An investigation into hop extracts: a study of volatile components and their relationship to the aroma profile

Hop is a complex and multifunctional climbing plant, whose inflorences are mostly used for beer brewing. They are employed to impart bitterness, flavor, and aroma to beer, as well for their antiseptic and stabilizing properties. Since the brewing industry began to grow unabated, interest in this plant has grown, causing the number of genetic experiments conducted and thus the number of varieties on the market to increase exponentially. Hop can be used in different forms: whole cones, pellets, or extracts. The latter are gaining interest in recent years thanks to their useful properties with respect to other options, such as better control on bittering and flavor profile, longer shelf-life, lower liquid absorption and reduced vegetable matter. During this research, thirty-two extracts were distilled from hop pellets and analyzed through MS-Gas Chromatography in order to identify and quantify volatile components present in each hop variety. A total of one-hundred thirty-two different components were found, the majority constituted by terpene hydrocarbons, along with esters, alcohols, epoxides, and other oxygenated compounds. The most common ones were β-myrcene, caryophyllene and α-humulene. All the samples were successfully mapped and between fifteen and twenty components were found in each extract. Additionally, a kinetic study and a comparison between hydrodistillation and microwave extraction were performed. From the former, it was found that, by distillation, as early as the first hour, 90% of the terpene content is extracted mostly as monoterpenes, and that, after the first half hour, sesquiterpenes and oxygenated components are successively extracted. From the latter, however, it was investigated how different heat transfer mechanisms affect the quality and composition of the extract. The microwave system, relying on faster heating, favored the extraction of monoterpenes, especially in the first part of the process; it also recorded a higher yield in terms of volume of extract per amount of hops used and process time. Finally, Hierarchical Cluster Analysis has been performed, showing that the considered hops, analyzed by their volatile component profile, can be grouped into four main clusters.

Il luppolo è una pianta rampicante complessa e multifunzionale, le cui infiorescenze sono utilizzate soprattutto per la produzione di birra. Vengono utilizzate per impartire le note amare e aromatiche alla birra, oltre che per le loro proprietà antisettiche e stabilizzanti. Da quando l'industria della birra ha iniziato a vivere un florido periodo di crescita, l'interesse per questa pianta è aumentato, facendo crescere esponenzialmente il numero di esperimenti genetici condotti e quindi il numero di varietà presenti sul mercato. Il luppolo può essere utilizzato sotto diverse forme: coni interi, pellet o estratti. Questi ultimi stanno guadagnando interesse negli ultimi anni grazie alle loro convenienti proprietà di utilizzo, quali un migliore controllo sul profilo amaricante e aromatico, una maggiore durata di conservazione, un minore assorbimento di liquidi e una riduzione della quantità di materia vegetale presente. Nel corso di questa ricerca, trentadue estratti sono stati distillati da pellet di luppolo e analizzati mediante gascromatografia e spettrometria di massa per identificare e quantificare i componenti volatili presenti in ciascuna varietà di luppolo. In totale sono stati trovati centotrentadue componenti diversi, la maggior parte dei quali costituiti da idrocarburi terpenici, insieme a esteri, alcoli, epossidi e altri componenti ossigenati. I più comuni sono il β-mircene, il cariofillene e l'α-umulene. Tutti i campioni sono stati mappati con successo individuando tra i quindici e i venti componenti principali identificati in ogni estratto. Inoltre, sono stati eseguiti uno studio cinetico e un confronto tra l'idrodistillazione e l'estrazione a microonde. Dal primo è emerso che, con la distillazione, già nella prima ora viene estratto il 90% del contenuto terpenico sotto forma soprattutto di monoterpeni (più volatili) e che, i più caratterizzanti sesquiterpeni e i componenti ossigenati vengono estratti con tempi più prolungati. Dal secondo, invece, è stato evinto come i differenti meccanismi di trasferimento di calore influiscano sulla qualità e composizione dell’estratto. Il sistema a microonde, basandosi su un più rapido riscaldamento, ha favorito l’estrazione di monoterpeni, soprattutto nella prima parte del processo; ha inoltre registrato una maggiore resa in termini di volume di estratto per quantità di luppolo impiegato e tempo del processo. Infine, è stata eseguita una Hiercarchical Cluster Analysis, che ha mostrato che i luppoli considerati, analizzati in base al loro contenuto di componenti volatili, possono essere raggruppati in quattro cluster principali.