Comparison of volatile compounds in five hop (Humulus lupulus) varieties and the effect of solvent and temperature on retainment using Headspace Gas Chromatography-Mass Spectrometry

Abstract

Humle (Humulus lupulus) er en viktig ingrediens i øl. For å få den typiske bitre smaken, samt en attraktiv aroma, har humle vært en del av produksjonen av øl i århundrer. Det er spesielt humlearomaen, som stammer fra flyktige forbindelser i humlens essensielle oljer, som har vært interessant for forskere den siste tiden. Nå til dags baserer ofte bryggere humlevalget sitt på tidligere erfaringer, samt prøving og feiling. Dette er svært subjektivt, og det er derfor av interesse for forskere å utvikle entydige og objektive måter å identifisere de mange ulike humlevariantene og deres bidrag på.

Ved å bruke headspace gass kromatografi-massespektrometri ble de essensielle oljene til fem humlevarianter, “Saaz”, “Hallertau Mittelfrüh”, “Simcoe”, “Citra” og “Centennial”, målt og sammenlignet. Prøvene ble analysert under forhold som forestilte de som er i bryggeprosessen, med sikte på å oppklare og belyse forskjeller i hvordan de flyktige forbindelsene fra humlens essensielle oljer ble bevart i ulike løsemidler, samt ved ulike temperaturer. Fra disse funnene var planen å belyse viktigheten av timing av humletilsetting i bryggeprosessen med hensyn til hvor godt disse flyktige forbindelsene blir bevart, samt for å avsløre analytiske forskjeller forbundet med humlevariantene.

Resultatene fra studien indikerer at for å bevare de flyktige forbindelsene bedre, bør humletilsettingen gjøres i vørter i stedet for i øl, og heller ved høye temperaturer enn ved lave temperaturer. Variasjoner mellom humlevariantene ble vist å være større ved lavere temperaturer. Resultatene indikerte også at når man bruker humlevarianter med høyere innhold av essensielle oljer, vil en større mengde av disse fordampe for disse variantene enn de vil for varianter med lavere innhold. Det er derfor mulig at selv om de har høyere oljeinnhold, er ikke nødvendigvis deres bidrag til smak og aroma større. β-myrcene ble vist å være den viktigste flyktige forbindelsen.

Grunnet kompleksiteten til de flyktige komponentene i humle og det forenklede oppsettet av dette eksperimentet, bør det merkes at ingen generelle konklusjoner kunne trekkes av resultatene i denne studien. Studien er derfor kun ment for å belyse kompleksiteten av humle med hensyn til forskjeller i hvordan deres flyktige forbindelser er bevart i vørter og øl, samt å også vise hvordan temperatur spiller en viktig rolle i denne kompleksiteten.

Hops (Humulus lupulus) is a critical ingredient in beer. In order to add the typical bitter taste, as well as an attractive aroma, hops have been an essential ingredient in beer production for centuries. It is especially the hoppy aroma, which stems from the volatile compounds found in the hop essential oil, that has become of interest to researchers recently. Now, brewers often base their hop selection on past experience and trial and error. This is very subjective, and it is therefore of interest for researchers to develop an unambiguous and objective method for the identification of the many hop varieties out there and their contribution. In order to increase the understanding of the volatile compounds and their behavior in different solvent states and temperatures, this study was conducted.

By the use of headspace gas chromatography-mass spectrometry, the essential oils of five hop varieties, “Saaz”, “Hallertau Mittelfrüh”, “Simcoe”, “Citra” and “Centennial”, were measured and compared. The samples were analyzed in conditions that resembled the brewing process, with an aim to unravel and highlight differences in how the volatile compounds of the hop essential oil were retained in different solvent states, as well as at different temperatures. From these findings, the plan was to highlight the importance of hop addition timing in the brewing process with regards to the retainment of these compounds, as well as to reveal analytical differences linked to the hop varieties.

The results from this study indicated that for better retainment of volatile compounds, hop additions should be done in wort rather than in beer, and rather at higher temperatures than at lower temperatures. Variations between the hop varieties were shown to be larger at lower temperatures. The results also indicated that when using hop varieties with a higher total oil content, a larger percentage of volatile compounds would evaporate than from hop varieties with a lower total oil content. Hence, their flavor and aroma contribution may not necessarily be more significant. β-myrcene was found to be the major volatile compound.

Due to the complexity of hop volatile compounds and the simplified setup of this experiment, it should be noted that no general conclusions could be drawn from the results in this study. The study is therefore meant only to highlight this complexity of the hops with regards to differences in how their volatile compounds are retained in wort and beer, and also to show how temperature plays an important role in this complexity.