Comparative analysis of volatile and non-volatile metabolites in beer brewed with different rice cultivars

Abstract

Barley malt has been used as the main ingredient of fermented sugar utilized by yeast in brewing beer. However, in recent years, it has been replaced by adding other grains such as rice, wheat and corn. When brewing beer, the use of rice as a subsidiary material affects the taste and flavor characteristics of the final beer. The objective of this study was to compare non-volatile (sugars, sugar alcohols, amino acids and organic acids) and volatile metabolites between beer brewed with rice and the control (beer brewed with barley malt only). A total of five domestic rice cultivars (miho, MH; samkwang, SK; hangaru, HG; palbangmi, PB; and dodam, DD) were used in this study, which have different amylose content. Volatile metabolites were extracted using solid phase microextraction (SPME) method and stir bar sorptive extraction (SBSE) method respectively, and then analyzed by GC-MS. A total of 56 volatile metabolites was analyzed by SPME method, including 8 alcohols, 2 aldehydes, 6 benzene derivatives, 30 esters, 1 ketone, 1 phenol, 1 hydrocarbon and 7 terpenes. In addition, a total of 84 volatile metabolites were detected by SBSE method, including 12 acids, 8 alcohols, 6 aldehydes, 5 benzene derivatives, 32 esters, 3 ketones, 3 lactones, 1 phenol, 5 hydrocarbons, and 9 terpenes. In case of non-volatile metabolites, a total of 51 non-volatile metabolites were detected with 18 carbohydrates, 13 amino acids and 20 organic acids. Statistical analyses such as PCA and PLS-DA were performed to identify differences in non-volatile and volatile metabolites between beers brewed with rice and also with the control. The result of multivariate statistical analysis shows clear distinction according to whether the beer was brewed with rice or not. In particular, the beer samples brewed with HG and DD cultivars were distinguished from other rice cultivars. As for the SPME method, HG and the control were grouped together in positive direction. Esters such as 2-ethyl hexyl acetate, ethyl 2-methyl propanoate and propyl acetate were volatile metabolites highly contributing to the distinction of the control and HG from other beers brewed with rice. When analyzed by SBSE method, metabolites derived from fatty acids such as ethyl dodecanoate, decanoic acid and (2E, 3E)-hexa-2,4-dienal were found to have a high contribution to the differentiation of HG, DD and the control. In SK, PB and MH, lipid-derived metabolites were shown to be less than HG and DD. Fatty acids, such as pentanoic acid, octanoic acid, decanoic acid, hexadecanoic acid and octadecanoitc acid, were found to be more in control than in beers brewed with rice. The unique metabolites existed only in HG or highly quantified were β-caryophyllene and methyl benzoate. Non-volatile metabolites were analyzed using GC-TOF/MS after derivatization. Beer brewed with barley malt showed higher amount of amino acids and fatty acids compared to beer brewed with rice, which increased the amount of volatile metabolites from them, such as 2-phenylethanol, octanoic acid, ethyl hexanoate and so on, in the control. On the other hand, beer brewed with rice showed higher lactic acid and succinic acid content, which are organic acids usually represented in Korean alcohol beverage made from rice, makeolli. Among beers brewed with rice, SK, PB and MH showed similar volatile profiles with metabolites characterized by sweet and fruity odor description. Meanwhile, DD and HG were grouped with the control on PLS-DA plot by representing various metabolites with waxy and fatty odor description. In particular, lipid-derived metabolites such as decanoic acid, (2E, 4E)-hexa-2,4-dienal and ethyl decanoate contributed to the discrimination of HG and DD apart from other rice cultivars. This could be due to the higher lipid content in HG and DD, which represented similar figures to the control compared to other rice cultivars. As a result, this study could suggest the possibility of selecting suitable rice cultivars according to the targeted flavor on the metabolite profiles, which can affect overall aroma and flavor of beer. However, further studies are still needed to fully understand the interrelationships between actual sensory properties and metabolite profiles of beer brewed with rice. It will be meaningful for the food industry to evaluate the possibility of domestic rice cultivars not only for brewing but also broader applications. ;보리 맥아는 맥주 양조 시 효모가 이용하는 발효당의 주원료로서 사용되어왔다. 하지만, 최근 들어 쌀, 밀, 옥수수 등과 같은 다른 곡물들을 함께 첨가함으로써 주원료인 보리 맥아를 대체하고 있다. 맥주를 양조할 때, 쌀을 부원료로 사용하는 것은 최종 맥주의 맛과 향 특성에 영향을 줄 수 있다. 본 연구에서는 보리 맥아만을 첨가해 담근 맥주를 기준 시료로 하여, 국내산 쌀 품종 30 % 를 첨가해 담근 맥주의 비휘발성 성분 (당, 당알코올, 아미노산, 유기산)과 휘발성 성분 (향기성분)을 비교 분석하여 맥주 부원료로서의 쌀 품종 별 특성을 알고자 하였다. 총 다섯 가지 국내산 쌀 품종 (미호, 삼광, 한가루, 팔방미, 도담)이 실험에 쓰였으며, 이는 amylose 함량 별로 차이를 두고 선정되었다. 휘발성 성분은 stir bar sorptive extraction (SBSE) 방법과 solid phase microextraction (SPME) 방법을 이용해 추출되었고, 각각 GC-MS를 통해 분석되었다. SBSE 방법을 통해 12 종의 acids, 8 종의 alcohols, 6 종의 aldehydes, 5 종의 benzene derivatives, 32 종의 esters, 3 종의 ketones, 3종의 lactones, 1 종의 phenols, 5 종의 hydrocarbons, 그리고 9 종의 terpenes를 포함하여 총 84 개의 휘발성 성분이 정성되었다. 또한 SPME 방법을 통해 8 종의 alcohols, 2 종의 aldehydes, 6 종의 benzene derivatives, 30 종의 esters, 1 종의 hydrocarbon, 1 종의 ketone, 7 종의 terpenes, 그리고 1 종의 phenols를 포함하여 총 56 개의 휘발성 성분이 정성되었다. 비휘발성 성분의 경우 18 종의 carbohydrates, 13 종의 amino acids, 그리고 20 종의 organic acids로 총 51 종의 비휘발성 성분이 검출되었다. 기준 시료와 쌀을 첨가한 맥주 시료 간, 그리고 쌀을 첨가한 맥주 시료 간의 성분 차이를 확인하기 위해 PCA, PLS-DA 통계 분석을 실시하였다. 휘발성 성분의 다변량 통계 분석 결과, 쌀 첨가 유무에 따라 기준시료가 명확하게 구별되었고, 쌀맥주 간에는 한가루와 도담 품종이 다른 쌀 품종들과 구분되는 양상을 보였다. 기준 시료의 구분에 기여도가 높은 휘발성 성분에는 2-ethylhexyl acetate, ethyl 2-methyl propanoate, propyl acetate 와 같은 ester류가 SPME 방법 상으로 동정되었다. SBSE 방법으로는 decanoic acid, (2E, 3E)-hexa-2,4-dienal 과 같은 지방산 유래 성분들이 기준 시료의 구분에 기여도가 높은 것으로 나타났다. 삼광, 팔방, 미호 품종의 경우 쌀 자체의 지방 함량과 최종 맥주에서의 지방 유래 성분들의 정량 값이 낮게 나타났다. 기준 시료에서는 rancid, goaty한 향을 나타내는 pentanoic acid, octanoic acid, decanoic acid, hexadecanoic acid와 octadecanoic acid 같은 지방산들이 특징적으로 보리 맥주에서 더 많이 정량되었다. 한가루 품종의 경우 spicy, woody, phenolic한 향을 나타내는 β-caryophyllene, methyl benzoate와 같은 성분들이 특징적으로 정성 및 높게 정량되었다. 비휘발성 성분은 유도체화 후 GC-TOF/MS를 이용하여 분석하였고, PLS-DA 상에서 기준시료의 구분에는 Ehrlich pathway에 관여하는 valine, tyrosine 등과 같은 amino acids 류의 기여도가 높은 것으로 나타났다. 쌀맥주에서 특이적으로 나타난 기준 시료와의 차이로는, lactic acid, 2-ketoglutaric acid, propanoic acid, succinic acid와 같은 막걸리에서 특징적으로 나타나는 유기산들이 높게 정량되었다. 즉, 휘발성 성분들 간 decanoic acid, (2E, 4E)-hexa-2,4-dienal, ethyl decanoate와 같은 지방 유래 성분들에 의해 다른 품종들보다 지방의 함량이 높은 품종에 해당하는 HG와 DD이 control과 가장 비슷한 향기 특성을 나타냈다. 본 연구는 국내산 다섯 가지 쌀 품종에 따른 휘발성 및 비휘발성 대사체를 밝혀 추후 타겟 향기에 따라 적합한 품종을 선택하는 데에 이용될 가능성을 제시할 수 있다는 의의를 갖는다. 하지만, 실제 감각적 특성과 대사체 프로파일링 간 상관관계에 대해 관능평가와 같은 추후 연구가 필요하며, 이를 통해 양조 뿐만 아니라 국내산 쌀 품종들의 더 넓은 적용 범위를 제시할 수 있을 것이다.