啤酒中挥发性有机化合物的分析存在的问题与应对策略

摘 要：啤酒风味品质的形成与挥发性有机化合物的种类和含量密切相关。本文综述了啤酒中挥发性有机化合物的种类、分析方法及其面临的复杂基质干扰、痕量检测和分析方法标准化等问题，提出了优化固相微萃取、采用高灵敏度质谱技术和建立化合物数据库等策略，以期提升分析效能，为啤酒风味的精准分析与调控提供新思路。

关键词：啤酒；挥发性有机化合物；固相微萃取；痕量检测

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

啤酒是世界上消费比较广泛的酒精饮料之一，其风味品质的形成与啤酒中挥发性有机化合物的种类和含量有关。随着消费者对啤酒风味要求的不断提高，对啤酒进行精准分析和调控啤酒中挥发性有机化合物的含量水平是提升啤酒品质的关键[1]。本文分析了啤酒中挥发性有机化合物的种类及作用，并对目前常用检测方法及面临的技术问题进行探究，提出了优化样品前处理、提高分析灵敏度、构建化合物数据库等策略，为相关领域的技术进步提供参考。

1 啤酒中挥发性有机化合物的种类及作用

啤酒中挥发性有机化合物的种类繁多，主要包括高级醇类、酯类、羰基化合物和硫醇类等。这些化合物虽然含量较低，但对啤酒的风味品质有一定的影响。例如，异戊醇和苯乙醇等高级醇类是形成啤酒花香和果香的关键物质，而乙酸乙酯、乙酸异戊酯等酯类化合物则赋予啤酒独特的果香和蜜香[2]。同时，二乙酰和苯甲醛等羰基化合物与啤酒的杂味（大蒜味、纸板味）相关。此外，二甲基三硫醇等硫醇类虽然含量极低，但对啤酒的熏臭味有显著贡献。单一化合物无法决定啤酒的整体风味，只有多种化合物相互作用、协同效应才能决定啤酒的整体风味，如柠檬醇和柠檬醛的比例对啤酒的柑橘香气有一定影响。因此，精准分析和调控这些关键风味物质的含量占比，对啤酒风味品质的优化和控制至关重要。同时，一些挥发性化合物也可作为啤酒品质评价和生产过程监控的指示物，如异戊醇和丙醇比例可反映发酵过程中酵母菌株的代谢情况，乙酸乙酯和乙醇比例则与啤酒陈化程度有关。

2 啤酒中挥发性有机化合物的分析方法

目前主要采用色谱-质谱联用技术，如顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（Headspace Solid Phase Micro-Extraction Gas Chromatography-Mass Spectrometry，HS-SPME-GC-MS）和顶空捕集-气相色谱-串联质谱（Headspace Trap and Purge Gas Chromatography-Tandem Mass Spectrometer，HS-TRAP-GC-MS/MS）等方法测定啤酒中的挥发性有机化合物。HS-SPME技术因操作简便、无须溶剂萃取等优势被广泛应用于样品前处理，该方法通过特定涂层纤维吸附顶空中的目标物，经优化后可提高灵敏度，随后将富集的化合物热解吸进入GC-MS系统进行分析。与HS-SPME技术相比，HS-TRAP技术采用多孔吸附剂作为捕集介质，可实现更大体积顶空气体的萃取，进一步提高了检测灵敏度，但样品前处理过程相对复杂[3]。在色谱分离方面，常使用DB-WAX、HP-INNOWAX等毛细管柱分析啤酒挥发性有机化合物，主要是因为这些极性柱能分离啤酒中的醇、酯、羰基等不同极性的化合物。而质谱检测器具有同时定性、定量化合的优势，也成为目标物鉴定和含量测定的常用方法。此外，为了消除仪器间的系统误差，提高数据的可比性和准确性，基于同位素内标的定量方法逐渐被采用。

3 啤酒中挥发性有机化合物的分析存在的问题

3.1 复杂基质干扰物的分离

啤酒作为一种复杂的发酵饮料，其基质中含有大量的糖类、蛋白质、氨基酸等非挥发性成分。这些组分在样品前处理和色谱分离过程中，会对目标挥发性化合物的分析产生干扰效应。麦芽糖等啤酒中的糖类物质由于具有较强的极性和较大的分子量，在样品萃取和进样过程中易引起色谱柱头部的污染和堵塞，导致分离效率下降和峰形拖尾。同时，一些难挥发的大分子量物质还会在质谱离子源中产生裂解，引入干扰离子影响目标物的定性、定量分析[4]。此外，麦芽和酵母中的蛋白质在加热条件下会发生热裂解，产生吡嗪、吡咯等含氮杂环化合物，其强极性特征也对分析产生一定程度的干扰。尽管采用选择性更强的萃取涂层，如聚二乙烯基苯和分子印迹聚合物能在一定程度上消除基质干扰，提高分析的选择性和灵敏度，但仍难以完全避免基质干扰。

3.2 痕量化合物检测限的问题

啤酒中的某些关键风味物质，如4－乙基愈创木酚等酚类化合物，对啤酒的果香和蜜香风味具有一定影响，但其在成品啤酒中的含量往往低至10-9水平，这对分析方法的灵敏度提出了较高的要求。传统的顶空固相微萃取技术虽然操作简便，但受限于涂层容量和热解吸效率，其检测灵敏度难以满足痕量分析的需求。而大体积顶空捕集技术，如顶空吹扫捕集虽然具有更高的富集能力，但由于啤酒基质中共萃取的水分和乙醇含量高，经常导致吸附剂和低温阱饱和，影响痕量目标物的捕集效率。此外，常用的四极杆质谱仪在选择性和灵敏度上也受到一定限制。尽管采用三重四极杆和飞行时间等质谱技术有助于提高检测灵敏度和选择性，但成本高昂，难以在常规实验室中推广应用[5]。因此，如何在保证分析通量的前提下，突破痕量挥发性化合物的检测限，实现从10-12到10-15水平的超痕量检测，是目前啤酒风味分析技术进一步发展所面临的挑战。

3.3 分析方法标准化的差异

啤酒作为一种全球性消费饮品，不同产区和品牌的啤酒在原料、酿造工艺等方面存在一定差异，导致其挥发性成分的组成和含量水平变异较大。例如，在样品前处理环节，由于不同啤酒中共存基质组成和pH值等理化性质的不同，导致萃取和净化条件难以统一优化。在色谱分离方面，由于目标物性质和含量差异较大，单一色谱柱和升温程序难以兼顾各类化合物的分离需求，经常出现峰串叠和拖尾等现象。此外，不同实验室间在仪器设备、操作习惯等方面也存在较大差异，使得分析结果之间没有可比性。尽管一些国际组织，如美国酿酒化学家协会、欧洲啤酒酿造商协会等发布了一系列分析方法，但总体上缺乏系统性和强制性，难以实现不同实验室间的数据互认[1]。

4 提升啤酒中挥发性有机化合物分析效能的对策

4.1 应用固相微萃取技术优化样品预处理

固相微萃取（Solid Phase Micro-Extraction，SPME）技术具有不需要溶剂、操作简便、易于自动化等优势，在简化啤酒样品前处理方面应用广泛。因此，对SPME萃取过程的优化是消除基质干扰的关键。在涂层选择方面，考虑到啤酒基质的特殊性，传统的聚二甲硅氧烷、聚丙烯酸酯类织物涂层胶等涂层可能无法有效抑制啤酒中极性和大分子量组分的干扰。新型混合涂层，如二甲基硅氧烷/二乙烯基苯、SPME固相微萃取萃取头Carboxen/聚二甲基硅氧烷等，通过结合非极性和极性吸附作用，能提高对啤酒中各类挥发性化合物的选择性萃取能力。

优化萃取条件对啤酒样品的分析也十分重要。啤酒中高含量的乙醇可能与目标化合物竞争SPME涂层的吸附位点，导致萃取平衡时间延长和分析灵敏度降低。因此，可通过调节pH值或添加盐类来抑制乙醇和有机酸的电离，从而减少乙醇和有机酸在涂层上的积累。

鉴于某些啤酒风味化合物含量极低，可采用大体积顶空技术，如顶空泵吸或冷阱吹扫等方法，来增加SPME的萃取容量。这些技术允许延长萃取时间至数小时，有助于富集啤酒中的痕量挥发性成分，提高分析的灵敏度和准确度。通过这些优化策略，SPME技术可为啤酒中挥发性有机化合物的全面分析提供技术支持。

4.2 采用高灵敏度质谱技术提高检测精度

与传统的单四极杆质谱相比，三重四极杆（Triple Quadrupole Mass Spectrometer，QQQ-MS）和高分辨飞行时间质谱（High-Resolution Time of Flight-Mass Spectrometry，HR-TOF-MS）等先进质谱技术在提高检测选择性和灵敏度方面具有独特的优势。以QQQ-MS为例，通过在多反应监测模式下对啤酒中目标挥发性化合物的母离子和子离子进行双重筛选，可提高对复杂啤酒基质中特定香气成分的选择性检测能力，有效消除啤酒中常见的背景干扰和结构相似的香气化合物同分异构体的影响。同时，多反应监测模式下的碰撞诱导解离过程还可诱导啤酒中目标香气化合物产生丰度较高的特征性子离子，从而提升检测灵敏度，将啤酒中微量但对风味有重要影响的挥发性化合物的定量检测限精确至10-9乃至10-12水平。HR-TOF-MS则凭借其超高的质量分辨率（＞40 000 FWHM）和质量精确度（＜1×10-9），可在复杂的啤酒基质中实现对痕量挥发性风味化合物的精准定性和定量分析。利用基于精确质量数的提取离子流技术能够最大限度地减少啤酒样品中的背景干扰。由于QQQ-MS和HR-TOF-MS对仪器操作和数据解析的专业性要求较高，因此如何优化样品进样和离子源等参数，是实现高灵敏度性能的关键。所以，分析人员需要对质谱原理和啤酒基质特性有深入的理解，并掌握系统的仪器调谐和数据处理技能，以期在啤酒挥发性成分的痕量检测领域达到最优分析效能。

4.3 建立全面的挥发性化合物数据库

传统的定性分析主要通过标准物质的保留时间和质谱匹配来实现，但由于商业标准品种类有限和价格昂贵，难以全面覆盖啤酒中数百种的挥发性成分。对此，可采用非目标定性分析策略，以啤酒为研究对象，在不同品牌、产区、原料、工艺条件下采集大量的二维气相色谱-飞行时间质谱数据，通过去卷积算法实现色谱峰的自动分割和纯化，结合精确质量和多级质谱碎片匹配，构建一个包含保留指数、电子电离和化学电离等多维度信息的啤酒挥发性成分数据库。基于这一数据库，可实现未知化合物的快速筛查和识别，为分析方法的进一步优化提供理论基础。同时，该数据库还应纳入不同产区和品牌啤酒的挥发性成分分析数据，通过多变量统计分析，发现不同啤酒之间挥发性成分的差异规律，并以此为基础，有针对性地进行指导分析优化。在数据采集过程中应对样品前处理、分离和检测条件进行严格规范，确保不同批次数据的一致性和可比性。为实现啤酒挥发性成分分析的标准化奠定数据基础。

5 结语

综上所述，啤酒中挥发性有机化合物的精准分析对于啤酒风味品质的优化调控非常重要，但目前仍面临复杂基质干扰、痕量检测困难和分析方法标准化差异等技术问题。综合应用优化的固相微萃取技术、高灵敏度质谱检测手段，并建立全面的挥发性化合物数据库，以提升分析效能，实现啤酒关键风味成分的准确定性和定量检测。未来还需加强多学科交叉融合，在样品前处理、色谱分离、质谱检测和数据分析等环节协同创新，最终实现啤酒挥发性成分分析方法的标准化和自动化，为啤酒风味的精准调控和产品质量提升提供技术支撑。

参考文献

[1]王越，张俊鹏，张雪，等.基于UPLC-Q-TOF-MS技术分析不同品牌啤酒中非挥发性化学成分的差异[J].食品研究与开发，2022，43（1）：173-179.

[2]韩中平，韩永红.基于挥发性风味物质的啤酒焙烤麦芽制麦工艺研究[J].中外酒业，2023（5）：26-39.

[3]刘方征，任雨鑫，张丽萍，等.饱和盐辅助-分散液液微萃取-气相色谱-串联质谱法快速筛查啤酒中氨基甲酸乙酯与9种挥发性亚硝胺[J].食品安全质量检测学报，2022，13（12）：3945-3952.

[4]刘倩，白艳龙，贾建华，等.基于GC-MS和GC-IMS技术比较不同种类麦芽的挥发性物质[J].食品工业科技，2024，45（14）：215-233.

[5]肖琳，白艳龙，梁会朋，等.啤酒花风味物质及分析技术研究进展[J].食品安全质量检测学报，2023，14（22）：162-171.

作者简介：邓思琪（1994—），女，广东茂名人，本科，助理工程师。研究方向：酒类的分析与研究。