臍橙腐爛過(guò)程中揮發(fā)性有機(jī)硫(VOSCs)的質(zhì)量濃度和組成變化特征分析

吳 婷，王新明*

(1.中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所 有機(jī)地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；2.安徽師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241003)

臍橙因其果色鮮艷、營(yíng)養(yǎng)豐富和芳香宜人而成為了最受歡迎的水果之一，同時(shí)因其含糖量和含水率高在加工和儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中容易腐爛產(chǎn)生酸腐的氣味。這種刺激性氣味主要由于臍橙腐爛過(guò)程中產(chǎn)生了大量的碳?xì)浠铩⒑趸衔铩⒑蚧衔锏葥]發(fā)性有機(jī)物[1]。其中，揮發(fā)性有機(jī)硫(VOSCs)具有極低的嗅閾值[2]，雖然在質(zhì)量濃度低時(shí)對(duì)水果的特有的香味具有重要貢獻(xiàn)，但是當(dāng)其質(zhì)量濃度升高到一定程度就會(huì)形成令人不愉快的刺激性氣味，從而導(dǎo)致水果變味變質(zhì)[1,3]。

由于臍橙中VOSCs的質(zhì)量濃度非常低，一般儀器達(dá)不到其檢測(cè)限，因此經(jīng)常沒(méi)法檢測(cè)到或被忽略[4-5]。目前只有國(guó)外有少量文獻(xiàn)報(bào)道了新鮮橙汁和加工橙汁中VOSCs成分。例如，早期研究在橙汁的頂空氣體中檢測(cè)到痕量的硫化氫、甲硫醇、二甲基硫醚、二甲基三硫醚、羰基硫和二氧化硫[6-9]。近年研究在新鮮橙汁[10]和加工橙汁[11]中檢測(cè)到了3-甲硫基丙醛、2-甲基-3-呋喃硫醇和1-對(duì)孟烯-8-硫醇3種香味活性VOSCs。此外，Perez-Cacho等[12]在由濃縮橙汁兌制的罐頭中檢測(cè)到了甲硫醇、二甲基硫醚、3-巰基-2-丁酮、2-甲基-3-呋喃硫醇、3-甲硫基丙醛、4-巰基-4-甲基-2-戊酮、二甲基三硫醚和1-對(duì)孟烯-8-硫醇8種異味VOSCs。但是，有關(guān)臍橙及其他柑橘類(lèi)水果腐爛過(guò)程中VOSCs的變化規(guī)律目前尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。國(guó)內(nèi)雖然有一些關(guān)于橙汁揮發(fā)性成分的報(bào)道[13-15]，但是均未檢測(cè)出VOSCs。本研究選取臍橙為研究對(duì)象進(jìn)行模擬腐爛實(shí)驗(yàn)，定期采集臍橙腐爛過(guò)程中釋放出來(lái)的氣體，采用預(yù)濃縮系統(tǒng)(preconcentration)富集、氣相色譜-質(zhì)譜(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)分析氣體中VOSCs的化學(xué)成分、質(zhì)量濃度和組成特征。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紐荷爾臍橙，采自江西贛南果園，封裝于保鮮袋后冷藏運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。為了加速臍橙腐爛，用干凈的不銹鋼刀把橙子切成寬約0.5cm長(zhǎng)約1cm的小塊。取部分臍橙小塊置于烘箱中，60℃烘干，測(cè)其干質(zhì)量。二甲基硫醚(DMS)、二硫化碳(CS2)和二甲基二硫醚(DMDS)標(biāo)樣(均為分析純) 美國(guó)Sigma-Aldrich公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Entech Model 7100預(yù)濃縮儀 美國(guó)Entech公司；GC6890-MS5973N型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS) 美國(guó)Agilent公司；2L Tedlar氣體采樣袋 美國(guó)SKC公司。

圖 1 臍橙腐爛培養(yǎng)箱示意圖 Fig.1 Schematic diagram of the lab-scale incubator used to simulate natural decay of navel oranges

模擬腐爛實(shí)驗(yàn)裝置，自制，詳見(jiàn)圖1。此裝置是圓柱形的玻璃容器，總體積約為11L(直徑20cm，高35cm)。每套裝置設(shè)有進(jìn)氣系統(tǒng)和出氣系統(tǒng)，用于樣品采集時(shí)供氣和采氣；裝置內(nèi)安裝有兩個(gè)小風(fēng)扇，用于充分混勻箱內(nèi)氣體。裝置所有的內(nèi)表面都用特氟龍薄膜貼上，所有連接管均為特氟龍管，以免內(nèi)表面吸附和污染，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備與采集

取2kg新鮮臍橙小塊置于模擬腐爛實(shí)驗(yàn)裝置中，在(25±0.5)℃的室溫下進(jìn)行腐爛實(shí)驗(yàn)，設(shè)3個(gè)平行樣。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，裝置蓋子敞開(kāi)，讓臍橙暴露在空氣里自然腐爛，分別在第0、2、4、6、8、10、12、16、20、25、30天采集氣體分析。采樣時(shí)，先把蓋子蓋好密封，再往裝置中以0.5L/min的流速通入潤(rùn)濕后的去除了VOSCs的干空氣2h，以保證裝置原有的空氣全部被替換，然后用Tedlar氣體采樣袋于氣體出口采集氣體2L，用于分析。

1.3.2 預(yù)濃縮系統(tǒng)條件

第一級(jí)冷阱捕集溫度－160℃，解析溫度10℃，解析之后冷阱烘烤溫度150℃，烘烤時(shí)間為5min，氦氣流速10mL/min；第二級(jí)冷阱捕集溫度為－40℃，解析溫度180℃，解析之后冷阱烘烤溫度190℃；第三級(jí)冷阱富集溫度為－150℃，解析溫度180℃，樣品注入色譜柱時(shí)間為2min。

1.3.3 GC-MS分析條件

GC條件：HP-1毛細(xì)管柱(60m×0.32mm，1μm)；升溫程序：起始溫度－50℃，保留2min，5℃/min升溫至100℃，隨后10℃/min升溫至250℃，保留10min；載氣高純氦(99.999%)，流速1.2mL/min。

MS條件：離子源溫度250℃；電離方式為電子電離(electron ionization，EI)；電離能70eV；電子倍增管電壓1800V；采用全掃模式(Scan)檢測(cè)，掃描質(zhì)量數(shù)范圍為29～350u。

化合物的定性和定量分析：根據(jù)樣品與標(biāo)樣的色譜保留時(shí)間和質(zhì)譜圖進(jìn)行定性，采用外標(biāo)法建立標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)根據(jù)色譜峰面積進(jìn)行定量。所有標(biāo)樣先用高純N2稀釋獲得質(zhì)量濃度約為1000ng/L初始混合標(biāo)樣，再采用動(dòng)態(tài)稀釋法利用高純N2逐級(jí)稀釋初始混合標(biāo)樣得到質(zhì)量濃度分別為0(高純N2)、20、100、500、1000ng/L系列混合標(biāo)樣，然后進(jìn)行儀器分析。DMS、CS2和DMDS這3種VOSCs在0～1000ng/L質(zhì)量濃度范圍內(nèi)線(xiàn)性良好(R＞0.99)；當(dāng)進(jìn)樣量為250mL時(shí)，3種VOSCs的方法檢測(cè)限分別為65、48、80ng/m3；連續(xù)檢測(cè)質(zhì)量濃度為20ng/L的3種VOSCs標(biāo)樣10次，3種VOSCs的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSDs)分別為3%、5%和2%；樣品加標(biāo)量為20ng/L時(shí)，3種VOSCs的加標(biāo)回收率分別為95%、108%和102%。

2 結(jié)果與分析

2.1 新鮮臍橙VOSCs組成

圖 2 新鮮橙子(A)與好氧腐爛16d后(B)橙子釋放VOSCs的總離子流圖Fig 2 Typical chromatograms of VOSCs from navel oranges stored for 0 and 16 days

表 1 臍橙腐爛過(guò)程中VOSCs組成變化Table 1 Changes in VOSCs concentrations during storage of navel oranges%

由圖2A和表1可知，新鮮臍橙釋放出來(lái)的VOSCs鑒定出了3種，即DMS、CS2和DMDS。其中，CS2為最主要的VOSCs，其次為DMS，DMDS最低。結(jié)果表明，新鮮臍橙本身含有DMS、CS2和DMDS這3種VOSCs。這些化合物主要來(lái)源水果成熟過(guò)程中本身含硫蛋白質(zhì)和氨基酸代謝的產(chǎn)物[3,16]。事實(shí)上，這些化合物在臍橙和其他橘類(lèi)水果的新鮮果汁和加工果汁的頂空氣體中經(jīng)常被檢測(cè)到，是臍橙等橘類(lèi)水果的重要風(fēng)味物質(zhì)。例如，Shaw等[8]在新鮮馬敘葡萄柚汁、加利福尼亞臍橙汁和巴倫西亞橘汁的頂空氣體中均檢測(cè)出了DMS，還檢測(cè)到了羰基硫(COS)、甲硫醇(MeSH)、甲基乙基硫醚和乙硫醚。Shaw等[9]在新鮮哈姆林、鳳梨橙、臍橙、巴倫西亞橘汁和坦坡橙的頂空氣體中均檢測(cè)出了DMS和DMDS，還檢測(cè)到了MeSH。值得注意的是，雖然MeSH是橘類(lèi)水果的重要風(fēng)味物質(zhì)，普遍存在各種橘類(lèi)水果中[8-9]，但本研究新鮮臍橙釋放出來(lái)的VOSCs中并沒(méi)有檢測(cè)到。這有可能與橘類(lèi)水果的種類(lèi)和產(chǎn)地有關(guān)，還可能與MeSH本身的性質(zhì)有關(guān)，在空氣中MeSH很容易被氧化，轉(zhuǎn)化生成DMDS[17]。

2.2 臍橙腐爛過(guò)程中VOSCs質(zhì)量濃度變化

圖 3 臍橙腐爛過(guò)程中VOSCs質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化Fig.3 Changes in the concentration of DMS, CS2, DMDS and total VOSCs during storage of navel oranges

由圖3可知，臍橙腐爛過(guò)程中3種VOSCs質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)相似但又有區(qū)別。臍橙新鮮時(shí)(第0天)，DMS、CS2和DMDS這3種VOSCs質(zhì)量濃度都很低，分別為2.7、4.2ng/L和0.1ng/L；隨后3種VOSCs質(zhì)量濃度隨腐爛時(shí)間不斷增高，分別在第6、2、16天達(dá)到最大，最大質(zhì)量濃度分別為199.6、49.4ng/L和9.6ng/L，分別為臍橙腐爛前質(zhì)量濃度的74.0倍、11.9倍和92.4倍；然后DMS和DMDS質(zhì)量濃度隨腐爛時(shí)間逐漸降至非常低且于第25天后趨于穩(wěn)定，CS2質(zhì)量濃度隨腐爛時(shí)間迅速降至非常低且于第4天后趨于穩(wěn)定。對(duì)于TVOSCs，其質(zhì)量濃度在臍橙腐爛前也很低為7.0ng/L，然后隨腐爛時(shí)間不斷增高在第6天達(dá)到最大質(zhì)量濃度202.0ng/L，為腐爛前的28.9倍。結(jié)果表明，臍橙腐爛前期產(chǎn)生大量的DMS、CS2和DMDS。這期間VOSCs可能主要來(lái)源于微生物降解臍橙底物產(chǎn)生的二次產(chǎn)物。據(jù)文獻(xiàn)[18]報(bào)道，食品發(fā)酵過(guò)程中含硫氨基酸和蛋白質(zhì)在微生物作用下可降解生成DMS、CS2和DMDS等VOSCs。許多微生物，如芽孢桿菌和假單胞菌都參與食品的發(fā)酵腐爛過(guò)程并產(chǎn)生VOSCs[19-20]。事實(shí)上，DMS可作為食品微生物腐敗的診斷標(biāo)志[21]。事實(shí)上，在橙汁罐頭[12]和其他一些發(fā)酵食品[22-23]中檢測(cè)到較高質(zhì)量濃度的這些VOSCs。

2.3 臍橙腐爛過(guò)程中VOSCs組成變化

由表1可知，臍橙新鮮時(shí)(第0天)，CS2占TVOSCs的比例最大(59.93%)，其次是DMS(38.59%)，DMDS最小(1.48%)。臍橙腐爛過(guò)程中，DMS的比例在前2d迅速下降，然后隨腐爛時(shí)間快速升高在第6天達(dá)到最大值(98.79%)，第6天后到實(shí)驗(yàn)結(jié)束都是隨時(shí)間逐漸降低；CS2的比例在前2d快速升高達(dá)到最大值(81.95%)，然后隨時(shí)間急劇降低在第6天達(dá)到最小值(0.73%)，從第6天到實(shí)驗(yàn)結(jié)束都是隨時(shí)間逐漸升高；DMDS在前2d降低至最小值(0.21%)，然后隨時(shí)間逐漸升高在第30天達(dá)到最大值(25.56%)。值得注意的是，臍橙腐爛前2d CS2占TVOSCs的比例最大，臍橙腐爛第2天后DMS占TVOSCs的比例最大，而DMDS在整個(gè)腐爛實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所占比例最小。結(jié)果表明，臍橙腐爛過(guò)程中3種VOSCs的比例變化明顯，特別是腐爛2d后DMS的比例急劇升高而CS2的比例急劇降低。同樣，Shaw等[9]研究發(fā)現(xiàn)橙汁、柚汁和橘汁在密封罐中貯存1h，DMS的比例隨貯存時(shí)間快速升高。由于臍橙特殊水果香味是由揮發(fā)性有機(jī)硫、揮發(fā)性含氧化合物、萜烯化合物等按一定比例混合的結(jié)果[1]，臍橙腐爛過(guò)程中3種VOSCs比例的改變可使臍橙失去其本來(lái)的芳香味從而導(dǎo)致變味變質(zhì)。

3 結(jié) 論

本研究在實(shí)驗(yàn)室模擬臍橙的腐爛過(guò)程，采用預(yù)濃縮系統(tǒng)與GC-MS技術(shù)檢測(cè)到臍橙腐爛過(guò)程中共釋放出3種VOSCs，即DMS、CS2和DMDS。臍橙腐爛過(guò)程中釋放出來(lái)的TVOSCs和3種VOSCs質(zhì)量濃度隨時(shí)間不斷增高達(dá)到最大，然后隨時(shí)間降至非常低且趨于穩(wěn)定。TVOSCs和DMS質(zhì)量濃度均在臍橙腐爛的第6天達(dá)到最大，分別是新鮮臍橙的28.9倍和74.0倍。新鮮臍橙VOSCs以CS2為主，腐爛過(guò)程中以DMS為主。臍橙腐爛過(guò)程中3種VOSCs的比例變化明顯，前2d以CS2為主，CS2比例迅速升高；2d后以DMS為主，DMS比例迅速升高。由于臍橙經(jīng)常被切開(kāi)后沒(méi)立即吃完放置在空氣中以及大部分臍橙被切開(kāi)用于榨取果汁，因此本研究臍橙切開(kāi)后暴露在空氣中腐爛釋放VOSCs特別是DMS和CS2的質(zhì)量濃度和組成的變化可示蹤臍橙自然腐爛。研究結(jié)果可為臍橙品質(zhì)的鑒定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有助于臍橙的生產(chǎn)加工業(yè)提供科學(xué)依據(jù)。臍橙腐爛過(guò)程中VOSCs質(zhì)量濃度和組成與臍橙品質(zhì)參數(shù)同步測(cè)定有利于更深入了解VOSCs與臍橙腐爛的關(guān)系，需進(jìn)一步研究。

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