niečo nám tu nesedí. Vinič a Víno, XX, č. 1, 24 − 27
Suhaj M., Kováč M. 2000: Metódy identifikácie falšovania a autentifikácie potravín. 2. Alkoholické nápoje. Bulletin potravinárskeho výskumu (Bulletin of Food Research), roč. 39, č. 2, s. 79 − 99
Vránová T., Ťapajnová Z., Štecová A. 2018: Stabilné izotopy a autentifikácia vín. Vinič a víno, XVIII, č. 4, 128 – 130
