国产酒花香气成分及酿造特性的研究

徐恒远，丁志成，王啸尘，刘津尚，孙少康，宋家麟，王 玉，张浩军，聂 聪*

（1.齐鲁工业大学 生物工程学院，山东 济南 250353；2.甘肃亚盛绿鑫啤酒原料集团有限责任公司，甘肃 酒泉 735000）

啤酒花学名为蛇麻花（Humulus lupulus），属于荨麻目（Rosales）、大麻科（Cannabaceae）、葎草属（Humulus），多年生宿根藤蔓攀援植物，酒花雌雄异株，雄花花苞较小呈白色，无酿造价值，雌花花苞较大，呈绿色松果状叶片包裹，内含蛇麻腺[1]，是啤酒酿造重要的原材料之一，在啤酒酿造中有着不可替代的作用。

啤酒花中含有几十类化学物质，其中具有酿造价值的主要成分为酒花多酚类物质，酒花总树脂以及酒花油[2]。啤酒花多酚物质不但可以提高啤酒的抗氧化与澄清麦汁的能力，还可以提高啤酒的醇厚性，对苦味起到促进作用[3]，酒花总树脂中的α-酸和β-酸为酒花苦味成分前体物质[4-5]，除了为啤酒提供爽口的苦味还能起到抑菌效果，延长啤酒的储存时间[6]。酒花油则是啤酒中酒花香气的主要来源，其组成成分非常复杂，在啤酒中发挥作用的酒花挥发性香气成分主要见表1[7-8]。酒花油中除含氧化合物与萜烯类物质外，其有效成分还包括含硫化合物与部分醛类、酮类及各种营养物质[8-10]。

表1 啤酒酒花中的风味成分Table 1 Flavor components in beer hops

啤酒花大都分布于北纬30～60 °之间[11]，集中在亚欧大陆与北美洲[12]。全球约97%的啤酒花种植及压缩片花的生产用于啤酒酿造行业。其中以德国和美国为主，两国的啤酒花产量约占总啤酒花产量的75%～80%[13]。在中国的新疆、四川以及甘肃等地啤酒花种植行业也在迅速发展。其中甘肃河西走廊属温带内陆性气候[14]，气候干燥，光照充沛，满足啤酒花生长发育的要求[15]。当地土地资源丰富且土地平整适宜机械化作业，由于其优越的地理风土条件，成为我国啤酒花主产地之一[16-17]。经过多年的发展，目前酿酒酒花栽培面积和产量均占全国的50%左右，年均产量位居全国第一[18-19]。

近几年来，随着精酿啤酒的兴起，酒花干投技术被大量应用于啤酒生产中[20]，在干投过程中酒花由于没有经过高温煮沸，其中的萜烯类物质和其他酒花精油中易挥发物质没有因挥发而损失[21]，各种树脂类物质也没有异构化，从而为啤酒带来更多的生酒花味，这其中就包括了表1中列举的各类香气成分。所以判断啤酒花质量高低，是否具备酿造价值，除了运用在实际生产中对产品进行感官品评外，运用科学方式对其香气物质含量分析也具有重要意义。

本课题组曾对多个国家生产的卡斯卡特酒花进行过横向对比分析，发现同样品种的酒花香气物质会因地理环境、风土条件不同而不同[22]。国外对不同产地酒花对比分析做过大量研究工作，本研究基于对甘肃亚盛绿鑫啤酒原料集团有限责任公司生产的7种酒花：卡斯卡特、D1号（D1号品种为2008年丁志成以卡斯卡特雌株与陕甘野生酒花雄株进行人工授粉杂交，一年后从第一代子代中选育而来[23]。其特点为茎红色，分枝短，抗病性强，产量高）、拿盖特、柯密特、青岛大花、哥伦布、哈拉道进行对比分析，通过对啤酒酿造过程模拟实验，将不同酿造阶段添加不同酒花所得到的发酵液进行全面检测，并对其进行感官品评，评价国产啤酒花的酿造特性，为国产啤酒花在啤酒行业中的酿酒应用提供科学的理论依据，对国内啤酒生产商和啤酒原料供应商有一定的参考价值。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

压缩啤酒片花（2020年采收）：甘肃亚盛绿鑫啤酒原料集团有限责任公司；大麦芽（澳洲比尔森麦芽）：粤海永顺泰（昌乐）麦芽有限公司；干酵母US-05（500 g真空包装）：法国弗曼迪斯公司。

标准样品：月桂烯、香茅醇、芳樟醇、香叶醇、橙花醇、橙花叔醇、α-松油醇、香茅醛、β-蒎烯、石竹烯、氧化石竹烯、乙酸香茅酯、香叶酸甲酯、乙酸香叶酯（纯度均＞98%）：美国Sigma-Aldrich 公司。

1.2 仪器与设备

XW-G1麦芽粉碎机：德州鑫威机械科技有限公司；ME204E型电子分析天平：上海天美天平仪器有限公司；SWCJ-2D超净工作台：苏州博莱尔净化设备有限公司；H1987手持式糖度计：河北慧采科技有限公司；7890A-5975C气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）联用仪、HP-5（5%-苯基）-甲基聚硅氧烷毛细管色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）、DVB-CAR-PDMS型顶空固相微萃取装置、聚二甲基硅氧烷StableFlex固相萃取头（50/DVB/Car boxenonPDMSonaStableFlexfiber）：美国安捷伦科技公司。

1.3 方法

设置三组平行试验，通过模拟啤酒酿造过程，以不同酒花，不同添加工艺以及不同的发酵阶段为变量分别取样，将样品使用顶空固相微萃取结合气质联用技术检测其中的香气物质[24-25]。

1.3.1 样品处理

麦汁制备：称取大麦芽17.5 kg，使用麦芽粉碎机粉碎；按照料水比1∶4（kg∶L）在糖化锅中加入投料水70 L，加热升温至65 ℃，将粉碎好的麦芽粉加入糖化锅中搅拌均匀，调节pH值为5.5，恒温糖化1 h后，将醪液升温至72 ℃，再次糖化30 min。糖化结束后将醪液倒入过滤槽过滤头道麦汁后，用76 ℃热水洗糟三次后，再使用滤纸二次过滤获得澄清麦汁，测量混合麦汁糖度值为13°P，加水调节麦汁糖度值至11°P，完成麦汁制备[26]。

对照组样品：取少许麦汁置于烧杯中，使用红外加热炉加热至沸腾，保持煮沸状态1 h。因在煮沸过程中麦汁糖度上升，冷却后测量糖度值，加入无菌水调节糖度值至11 °P，取50 mL加入离心管记录为对照组（control group，CG）。

煮沸样品：设置三组平行实验，每组取7个容量为5 L的三角瓶，分别编号为A、B、C、D、E、F、G。每瓶中加入3 L麦汁，模拟啤酒酿造煮沸过程，从麦汁沸腾开始计时，总时长为1 h。在此期间按1g/L的添加量加入啤酒花压缩片花，煮沸开始后10 min按编号顺序A、B、C、D、E、F、G依次添加卡斯卡特、D1号、拿盖特、柯密特、青岛大花、哥伦布、哈拉道压缩片花0.7 g；煮沸30 min时按上述序号依次添加压缩片花1.3 g；煮沸结束前10 min按上述序号依次添加压缩片花1.0 g。煮沸结束后，用水浴降温至20 ℃时按编号依次取样50 mL存入离心管中，依次编号为AⅠ、BⅠ、CⅠ、DⅠ、EⅠ、FⅠ、GⅠ。

主发酵样品：三组平行实验，每组取14个1 L无菌聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）瓶，分别编号为A①、A②、B①、B②、C①、C②、D①、D②、E①、E②、F①、F②、G①、G②。在超净台中将三角瓶A中煮沸结束后的麦汁按每瓶800 mL的量转入PET瓶A①、A②中，以此方式按编号依次添加，并在每个PET瓶中接入2 mL US-05酵母活化液（无菌水提前活化），以半封口状态在20 ℃下进行主发酵，每隔24 h取样少许使用手持糖度计检测糖度，当糖度降低至4°P时，将温度调整为22 ℃，瓶内压力维持在较低水平，继续进行双乙酰还原过程，该过程持续5 d。双乙酰还原结束后将每个PET瓶中的发酵液依次取样50 mL，但仅将编号为①瓶中的发酵液保存至离心管中，分别记为AⅡ、BⅡ、CⅡ、DⅡ、EⅡ、FⅡ、GⅡ。

酒花干投与非干投样品：三组样品分别取样结束后对每组编号为①号的PET瓶中的发酵液进行干投。酒花干投量为6 g/L[27-28]，每瓶中样品含量为750 mL，取干酒花花苞（卡斯卡特、D1号、拿盖特、柯密特、青岛大花、哥伦布、哈拉道）各4.5 g，依次对A①、B①、C①、D①、E①、F①、G①进行酒花干投。干投完后拧紧所有PET瓶盖，维持原温度储存2 d后，将所有样品置于4 ℃条件下储存一周，一周后再次取样，干投样品分别记为AⅢ、BⅢ、CⅢ、DⅢ、EⅢ、FⅢ、GⅢ；非干投样品分别记为AⅣ、BⅣ、CⅣ、DⅣ、EⅣ、FⅣ、GⅣ。

压缩酒花片样品：将干酒花片花磨碎后置于干燥离心管中，使用封口膜密封待测。

1.3.2 分析检测

待测样品处理：将待测样品加入容量为50 mL的小三角瓶中，放入磁力转子，使用保鲜膜多层封口。置于磁力搅拌器上，设置搅拌速度为200 r/min，预热温度为40 ℃，搅拌预热5 min。预热结束后将顶空固相微萃取装置刺穿保鲜膜，在样品液面上方对样品成分进行吸附萃取，保持原设定温度与转速进行固相微萃取45 min。萃取结束后将萃取头插入气相色谱仪进样口进行分析。

气相色谱条件：载气为高纯氦气；载气流速1 mL/min；分流比30∶1；进样口温度250 ℃；柱室初始温度40 ℃，保持5 min；柱室升温：以5 ℃/min速率升至210 ℃，保持3 min。

质谱条件：电子电离（electronic ionization，EI）源，电子能量70ev，质量扫描范围30～400 m/z；四级杆温度150 ℃；离子源温度230 ℃；传输线温度280 ℃；电子倍增器电压1 400 V。

定性方法：采用Masshunter Workstation B.03.01数据处理软件；美国国家标准技术研究所（national institute of standards and technology，NIST）谱库2.0检索对比分析，保留与标准质谱库相似度＞80%的化合物。

定量方法：酒花香气物质采用外标法定量。

2 结果与分析

2.1 样品香气物质检测结果分析

将待测样品使用采用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱检测后得到各类香气物质的含量分别见图1～图7，将三组平行实验样品检测数据取平均值，通过对各种香气物质含量分析判断每种酒花的风味与酿造特性。

图1 在啤酒酿造不同时期添加卡斯卡特酒花后样品香气组成Fig.1 Aroma composition of samples after adding Cascade hops at different stage of beer brewing

图2 在啤酒酿造不同时期添加D1号酒花后样品香气组成Fig.2 Aroma composition of samples after adding No.D1 hops at different stage of beer brewing

图3 在啤酒酿造不同时期添加拿盖特酒花后样品香气组成Fig.3 Aroma composition of samples after adding Nugget hops at different stage of beer brewing

图4 在啤酒酿造不同时期添加柯密特酒花后样品香气组成Fig.4 Aroma composition of samples after adding Comet hops at different stage of beer brewing

图5 在啤酒酿造不同时期添加青岛大花后样品香气组成Fig.5 Aroma composition of samples after adding Tsingtao Flower hops at different stage of beer brewing

图6 在啤酒酿造不同时期添加哥伦布酒花后样品香气组成Fig.6 Aroma composition of samples after adding Columbus hops at different stage of beer brewing

由图1～图7可知，在煮沸过程中添加酒花的样品中，月桂烯、葎草烯与芳樟醇含量较高。进行酒花干投的样品中，较为突出的香气物质有月桂烯、石竹烯、香叶酸甲酯、葎草烯、芳樟醇。

图7 在啤酒酿造不同时期添加哈拉道酒花后样品香气组成Fig.7 Aroma composition of samples after adding Hallertauer hops at different stage of beer brewing

2.2 干酒花花苞香气物质分析

干酒花花苞通过气相色谱-质谱检测后得到各类香气物质的含量见表2。

表2 干酒花花苞香气物质含量测定结果Table 2 Determination results of aroma substances contents in bud of dried hops μg/L

由表2可知，干酒花花苞中含量较高的几种香气物质分别为芳樟醇、香叶酸甲酯、石竹烯、蒎烯、月桂烯与葎草烯，其中芳樟醇、香叶酸甲酯、蒎烯、葎草烯含量最高的干酒花花苞均为卡斯卡特，月桂烯含量最高的干酒花花苞为D1号，石竹烯含量最高的干酒花花苞为青岛大花。

2.3 样品感官品评

由齐鲁工业大学酒花研究中心经过培训的专业品酒小组对煮沸中添加酒花的样品进行感官品评，品评结果见表3。

表3 在煮沸过程中添加酒花后样品的感官品评结果Table 3 Sensory evaluation results of samples after adding hops during boiling

品评小组对干投冷储后样品AⅤ，BⅤ，CⅤ，DⅤ，EⅤ，FⅤ，GⅤ进行啤酒感官品评，结果见图8。

由图1～图7的香气物质结果与图8的感官品评结果，结合表1香气物质对应的气味描述与阈值得出结论：添加卡斯卡特酒花的煮沸样品中因葎草烯含量较高，能够为啤酒带来辛辣与木质气味，在品评过程中感受到了优质的苦味，在干投卡斯卡特酒花的样品中月桂烯与芳樟醇含量较高，分别为0.458 μg/L，0.212 μg/L，为啤酒提供浓郁的花香与柑橘香以及西柚香味，所以卡斯卡特是一款优秀的苦香兼优型酒花；添加D1号的煮沸样品中月桂烯含量较高，风味与卡斯卡特相似，但苦味值要更加柔和，在使用D1号干投的样品中香叶酸甲酯与月桂烯含量较为突出，分别为0.415 μg/L，0.324 μg/L，因此拥有卡斯卡特的柑橘芬芳又兼备野生酒花的青柑味，在感官品评中还感受到了一股特殊的花香，尚未探明来自于哪种物质；添加了拿盖特的煮沸样品中除月桂烯外葎草烯含量最高，为0.762 μg/L，拿盖特酒花为啤酒提供丰富的泡沫和非常干净且强烈的苦味，在干投了拿盖特酒花的样品中含量最高的为月桂烯0.996 μg/L，干投后则拥有特殊的木香、花香与草药香；添加柯密特的煮沸样品的苦味值相比其他几种酒花较低，样品中月桂烯含量最高，为0.772 μg/L，其干投样品中含量最高的为葎草烯0.420 μg/L，干投后能给酒体带来淡淡的青草味与爽口感以及西柚味、树脂味，也可以形容为松木味，还拥有微弱的野生酒花的青柑味，其淡雅的香气可以对花香类和果香类酒花形成风味上的补充；青岛大花无论是在煮沸还是干投得到的样品所保留的挥发性香味物质含量相较于其他六种酒花较少，最高数值为干投样品中的葎草烯含量0.291 μg/L，但其在煮沸过程中添加能给啤酒来带愉悦的苦味与爽口感；添加哥伦布的煮沸样品中月桂烯与芳樟醇含量较高，其中月桂烯含量为1.852 μg/L，是六种酒花中数值最高的，煮沸样品具有特殊的胡椒味与辛辣口感，苦味深厚，质量优异，已知哥伦布酒花可以为啤酒提供大量α-酸[29]，因此可作为苦花使用，在干投样品中除月桂烯外含量最高的为芳樟醇0.662 μg/L，但呈现出来的香气却是木香突岀，有轻微的树脂味；哈拉道在煮沸样品中葎草烯含量最高，为0.984 μg/L，在煮沸中添加使酒体平衡稳定，可以得到细腻而高贵的青草风味，在干投样品中含量最高的为石竹烯与氧化石竹烯，分别为0.340 μg/L、0.440 μg/L，为啤酒提供了松木香气与辛辣的香料味，感官品评中，干投后的样品在青草香气的基础上还有水果与花香特征，使辛辣感更加柔和[30-32]。

图8 酒花干投样品感官品评雷达图Fig.8 Sensory evaluation radar maps of dry-hopping samples

3 结论

国产卡斯卡特酒花是一款优秀的苦香兼优型酒花，可以在美式IPA、酒花拉格、波特以及大麦烈酒中使用；D1号作为国产杂交酒花为外国品种与本地野生酒花杂交树立了典范，可以在美式IPA、深色艾尔、酒花拉格的酿造中添加；拿盖特风味独特且耐储存，非常适合酿造各式艾尔、世涛、赛松、烈性啤酒或窖藏啤酒的酿造；柯密特与酒花油含量高的品种如亚麻黄等配合使用效果更佳，可用于各种艾尔、拉格、英式苦啤与美式IPA的酿造；青岛大花添加技术成熟，能给啤酒来带愉悦的苦味与爽口感，经济实惠，是工业生产中增添苦味的最佳选择，适用于拉格啤酒和淡色艾尔的酿造；哥伦布作为一款超酸型酒花可以提供大量α-酸[33]，但遗憾的是其储存后风味流失较为严重，在传统生产过程中与战斧（Tomahawk）、宙斯（Zeus）合称CTZ共同使用，干投中配合其他香花添加可以增进香气的厚重感，可以用于拉格啤酒、美式IPA、淡色艾尔、帝国世涛、大麦烈酒的酿造；哈拉道是传统的德国酒花进过培育而来的新型抗病酒花，适用于拉格、比尔森、博克、德式小麦与比利时小麦啤酒酿造[34]。

本研究将现有主要的几种国产啤酒花香味成分与酿造价值进行了系统全面的分析，对国产酒花在酿造过程中的添加提供一定的参考依据和理论支持。