【风味分析】啤酒挥发性香气检测

2023-10-30 14:09:46 海能未来技术集团股份有限公司


啤酒挥发性香气

检测

顶空-气相色谱-离子迁移谱法

苦味、酸味、水果味、焦糖味、花香……啤酒因风味多样得到广大消费者的喜爱。

精酿啤酒是以麦芽、啤酒花、酵母、某些天然添加物及水为原料,在酿造过程中,不添加与调整风味无关的物质,按传统工艺在小型啤酒生产线内经低温发酵生产的具有各种风味与浓郁口感的一类啤酒。

风味是衡量啤酒品质的重要因素,其对啤酒的风格、口感起决定性作用。精酿啤酒经过低温发酵后会产生醇类、酯类、羰基类、有机酸类、硫化物等上千种风味物质。

采用HS-GC-IMS对不同来源及类型的精酿啤酒中挥发性组分进行分析, 通过指纹图谱比较挥发性组分差异, 结合主成分分析可实现不同类型精酿啤酒区分。

01

方案与分析

研究选用德国产白啤酒 Y、德国产白啤酒、德国产黄啤酒、德国产黑啤酒、自制白啤酒、自制黄啤酒、自制IPA啤酒、自制玫瑰啤酒,采用气相色谱-离子迁移谱联用仪等仪器进行检测分析。

1. 啤酒样品的 GC-IMS 谱图分析

图1为8个精酿啤酒样品的GC-IMS伪色图。相对迁移时间1.0处的红色垂直竖线为反应离子峰,实际迁移时间为 8ms,经归一化处理。

图1中的每一个点即代表所检测到的一种物质,颜色的深浅代表信号的强弱, 颜色越红表示浓度越高,颜色越浅表示浓度越低,整个谱图上的点即构成了样品中所检测到的所有挥发性组分。

从图1中可以明显看出,4种自制精酿啤酒中的挥发性物质浓度要高于4种德国精酿啤酒。

图1  8 个精酿啤酒样品的 GC-IMS 伪色图

2. 精酿啤酒样品挥发性组分定性分析

为了更好地了解各精酿啤酒的风味差异,需对谱图中的特征物质进行定性分析。谱图中共计鉴定出 63个峰,去除单体、二聚体重复,共有 54 种挥发性香气成分,包含酯类24种、醇类9种、醛类9种、酮类6种、萜类3种、酸类2种、醚类1种等。

其中,酯类香气成分最为丰富,为啤酒提供香甜水果及花香的呈味轮廓。而酒体中含有的多种高级醇赋予了啤酒独特的果香和辛辣味,如 4-松油醇、3-甲基-1-丁醇等。酯类和醇类是公认的构成啤酒香气风格的最重要组分,它们之间的浓度平衡会影响啤酒总体香气分布。

3. 精酿啤酒样品中挥发性组分指纹图谱比较

为了更直观地对比8个啤酒样品中挥发性组分的差异,选取谱图中的特征化合物,由仪器配套的VOCal软件中的Gallery Plot插件制作8个样品的指纹图谱,见图 2。

图2  精酿啤酒样品中挥发性组分的指纹图谱

指纹图谱清晰地展示了各个啤酒样品中挥发性香气成分的差异。整体来看,4种德国啤酒中的挥发性组分差异不大,且含量偏低,而自制的4种啤酒中的风味物质差异显著,具有各自的特征风味物质成分。3-甲基-1-丁醇、2-甲基-1-丙醇、乙醇、乙酸乙酯等物质在所有样品中的含量都很高,只有 IPA 啤酒稍低一些。

德国黄啤酒中乙酸、乙酸异丁酯等物质的含量较高;德国黑啤酒中乙酸庚酯等物质的含量较高;

自制白啤酒中的 4-松油醇、香茅醛、2-庚酮、2,3-戊二酮、戊醛、癸酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸丙酯、丙酸乙酯、丁酸乙酯、辛酸乙酯等物质的含量较高(A 区域),这些物质可为精酿啤酒提供多重复合水果及奶油、焦糖、花香、酒香、香草等风味; 

自制黄啤酒中的丙酸、己醛、顺式-3-己烯醇等物质的含量较高(B 区域),可为该产品提供多青草、浓草及苹果香等风味;

自制 IPA 啤酒中的丙酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮、丙醛、1-己醇、2-甲基丙醛、3-甲基丁醛、壬醛、柠檬烯、α-水芹烯、丁酸戊酯、异丁酸乙酯、庚酸乙酯、异丁酸异丁酯、异丁酸-2-甲基丁酯、反式-2-己烯酸乙酯、戊酸乙酯等物质的含量较高(C 区域), 为该产品提供柑橘香、奶油、玫瑰、黑胡椒、蔼荷等风味;

自制玫瑰啤酒中的 1-丙醇、1 -戊醇、1 -丁醇、3 -羟基-2-丁酮、1 -羟基-2-丙酮、3-甲基丁醛、异松油烯、辛酸乙酯、乙酸己酯、己酸乙酯、乙酸异戊酯、丁酸乙酯、丁酸异丁酯、甲酸乙酯、3-甲基丁酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯、壬酸乙酯等物质的含量较高(D 区域),可为该产品提供苹果、梨、香蕉等水果香气及酒香、玫瑰等风味。

但需注意的是,同一物质在不同浓度下散发出的香气会有所不同,各个风味物质协调作用才能共同构成了该啤酒样品的香气类型。

4. 主成分分析

PCA 可以简化实验数据,并通过确定几个主成分因子来代表原始样本中许多复杂且难以找到的变量,然后根据不同样本中主成分因子的贡献率来评估样本之间的规律性和差异。

利用所检测的所有挥发性组分的峰强度进行 PCA, 以考察不同类型啤酒样品的聚类效果。分析结果见图 3。

图3  不同类型精酿啤酒啤酒样品的 PCA 图

由图 3 可以看出,PC_1 和PC_2的方差贡献率分别为50%和 20%,累积方差贡献率为 70%,表明 PCA 结果能解释总变异的 70%,具有很好的代表性。

德国白啤酒 Y、德国白啤酒、德国黄啤酒3个样品分布较近, 说明3者组分差异较小;在 PC_1 方向上, 德国黑啤酒、自产黄啤酒、自产白啤酒、自产玫瑰啤酒之间可以很好地区分;在 PC_2方向上可将自产 IPA 啤酒区和自产玫瑰啤酒分开来。

02结论

本研究利用HS-GC-IMS鉴定了不同类型啤酒中的挥发性香气组分,检测出54种挥发性香气成分,采用指纹图谱直观展示出各个样品中挥发性组分的差异,结果显示不同类型的啤酒中挥发性香气成分含量存在很大差异。

自制的4种啤酒中风味物质具有各自的特征风味物质成分,如自制白啤中的香茅醛、2-庚酮、癸酸乙酯, 自制黄啤中的己醛,自制印度淡色艾尔啤酒中的异丁酸异丁酯、异丁酸-2-甲基丁酯、壬醛、α-水芹烯, 自制玫瑰啤酒中的乙酸己酯、壬酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯、3-甲基丁酸乙酯等。

酒精发酵过程中,酵母菌会产生一系列酒精发酵副产物,其中酯类物质是影响啤酒风味的主要成分之一,它们具有近似水果的香气,如苹果香、香蕉香、菠萝香、花香等。

相关研究已经证实,具有较高 β-葡萄糖苷酶活性的酵母菌经过发酵后会使精酿啤酒中葡萄糖苷结合萜类及酯类物质明显增加,产生独特的花香和果味特征。

本研究中发现自制精酿啤酒中癸酸乙酯、辛酸乙酯、己酸乙酯、戊酸乙酯、丁酸乙酯等风味物质含量均显著超过德国产啤酒,表明自制精酿啤酒的果香与酒香更浓郁,这可能与生产中使用了自制产香酵母(较高 β-葡萄糖苷酶活性)与酿酒酵母共同作用,参与部分代谢环节或是和啤酒原有的某些物质发生化学反应如酯化反应、羟基化反应等有关。

综上,HS-GC-IMS结合多元统计学方法可有效实现不同风味啤酒的有效区分。


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