努格特啤酒花揮發(fā)性成分的氣相色譜質(zhì)譜分析

李 帥,劉玉梅

(新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,新疆烏魯木齊 830046)

李 帥,劉玉梅*

(新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,新疆烏魯木齊 830046)

采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(Gas chromatography-Mass spectrometer,GC-MS)方法,譜庫(kù)檢索結(jié)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(guó)產(chǎn)努格特啤酒花的揮發(fā)性成分,同時(shí)采用峰面積歸一化法對(duì)各成分進(jìn)行定量,并與美國(guó)原產(chǎn)地該酒花的主要揮發(fā)性風(fēng)味成分進(jìn)行對(duì)照。結(jié)果表明,兩種方法檢測(cè)的揮發(fā)性成分存在較大差異。HS-SPME法定性了106個(gè)揮發(fā)性成分,相對(duì)含量為99.11%,而SD法僅定性88個(gè)成分,相對(duì)含量為94.38%。努格特啤酒花的揮發(fā)性成分以碳?xì)浠衔?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(fēng)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(biāo)均與美國(guó)原產(chǎn)地該啤酒花品種的主要揮發(fā)性風(fēng)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(chǎn)地品種的風(fēng)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(zhì)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(jié)核、胸膜炎、膀胱炎等癥[1]。啤酒花主要產(chǎn)于歐洲、美國(guó)、中國(guó)、澳大利亞等地,我國(guó)種植地主要集中在新疆、甘肅境內(nèi)[2]。它主要用于啤酒釀造,由于其能夠賦予啤酒獨(dú)特的風(fēng)味,且影響著啤酒的品質(zhì),被譽(yù)為“啤酒的靈魂”。啤酒花的化學(xué)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(píng)價(jià)啤酒花品質(zhì)特性的重要指標(biāo),且具有顯著的抗氧化、抗菌、抗炎等藥用價(jià)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(shù)也應(yīng)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(shè)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(jiǎn)單、分析時(shí)間短、無需萃取溶劑等優(yōu)點(diǎn),在分析樣品揮發(fā)性成分上占有明顯優(yōu)勢(shì)。在對(duì)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(jié)合氣質(zhì)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(shù)在優(yōu)化頂空固相微萃取條件的基礎(chǔ)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(duì)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(bào)道。

努格特(Nugget)啤酒花品種原產(chǎn)于美國(guó),經(jīng)新疆三寶樂農(nóng)業(yè)科技有限公司成功引種。本文采用HS-SPME及SD法,結(jié)合GC-MS技術(shù)對(duì)努格特啤酒花揮發(fā)性成分進(jìn)行分析,以譜庫(kù)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(píng)價(jià)該酒花的揮發(fā)性成分,后與原產(chǎn)地的該啤酒花就主要風(fēng)味成分進(jìn)行比較,以期為努格特啤酒花在啤酒釀造中的應(yīng)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(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限公司提供;C6～C26正構(gòu)烷烴混合標(biāo)準(zhǔn)品(產(chǎn)品編號(hào):46855-U) 美國(guó)Sigma-aldrich公司。

Finnigan Trace MS氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國(guó)菲尼根公司;手動(dòng)SPME進(jìn)樣器、100 μm PDMS萃取頭 美國(guó)Supelco公司;水蒸氣蒸餾裝置 實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 頂空固相微萃取法 根據(jù)文獻(xiàn)[16]方法,用PDMS萃取頭對(duì)2 g啤酒花粉末進(jìn)行頂空吸附30 min(水浴溫度50 ℃),后進(jìn)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(xì)管色譜柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);載氣為He;進(jìn)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(kù):NIST 2005、Wiley 7.0;不分流進(jìn)樣,恒流0.8 mL/min。

質(zhì)譜條件:色譜-質(zhì)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(cè)器電壓350 V,質(zhì)量范圍m/z 33～453。

1.2.4 化合物的定性定量分析 通過質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)檢索,結(jié)合保留指數(shù)(RI)對(duì)啤酒花中的揮發(fā)性成分進(jìn)行定性;采用峰面積歸一化法進(jìn)行定量分析。RI計(jì)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(gòu)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(gòu)烷烴的保留時(shí)間;tR(x)為未知化合物的保留時(shí)間,且滿足tR(n)

2 結(jié)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(cè)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(fù)雜,其可能存在有較多的同分異構(gòu)體,在質(zhì)譜圖中的碎片極其相似,僅以質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)檢索進(jìn)行定性不夠準(zhǔn)確[19]。本實(shí)驗(yàn)中,采用保留指數(shù)(RI)進(jìn)一步定性:以正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)品為對(duì)照(C6～C26),計(jì)算得到對(duì)應(yīng)化合物的RI,并與文獻(xiàn)所報(bào)道的相同類型色譜柱的保留指數(shù)進(jìn)行比較,最終確定相應(yīng)的化合物。結(jié)合質(zhì)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(xiàn)值是在相同類型色譜柱條件下,通過NIST數(shù)據(jù)庫(kù)查找所得。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,從努格特啤酒花中共檢索出145個(gè)化合物,其中HS-SPME-GC-MS法檢索出106個(gè)揮發(fā)性成分,相對(duì)含量為99.11%,而SD-GC-MS法只有88個(gè)成分,相對(duì)含量為94.38%,兩種方法獲得的不同類型化合物個(gè)數(shù)和相對(duì)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(duì)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?xì)浠衔?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?xì)浠衔?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(duì)努格特?fù)]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(duì)含量有明顯差異,且部分成分經(jīng)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(duì)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(shí)間長(zhǎng)、溫度高、易造成部分低沸點(diǎn)的碳?xì)漕惢衔?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(zhuǎn)化成其他物質(zhì)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(zhì)較穩(wěn)定,兩種方法所得結(jié)果差異不大。而β-香葉烯、依蘭烯、β-蒎烯、α-白菖考烯4個(gè)化合物經(jīng)SD處理前后分別降低了87.94%、43.59%、83.33%、46.67%。對(duì)-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(duì)較低的化合物在SD法中均未檢出,這主要是HS-SPME技術(shù)前處理溫度溫和,啤酒花中的一些低沸點(diǎn)、低含量的組分損失少,更能夠反映出對(duì)應(yīng)啤酒花的原始風(fēng)味。而SD法經(jīng)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(jié)合上述兩種方法,才能更好地對(duì)努格特啤酒花的風(fēng)味成分進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.3 努格特啤酒花的主要風(fēng)味成分

努格特啤酒花的風(fēng)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(rèn)為是酒花中的關(guān)鍵性香氣化合物之一,會(huì)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(huì)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(zhì),如順-馬鞭草烯醇、L-芳樟醇、香葉醇、橙花叔醇等都是對(duì)啤酒中酒花香氣貢獻(xiàn)非常顯著的成分,這些化合物在HS-SPME法檢測(cè)時(shí)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(zhuǎn)化,這與研究啤酒中親水性較強(qiáng)的風(fēng)味成分在啤酒釀造時(shí)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(fēng)味的結(jié)果一致[20]。其中,L-芳樟醇被認(rèn)為是賦予啤酒芳香的最主要的物質(zhì)[22]。

有研究表明,酒花中的主要風(fēng)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(jìn)一步評(píng)價(jià)國(guó)內(nèi)引種的努格特啤酒花的風(fēng)味,將上述5種風(fēng)味成分的分析結(jié)果與其原產(chǎn)地美國(guó)種植努格特啤酒花品種的主要揮發(fā)性風(fēng)味成分進(jìn)行比較,結(jié)果見表2。

表2 中國(guó)與美國(guó)栽培啤酒花的主要風(fēng)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(guó)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(guó)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(chǎn)地啤酒花的原始風(fēng)味,細(xì)微的差別可能與氣候、土壤、日照等因素有一定的關(guān)系,這也為該酒花品種未來在中國(guó)的推廣種植提供了理論依據(jù)。

3 結(jié)論

采用HS-SPME和SD兩種樣品前處理方法并結(jié)合GC-MS分析了努格特啤酒花的揮發(fā)性成分,利用譜庫(kù)檢索并結(jié)合保留指數(shù)定性鑒定出努格特啤酒花的145個(gè)揮發(fā)性組分,其中HS-SPME檢測(cè)出106個(gè),而SD法為88個(gè),兩種方法檢測(cè)到的共有成分49個(gè),分別占總面積的76.26%(HS-SPME)和82.73%(SD)。HS-SPME法對(duì)樣品進(jìn)行直接吸附,樣品處理的時(shí)間短、溫度低、操作簡(jiǎn)便,檢測(cè)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(fēng)味;SD法因采用溫度較高,一些低沸點(diǎn)或結(jié)構(gòu)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(jié)合上述兩種方法,能夠?qū)ε裉仄【苹ǖ娘L(fēng)味成分進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),也可用于其它植物揮發(fā)性成分的評(píng)價(jià)中。

努格特啤酒花的揮發(fā)性成分主要以碳?xì)浠衔?包括萜烯類化合物)為主,其次為酯類和醇類物質(zhì)。通過與原產(chǎn)地美國(guó)種植的該啤酒花的分析數(shù)據(jù)對(duì)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(fēng)味,可進(jìn)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(xué)，E-mail：JasonandJarry@163.com。

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

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31360403)。

TS261.2

A

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

10.13386/j.issn1002-0306.2017.03.045