Sesquiterpenanalytik in Weinbeeren und Weinen mittels GC×GC–TOF–MS

Abstract

Sesquiterpene sind chemische Verbindungen, die aus drei Isopren-Einheiten bestehen und zur größten und strukturell vielfältigsten Klasse von Naturstoffen, den Terpenen, zählen. <br /> In Weinbeeren (<em>Vitis vinifera</em> L.) kommen Sesquiterpene sowohl in freier, als auch gebundener Form vor. Die freie Fraktion besteht hauptsächlich aus Sesquiterpen-Kohlenwasserstoffen, die in der epikutikularen Wachsschicht des Weinbeeren-Exokarps akkumuliert sind. Die gebundene Fraktion besteht hingegen aus glykosidisch verknüpften Sesquiterpen-Alkoholen, die enzymatisch oder säurekatalytisch freigesetzt werden können. Ungebunden sind Sesquiterpene potentiell aromaaktive Komponenten der Volatilen-Profile von Weinbeeren und Weinen. <br /> Bisher erfolgte die Analytik von flüchtigen Sesquiterpenen in diesen hochkomplexen Proben fast ausschließlich mittels eindimensionaler Gaschromatographie. In dieser kumulativen Dissertation wurden Sesquiterpene in Weinbeeren und Weinen unter Verwendung der umfassenden zweidimensionalen Gaschromatographie–Flugzeit–Massenspektrometrie analysiert. <br /> In der ersten Studie wurde das komplexe Sesquiterpen-Kohlenwasserstoff-Profil lesereifer Weinbeeren der terpenreichen Rebsorte Lemberger (<em>Vitis vinifera</em> subsp. <em>vinifera</em>) unter Einsatz der stabilisotopenmarkierten Präkursoren [5,5-²H₂]-1-Desoxy-D-xylulose und [6,6,6-²H₃]-(±)-Mevalonolacton untersucht. Es konnten insgesamt 25 verschiedene Sesquiterpen-Kohlenwasserstoffe aus dem Weinbeeren-Exokarp eindeutig identifiziert und für den Großteil dieser Analyten mögliche Bildungsmechanismen via Carbokationen und Germacren-Intermediaten postuliert werden. <br /> Im zweiten Beitrag wurde anhand von Markierungs- und Fermentationsexperimenten gezeigt, dass das Sesquiterpen-Profil während der Weinbereitung durch säurekatalytische Umwandlung der hefestämmigen Sesquiterpen-Alkohole Farnesol und Nerolidol signifikant verändert werden kann. Dennoch konnten mit δ-Selinen, Selina-3,7(11)-dien und Guaiazulen drei Sesquiterpen-Kohlenwasserstoffe als potentielle Markersubstanzen der Rebsorte Lemberger in Modellweinen bestimmt und anschließend in authentischen, sortenreinen Lemberger-Rotweinen verschiedener Jahrgänge nachgewiesen werden. <br /> In der dritten Studie wurden Hydrolysate aus Weinbeeren-Exokarp der Rebsorte Gewürztraminer (<em>Vitis vinifera</em> subsp. <em>vinifera</em>) umfassend analysiert, wobei gezeigt werden konnte, dass Sesquiterpen-Aglykone verglichen mit traubeneigenen Sesquiterpen-Kohlenwasserstoffen oder Monoterpen-Aglykonen strukturell weniger vielfältig sind. Neben 21 Monoterpenolen, die über 96 % aller gefundenen Terpen-Aglykone ausmachten, konnten lediglich die Sesquiterpen-Alkohole Drimenol, Farnesol und (<em>E</em>)-Nerolidol nachgewiesen werden. Trotz der wenigen unterschiedlichen Sesquiterpenole ist auch diese Fraktion aufgrund der möglichen säurekatalytischen Umwandlung ein Pool an potentiell aromaaktiven Verbindungen.

<strong>Analysis of sesquiterpenes in grapes and wines using GC×GC–TOF–MS</strong> <br /> Sesquiterpenes are chemical compounds consisting of three isoprene units and belong to the largest and most structurally diverse class of natural products, the terpenes. <br /> In grapes (<em>Vitis vinifera</em> L.), sesquiterpenes occur in both, free and bound forms. The free fraction consists mainly of sesquiterpene hydrocarbons accumulated in the epicuticular wax layer of the grape berry exocarp. The bound fraction, on the other hand, consists of glycosidically linked sesquiterpene alcohols, which can be released by enzymatic or acidic cleavage. Unbound, sesquiterpenes are potentially aroma-active components of the volatile profiles of grapes and wines. <br /> The analysis of volatile sesquiterpenes in these highly complex samples has been carried out almost exclusively by means of one-dimensional gas chromatography. In this cumulative dissertation, sesquiterpenes in grapes and wines were analyzed using comprehensive two-dimensional gas chromatography–time-of-flight–mass spectrometry. <br /> In the first study, the complex sesquiterpene hydrocarbon profile of ripe grapes of the terpene-rich grape variety Lemberger (<em>Vitis vinifera</em> subsp. <em>vinifera</em>) was investigated using the stable isotope-labeled precursors [5,5-²H₂]-1-deoxy-D-xylulose and [6,6,6-²H₃]-(±)-mevalonolactone. A total of 25 different sesquiterpene hydrocarbons from the grape berry exocarp were unambiguously identified and possible biosynthetic pathways via carbo cations and germacrene intermediates were postulated for the majority of these analytes. <br /> In the second project, labeling and fermentation experiments demonstrated that the sesquiterpene profile can be significantly altered during winemaking by acid-catalyzed conversion of the yeast-derived sesquiterpene alcohols farnesol and nerolidol. Nevertheless, three sesquiterpene hydrocarbons, &#948;-selinene, selina-3,7(11)-diene, and guaiazulene, were determined as potential marker compounds of the Lemberger variety in model wines and subsequently detected in authentic, monovarietal Lemberger red wines of different vintages. <br /> In the third study, hydrolysates from grape berry exocarp of the Gewürztraminer variety (<em>Vitis vinifera</em> subsp. <em>vinifera</em>) were extensively analyzed, showing that sesquiterpene aglycones are structurally less diverse compared to grape-derived sesquiterpene hydrocarbons or monoterpene aglycones. In addition to 21 monoterpenols, which accounted for more than 96% of all terpene aglycones found, only the sesquiterpene alcohols drimenol, farnesol and (<em>E</em>)-nerolidol were detected. Despite the few different sesquiterpenols, this fraction is also a pool of potentially aroma-active compounds due to the possible acid-catalyzed conversions.