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ビールの重要な原料はホップです。多くのビールのフレーバーにおいて、それらは麦芽に重要なバランスをもたらします。また、煮沸時にタンパク質などを沈殿させるのにも役立ちます。ホップには防腐剤の特性もあり、ビールを細菌から守り新鮮に保つのに役立ちます。
ホップの種類も多く、さまざまなフレーバーが楽しめます。ホップは時間の経過とともに風味が低下するため、大切に保管し、新鮮なうちに使用する必要があります。したがって、醸造業者が望ましい製品を開発して提供できるように、ホップの品質を特徴付ける必要があります。
ホップには風味に影響を与える化合物が多数含まれているため、ホップの香りの特徴付けは非常に複雑です。代表的なホップの成分を表 1 に示し、表 2 にいくつかの主要な芳香化合物を示します。
ホップの品質を評価する伝統的な方法は、経験豊富な醸造家が指でホップを潰し、放出される香りを嗅いで五感でホップを評価するというものでした。これは有効ではありますが、客観的ではなく、ホップの使用方法を適切に決定するために必要な定量的な情報が不足しています。
本研究では、ガスクロマトグラフィー・質量分析法を用いてホップの香りを客観的に化学分析できるシステムの概要を説明するとともに、クロマトグラフィーカラムから溶出する各成分の嗅覚をモニタリングする手法を提供します。
静的ヘッドスペース (HS) サンプリングは、ホップから芳香成分を抽出するのに非常に適しています。図1に示すように、計量したホップ（粒または葉）をガラス瓶に入れて密封します。
図 1. ヘッドスペースサンプルボトル内で分析を待つホップ。画像出典: PerkinElmer 食品の安全性と品質
次に、バイアルはオーブン内で、設定された固定温度で、設定された一定時間加熱されます。ヘッドスペース サンプリング システムは、バイアルから一部の蒸気を抽出し、分離と分析のために GC カラムに導入します。
これは非常に便利ですが、静的ヘッドスペース注入はヘッドスペース蒸気の一部を GC カラムに提供するだけであるため、高濃度化合物には確かに最適です。
複雑なサンプルの分析では、特定の成分の含有量が少ないことがサンプル全体の香りにとって重要であることがよくわかります。
ヘッドスペース トラップ システムは、GC カラムに導入されるサンプルの量を増やすために使用されます。この技術を使用すると、ヘッドスペースの蒸気のほとんどまたは全体が吸着トラップを通過して、VOC を収集および濃縮します。次にトラップが急速に加熱され、脱離した成分が GC カラムに移送されます。
この方法を使用すると、GC カラムに入るサンプル蒸気の量を最大 100 倍に増やすことができます。ホップの香り分析に最適です。
図 2 ～ 4 は、HS トラップの動作を簡略化して示したものです。サンプル蒸気が到達すべき場所に確実に到達するためには、他のバルブや配管も必要です。
図 2. HS トラップ システムの概略図。キャリア ガスで加圧されているバランス バイアルを示しています。画像出典: PerkinElmer 食品の安全性と品質
図 3. バイアルから吸着トラップへの加圧ヘッドスペースの解放を示す H2S トラップ システムの概略図。画像出典: PerkinElmer 食品の安全性と品質
図 4. HS トラップ システムの概略図。吸着トラップに収集された VOC が熱的に脱着され、GC カラムに導入されることを示しています。画像出典: PerkinElmer 食品の安全性と品質
この原理は本質的に古典的な静的ヘッドスペースと非常に似ていますが、蒸気加圧後、バイアル平衡化ステップの最後に、吸着トラップを通して完全に空になります。
ヘッドスペースの蒸気全体を吸着トラップを通して効果的に排出するには、このプロセスを繰り返すことができます。トラップが装填されるとすぐに加熱され、脱離した VOC が GC カラムに移送されます。
主力製品である Clarus® 680 GC は、システムの残りの部分を理想的に補完します。クロマトグラフィーは要求が厳しくないため、簡単なテクニックを使用できます。ユーザーが嗅覚モニタリングのために隣接するピーク間に十分な時間を確保し、ユーザーがそれらを互いに区別できるようにすることが重要です。
過負荷にならずにできるだけ多くのサンプルをクロマトグラフィーカラムにロードすることは、ユーザーの鼻にサンプルを検出する最良の機会を提供するのにも役立ちます。このため、厚い固定相を備えた長いカラムが使用されます。
ホップに含まれる多くの成分 (ケトン、酸、エステルなど) は極性が非常に高いため、分離には極性の高い Carbowax® タイプの固定相を使用してください。
カラム流出液は MS と嗅覚ポートに供給する必要があるため、何らかの形式のスプリッターが必要です。これはクロマトグラムの完全性にいかなる形でも影響を与えるべきではありません。したがって、不活性性が高く、内部形状が低容量である必要があります。
スプリッターでメイクアップガスを使用すると、スプリット流量をさらに安定させて制御できます。S-SwaferTM は、この目的に非常に適した優れたアクティブ分光デバイスです。
S-Swafer は、図 6 に示すように、カラム流出液を MS 検出器と SNFR 嗅覚ポートの間で分割するように構成されています。出口と嗅覚ポートを交換します。
図 6. Clarus SQ 8 GC/MS および SNFR で使用するように構成された S-Swafer。画像出典: PerkinElmer 食品の安全性と品質
Swafer システムに付属の Swafer ユーティリティ ソフトウェアを使用して、この分割比を計算できます。図 7 は、このアプリケーションの S-Swafer の動作条件を決定するためにこの計算機を使用する方法を示しています。
図 7. Swafer ユーティリティ ソフトウェアは、このホップの香り特性評価タスクに使用される設定を示しています。画像出典: PerkinElmer 食品の安全性と品質
質量分析計は、香り特性評価システムの重要な部分です。GC カラムから溶出するさまざまな成分の香りを検出して表現するだけでなく、これらの成分が何であるか、ホップにどれだけ含まれているかを判断することも重要です。
このため、Clarus SQ 8 四重極質量分析計は理想的な選択肢です。提供されている NIST ライブラリの古典的なスペクトルを使用して、成分を迅速に特定し、定量化します。このソフトウェアは、この研究で後述する嗅覚情報と相互作用することもできます。
SNFR アタッチメントのイメージを図 8 に示します。SNFR アタッチメントは、柔軟な加熱伝達ラインを介して GC に接続されています。スプリットカラム流出液は、不活性化された石英ガラスチューブを通ってガラスノーズクランプに流れます。
ユーザーは内蔵マイクで音声ナレーションを録音したり、ジョイスティックを調整することで GC カラムから溶出する芳香成分の芳香強度をモニタリングしたりできます。
図 9 は、さまざまな国の 4 つの代表的なホップのトータル イオン クロマトグラム (TIC) を示しています。図 10 では、ドイツのハラタウの一部が強調表示され、拡大されています。
図 9. 4 ホップサンプルの典型的な TIC クロマトグラム。画像出典: PerkinElmer 食品の安全性と品質
図 11 に示すように、MS の強力な機能により、Clarus SQ 8 システムに含まれる NIST ライブラリを検索することで、質量スペクトルから特定のピークを識別できます。
図 11. 図 10 で強調表示されたピークの質量スペクトル。画像出典: PerkinElmer Food Safety and Quality
図 12 は、この検索の結果を示しています。これらは、36.72 分で溶出するピークが、リナロールとしても知られる 3,7-ジメチル-1,6-オクタジエン-3-オールであることを強く示しています。
図 12. 図 11 に示す大量ライブラリの検索結果。画像出典: PerkinElmer Food Safety and Quality
リナロールは、ビールに繊細な花の香りを与える重要な芳香化合物です。この化合物の標準混合物を使用して GC/MS を校正することにより、リナロール (またはその他の同定された化合物) の量を定量化できます。
ホップ特性の分布マップは、クロマトグラフィーのピークをさらに特定することによって確立できます。図 13 は、前に図 9 に示したドイツのハラタウ クロマトグラムで特定されたさらに多くのピークを示しています。
図 13. 4 ホップサンプルの典型的な TIC クロマトグラム。画像出典: PerkinElmer 食品の安全性と品質
注釈付きのピークは主に脂肪酸であり、この特定のサンプルにおけるホップの酸化の程度を示しています。豊かなミルセンのピークは予想よりも小さい。
これらの観察は、このサンプルがかなり古いことを示しています (これは真実です。これは不適切に保管されている古いサンプルです)。追加の 4 つのホップ サンプルのクロマトグラムを図 14 に示します。
図 14. さらに 4 ホップのサンプルの TIC クロマトグラム。画像出典: PerkinElmer 食品の安全性と品質
図 15 は、スキップ クロマトグラムの例を示しています。ここでは、音声ナレーションと強度記録がグラフィックで重ねられています。音声ナレーションは標準の WAV ファイル形式で保存され、簡単なマウスクリックだけで、表示されたクロマトグラムの任意の位置でこの画面からオペレーターに再生できます。
図 15. TurboMass™ ソフトウェアで表示されたホップ クロマトグラムの例。オーディオ ナレーションと香りの強さがグラフィカルに重ね合わされています。画像出典: PerkinElmer 食品の安全性と品質
ナレーション WAV ファイルは、Windows® オペレーティング システムに含まれる Microsoft® Media Player など、ほとんどのメディア アプリケーションからも再生できます。録音時に音声データをテキストに書き起こすことができます。
この機能は、SNFR 製品に含まれる Nuance® Dragon® Naturally speech ソフトウェアによって実行されます。
表 9 に示すように、一般的なホップ分析レポートには、ユーザーが書き起こした説明とジョイスティックで記録された香りの強さが表示されます。レポートの形式はカンマ区切り値 (CSV) ファイルであり、Microsoft® への直接インポートに適しています。 Excel®などのアプリケーションソフト。
表 9. 一般的な出力レポートには、音声ナレーションから転写されたテキストと、対応する芳香強度データが表示されます。出典: パーキンエルマーの食品の安全性と品質