在含酒精饮品中，啤酒占全球市场份额的78%左右[1]，这与其令人愉悦的感官品质及其在营养和健康上的优良特性密不可分[2]。尽管苦味是人们较为排斥的食品风味特征，但对啤酒而言，苦味却是消费者评价啤酒品质的重要指标[3]。啤酒花在啤酒中的添加比例非常少，却赋予其苦味特征，同时还能提高啤酒的抑菌防腐和泡沫稳定性[4]。
目前已发现超过800种影响啤酒感官品质的物质，但仅少数酯类、有机酸、高级醇、醛酮类化合物是构成啤酒整体感官特性的关键风味因子[5]。其中，来源于啤酒花中的苦味成分则是影响啤酒苦味口感的关键因素。研究表明，随着啤酒老化，苦味品质向着衰减、持续、绵长、涩感的方向发展，啤酒的适口感下降，这也是啤酒品质控制面临的突出问题[6]。尽管国内也有关于异α-酸在啤酒酿造、储存等过程含量变化的报道[7]，但与目前领域的研究前沿还有一定差距。因此，本文拟对啤酒花中影响啤酒苦味品质的主要成分α-酸、β-酸、黄腐酚及其衍生物的苦味特征、苦味物质结构差异与苦味强度之间的关联进行综述，以期对啤酒领域的研究和生产提供理论参考。
1 啤酒苦味的分析
苦味是啤酒酿造过程中关注的重要因素，与啤酒花中的苦味酸及其衍生物等多种物质有关，对这类物质的检测方法也有很多（见表1）。检测分析、感官评价手段的发展，特别是新型仪器检测方法的开发，为啤酒中苦味关键因子的分析鉴定、苦味品质的调控提供了更多途径，也推进了啤酒产销全过程中来源于啤酒花的苦味物质及代谢衍生物的分析、鉴定等研究的快速发展。
表1 啤酒中苦味物质的分析方法特点及差异
Table 1 Characteristics and differences of the analysis methods for bitterness substances in beer
方法 原理 优势 缺点 参考文献苦味值法（光度法）液相色谱法存在“实验室误差”和基体干扰，精密度和可重现性较低；忽略了多酚类、氧化酒花酸类物质的苦味贡献无法直接评定啤酒的苦味品质和化合物的苦味强度[8][9]感官品评法核磁共振波谱法荧光光谱法需要专业人员，无法避免人为主观性[10]“液液萃取”原理，用异辛烷萃取啤酒中苦味质分析换算色谱分离原理，配合不同检测器进行分析可判定某一化合物苦味强度和口感利用核磁共振现象推测化合物结构利用异α-酸荧光效应电化学传感器为传感单元，测定响应物质的各类信号敞开式电离技术，靶向分析体系中化合物的组成是业界广为使用的方法及参照标准灵敏度和分离效率高、样品用量少，可实现准确定量定性感官品评能反映出样品实际风味，突出特征化合结构定性准确，可建立模型，达到对产品的感官特性的有效评估“非破坏性”分析方法；利用多元统计法对荧光信号进行了校正快速反映体系的整体风味信息无需样品预处理，实时、连续、在线分析仪器价格昂贵，推广性差[11]啤酒中苦味物质的复杂性和不确定性影响大[12]电子舌法电喷雾萃取电离质谱法传感器信号与啤酒特定成分的相关性仍处于研究阶段[13]仪器价格昂贵，不易推广[14]
2 啤酒和啤酒花中的苦味成分
啤酒花中的苦味成分主要为三大类——α-酸，β-酸和黄腐酚，其在一定条件下会进一步发生化学转化。其中，异α-酸及其转化产物、α-酸和β-酸的氧化物、黄腐酚的异构/氧化产物是对啤酒苦味贡献最主要的物质[15]。
2.1 α-酸及其衍生物
2.1.1 α-酸
α-酸（1A）是啤酒花中最主要的成分，也是衡量啤酒花品种的最重要依据。因品种、土壤、气候等差异，α-酸的含量约占啤酒花质量的2%～17%。根据《巴特报告》，可将啤酒花分为优质香型、香型、高酸型等[16]。α-酸因酰基侧链的不同，存在3种最主要的同系物：葎草酮（n-）、合葎草酮（co-）、加葎草酮（ad-），三者的含量分别约占α-酸质量的35%～70%、20%～65%、10%～15%[17]。
虽然α-酸是啤酒花最主要的苦味酸，但因结构的疏水性，α-酸能保留在啤酒里的含量最高仅为14 mg/L，对其研究，主要集中在对其异构化和降解产物的分析上[18-19]。尽管也有研究测定了α-酸的苦味阈值[5]，但即使α-酸处于最大的溶解量也不足以带来苦味口感[20]，因此啤酒中来源于α-酸的苦味可忽略不计。
2.1.2 α-酸的异构化、氢化产物
异α-酸（2A、3A）是α-酸经质子化和酮醇重排形成的有两个手性碳原子的五元环化合物[21]，具有较好的水溶性，其对啤酒的苦味贡献率约占80%[22]；因有手性碳原子，而存在顺、反式两种结构。传统酿造中，α-酸异构化的比例仅有25%～35%[23]。在现代工业中，啤酒花提取物、异构化浸膏、四氢异α-酸的应用增多，前者α-酸的利用率提高到45%以上，后者可超85%[23]。在啤酒酿造过程中，顺、反式异α-酸的生成比例约为70∶30[24]，且顺式异α-酸苦味更强烈，顺式异葎草酮的苦味比顺式合葎草酮更强烈[25]。INTELMANN D等[25]还分析了异α-酸六个同系物的苦味阈值（见表2）。
表2 α-酸及其衍生物的结构及相关信息
Table 2 Relevant information and structures ofα-acids and their derivatives
结构R/R'编号化合物阈值/（μmol·L-1）或苦味特征
R（下同）：co-=-CH（CH3）2；n-=-CH2CH（CH3）2；ad-=-CH（CH3）CH2CH3 1A α-酸co/n/ad：17/21/21 R1'=-H；R2'=
2A 顺式异α-酸co/n/ad：7/10/8 3A 反式异α-酸co/n/ad：19/20/13涩感，无金属味，少许果味和蔬菜味R'1=-OH；R'2=
4A 苦感为异α-酸的66%R1'=-H；R2'=
5A/6A
R'1=-H；R'2=
7A/8A R1'= R2'=
9A R1'= R2'=
10A R1'= R2'=-OH 11A葎草灵酮顺式-/反式-氢过氧化-同异葎草酮顺式-/反式-羟基-同异葎草酮4'-羟基-同异葎草酮4'-羟基同-顺式-葎草酮顺式氧化葎草酸- - - - -R1'= R2'=-OH 12A
13A/14A反式氧化葎草酸scorpio葎草灵醇A/B
- -15A/16A二环葎草灵醇A/B
R1'=-H；R2'=
17A/18A三环氧化异葎草酮A/B- - - -
续表
结构R/R'编号化合物阈值/（μmol·L-1）或苦味特征R1'=-H；R2'=
19A R1'=-CH3;R2'=-H 20A三环过氧化异葎草酮脱异丙基三环异葎草酮
-21A 三环过氧化葎草酮- - -co：30
R1'=22A
R1'=
23A三环合葎草醇三环合葎草烯co：5 R1'=
24A 25A 26A co：10 co：70 co：70
27A 28A
29A 30A
- - - - - - -31A异三环葎草烯四环葎草醇差异四环葎草醇顺式-葎草酸反式-葎草酸顺式同异葎草酮反式同异葎草酮三环葎草乳醇
32A scorpio葎草醇- - - - - -R1'=-CH2CH=C（CH3）2 R2'=
33A 二氢-异-α-酸
R1'=-CH2CH2CH（CH3）2 R2'=
34A 四氢-异-α-酸R1'=-CH2CH2CH（CH3）2 R2'=
35A 六氢-异-α-酸少许药味、较重的蔬菜水果味、苦味较淡药味、金属味、涩感、苦感强烈丰富药味、阿司匹林味、金属味蔬菜味、草味
异α-酸由于光不稳定性而存在“曝光（lightstruck）效应”，会分解产生异戊烯基硫醇和脱氢蛇麻酸等硫醇类化合物，具有“臭鼬”气味[26]。针对异α-酸的光致降解，一般啤酒均采用绿色或棕色等不透明包装，以降低或消除不愉悦口感。基于此，MOIR M[27]最先提出“异α-酸加氢稳定”的观点，并依据分子中所加氢原子的数量分为二氢（33A）、四氢（34A）、六氢（35A）异α-酸。此后，FRISTCH A H[28]对异α-酸及其氢化产物的苦味特征进行了描述（见表2）。由于33A～35A具有显著的光稳定和泡沫稳定性，因此生产的啤酒可使用透明瓶灌装；其中，34A已在啤酒酿造中广泛使用。
2.1.3 α-酸及异α-酸的氧化、降解产物
α-酸因其不稳定性，除异构化外，在啤酒酿造和储存过程中会主要依赖氧的氧化反应[29]。葎草灵酮（4A）是α-酸自然氧化的主要产物[30]，比异α-酸多一个羟基，因而水溶性更强。尽管葎草灵酮的苦感约为异α-酸的66%[8]，但其更高的水溶性可增强啤酒的苦味。TANIGUCHIY等[31]采用煮沸实验研究了α-酸的氧化产物，其中葎草灵酮可被氧化为9A，9A可异构化为10A，也可进一步氧化代谢为11A（11A还可异构化为12A）[32]、13A～16A[33]；并且在啤酒花储存过程中，α-酸还会氧化为17A～21A，其中21A不稳定又会迅速异构化为19A[34]。但对于这些化合物的苦味品质和阈值研究尚未见报道。
因α-酸在酒体本身存在极少，酒体中以异α-酸的氧化产物为主。研究表明，顺式异α-酸的稳定性较强，因而在啤酒老化过程中反式异α-酸更易降解[6]，伴随着异α-酸的降解，啤酒苦味也会有所衰减。异α-酸在麦汁煮沸过程中的氧化产物为邻二醇类化合物[35]，自然氧化产物除5A、6A外，还有27A～30A；另外，5A/6A还会进一步氧化为7A/8A[36]。INTELMANN D等[19]研究了异α-酸降解过程，发现异α-酸会转化为导致酒体苦味“绵长而涩口”的物质22A～26A，且仅反式异α-酸会产生此类降解产物，这也验证了顺式异α-酸比反式结构更稳定。然而，氧化产物27A～30A的形成中，顺式和反式异α-酸具有同等的贡献，并不符合“顺式比反式稳定”的规律。INTELMANN D等[37]在首次确定了5A～8A的绝对构型后，还提出顺/反式异α-酸会分别氧化产生对应的顺/反异构氧化产物，并鉴定了异α-酸的降解产物31A、32A[38]，但对其苦味特征未见进一步报道。
上述研究可初步得出：α-酸经异构化后，由六元环转化为五元环结构，苦味强度增强；对比异α-酸和葎草灵酮的结构，后者在五元环上多一个羟基，但苦味强度降低，这一规律同样适用于22A～24A，说明羟基的加入会降低化合物的苦味程度。对比23A和24A，两者的差别在于24A的碳碳双键在碳链的末位，说明末位碳碳双键会增强苦味程度。
2.2 β-酸及其衍生物
2.2.1 β-酸
相对α-酸，β-酸（1B）及其衍生物的研究较少。与α-酸类似，β-酸也有3种主要同系物：蛇麻酮、合蛇麻酮、加蛇麻酮。但β-酸比α-酸在结构上增加了一个异戊烯基，导致酸性较弱，疏水性更强，溶解度仅为8.5 mg/L[39]，三种同系物的苦味阈值均＞35μmol/L，因此β-酸本身并不能为啤酒提供苦味。HASELEU G等[40]认为，在酿酒过程中β-酸会完全消失，对啤酒没有苦味贡献。而β-酸结构中的芳香环上不存在叔醇基团，因此不能发生类似α-酸的异构化反应。
2.2.2 β-酸的氧化、氢化产物
研究表明，β-酸极易被氧化[24]，压缩啤酒花在储存12个月后其含量会降低51%～83%[41]。TANIGUCHIY等[42]认为，利用β-酸的氧化物进行酿造，酒体可呈现出令人愉悦的苦感。β-酸易被氧化生成希鲁酮（2B），其是人们普遍认同的β-酸氧化产物，尽管其在啤酒中的含量大约为1～2 mg/L[43]，苦味强度也仅为异α-酸的84%[8]，但其具有“短暂而温和”的苦感，与异α-酸的苦感类似[42]，因此希鲁酮对啤酒的苦味品质具有一定影响。β-酸的另外一个重要的反应是其可生成三环结构的化合物（4B～12B），JOHN G D等[44]在1978年首次报道了这一反应并迅速引起了业界的重视。
HASELEU G等[40，45]发现，β-酸在麦汁煮沸过程中生成的氧化产物对啤酒的苦味起到一定贡献，并鉴定出了β-酸的氧化产物2B～8B，苦味阈值介于7.9～90.3μmol/L（见表3）。此后，VERZELE M等[46]还确定出β-酸的降解产物9B、10B。与异α-酸的加氢稳定相同，由于β-酸侧链含三个异戊烯基基团，因此β-酸可加氢生成六氢β-酸（10B），其具有很高的稳定性和抑菌防腐等生理活性，但不具苦味，因此将其应用于非啤酒食品体系的前景广阔[47]。
表3 β-酸及其衍生物的结构及相关信息
Table 3 Structures and relevant information ofβ-acids and their derivatives
结构R/R'编号化合物阈值/（μmol·L-1）
R（下同）：co-=-CH（CH3）2；n-=-CH2CH（CH3）2；ad-=-CH（CH3）CH2CH3 1B β-酸 ＞35；co～39.3
2B 希鲁酮-OH-H
3B 4B 5B/6B希鲁酸降三环合希鲁酮脱氢三环合希鲁酮A/B苦味程度为异α-酸的84%；co～7.9 68.5 90.3 A：17.1，B：14.7
7B/8B 9B/10B 11B/12B三环希鲁酮A/B羟基三环合希鲁酮A/B氢过氧化三环合希鲁酮A/B A：54.4，B：37.9 A：40.5，B：40.8 A：20.5，B：20.9
-13B差向希鲁酮-
-14B 六氢-β-酸 无苦味
综合分析可得出，β-酸氧化生成希鲁酮后，六元环转化为五元环，苦味强度增强；而其进一步转化为3B后，母体结构未变，但增加了一个羟基，致其苦味程度降低；对比5B、6B，R'取代基中存在双键时苦味增强，这也符合羟基加入降低苦味，双键加入增强苦味的规律。
2.3 黄腐酚及其衍生物
2.3.1 黄腐酚
除啤酒花软树脂，啤酒花中还含有较多的黄酮、酚酸等酚类化合物，其中含异戊烯基的查尔酮类化合物是最令研究者关注的活性组分[48]，而黄腐酚（1C）是啤酒花中含量最为丰富的含异戊烯基的查尔酮[49]。黄腐酚的苦味阈值为10μmol/L[50]，且酒体中黄腐酚含量的增加会使啤酒呈现“良好且愉悦”的苦味特征[51]。然而传统酿造过程中，黄腐酚在啤酒中的含量甚微[49]，这一是黄腐酚会和麦汁或发酵液中的蛋白质结合而沉淀损失，二是其与α-酸类似，会发生异构化、氧化降解反应。
2.3.2 黄腐酚的异构化及氧化产物
黄腐酚在煮沸时会迅速发生异构化，生成苦感较低的异黄腐酚（8C）和去甲基黄腐酚（12C），而12C还会进一步异构化为14C和15C，这些物质均可对啤酒的苦味产生影响[25]。更新的研究发现，黄腐酚和异黄腐酚均会发生氧化反应，产生许多氧化代谢产物[29，52-53]，这些产物对啤酒的苦味也有一定的贡献[50]，见表4。
表4 黄腐酚及其衍生物的结构及相关信息
Table 4 Structures and relevant information of xanthohumol and their derivatives
结构R-取代基编号化合物阈值/（μmol·L-1）
1C 2C 3C 4C 5C 6C 7C 8C黄腐酚黄腐酚P黄腐酚D黄腐酚H黄腐酚N 2″-羟基-黄腐酚M黄腐酚M异黄腐酚10 20 24 25 13 9 14 16
R1，R3=H；R2=
9C 10C 11C 12C 24 25 19 16 R1，R2=
；13C
R3=-CH3 R2=H；R1=
14C R1=H；R2=
15C 7 8 116C黄腐酚P黄腐酚H黄腐酚M去甲基黄腐酚5′-异戊烯基黄腐酚8-异戊烯基柚皮素6-异戊烯基柚皮素4′-羟基tunicata查尔酮
- -17C 异黄腐酮0 7 6
续表
）
分析黄腐酚及其衍生物的苦味阈值可知，黄腐酚经异构化后，母体中查尔酮结构发生了环化，碳碳双键打开成环，形成的异黄腐酚苦味强度降低。当母体相同时，R取代基中含羟基时，其苦味强度会有所下降（6C除外）；R取代基含碳碳双键时，化合物的苦味强度会增加；但当R取代基中同时含有碳碳双键和羟基，化合物的强度一般会降低（如3C）；而当R取代基上的羟基氢被烷基取代后，苦味会增强，但随着烷基碳链的增长苦味会减弱（9C～11C）；若R取代基与六元环上的羟基发生环化，则其苦味强度会明显提升（18C～23C）。此外，母体环上的氢被异戊烯基取代，苦味强度会随异戊烯基的增加而增强（16C、17C）。
2.4 其他影响苦感的物质及因素
啤酒花中其他多酚也对啤酒苦味品质有一定影响。除黄腐酚及其衍生物外，还包括以槲皮素、山柰素及其糖苷类为代表的黄酮醇类化合物、儿茶酸为代表的黄烷三醇类、阿魏酸为代表的羧酸类等，总量约占啤酒花干质量的4%左右[49-50]。影响啤酒苦味的其他化合物信息见表5。从表5的结构可知，羟基增加，苦味强度会降低再次得到验证，如槲皮素和山柰素类化合物苷元上存在较多羟基，涩口感较强；香豆酸类化合物的同系物中，当R-为氢时（即末位为羟基），未表现出苦味特征，这或许是因为涩感在一定程度上会掩蔽苦味。
研究表明[54]，总多酚含量高低及多酚类化合物的种类、聚合度和分子量的差异等都是引起啤酒酒体苦味和涩味感变化的重要因素，在异α-酸的存在下，总多酚可对啤酒的苦味起到累加效应；且啤酒中总多酚的浓度每增加15～20 mg/L，啤酒酒体的苦味值将提高一个单位[54]。此外，啤酒酿造中对残糖量和酒精度的控制是平衡苦味的重要环节[55]。
表5 其他苦味化合物的结构及相关信息
Table 5 Structures and relevant information of other bitterness substances
结构 R-取代基 编号 化合物阈值/（μmol·L-1）苦味 涩味
-1D 槲皮素- 15
-OH 2D 28 2 29 1-H-3D
4D 35 5- 22-H 6D 5D
-CH3- 184-CH2CH37D槲皮素3-O-β-D-吡喃半乳糖苷山柰素3-O-β-D-吡喃半乳糖苷山柰素3-O-β-D-（6″-丙二酰基）-吡喃半乳糖苷顺式-p-香豆酸顺式-p-香豆酸甲酯顺式-p-香豆酸乙酯反式-p-香豆酸-CH3 195-H 8D - 22
9D 189 --CH2CH310D 198 -
11D 5 -
12D 10 -
13D 37 -
14D 10 -
- - -15D反式-p-香豆酸甲酯反式-p-香豆酸乙酯合多裂醇吡喃半乳糖苷加多裂醇吡喃半乳糖苷多裂醇二碳吡喃半乳糖苷反式-N-阿魏酰酪胺1-甲氧基-4-异戊烯基间苯三酚44 -
3 结论及展望
综上所述，随着仪器分析技术的发展，目前对于啤酒中苦味物质的分析鉴定方法较为成熟，以此为基础，对啤酒花中的苦味物质及其代谢衍生物的研究也日益活跃，但对已确认化合物的苦味强度和品质特征的描述和研究相对较少，许多化合物的代谢转化机理仅停留在推理层面，缺乏全面、科学、系统的研究。控制啤酒的老化和活性物质的降解是啤酒酿造者们长期关注的重点，然而对啤酒独特适宜的苦味品质起到关键作用物质的代谢转化途径和机理，及其在酿造过程中的关键工艺控制点尚未被阐明。已有文献报道，啤酒花中部分苦味物质的降解产物在一定程度上可改善啤酒的整体风味，可能使啤酒的品质和口感更佳多元化、更具独特性；结构中羟基的增加会提升涩感，并且在一定程度上会掩蔽苦感；碳碳双键的加入会增强苦味强度等，但这些工作相对数量较少，研究也不够细致，是否具有普适性、生产的啤酒产品是否能被市场接受未来还需要大量的工作来研究考证。
中国的啤酒产量在全球首屈一指，但啤酒产业“大而不强，多而不精”的现状亟待解决。通过控制啤酒花的加工、储藏、添加工艺，调整、优化、改善酿造条件而得到苦味风格独特且风味多样的优质啤酒是有趣而富有意义的工作。但由于啤酒花中组分的复杂性，苦味成分对外界环境的敏感性、以及各种成分代谢转化过程的不确定性等，尚需更为细致深入的研究，才能为啤酒产业提质升级提供更具参考价值的科学理论支撑。
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