努格特啤酒花挥发性成分的气相色谱质谱分析

李 帅,刘玉梅

(新疆大学化学化工学院,新疆乌鲁木齐 830046)

李 帅,刘玉梅*

(新疆大学化学化工学院,新疆乌鲁木齐 830046)

采用气相色谱-质谱联用(Gas chromatography-Mass spectrometer,GC-MS)方法,谱库检索结合保留指数(retention index,RI)定性,比较了顶空固相微萃取(Headspace-solid phase microextraction,HS-SPME)和水蒸气蒸馏法(Steam distillation,SD)得到的国产努格特啤酒花的挥发性成分,同时采用峰面积归一化法对各成分进行定量,并与美国原产地该酒花的主要挥发性风味成分进行对照。结果表明,两种方法检测的挥发性成分存在较大差异。HS-SPME法定性了106个挥发性成分,相对含量为99.11%,而SD法仅定性88个成分,相对含量为94.38%。努格特啤酒花的挥发性成分以碳氢化合物(包括萜烯类化合物)为主,其次为酯类化合物和醇类化合物;含有的主要风味成分有β-蒎烯、β-香叶烯、反式-石竹烯、α-葎草烯和L-芳樟醇等,且上述指标均与美国原产地该啤酒花品种的主要挥发性风味成分含量范围一致或接近,表明引种后的努格特啤酒花基本上保持了原产地品种的风味成分。

努格特啤酒花,挥发性成分,顶空固相微萃取(HS-SPME),水蒸气蒸馏(SD),气相色谱-质谱联用(GC-MS)

啤酒花(HumuluslupulusL.),别名有忽布(hop)、酵母花等,为荨麻目大麻科葎草属植物,味苦、性平,具有安神、利尿、健胃、消食等功效,用于治疗失眠、癔病、腹胀、肺结核、胸膜炎、膀胱炎等症[1]。啤酒花主要产于欧洲、美国、中国、澳大利亚等地,我国种植地主要集中在新疆、甘肃境内[2]。它主要用于啤酒酿造,由于其能够赋予啤酒独特的风味,且影响着啤酒的品质,被誉为“啤酒的灵魂”。啤酒花的化学成分主要有:树脂类、多糖、多酚、黄酮、挥发油等[3-5],除酒花树脂含量外,挥发性成分也是作为评价啤酒花品质特性的重要指标,且具有显著的抗氧化、抗菌、抗炎等药用价值。

为获得植物中挥发性成分的组成信息,传统方法主要为水蒸气蒸馏法(Steam distillation,SD)。近年来,超声波辅助萃取[6]、微波辅助萃取[7-8]、超临界CO2萃取[9-10]等技术也应用于挥发性成分的提取和分析上,但上述方法所需样品量大、设备成本高。顶空固相微萃取(Headspace solid phase microextraction,HS-SPME)[11-14]集采样、萃取、浓缩于一体[15],具有所需样品量少、操作简单、分析时间短、无需萃取溶剂等优点,在分析样品挥发性成分上占有明显优势。在对啤酒花挥发性成分的分析中,李峰等[16]以顶空固相微萃取结合气质联用分析鉴定出马格努门啤酒花的73种挥发性成分;卢亚玲等[17]采用HS-SPME-GC-MS技术在优化顶空固相微萃取条件的基础上,分析了青岛大花的挥发性成分并鉴定出57种化合物,而对于引种的努格特啤酒花品种的挥发性成分研究尚未见报道。

努格特(Nugget)啤酒花品种原产于美国,经新疆三宝乐农业科技有限公司成功引种。本文采用HS-SPME及SD法,结合GC-MS技术对努格特啤酒花挥发性成分进行分析,以谱库检索和保留指数(Kovats retention index,RI)法定性,峰面积归一化法定量,综合评价该酒花的挥发性成分,后与原产地的该啤酒花就主要风味成分进行比较,以期为努格特啤酒花在啤酒酿造中的应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

努格特啤酒花 新疆三宝乐农业科技开发有限公司提供;C6～C26正构烷烃混合标准品(产品编号:46855-U) 美国Sigma-aldrich公司。

Finnigan Trace MS气相色谱-质谱联用仪 美国菲尼根公司;手动SPME进样器、100 μm PDMS萃取头 美国Supelco公司;水蒸气蒸馏装置 实验室自制。

1.2 实验方法

1.2.1 顶空固相微萃取法 根据文献[16]方法,用PDMS萃取头对2 g啤酒花粉末进行顶空吸附30 min(水浴温度50 ℃),后进行GC-MS分析。

1.2.2 水蒸气蒸馏法 采用传统的水蒸气蒸馏法提取啤酒花中的挥发油。

1.2.3 GC-MS联用仪分析条件 色谱条件:PEG20M毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);载气为He;进样口温度250 ℃;升温程序:起始温度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。检索谱库:NIST 2005、Wiley 7.0;不分流进样,恒流0.8 mL/min。

质谱条件:色谱-质谱接口温度250 ℃;离子化方式:EI;离子源温度200 ℃,电子能量70 eV,发射电流200 μA,检测器电压350 V,质量范围m/z 33～453。

1.2.4 化合物的定性定量分析 通过质谱数据库检索,结合保留指数(RI)对啤酒花中的挥发性成分进行定性;采用峰面积归一化法进行定量分析。RI计算如下[18]:

式中:RI表示化合物的保留指数;n、n+1分别为前后正构烷烃的碳原子数;tR(n)、tR(n+1)分别为未知化合物邻近前后正构烷烃的保留时间;tR(x)为未知化合物的保留时间,且满足tR(n)

2 结果与分析

2.1 努格特啤酒花的挥发性成分

通过GC-MS分析,比较了SPME和SD两种方法测定的努格特啤酒花中的挥发性成分,总离子流图见图1。

图1 HS-SPME(a)和SD(b)所得挥发性成分的总离子流色谱图Fig.1 Total ion chromatogram of volatile compounds from Nugget hop extracted by HS-SPME(a)and SD(b)

啤酒花的挥发性成分比较复杂,其可能存在有较多的同分异构体,在质谱图中的碎片极其相似,仅以质谱数据库检索进行定性不够准确[19]。本实验中,采用保留指数(RI)进一步定性:以正构烷烃标准品为对照(C6～C26),计算得到对应化合物的RI,并与文献所报道的相同类型色谱柱的保留指数进行比较,最终确定相应的化合物。结合质谱图检索和RI所确定的努格特啤酒花中的挥发性成分见表1。

表1 努格特啤酒花的挥发性成分Table 1 The volatile compounds of Nugget hop

续表

续表

注:RI的文献值是在相同类型色谱柱条件下,通过NIST数据库查找所得。

实验结果显示,从努格特啤酒花中共检索出145个化合物,其中HS-SPME-GC-MS法检索出106个挥发性成分,相对含量为99.11%,而SD-GC-MS法只有88个成分,相对含量为94.38%,两种方法获得的不同类型化合物个数和相对含量见图2。

图2 努格特啤酒花挥发性成分的数目(a)及相对含量(b)Fig.2 Spider plot showing number(a)and relativecontent(b)of each volatile compounds extracted from Nugget hop

由图2可知,HS-SPME-GC-MS法检索出的成分是以碳氢化合物(包括萜烯类化合物,57种,76.93%)、酯类化合物(22种,14.79%)、醇类化合物(12种,4.48%)为主;此外,还含有酮类、醛类、酸类、萜烯类氧化物和其他的含氧化合物共15种,含量依次为0.87%、0.83%、1.03%、0.06%、0.12%,含量较高的化合物有β-香叶烯(30.26%)、α-葎草烯(16.57%)、反式-石竹烯(10.52%)等。SD-GC-MS法得到的挥发性成分仍是以碳氢化合物(26种,70.22%)、酯类化合物(19种,6.29%)、醇类化合物(27种,10.17%)为主,醛类、酸类、酮类、萜烯类氧化物共16种,含量依次为0.20%、1.02%、3.56%、2.92%,其中α-葎草烯(30.45%)、反式-石竹烯(19.75%)的含量较高。

2.2 提取方法对努格特挥发性成分的影响

采用HS-SPME和SD两种方法所得挥发性成分的数量及相对含量有明显差异,且部分成分经不同方法处理所得的含量也相差较大。HS-SPME所得挥发性成分种类较多,而SD法相对较少,共有成分49种，分别占总面积的76.26%(HS-SPME)和82.73%(SD)。这主要是SD法提取时间长、温度高、易造成部分低沸点的碳氢类化合物(主要是萜烯类化合物)损失、香气成分氧化、部分酯类成分的水解或转化成其他物质所致[20]。但两种方法得到的挥发性成分都以萜烯类化合物为主,HS-SPME法46种,含量为71.17%,而SD法仅有22种,含量为68.36%。在萜烯类化合物中,α-葎草烯、反式-石竹烯、α-蛇床烯、β-蛇床烯、γ-依兰油烯、δ-杜松烯、葎草烯-(V1)、γ-杜松烯等化合物的性质较稳定,两种方法所得结果差异不大。而β-香叶烯、依兰烯、β-蒎烯、α-白菖考烯4个化合物经SD处理前后分别降低了87.94%、43.59%、83.33%、46.67%。对-薄-1,4(8)-二烯、顺式-α-罗勒烯、1S,顺-去氢白菖烯、γ-萜品烯、反-别罗勒烯、α-萜品油烯等含量相对较低的化合物在SD法中均未检出,这主要是HS-SPME技术前处理温度温和,啤酒花中的一些低沸点、低含量的组分损失少,更能够反映出对应啤酒花的原始风味。而SD法经高温处理后,所得挥发性成分更多反映样品的基香成分。因此,结合上述两种方法,才能更好地对努格特啤酒花的风味成分进行综合评价。

2.3 努格特啤酒花的主要风味成分

努格特啤酒花的风味成分主要是由萜烯类化合物、酯类化合物及醇类化合物提供。萜烯类中,β-蒎烯具有特有的松节油香气;β-香叶烯被认为是酒花中的关键性香气化合物之一,会赋予酒花愉快的、清淡的甜橘味和香脂气;α-葎草烯是赋予酒花特征苦味的代表,反式石竹烯会给酒花带来温和的丁香香气,这些都是啤酒中酒花香气的特征组分[9]。此外,辛酸甲酯等酯类化合物具有典型的柔和柑橘香及水果味[21]。而萜烯醇类物质,如顺-马鞭草烯醇、L-芳樟醇、香叶醇、橙花叔醇等都是对啤酒中酒花香气贡献非常显著的成分,这些化合物在HS-SPME法检测时含量较低或未检出,而在SD法中含量明显升高,也说明了啤酒花成分在水蒸气蒸馏过程中由于高温而发生了萜烯醇的转化,这与研究啤酒中亲水性较强的风味成分在啤酒酿造时的麦汁煮沸过程中得以保留,而赋予啤酒愉悦的果香及花香风味的结果一致[20]。其中,L-芳樟醇被认为是赋予啤酒芳香的最主要的物质[22]。

有研究表明,酒花中的主要风味成分有β-蒎烯、β-香叶烯、α-葎草烯、反式石竹烯、L-芳樟醇等[16,23]。为了进一步评价国内引种的努格特啤酒花的风味,将上述5种风味成分的分析结果与其原产地美国种植努格特啤酒花品种的主要挥发性风味成分进行比较,结果见表2。

表2 中国与美国栽培啤酒花的主要风味成分Table 2 Main flavor compounds of cultivated hop from China and USA

从地理位置上来看,新疆的啤酒花种植区与美国亚基玛啤酒花种植区处于同一纬度上,非常适合啤酒花的种植。表2数据也表明,引种后的努格特啤酒花中,β-香叶烯、α-葎草烯、L-芳樟醇的含量与美国该啤酒花的含量范围一致,β-蒎烯、反式-石竹烯的含量、α-葎草烯与反式-石竹烯的比值也都基本接近,说明该啤酒花基本上保持了原产地啤酒花的原始风味,细微的差别可能与气候、土壤、日照等因素有一定的关系,这也为该酒花品种未来在中国的推广种植提供了理论依据。

3 结论

采用HS-SPME和SD两种样品前处理方法并结合GC-MS分析了努格特啤酒花的挥发性成分,利用谱库检索并结合保留指数定性鉴定出努格特啤酒花的145个挥发性组分,其中HS-SPME检测出106个,而SD法为88个,两种方法检测到的共有成分49个,分别占总面积的76.26%(HS-SPME)和82.73%(SD)。HS-SPME法对样品进行直接吸附,样品处理的时间短、温度低、操作简便,检测的挥发性组分几乎不发生变化,更能反映啤酒花的原始风味;SD法因采用温度较高,一些低沸点或结构不稳定的化合物容易损失,但该法得到的化合物组成能更好地体现啤酒花的基香成分。结合上述两种方法,能够对努格特啤酒花的风味成分进行综合评价,也可用于其它植物挥发性成分的评价中。

努格特啤酒花的挥发性成分主要以碳氢化合物(包括萜烯类化合物)为主,其次为酯类和醇类物质。通过与原产地美国种植的该啤酒花的分析数据对比发现,引种后的努格特啤酒花基本上保持了该品种酒花的原始风味,可进一步推广种植。

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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

李帅(1992-)，男，在读硕士研究生，研究方向：分析化学，E-mail：JasonandJarry@163.com。

*通讯作者:刘玉梅(1965-)，女，博士，教授级高级工程师，研究方向：天然产物功能因子及分析检测，E-mail：xjdxlym@163.com。

国家自然科学基金项目(31360403)。

TS261.2

A

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

10.13386/j.issn1002-0306.2017.03.045