六款特种麦芽风味物质和感官特性分析

于 淼,马明娟,毋思敏,苏红旭,陈 霞,苏晓霞,*,郭 斐,*

(1.中粮营养健康研究院有限公司,营养健康与食品安全北京市重点实验室,老年营养食品研究北京市工程实验室,北京 102209;2.中粮麦芽(大连)有限公司,辽宁大连 116200)

啤酒一直以来都是最受消费者喜爱的酒精饮料之一,据英敏特公司2018酒精饮料行业调查显示,啤酒和白酒最受中国消费者的喜爱。但现在的消费者已经不满足于传统商业啤酒所带来的的风味和口感。从2015年起,我国的精酿啤酒市场进入高速发展阶段[1]。越来越多的人,开始关注到精酿啤酒,其独特的风味特征更加吸引着普罗大众和啤酒爱好者。随着精酿啤酒市场的日益增长和其不一样的感官特性,更多的人开始关注到其背后的主要风味贡献原料——特种麦芽[2-3]。

特种麦芽的制作工艺上需要经过不同时间的高温焙烤,进而制作出不同色度不同风味的特种麦芽[4]。同时,特种麦芽中含有多种可以呈现出不同风味特征的风味物质,这些风味化学物质共同形成了其独特的香气特征,这些香气成分主要形成于特种麦芽加工的干燥和焙烤工艺阶段[5]。它可以赋予精酿啤酒独特诱人的颜色,使其独具一格的浓郁风味[6-8]。

近些年,国内外采用顶空固相微萃取技术(head space-solid phase microextract,HS-SPME)进行挥发性风味物质研究已有大量报道,如应用于食品领域中的茶叶[9]、风味油[10]、以及肉食产品[11]的风味物质研究等。该技术采用具有高分子吸附涂层的萃取头,通过顶空方式,对待测样品进行提取、富集、进样和解析,从而将风味物质进行分离分析[12]。同时,对于样品感官特性的评价方法也多种多样,RATA方法是评价员基于待测样品的一套属性词表只对感受到的属性进行强度打分[13],相较于传统定量描述分析法(QDA),该方法实操性更强且耗时短。尽管现如今很多研究人员质疑感官评价方法的客观性,但是目前仪器的检测器还不能像人的感知器官一样敏感[14]。有研究发现,风味物质特征和感官评价可以通过统计学建模方法去探究二者之间的相关性[15]。

由于麦芽在不同焙烤时间和焙烤温度的双重作用下,会形成风味和色度各异的特种麦芽。本文选取了六款不同色度(低→高)的特种麦芽进行研究,其主要目的是探究不同色度的特种麦芽汁的风味物质和感官特性表现,然后利用数学模型建立两者间相关性。因此,通过结合仪器和人的感官进行特种麦芽的风味特性分析,为优化制麦工艺和精酿啤酒的产品开发奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

特种麦芽 以特种麦芽的色度为依据共选取了六款特种麦芽,分别为:高香麦芽、饼干麦芽、焦香麦芽、结晶麦芽、巧克力麦芽和黑麦芽,对应的色度分别为42 EBC、80 EBC、110 EBC、323 EBC、643 EBC和1404 EBC 由中粮麦芽(大连)有限公司提供。

7890B-5977气相色谱-质谱联用仪(Gas Chromatography-Mass Spectrometry,GC-MS)(嗅闻仪型号:Sniffer 9000、固相微萃取采用采CTC PAL自动进样器,萃取头型号:50 μm CAR-PDMS-DVB) 安捷伦科学仪器公司。

1.2 实验方法

1.2.1 麦芽汁制备 参考美国酿造化学家协会(American Society of Brewing Chemists,ASBC)与比利时Briess麦芽公司联合开发的热浸法(Hot Steep Method)制作麦芽汁[16]。采用料水比1(特种麦芽粉):8(65 ℃纯净水) g/mL的比例进行特种麦芽汁配制。麦芽汁的制备方法共分为四步,第一步磨粉,取100 g啤酒麦芽于料理机中研磨90 s;第二步称重,称取80 g麦芽粉和640 g 65 ℃的纯净水;第三步浸泡,将称量好的麦芽粉和纯净水混合倒入保温杯中,浸泡15 min;第四步过滤,将浸泡好的混合液用滤纸进行过滤。本文中,研究单一特种麦芽的风味特性和感官属性强度,所测样品均为单一特种麦芽汁,并未与基础麦芽进行复配。

1.2.2 固相微萃取条件 采用固相微萃取技术对特种麦芽挥发性成分进行收集。准确称取5.0 g已制备好的特种麦芽汁置于20 mL的顶空瓶中,采用CTC PAL自动进样器,萃取温度60 ℃,萃取时间40 min,平衡时间20 min,吸附完毕后固相微萃取柱插入进样口解吸时间3 min[17]。

1.2.3 气相色谱条件 色谱柱为HP-5MS(30 m×0.25 mm,0.25 μm);升温程序为:初始温度35 ℃,保持8 min,以5 ℃/min升温到85 ℃,保持1 min,再以4 ℃/min升温到200 ℃,保持3 min,再以10 ℃/min升温到230 ℃,保持5 min。载气为氦气(He);恒定流速为2.0 mL/min;进样口温度为250 ℃;压力为22.99 psi;不分流。

1.2.4 质谱条件 离子源EI源;离子源温度为230 ℃;四极杆温度为150 ℃;电子能量70 eV;传输线温度250 ℃;质量扫描范围m/z 30～500;所得质谱数据用NIST 2011质谱数据库检索。

1.2.5 嗅闻仪条件 嗅闻仪接口温度为200 ℃,嗅闻时为了防止实验员鼻腔干燥影响嗅觉,通入湿润的空气。

1.2.6 定性与定量分析 定性:实验数据通过GC-MS化学工作站处理,未知化合物与NIST 2011谱库进行匹配定性,并与文献中对照定性,当匹配度大于800(最大值为1000)的鉴定结果予以报道。定量:通过GC-MS化学工作站处理系统,并用气相色谱峰面积归一化定量计算出各化合物在麦芽中的峰面积的相对含量。

1.2.7 感官描述方法 采用近年来快速兴起的感官方法,Rate All That Apply(RATA)进行产品属性强度测定。首先,通过专业评价小组建立麦芽的感官评价描述词库,将啤酒麦芽感官属性词列表提供给评价员,并要求他们对感受到的产品感官特性进行打分。啤酒麦芽的强度打分为5分制,0分为未感觉到该属性;1分为仅仅感觉到;2分为轻微;3分为适中;4分为强;5分为非常强。

1.3 数据分析

偏最小二乘回归法(Partial Least Square Regression,PLSR)进行风味物质和感官数据相关性的建立,通过 XLSTAT 2015(Addinsoft,Paris,France)实现。实验重复三次。

2 结果与分析

2.1 六款特种麦芽的挥发性风味物质结果

根据特种麦芽颜色类别划分,共选取了六款不同色度的特种麦芽,分别是高香麦芽、饼干麦芽、焦香麦芽、结晶麦芽、巧克力麦芽、黑麦芽,进行风味物质鉴定及风味嗅闻研究,数据结果见表1。

表1 六种特种麦芽中主要挥发性风味物质及香气特征

六款特种麦芽中共检测出41种挥发性风味物质,其中醛类20种、吡嗪类7种、醇类4种、酚类1种、杂环化合物类9种。韩永红[18]研究发现醛类、吡嗪类和杂环化合物类为特种麦芽重点风味化合物。尽管有些风味物质是六种特种麦芽中共同存在的,但是不同类别的特种麦芽其特征风味物质也存在差异。

GC-O-MS结果表明,该六款特种麦芽共同的特征风味物质为2-甲基丁醛(焙烤味)、糠醛(红枣水味)、壬醛(蜂蜜味)。此外,当特种麦芽色度大于400时,巧克力麦芽和黑麦芽的特征风味物质为5-甲基呋喃醛(咖啡味)、2,5-二甲基呋喃(焦味)、2-甲基苯并呋喃(炭烤味)和2-(2-呋喃甲基)-5-甲基呋喃(巧克力味)。当其色度小于400时,特种麦芽的特征风味物质为异丁醛(烤香味)、苯乙醛(蜂蜜味)、反-2-壬烯醛(焦糖味)、α-(2-甲基亚丙基)苯乙醛(谷物味)和5-甲基-2-苯基-2-己烯醛(花蜜味)。

由图1所示,饼干麦芽的风味化合物总数最多为24种,高香麦芽19种,焦香麦芽17种,结晶麦芽14种,巧克力麦芽13种,以及黑麦芽15种。结合表1可知,醛类、吡嗪类和杂环化合物是构成特种麦芽主体风味的重要物质。醛类物质在特种麦芽中的风味整体呈现为焙烤味、烤坚果味和焦糖味[19],高香麦芽、饼干麦芽和焦香麦芽各含有醛类物质14种,结晶麦芽含有11种,巧克力麦芽和黑麦芽分别含有4种和6种;吡嗪类化合物在产品中的风味一般呈现为焙烤味,其中高香麦芽含有1种,饼干麦芽含有5种,巧克力麦芽和黑麦芽各含有3种和2种吡嗪类物质,焦香麦芽和结晶麦芽未检出;杂环化合物主要呈现的是焦糊味,巧克力麦芽中检出6种,黑麦芽中检出5种,饼干麦芽中检出4种,其它三款麦芽各检出2两种。

图1 六种特种麦芽汁的风味成分分析结果

特种麦芽中的风味物质的产生是由于基础麦芽在焙烤过程中经过美拉德反应和Strecker降解反应,从而生成活性风味物质[20-21]。此外,特种麦芽的焙烤参数也与其色度息息相关,色度越高所需的焙烤温度和时间也会越长,反之亦然。因此,当麦芽的焙烤温度在100～130 ℃,焙烤时间在2～3 h的情况下,Strecker降解反应产生,形成醛类化合物,为特种麦芽提供焙烤香气[22-23]。当焙烤温度升高和时间继续增加时,麦芽内部发生碳化变黑,随即黑色逐渐加深,这才导致其生成更多的杂环类化合物,且呈现为焦糊味和烟熏味等[24]。由此可见,醛类化合物对高香麦芽、饼干麦芽、焦香麦芽、结晶麦芽的风味贡献较大,而杂环化合物则是对巧克力麦芽和麦芽的风味贡献显著。

2.2 感官特性结果

高香麦芽、饼干麦芽、焦香麦芽、结晶麦芽、巧克力麦芽、黑麦芽的感官风味特性评价结果是由15位专业的啤酒麦芽感官评价员采用RATA法对照中粮啤酒麦芽属性词库的属性词进行评价打分。本测试的属性词包括,烤面包味、烤红薯味、蜂蜜味、红枣水味、谷物味、焦糖味、饼干味、烤焦红薯味、炭烤味、烟熏味、焦香、烤坚果味、榛果味、杏仁味、黑巧克力味、咖啡味、酒酸、黑咖啡酸味、甜味、回甜、苦味,共计21个属性词。

根据样品感官特性强度打分(图2)和风味特性主成分分析(图3)可见,六款特种麦芽的按风味特性可划分为三类,第一类是高香麦芽和焦香麦芽主要呈现为谷物味、烤面包味、蜂蜜味、焦糖味、榛果味和酒酸;第二类是饼干麦芽和结晶麦芽主要表现为烤焦红薯味、饼干味、烤坚果味、杏仁味、焦香和红枣水味;第三类是巧克力麦芽和黑麦芽,其整体风味偏向烟熏味、黑巧克力味、咖啡味、苦味和回甜。

图2 六种特种麦芽感官评价雷达图

图3 六款特种麦芽感官特性间的主成分分析图

Coghe等[25]研究认为随着特种麦芽色度的增加,果香和甜香的风味会逐渐减少,而焦糊味、黑巧克力味和炭烤味属性会逐渐增强。在本场实验中,可以发现由于巧克力麦芽和黑麦芽的制造过程中所需的焙烤温度和焙烤时间均高于其它四款麦芽,导致该两种麦芽的色度值增加,致使炭烤味和烟熏味属性强度也随之增加。

2.3 特种麦芽风味物质与感官特性的相关性

通过建立PLSR数学模型,研究特种麦芽特征风味物质与感官属性的相关性。图4展示了六款特种麦芽汁的化学风味物质和感官特性之间的相互关系,自变量X和因变量Y分别为特种麦芽的挥发性风味物质和感官风味属性,Obs为具体特种麦芽类别。同时,变量到圆心的距离显示了主要成分对变量的解释程度,距离越大说明主成分之间对该变量解释的越好,相反,若变量位于圆心附近,则表示关于该变量的更多信息在其他维度上面,导致解释度降低[26]。同时,两个变量之间的距离说明了他们之间的相关性,两者距离越近,说明两变量间的正相关越大;如果两个变量在两个相反的位置远离圆心,说明他们直接具有负相关;如果两变量位于垂直位置,说明他们直接不具有相关性。

因此,由图4可知,为巧克力麦芽和黑麦芽做出主要风味贡献的化合物是5-甲基呋喃醛、2-甲苯并呋喃、6-甲基-2-异戊基吡嗪和2-(2-呋喃甲基)-5-甲基呋喃,且在该四种化学风味物质的协同作用下,使得麦芽汁的感官特性整体呈现为黑巧克力味、咖啡味、焦糊味和烟熏味。饼干麦芽的主要贡献风味物质为反-2-辛烯醛、2-丁基-3甲基吡嗪、2-乙烷基-3,5-二甲基吡嗪、反,反-2,4-庚二烯醛、3,5-二甲基-2-丙基吡嗪,这些风味物质与饼干麦芽的饼干味、烤坚果味和烤焦红薯味息息相关。由于另外三种麦芽到圆心的距离较近,导致该模型对三种麦芽的风味物质和感官特征的相关性解释较低,故不做该三种麦芽相关性解释。

图4 六款特种麦芽风味物质与感官特性的PLSR分析模型

此外,观察特种麦芽的感官特性和风味物质的相关性可以发现壬醛、辛醇、正癸醛、可可醛、2-甲基丁醛、苯乙醛、5-甲基-2-苯基-2-己烯醛,构成了烤红薯味、蜂蜜味、烤面包味、红枣水味;α-亚乙基-苯乙醛、苯甲醛和3-苯基呋喃,则构成了焦香味。同时,对比特种麦芽风味物质嗅闻结果发现,以上每一个物质分别对应的嗅闻结果也与感官特性风味呈现相同趋势。由此证明,特种麦芽的感官特性与风味物质间的协同作用是密不可分的。

3 结论

GC-O-MS结果表明,从六款特种麦芽中共鉴定出风味化合物41种,其中醛类20种、吡嗪类7种、醇类4种、酚类1种、杂环化合物类9种。同时,随着该六款特种麦芽的色度升高,其重点挥发性风味物质也发生改变,醛类化合物会逐渐减少,其风味主要表现为焙烤味、烤坚果味和焦糖味;杂环类化合物逐渐增多,主要呈现为焦糊味。对六款特种麦芽的感官特性研究发现随着六款麦芽色度的增加,果香和甜香的风味会逐渐减少,炭烤味和烟熏味会逐渐加强。通过建立六款特种麦芽PLSR模型,分析六款特种麦芽风味物质和感官特性的相关性联系。研究发现,不同种风味物质间的协同作用下,可以构成该特种麦芽的典型感官特性。同时,该模型对饼干麦芽、巧克力麦芽和黑麦芽的风味物质—感官特性的解释程度较高,但对高香麦芽、焦香麦芽、结晶麦芽的主体风味解释欠佳,有待下一步探索。

该实验的可以更好地明确不同色度下的特种麦芽其风味特点的构成和风味物质与感官特征的相关性,对啤酒产品的风味及风格设计上奠定基础。但是,该研究只能初步建立仪器检测下的风味物质与感官特性相关性的模型,因此,在日后的研究中,可以通过增加测试样本量,对该数学模型进行验证,以达到一个更精准的风味相关性判断。