無機離子影響啤酒口感機理的初步研究

張影陸，劉春鳳，董建軍，李鵬飛，李 崎，*，顧國賢

（1.江南大學教育部工業生物技術重點實驗室，江蘇無錫214122；2.青島啤酒股份有限公司科研中心，山東青島266101）

無機離子影響啤酒口感機理的初步研究

張影陸1，劉春鳳1，董建軍2，李鵬飛1，李 崎1，*，顧國賢1

（1.江南大學教育部工業生物技術重點實驗室，江蘇無錫214122；2.青島啤酒股份有限公司科研中心，山東青島266101）

【目的】考察無機陽離子Ca2+、Mg2+、K+、Na+和無機陰離子Cl-、對啤酒口感的影響，并對其作用機理進行初步探討?！痉椒ā坎捎煤舜殴舱瘢∟MR）檢測方法，對不同離子濃度啤酒樣品中質子化學位移進行分析。通過感官品評對啤酒樣品整體口感協調性進行評價，然后將品評結果與核磁共振檢測結果比對來說明利用質子化學位移考察啤酒口感差異的可能性?！窘Y果】無機離子對啤酒體系中的氫鍵結構的形成起到促進或破壞的作用?？诟休^好的樣品，其核磁共振圖譜中羥基質子化學位移相應較大，反之亦然?！窘Y論】口感品評結果與質子化學位移間具有很好的符合度，從氫鍵締合的角度來解釋無機離子影響啤酒口感的作用機制具有很大的可行性。

啤酒，氫鍵，無機離子，核磁共振（NMR），口感

啤酒是一種釀造產品，其組成成分非常復雜。目前能檢出的物質已達1000余種。啤酒中的無機成分一般指陽、陰離子。陽離子包括Ca2+、Mg2+、K+、 Na+、Zn2+、Fe2+等，陰離子主要有 Cl-、等。啤酒中的無機成分，主要來源于釀造所用的原料、添加劑、各種助劑及工藝生產過程涉及的設備、容器等，它們對啤酒風味、口感等起著至關重要的作用［1］。啤酒口感柔和性的評價是感官感受的抽象描述，為便于研究，將概念具體化，認為口感柔和是指啤酒醇味適當，入口綿軟，酒體醇厚；不柔和指醇味沖口，入口暴烈，酒體淡薄，有水味。根據國內外對白酒、米酒、蒸餾酒、日本清酒［2］、威士忌等釀造飲料酒的研究發現，醇、水的結構變化對酒類口感有較大影響，他們認為酒入口刺激感降低，變得較為柔和綿軟，與醇水結構的變化有關，而醇水締合結構通過氫鍵連接。氫鍵的強弱與多少直接影響醇水聚合物的結構［3-7］。結合柔和性描述可以發現，口感的柔和與否與酒中醇水有一定關系［8］，而醇水結構又與氫鍵締合有關，因此在研究啤酒的口感柔和性時，重點研究啤酒中的氫鍵締合情況，核磁共振通過其參數“化學位移”可以準確地測定出啤酒中氫鍵的變化情況，從而可以知道醇水締合的強弱。稀釋用水會影響啤酒體系中的氫鍵，稀釋用水的性質是由水中無機離子決定的，因此，稀釋用水對啤酒風味的影響主要是指無機離子的影響，本工作從這一角度出發，結合各口感品評，初步探討了核磁共振參數“化學位移”與高稀釋率啤酒風味柔和性與協調性的關系。從氫鍵的角度研究啤酒的特性將對啤酒釀造業的發展有一定的推動作用。

表1 高稀釋率啤酒的制備

表2 原子吸收分光的工作條件

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

13°P原酒 青島（上海松江）啤酒有限公司提供；8°P啤酒樣品 市購；原水青島（上海松江）啤酒有限公司提供，經砂濾的江水，電導率為0.847ms/cm；反滲透膜過濾水 經沙濾—碳濾—碳濾—反滲透膜過濾—脫氧處理后的江水，平均電導率為0.023ms/cm；乙醇 北京化工廠，色譜純；氧化氘（D2O）、二甲基硅代戊磺酸鈉（DSS）、四甲基硅烷（TMS） 北京化工廠，光譜級；硝酸銀、硫酸鉀、氯化鋇、氯化鈣、氯化鎂、硫酸鈉、濃硝酸 國藥集團化學試劑有限公司，分析級。

pHS-3C型精密 pH計 上海雷磁儀器廠；Avance AV-500型核磁共振波譜儀 瑞士Bruker公司；原子吸收分光光度計SpectraAA220 美國Varian（瓦里安）公司；K、Na、Mg、Ca空心陰極燈 威格拉斯（北京）有限公司；馬弗爐SX-4-10 上海洪紀設備儀器公司；L-204型電子天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。

1.2 低度成品稀釋酒樣的制備方法

為了得到不同離子含量的成品啤酒，實驗選擇在反滲透膜過濾水中添加不同比例原水的方法以獲取不同離子含量的稀釋水，以表1中所選擇的13種不同稀釋水稀釋13°P高濃酒體制成8°P成品啤酒，然后進行在線滅菌處理。

實驗每批制備300mL啤酒樣品，根據所選稀釋率及稀釋水配比得出每批每種低度啤酒制備所需的RO水、原水及原酒的量。

1.3 檢測方法

1.3.1 核磁共振測定方法

1.3.1.1 測定原理［9-11］具有磁矩的原子核（如1H，13C，19F，31P等）在外磁場中將發生能級分裂，核磁具以不同取向繞外磁場回旋。當另一個垂直外場的射頻磁場同時作用于核上，并且其照射場的頻率等于核在外磁場中的回旋頻率時即發生核磁共振，處于低能級的核躍遷到高能級，產生相應的信號，即由磁性核受輻射而發生躍遷所形成的吸收光譜。高分辨率質子核磁共振（1H-NMR）非常適合研究氫鍵締合。1H-NMR可反映不同化學環境、不同屏蔽作用下質子的化學位移，特別是對醇溶液，因為氫鍵的形成降低了羥基（OH）中質子周圍電子云密度，降低核在磁場的屏蔽效應，觀察到共振現象向高頻移動。OH質子對于烷基鏈上質子共振位移可以作為形成氫鍵的參數。通過質子化學位移的變化可以推測分子結構、分子間相互作用。

1.3.1.2 樣品處理 啤酒除氣：取預先在冰箱中冷卻至15～20℃的啤酒，啟蓋后經快速濾紙過濾至三角瓶中，稍加振搖，靜置，以充分除去酒中的CO2。

1.3.1.3 測定條件 氫核共振頻率500.130MHz，配置5mm QNP（四核探頭13C-1H-31P-19F）探頭。D2O鎖場，內標物質為四甲基硅烷（TMS），檢測溫度為18℃。

D2O置于12cm一端封口熔點毛細管內鎖場，再放在核磁檢測管中進行實驗。

1.3.2 啤酒中離子測定方法

1.3.2.1 無機陽離子 樣品處理方法［12］：準確吸取除氣后的啤酒樣品2mL于50mL經（1+1）HNO3溶液浸泡48h的瓷坩堝中，將坩堝放在控溫電爐上進行低溫炭化直至冒煙至盡。若發現炭化不完全，可沿坩堝壁滴加幾滴濃硝酸，幫助炭化。將炭化好的樣品放入馬弗爐中，550℃保持5h，使樣品完全灰化。冷卻后，先用1mL（1∶1）HNO3溶解，移入50mL容量瓶中并定容。同時做好樣品空白，即可進行原子吸收法測定。具體測定條件如表2所示。

配制系列標準溶液：為準確定量，測定鈉和鉀時需加入鑭溶液作為釋放劑，測定鈣和鎂時加入鍶作為釋放劑。具體配制方法如下：

用移液管分別吸取含有Na和K離子的混合標準溶液（濃度均為50μg/mL）0.00，0.25，0.50，1.00，2.00mL于25mL容量瓶中，用1%的HNO3和1.00g/L的氯化鍶作為溶劑定容，并作為測量時的空白液。此標準系列溶液中含4種離子的溶度分別為0.00、0.50、1.00、2.00、4.00μg/mL。鈣鎂標準溶液的配制方法同上，只需換用1%的HNO3和1.50g/L氧化鑭作為溶劑定容，并作為測量時的空白液。

1.3.2.2 無機陰離子［13］無機陰離子主要包括氯離子和硫酸根離子，本實驗選用AgCl比濁法和BaSO4比濁法進行測定。

1.3.3 口感品評 邀請8位專業品酒師（2名國家級評委和6位省級評委）對樣品進行品評，并對樣品進行綜合打分。具體口感品評規則見表3。

表3 啤酒口感協調性評價表

2 結果與討論

2.1 醇水模擬體系的核磁共振圖譜分析

表4 不同醇水溶液中OH質子1H-NMR化學位移

為了準確、合理地對啤酒中醇水締合的氫鍵作用進行闡明，更清楚地表示出不同樣品間1H-NMR譜圖的差異，實驗首先對一系列醇水體系中醇水締合現象進行了研究。選取不同乙醇濃度的醇水溶液，按上述實驗條件進行1H-NMR分析，具體結果見表4。

由表4可知，在此實驗條件下，純水的羥基質子化學位移為4.8956ppm。隨著乙醇的加入，體系中由于醇與水的締合，開始逐步形成醇水氫鍵，隨著醇含量的增加，水中羥基質子化學位移變化，并呈逐漸增大趨勢，當乙醇比例為40%時，化學位移達到所選濃度中的最大值5.0957ppm，分析其原因可能是由于醇水氫鍵的形成，質子周圍的電子云密度被氧原子吸引，造成質子的電子云密度減小，質子發生共振所需要的電磁場場強降低，從而只需在化學位移較大的低場就發生了共振現象。同時也說明乙醇濃度為40%，醇水締合現象最為嚴重，即此時溶液中氫鍵數量最多。

對于成品啤酒來講，其酒精度一般都低于5%。因此，化學位移一般大多集中在4.8956～4.9354ppm之間。

2.2 不同離子含量樣品的核磁共振圖譜分析

對于高稀釋率低度成品啤酒來講，其乙醇含量較低，因此實驗首先在同一成品8°P啤酒中分別添加0.2mmol/L CaCl2、MgCl2、K2SO4和Na2SO4，然后分別進行核磁共振分析，每個樣品平行測定3次，具體結果見表5所示。

表5 不同離子含量的同一啤酒1H-NMR譜圖（ppm）

由表5可知，與原酒液中質子化學位移相比，加入不同無機鹽后酒樣中質子化學位移有明顯的變化，說明無機離子對啤酒體系中的氫鍵結構的形成起到了促進或破壞的作用。對于添加CaCl2和MgCl2的樣品，其體系中除了Ca2+和Mg2+不同外，其他各種物質含量均相同，此時添加CaCl2的樣品體系中化學位移比原酒樣降低，而添加MgCl2的樣品則增加，因此可以說明Ca2+在此啤酒體系中破壞了部分氫鍵結構，Mg2+促進了體系中氫鍵結構的形成。同理，K+對體系中氫鍵的形成起到了促進作用，Na+對氫鍵的形成起到了破壞作用。另外，此方法測定重復性較好，樣品平行測定的標準偏差不超過0.0005。

表6 不同樣品口感品評結果及OH質子1H-NMR化學位移（ppm）

2.3 核磁共振化學位移與啤酒口感的關系

根據口感品評的結果，選擇表1中的1#～10#樣品按上述實驗條件進行1H-NMR分析，具體結果見表6所示。

由表6可明顯看出，隨著原水添加比例的增加，水中羥基質子化學位移先增加后又逐步降低，這說明樣品體系中的氫鍵結構不斷變化。對于同一高濃原酒稀釋成的酒樣，其所有樣品體系中的有機成分是一樣的，唯一不同的是所選有的稀釋水中原水的添加比例不相同，即稀釋水中的離子不相同。這也就是說稀釋酒樣中只有無機離子含量不相同。因此，分析羥基質子化學位移降低的原因可能是離子影響了醇水氫鍵的形成，隨著離子含量的增加，離子先是促進樣品體系中氫鍵結構的形成，當離子增加到一定程度時，又開始逐漸破壞氫鍵結構。其中在樣品質子化學位移降低時，8#樣品的化學位移略有升高，分析其原因可能是樣品中隨著原水比例的增加，無機離子的濃度越來越高，出現有離子之間的協同效應，因此化學位移變大，但是后來樣品的總體趨勢在降低。結合口感品評的結果可知，口感品評中口感較好、得分較高的樣品，其核磁共振圖譜中羥基質子化學位移就相應越大，說明兩者具有較好的符合度，即口感品評中柔和性與協調性較好的樣品，其羥基質子化學位移相對較大，反之亦然。

2.4 高稀釋率低度成品啤酒中較佳離子范圍的初步確定

為了初步確定高稀釋率成品啤酒中較佳的離子含量范圍，實驗選擇表6中樣品10，分別添加CaCl2、MgCl2、K2SO4和Na2SO4四種無機鹽，添加量選擇四個梯度，分別為0.25、0.50、0.75和1.00mmol/L。然后分別進行核磁共振分析，結果見圖1和圖2。

由圖1和圖2可知，當沒有向啤酒中添加任何無機離子時，原酒中水中質子化學位移為4.9113ppm，添加無機離子后，酒體中水質子中化學位移有著不同的變化。對于添加 CaCl2的樣品，當添加量為0.25mmol/L和0.50mmol/L時其體系中的羥基質子化學位移是大于原酒中的化學位移，說明此時體系中促進了氫鍵結構的形成，酒體風味柔和性與協調性較原酒有所提高。而當添加量為0.75mmol/L和1.00mmol/L時，體系中化學位移均有較大降低，小于原酒體所對應的化學位移，即此時原酒體中氫鍵結構被破壞，酒體柔和性與協調性降低。同理可知，對于MgCl2添加量分別為0.25mmol/L和0.50mmol/L時，有利于啤酒體系中氫鍵的形成，而當添加量為0.75mmol/L和1.00mmol/L時，氫鍵結構亦遭到破壞，其中當添加量為1.00mmol/L時，對應的化學位移有所增加，原因可能是由于離子之間的協同作用，促進了體系中氫鍵的形成。對于K2SO4和Na2SO4，只有當添加量在0.25mmol/L時，所對應的化學位移大于原酒體，而其它三種添加量對應的化學位移均小于原酒體。

綜上分析可知，CaCl2和MgCl2的添加量分別低于 0.50mmol/L時有利于啤酒口感，而 K2SO4和Na2SO4添加量低于0.25mmol/L時有利于啤酒口感，此時啤酒中Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Cl-、SO2-4的最大添加量分別為20、10、9.75、5.75、35.50、24.00mg/L。

圖1 原始啤酒樣品的1H-NMR譜圖

圖2 不同離子含量的同一啤酒中OH質子化學位移

3 結論

3.1 通過對不同醇水濃度的核磁共振圖譜分析可知，純水的羥基質子化學位移為4.8956ppm。隨著乙醇的加入，體系中由于醇與水的締合，開始逐步形成醇水氫鍵，隨著醇含量的增加，水中羥基質子化學位移變化，并呈逐漸增大趨勢，當乙醇比例為40%時，化學位移達到所選濃度中的最大值5.0957ppm，說明乙醇濃度為40%，醇水締合現象最為嚴重，即此時溶液中氫鍵數量最多。

3.2 與原酒液中質子化學位移相比，加入不同無機鹽后酒樣中質子化學位移有明顯的變化，說明無機離子對啤酒體系中的氫鍵結構的形成起到了促進或破壞的作用。

3.3 口感品評中口感較好、得分較高的樣品，其核磁共振圖譜中羥基質子化學位移相應就越大，說明兩者具有較好的符合度，即口感品評中柔和性與協調性較好的樣品，其羥基質子化學位移相對較大，反之亦然。

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Preliminary study on mechanism of inorganic ions affecting on beer taste

ZHANG Ying-lu1，LIU Chun-feng1，DONG Jian-jun2，LI Peng-fei1，LI Qi1，*，GU Guo-xian1
（1.The Key Laboratory of Industrial Biotechnology，Ministry of Education，Wuxi 214122，China；2.Science and Research Center，Tsingtao Brewery Co.，Ltd.，Qingdao 266101，China）

【Objective】The study aimed to observe the effect of inorganic positive ions（Ca2+，Mg2+，K+，Na+）and negative ions（Cl-，SO24-）on beer taste，and make a preliminary study on its mechanism【.Method】Chemical shifts of different ion concentration liquor were analyzed through nuclear magnetic resonance（NMR）method.Moreover，the whole harmony characteristic of beer samples was evaluated by sensory evaluation，and after that，the comparison of sensory evaluation results and NMR results was carried out to show the feasibility of studying beer taste difference by proton chemical shifts【.Results】lnorganic ions can destroy or strengthen the hydrogen bonding.Moreover，the change of chemical shift was higher for the beer sample with better taste，vice versa.【Conclusion】The proton chemical shift was consistent with sensory evaluation very well.lt’s very feasible to explain the mechanism of inorganic ions affecting on beer taste through the angle of hydrogen bonding of the beer body.

beer；hydrogen bonding；inorganic ions；nuclear magnetic resonance（NMR）；taste

TS262.5

A

1002-0306（2010）12-0100-04

2010-02-23 *通訊聯系人

張影陸（1968-），女，講師，研究方向：釀酒科學。

國家“十一五”支撐重點項目資助課題（2008BAI63B06）；國家高技術研究發展計劃（863計劃）（2006AA020204）；國家“十一五”重大科技支撐專項（2007BAK36B01）。