李 帥,劉玉梅

(新疆大學化學化工學院,新疆烏魯木齊 830046)

李 帥,劉玉梅*

(新疆大學化學化工學院,新疆烏魯木齊 830046)

采用氣相色譜-質譜聯(lián)用(Gas chromatography-Mass spectrometer,GC-MS)方法,譜庫檢索結合保留指數(shù)(retention index,RI)定性,比較了頂空固相微萃取(Headspace-solid phase microextraction,HS-SPME)和水蒸氣蒸餾法(Steam distillation,SD)得到的國產努格特啤酒花的揮發(fā)性成分,同時采用峰面積歸一化法對各成分進行定量,并與美國原產地該酒花的主要揮發(fā)性風味成分進行對照。結果表明,兩種方法檢測的揮發(fā)性成分存在較大差異。HS-SPME法定性了106個揮發(fā)性成分,相對含量為99.11%,而SD法僅定性88個成分,相對含量為94.38%。努格特啤酒花的揮發(fā)性成分以碳氫化合物(包括萜烯類化合物)為主,其次為酯類化合物和醇類化合物;含有的主要風味成分有β-蒎烯、β-香葉烯、反式-石竹烯、α-葎草烯和L-芳樟醇等,且上述指標均與美國原產地該啤酒花品種的主要揮發(fā)性風味成分含量范圍一致或接近,表明引種后的努格特啤酒花基本上保持了原產地品種的風味成分。

努格特啤酒花,揮發(fā)性成分,頂空固相微萃取(HS-SPME),水蒸氣蒸餾(SD),氣相色譜-質譜聯(lián)用(GC-MS)

啤酒花(HumuluslupulusL.),別名有忽布(hop)、酵母花等,為蕁麻目大麻科葎草屬植物,味苦、性平,具有安神、利尿、健胃、消食等功效,用于治療失眠、癔病、腹脹、肺結核、胸膜炎、膀胱炎等癥[1]。啤酒花主要產于歐洲、美國、中國、澳大利亞等地,我國種植地主要集中在新疆、甘肅境內[2]。它主要用于啤酒釀造,由于其能夠賦予啤酒獨特的風味,且影響著啤酒的品質,被譽為“啤酒的靈魂”。啤酒花的化學成分主要有:樹脂類、多糖、多酚、黃酮、揮發(fā)油等[3-5],除酒花樹脂含量外,揮發(fā)性成分也是作為評價啤酒花品質特性的重要指標,且具有顯著的抗氧化、抗菌、抗炎等藥用價值。

為獲得植物中揮發(fā)性成分的組成信息,傳統(tǒng)方法主要為水蒸氣蒸餾法(Steam distillation,SD)。近年來,超聲波輔助萃取[6]、微波輔助萃取[7-8]、超臨界CO2萃取[9-10]等技術也應用于揮發(fā)性成分的提取和分析上,但上述方法所需樣品量大、設備成本高。頂空固相微萃取(Headspace solid phase microextraction,HS-SPME)[11-14]集采樣、萃取、濃縮于一體[15],具有所需樣品量少、操作簡單、分析時間短、無需萃取溶劑等優(yōu)點,在分析樣品揮發(fā)性成分上占有明顯優(yōu)勢。在對啤酒花揮發(fā)性成分的分析中,李峰等[16]以頂空固相微萃取結合氣質聯(lián)用分析鑒定出馬格努門啤酒花的73種揮發(fā)性成分;盧亞玲等[17]采用HS-SPME-GC-MS技術在優(yōu)化頂空固相微萃取條件的基礎上,分析了青島大花的揮發(fā)性成分并鑒定出57種化合物,而對于引種的努格特啤酒花品種的揮發(fā)性成分研究尚未見報道。

努格特(Nugget)啤酒花品種原產于美國,經新疆三寶樂農業(yè)科技有限公司成功引種。本文采用HS-SPME及SD法,結合GC-MS技術對努格特啤酒花揮發(fā)性成分進行分析,以譜庫檢索和保留指數(shù)(Kovats retention index,RI)法定性,峰面積歸一化法定量,綜合評價該酒花的揮發(fā)性成分,后與原產地的該啤酒花就主要風味成分進行比較,以期為努格特啤酒花在啤酒釀造中的應用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

努格特啤酒花 新疆三寶樂農業(yè)科技開發(fā)有限公司提供;C6～C26正構烷烴混合標準品(產品編號:46855-U) 美國Sigma-aldrich公司。

Finnigan Trace MS氣相色譜-質譜聯(lián)用儀 美國菲尼根公司;手動SPME進樣器、100 μm PDMS萃取頭 美國Supelco公司;水蒸氣蒸餾裝置 實驗室自制。

1.2 實驗方法

1.2.1 頂空固相微萃取法 根據(jù)文獻[16]方法,用PDMS萃取頭對2 g啤酒花粉末進行頂空吸附30 min(水浴溫度50 ℃),后進行GC-MS分析。

1.2.2 水蒸氣蒸餾法 采用傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾法提取啤酒花中的揮發(fā)油。

1.2.3 GC-MS聯(lián)用儀分析條件 色譜條件:PEG20M毛細管色譜柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);載氣為He;進樣口溫度250 ℃;升溫程序:起始溫度45 ℃,保持3 min,以10 ℃/min 升至100 ℃,然后以5 ℃/min升至190 ℃,再以10 ℃/min 升至230 ℃,保持3 min。檢索譜庫:NIST 2005、Wiley 7.0;不分流進樣,恒流0.8 mL/min。

質譜條件:色譜-質譜接口溫度250 ℃;離子化方式:EI;離子源溫度200 ℃,電子能量70 eV,發(fā)射電流200 μA,檢測器電壓350 V,質量范圍m/z 33～453。

1.2.4 化合物的定性定量分析 通過質譜數(shù)據(jù)庫檢索,結合保留指數(shù)(RI)對啤酒花中的揮發(fā)性成分進行定性;采用峰面積歸一化法進行定量分析。RI計算如下[18]:

式中:RI表示化合物的保留指數(shù);n、n+1分別為前后正構烷烴的碳原子數(shù);tR(n)、tR(n+1)分別為未知化合物鄰近前后正構烷烴的保留時間;tR(x)為未知化合物的保留時間,且滿足tR(n)

2 結果與分析

2.1 努格特啤酒花的揮發(fā)性成分

通過GC-MS分析,比較了SPME和SD兩種方法測定的努格特啤酒花中的揮發(fā)性成分,總離子流圖見圖1。

圖1 HS-SPME(a)和SD(b)所得揮發(fā)性成分的總離子流色譜圖Fig.1 Total ion chromatogram of volatile compounds from Nugget hop extracted by HS-SPME(a)and SD(b)

啤酒花的揮發(fā)性成分比較復雜,其可能存在有較多的同分異構體,在質譜圖中的碎片極其相似,僅以質譜數(shù)據(jù)庫檢索進行定性不夠準確[19]。本實驗中,采用保留指數(shù)(RI)進一步定性:以正構烷烴標準品為對照(C6～C26),計算得到對應化合物的RI,并與文獻所報道的相同類型色譜柱的保留指數(shù)進行比較,最終確定相應的化合物。結合質譜圖檢索和RI所確定的努格特啤酒花中的揮發(fā)性成分見表1。

表1 努格特啤酒花的揮發(fā)性成分Table 1 The volatile compounds of Nugget hop

續(xù)表

續(xù)表

注:RI的文獻值是在相同類型色譜柱條件下,通過NIST數(shù)據(jù)庫查找所得。

實驗結果顯示,從努格特啤酒花中共檢索出145個化合物,其中HS-SPME-GC-MS法檢索出106個揮發(fā)性成分,相對含量為99.11%,而SD-GC-MS法只有88個成分,相對含量為94.38%,兩種方法獲得的不同類型化合物個數(shù)和相對含量見圖2。

圖2 努格特啤酒花揮發(fā)性成分的數(shù)目(a)及相對含量(b)Fig.2 Spider plot showing number(a)and relativecontent(b)of each volatile compounds extracted from Nugget hop

由圖2可知,HS-SPME-GC-MS法檢索出的成分是以碳氫化合物(包括萜烯類化合物,57種,76.93%)、酯類化合物(22種,14.79%)、醇類化合物(12種,4.48%)為主;此外,還含有酮類、醛類、酸類、萜烯類氧化物和其他的含氧化合物共15種,含量依次為0.87%、0.83%、1.03%、0.06%、0.12%,含量較高的化合物有β-香葉烯(30.26%)、α-葎草烯(16.57%)、反式-石竹烯(10.52%)等。SD-GC-MS法得到的揮發(fā)性成分仍是以碳氫化合物(26種,70.22%)、酯類化合物(19種,6.29%)、醇類化合物(27種,10.17%)為主,醛類、酸類、酮類、萜烯類氧化物共16種,含量依次為0.20%、1.02%、3.56%、2.92%,其中α-葎草烯(30.45%)、反式-石竹烯(19.75%)的含量較高。

2.2 提取方法對努格特揮發(fā)性成分的影響

采用HS-SPME和SD兩種方法所得揮發(fā)性成分的數(shù)量及相對含量有明顯差異,且部分成分經不同方法處理所得的含量也相差較大。HS-SPME所得揮發(fā)性成分種類較多,而SD法相對較少,共有成分49種，分別占總面積的76.26%(HS-SPME)和82.73%(SD)。這主要是SD法提取時間長、溫度高、易造成部分低沸點的碳氫類化合物(主要是萜烯類化合物)損失、香氣成分氧化、部分酯類成分的水解或轉化成其他物質所致[20]。但兩種方法得到的揮發(fā)性成分都以萜烯類化合物為主,HS-SPME法46種,含量為71.17%,而SD法僅有22種,含量為68.36%。在萜烯類化合物中,α-葎草烯、反式-石竹烯、α-蛇床烯、β-蛇床烯、γ-依蘭油烯、δ-杜松烯、葎草烯-(V1)、γ-杜松烯等化合物的性質較穩(wěn)定,兩種方法所得結果差異不大。而β-香葉烯、依蘭烯、β-蒎烯、α-白菖考烯4個化合物經SD處理前后分別降低了87.94%、43.59%、83.33%、46.67%。對-薄-1,4(8)-二烯、順式-α-羅勒烯、1S,順-去氫白菖烯、γ-萜品烯、反-別羅勒烯、α-萜品油烯等含量相對較低的化合物在SD法中均未檢出,這主要是HS-SPME技術前處理溫度溫和,啤酒花中的一些低沸點、低含量的組分損失少,更能夠反映出對應啤酒花的原始風味。而SD法經高溫處理后,所得揮發(fā)性成分更多反映樣品的基香成分。因此,結合上述兩種方法,才能更好地對努格特啤酒花的風味成分進行綜合評價。

2.3 努格特啤酒花的主要風味成分

努格特啤酒花的風味成分主要是由萜烯類化合物、酯類化合物及醇類化合物提供。萜烯類中,β-蒎烯具有特有的松節(jié)油香氣;β-香葉烯被認為是酒花中的關鍵性香氣化合物之一,會賦予酒花愉快的、清淡的甜橘味和香脂氣;α-葎草烯是賦予酒花特征苦味的代表,反式石竹烯會給酒花帶來溫和的丁香香氣,這些都是啤酒中酒花香氣的特征組分[9]。此外,辛酸甲酯等酯類化合物具有典型的柔和柑橘香及水果味[21]。而萜烯醇類物質,如順-馬鞭草烯醇、L-芳樟醇、香葉醇、橙花叔醇等都是對啤酒中酒花香氣貢獻非常顯著的成分,這些化合物在HS-SPME法檢測時含量較低或未檢出,而在SD法中含量明顯升高,也說明了啤酒花成分在水蒸氣蒸餾過程中由于高溫而發(fā)生了萜烯醇的轉化,這與研究啤酒中親水性較強的風味成分在啤酒釀造時的麥汁煮沸過程中得以保留,而賦予啤酒愉悅的果香及花香風味的結果一致[20]。其中,L-芳樟醇被認為是賦予啤酒芳香的最主要的物質[22]。

有研究表明,酒花中的主要風味成分有β-蒎烯、β-香葉烯、α-葎草烯、反式石竹烯、L-芳樟醇等[16,23]。為了進一步評價國內引種的努格特啤酒花的風味,將上述5種風味成分的分析結果與其原產地美國種植努格特啤酒花品種的主要揮發(fā)性風味成分進行比較,結果見表2。

表2 中國與美國栽培啤酒花的主要風味成分Table 2 Main flavor compounds of cultivated hop from China and USA

從地理位置上來看,新疆的啤酒花種植區(qū)與美國亞基瑪啤酒花種植區(qū)處于同一緯度上,非常適合啤酒花的種植。表2數(shù)據(jù)也表明,引種后的努格特啤酒花中,β-香葉烯、α-葎草烯、L-芳樟醇的含量與美國該啤酒花的含量范圍一致,β-蒎烯、反式-石竹烯的含量、α-葎草烯與反式-石竹烯的比值也都基本接近,說明該啤酒花基本上保持了原產地啤酒花的原始風味,細微的差別可能與氣候、土壤、日照等因素有一定的關系,這也為該酒花品種未來在中國的推廣種植提供了理論依據(jù)。

3 結論

采用HS-SPME和SD兩種樣品前處理方法并結合GC-MS分析了努格特啤酒花的揮發(fā)性成分,利用譜庫檢索并結合保留指數(shù)定性鑒定出努格特啤酒花的145個揮發(fā)性組分,其中HS-SPME檢測出106個,而SD法為88個,兩種方法檢測到的共有成分49個,分別占總面積的76.26%(HS-SPME)和82.73%(SD)。HS-SPME法對樣品進行直接吸附,樣品處理的時間短、溫度低、操作簡便,檢測的揮發(fā)性組分幾乎不發(fā)生變化,更能反映啤酒花的原始風味;SD法因采用溫度較高,一些低沸點或結構不穩(wěn)定的化合物容易損失,但該法得到的化合物組成能更好地體現(xiàn)啤酒花的基香成分。結合上述兩種方法,能夠對努格特啤酒花的風味成分進行綜合評價,也可用于其它植物揮發(fā)性成分的評價中。

努格特啤酒花的揮發(fā)性成分主要以碳氫化合物(包括萜烯類化合物)為主,其次為酯類和醇類物質。通過與原產地美國種植的該啤酒花的分析數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),引種后的努格特啤酒花基本上保持了該品種酒花的原始風味,可進一步推廣種植。

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Analysis of the volatile compounds from Nugget hop variety by gas chromatography-mass spectrometry

LI Shuai,LIU Yu-mei*

(College of Chemistry & Chemical Engineering,Xinjiang university,Urumqi 830046,China)

Head space-solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry(HS-SPME-GC-MS)and steam distillation-gas chromatography-mass spectrometry(SD-GC-MS)were compared to analyze the volatile compounds of Nugget hop varirty grown in China. The qualitative and quantitative analysis were performed using mass spectral library retrieval combined retention index(RI)and the normalization method of peak area,respectively. Meanwhile,the content of main flavor compounds were compared with the hop grown in the USA. It was shown that the significant difference was obtained of volatile compounds of Nugget hop by HS-SPME and SD. A total of 106 volatile compounds was identified by HS-SPME,and accounted for 99.11% of the total peak area. While only total of 87 compounds was obtained by SD,accounted for 96.20%. The results showed that the main volatile composition was hydrocarbon compounds(include terpene compounds),followed by esters and alcohols. The main volatile flavor compounds wereβ-pinene,β-myrcene,trans-caryophyllene,α-humulene,L-linalool,etc.,which were agreed or closed to the major volatile compounds of Nugget hop variety grown in the USA. It indicated that the flavor compounds were complete in accordance with the Nugget hop variety introducted from foreign and their origin.

Nugget hop;volatile compounds;headspace solid phase microextraction(HS-SPME);steam distillation(SD);Gas chromatography-mass spectrometer(GC-MS)

2016-06-01

李帥(1992-)，男，在讀碩士研究生，研究方向：分析化學，E-mail：JasonandJarry@163.com。

*通訊作者:劉玉梅(1965-)，女，博士，教授級高級工程師，研究方向：天然產物功能因子及分析檢測，E-mail：xjdxlym@163.com。

國家自然科學基金項目(31360403)。

TS261.2

A

:1002-0306(2017)03-0279-08

10.13386/j.issn1002-0306.2017.03.045