啤酒中揮發(fā)性有機(jī)化合物的分析存在的問題與應(yīng)對策略

摘 要：啤酒風(fēng)味品質(zhì)的形成與揮發(fā)性有機(jī)化合物的種類和含量密切相關(guān)。本文綜述了啤酒中揮發(fā)性有機(jī)化合物的種類、分析方法及其面臨的復(fù)雜基質(zhì)干擾、痕量檢測和分析方法標(biāo)準(zhǔn)化等問題，提出了優(yōu)化固相微萃取、采用高靈敏度質(zhì)譜技術(shù)和建立化合物數(shù)據(jù)庫等策略，以期提升分析效能，為啤酒風(fēng)味的精準(zhǔn)分析與調(diào)控提供新思路。

關(guān)鍵詞：啤酒；揮發(fā)性有機(jī)化合物；固相微萃取；痕量檢測

Problems and Countermeasures in the Analysis of Volatile Organic Compounds in Beer

DENG Siqi

（Maoming Institute for Food and Drug Control， Maoming 525000， China）

Abstract： The formation of beer flavor quality is closely related to the types and contents of volatile organic compounds. This article reviews the types， analysis methods， complex matrix interference， trace detection， and standardization of analytical methods in volatile organic compounds of beer. Strategies such as optimizing solid-phase microextraction extraction， adopting high-sensitivity mass spectrometry technology， and establishing compound databases have been proposed to improve analytical efficiency and provide new ideas for precise analysis and regulation of beer flavor.

Keywords： beer; volatile organic compounds; solid phase microextraction; trace detection

啤酒是世界上消費(fèi)比較廣泛的酒精飲料之一，其風(fēng)味品質(zhì)的形成與啤酒中揮發(fā)性有機(jī)化合物的種類和含量有關(guān)。隨著消費(fèi)者對啤酒風(fēng)味要求的不斷提高，對啤酒進(jìn)行精準(zhǔn)分析和調(diào)控啤酒中揮發(fā)性有機(jī)化合物的含量水平是提升啤酒品質(zhì)的關(guān)鍵[1]。本文分析了啤酒中揮發(fā)性有機(jī)化合物的種類及作用，并對目前常用檢測方法及面臨的技術(shù)問題進(jìn)行探究，提出了優(yōu)化樣品前處理、提高分析靈敏度、構(gòu)建化合物數(shù)據(jù)庫等策略，為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步提供參考。

1 啤酒中揮發(fā)性有機(jī)化合物的種類及作用

啤酒中揮發(fā)性有機(jī)化合物的種類繁多，主要包括高級醇類、酯類、羰基化合物和硫醇類等。這些化合物雖然含量較低，但對啤酒的風(fēng)味品質(zhì)有一定的影響。例如，異戊醇和苯乙醇等高級醇類是形成啤酒花香和果香的關(guān)鍵物質(zhì)，而乙酸乙酯、乙酸異戊酯等酯類化合物則賦予啤酒獨(dú)特的果香和蜜香[2]。同時(shí)，二乙酰和苯甲醛等羰基化合物與啤酒的雜味（大蒜味、紙板味）相關(guān)。此外，二甲基三硫醇等硫醇類雖然含量極低，但對啤酒的熏臭味有顯著貢獻(xiàn)。單一化合物無法決定啤酒的整體風(fēng)味，只有多種化合物相互作用、協(xié)同效應(yīng)才能決定啤酒的整體風(fēng)味，如檸檬醇和檸檬醛的比例對啤酒的柑橘香氣有一定影響。因此，精準(zhǔn)分析和調(diào)控這些關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)的含量占比，對啤酒風(fēng)味品質(zhì)的優(yōu)化和控制至關(guān)重要。同時(shí)，一些揮發(fā)性化合物也可作為啤酒品質(zhì)評價(jià)和生產(chǎn)過程監(jiān)控的指示物，如異戊醇和丙醇比例可反映發(fā)酵過程中酵母菌株的代謝情況，乙酸乙酯和乙醇比例則與啤酒陳化程度有關(guān)。

2 啤酒中揮發(fā)性有機(jī)化合物的分析方法

目前主要采用色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)，如頂空固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（Headspace Solid Phase Micro-Extraction Gas Chromatography-Mass Spectrometry，HS-SPME-GC-MS）和頂空捕集-氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜（Headspace Trap and Purge Gas Chromatography-Tandem Mass Spectrometer，HS-TRAP-GC-MS/MS）等方法測定啤酒中的揮發(fā)性有機(jī)化合物。HS-SPME技術(shù)因操作簡便、無須溶劑萃取等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于樣品前處理，該方法通過特定涂層纖維吸附頂空中的目標(biāo)物，經(jīng)優(yōu)化后可提高靈敏度，隨后將富集的化合物熱解吸進(jìn)入GC-MS系統(tǒng)進(jìn)行分析。與HS-SPME技術(shù)相比，HS-TRAP技術(shù)采用多孔吸附劑作為捕集介質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)更大體積頂空氣體的萃取，進(jìn)一步提高了檢測靈敏度，但樣品前處理過程相對復(fù)雜[3]。在色譜分離方面，常使用DB-WAX、HP-INNOWAX等毛細(xì)管柱分析啤酒揮發(fā)性有機(jī)化合物，主要是因?yàn)檫@些極性柱能分離啤酒中的醇、酯、羰基等不同極性的化合物。而質(zhì)譜檢測器具有同時(shí)定性、定量化合的優(yōu)勢，也成為目標(biāo)物鑒定和含量測定的常用方法。此外，為了消除儀器間的系統(tǒng)誤差，提高數(shù)據(jù)的可比性和準(zhǔn)確性，基于同位素內(nèi)標(biāo)的定量方法逐漸被采用。

3 啤酒中揮發(fā)性有機(jī)化合物的分析存在的問題

3.1 復(fù)雜基質(zhì)干擾物的分離

啤酒作為一種復(fù)雜的發(fā)酵飲料，其基質(zhì)中含有大量的糖類、蛋白質(zhì)、氨基酸等非揮發(fā)性成分。這些組分在樣品前處理和色譜分離過程中，會(huì)對目標(biāo)揮發(fā)性化合物的分析產(chǎn)生干擾效應(yīng)。麥芽糖等啤酒中的糖類物質(zhì)由于具有較強(qiáng)的極性和較大的分子量，在樣品萃取和進(jìn)樣過程中易引起色譜柱頭部的污染和堵塞，導(dǎo)致分離效率下降和峰形拖尾。同時(shí)，一些難揮發(fā)的大分子量物質(zhì)還會(huì)在質(zhì)譜離子源中產(chǎn)生裂解，引入干擾離子影響目標(biāo)物的定性、定量分析[4]。此外，麥芽和酵母中的蛋白質(zhì)在加熱條件下會(huì)發(fā)生熱裂解，產(chǎn)生吡嗪、吡咯等含氮雜環(huán)化合物，其強(qiáng)極性特征也對分析產(chǎn)生一定程度的干擾。盡管采用選擇性更強(qiáng)的萃取涂層，如聚二乙烯基苯和分子印跡聚合物能在一定程度上消除基質(zhì)干擾，提高分析的選擇性和靈敏度，但仍難以完全避免基質(zhì)干擾。

3.2 痕量化合物檢測限的問題

啤酒中的某些關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)，如4－乙基愈創(chuàng)木酚等酚類化合物，對啤酒的果香和蜜香風(fēng)味具有一定影響，但其在成品啤酒中的含量往往低至10-9水平，這對分析方法的靈敏度提出了較高的要求。傳統(tǒng)的頂空固相微萃取技術(shù)雖然操作簡便，但受限于涂層容量和熱解吸效率，其檢測靈敏度難以滿足痕量分析的需求。而大體積頂空捕集技術(shù)，如頂空吹掃捕集雖然具有更高的富集能力，但由于啤酒基質(zhì)中共萃取的水分和乙醇含量高，經(jīng)常導(dǎo)致吸附劑和低溫阱飽和，影響痕量目標(biāo)物的捕集效率。此外，常用的四極桿質(zhì)譜儀在選擇性和靈敏度上也受到一定限制。盡管采用三重四極桿和飛行時(shí)間等質(zhì)譜技術(shù)有助于提高檢測靈敏度和選擇性，但成本高昂，難以在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室中推廣應(yīng)用[5]。因此，如何在保證分析通量的前提下，突破痕量揮發(fā)性化合物的檢測限，實(shí)現(xiàn)從10-12到10-15水平的超痕量檢測，是目前啤酒風(fēng)味分析技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)。

3.3 分析方法標(biāo)準(zhǔn)化的差異

啤酒作為一種全球性消費(fèi)飲品，不同產(chǎn)區(qū)和品牌的啤酒在原料、釀造工藝等方面存在一定差異，導(dǎo)致其揮發(fā)性成分的組成和含量水平變異較大。例如，在樣品前處理環(huán)節(jié)，由于不同啤酒中共存基質(zhì)組成和pH值等理化性質(zhì)的不同，導(dǎo)致萃取和凈化條件難以統(tǒng)一優(yōu)化。在色譜分離方面，由于目標(biāo)物性質(zhì)和含量差異較大，單一色譜柱和升溫程序難以兼顧各類化合物的分離需求，經(jīng)常出現(xiàn)峰串疊和拖尾等現(xiàn)象。此外，不同實(shí)驗(yàn)室間在儀器設(shè)備、操作習(xí)慣等方面也存在較大差異，使得分析結(jié)果之間沒有可比性。盡管一些國際組織，如美國釀酒化學(xué)家協(xié)會(huì)、歐洲啤酒釀造商協(xié)會(huì)等發(fā)布了一系列分析方法，但總體上缺乏系統(tǒng)性和強(qiáng)制性，難以實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)室間的數(shù)據(jù)互認(rèn)[1]。

4 提升啤酒中揮發(fā)性有機(jī)化合物分析效能的對策

4.1 應(yīng)用固相微萃取技術(shù)優(yōu)化樣品預(yù)處理

固相微萃?。⊿olid Phase Micro-Extraction，SPME）技術(shù)具有不需要溶劑、操作簡便、易于自動(dòng)化等優(yōu)勢，在簡化啤酒樣品前處理方面應(yīng)用廣泛。因此，對SPME萃取過程的優(yōu)化是消除基質(zhì)干擾的關(guān)鍵。在涂層選擇方面，考慮到啤酒基質(zhì)的特殊性，傳統(tǒng)的聚二甲硅氧烷、聚丙烯酸酯類織物涂層膠等涂層可能無法有效抑制啤酒中極性和大分子量組分的干擾。新型混合涂層，如二甲基硅氧烷/二乙烯基苯、SPME固相微萃取萃取頭Carboxen/聚二甲基硅氧烷等，通過結(jié)合非極性和極性吸附作用，能提高對啤酒中各類揮發(fā)性化合物的選擇性萃取能力。

優(yōu)化萃取條件對啤酒樣品的分析也十分重要。啤酒中高含量的乙醇可能與目標(biāo)化合物競爭SPME涂層的吸附位點(diǎn)，導(dǎo)致萃取平衡時(shí)間延長和分析靈敏度降低。因此，可通過調(diào)節(jié)pH值或添加鹽類來抑制乙醇和有機(jī)酸的電離，從而減少乙醇和有機(jī)酸在涂層上的積累。

鑒于某些啤酒風(fēng)味化合物含量極低，可采用大體積頂空技術(shù)，如頂空泵吸或冷阱吹掃等方法，來增加SPME的萃取容量。這些技術(shù)允許延長萃取時(shí)間至數(shù)小時(shí)，有助于富集啤酒中的痕量揮發(fā)性成分，提高分析的靈敏度和準(zhǔn)確度。通過這些優(yōu)化策略，SPME技術(shù)可為啤酒中揮發(fā)性有機(jī)化合物的全面分析提供技術(shù)支持。

4.2 采用高靈敏度質(zhì)譜技術(shù)提高檢測精度

與傳統(tǒng)的單四極桿質(zhì)譜相比，三重四極桿（Triple Quadrupole Mass Spectrometer，QQQ-MS）和高分辨飛行時(shí)間質(zhì)譜（High-Resolution Time of Flight-Mass Spectrometry，HR-TOF-MS）等先進(jìn)質(zhì)譜技術(shù)在提高檢測選擇性和靈敏度方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。以QQQ-MS為例，通過在多反應(yīng)監(jiān)測模式下對啤酒中目標(biāo)揮發(fā)性化合物的母離子和子離子進(jìn)行雙重篩選，可提高對復(fù)雜啤酒基質(zhì)中特定香氣成分的選擇性檢測能力，有效消除啤酒中常見的背景干擾和結(jié)構(gòu)相似的香氣化合物同分異構(gòu)體的影響。同時(shí)，多反應(yīng)監(jiān)測模式下的碰撞誘導(dǎo)解離過程還可誘導(dǎo)啤酒中目標(biāo)香氣化合物產(chǎn)生豐度較高的特征性子離子，從而提升檢測靈敏度，將啤酒中微量但對風(fēng)味有重要影響的揮發(fā)性化合物的定量檢測限精確至10-9乃至10-12水平。HR-TOF-MS則憑借其超高的質(zhì)量分辨率（＞40 000 FWHM）和質(zhì)量精確度（＜1×10-9），可在復(fù)雜的啤酒基質(zhì)中實(shí)現(xiàn)對痕量揮發(fā)性風(fēng)味化合物的精準(zhǔn)定性和定量分析。利用基于精確質(zhì)量數(shù)的提取離子流技術(shù)能夠最大限度地減少啤酒樣品中的背景干擾。由于QQQ-MS和HR-TOF-MS對儀器操作和數(shù)據(jù)解析的專業(yè)性要求較高，因此如何優(yōu)化樣品進(jìn)樣和離子源等參數(shù)，是實(shí)現(xiàn)高靈敏度性能的關(guān)鍵。所以，分析人員需要對質(zhì)譜原理和啤酒基質(zhì)特性有深入的理解，并掌握系統(tǒng)的儀器調(diào)諧和數(shù)據(jù)處理技能，以期在啤酒揮發(fā)性成分的痕量檢測領(lǐng)域達(dá)到最優(yōu)分析效能。

4.3 建立全面的揮發(fā)性化合物數(shù)據(jù)庫

傳統(tǒng)的定性分析主要通過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的保留時(shí)間和質(zhì)譜匹配來實(shí)現(xiàn)，但由于商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)品種類有限和價(jià)格昂貴，難以全面覆蓋啤酒中數(shù)百種的揮發(fā)性成分。對此，可采用非目標(biāo)定性分析策略，以啤酒為研究對象，在不同品牌、產(chǎn)區(qū)、原料、工藝條件下采集大量的二維氣相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜數(shù)據(jù)，通過去卷積算法實(shí)現(xiàn)色譜峰的自動(dòng)分割和純化，結(jié)合精確質(zhì)量和多級質(zhì)譜碎片匹配，構(gòu)建一個(gè)包含保留指數(shù)、電子電離和化學(xué)電離等多維度信息的啤酒揮發(fā)性成分?jǐn)?shù)據(jù)庫?；谶@一數(shù)據(jù)庫，可實(shí)現(xiàn)未知化合物的快速篩查和識別，為分析方法的進(jìn)一步優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。同時(shí)，該數(shù)據(jù)庫還應(yīng)納入不同產(chǎn)區(qū)和品牌啤酒的揮發(fā)性成分分析數(shù)據(jù)，通過多變量統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)不同啤酒之間揮發(fā)性成分的差異規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)，有針對性地進(jìn)行指導(dǎo)分析優(yōu)化。在數(shù)據(jù)采集過程中應(yīng)對樣品前處理、分離和檢測條件進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)范，確保不同批次數(shù)據(jù)的一致性和可比性。為實(shí)現(xiàn)啤酒揮發(fā)性成分分析的標(biāo)準(zhǔn)化奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

綜上所述，啤酒中揮發(fā)性有機(jī)化合物的精準(zhǔn)分析對于啤酒風(fēng)味品質(zhì)的優(yōu)化調(diào)控非常重要，但目前仍面臨復(fù)雜基質(zhì)干擾、痕量檢測困難和分析方法標(biāo)準(zhǔn)化差異等技術(shù)問題。綜合應(yīng)用優(yōu)化的固相微萃取技術(shù)、高靈敏度質(zhì)譜檢測手段，并建立全面的揮發(fā)性化合物數(shù)據(jù)庫，以提升分析效能，實(shí)現(xiàn)啤酒關(guān)鍵風(fēng)味成分的準(zhǔn)確定性和定量檢測。未來還需加強(qiáng)多學(xué)科交叉融合，在樣品前處理、色譜分離、質(zhì)譜檢測和數(shù)據(jù)分析等環(huán)節(jié)協(xié)同創(chuàng)新，最終實(shí)現(xiàn)啤酒揮發(fā)性成分分析方法的標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化，為啤酒風(fēng)味的精準(zhǔn)調(diào)控和產(chǎn)品質(zhì)量提升提供技術(shù)支撐。

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作者簡介：鄧思琪（1994—），女，廣東茂名人，本科，助理工程師。研究方向：酒類的分析與研究。