臍橙腐爛過程中揮發性有機硫(VOSCs)的質量濃度和組成變化特征分析

吳 婷，王新明*

(1.中國科學院廣州地球化學研究所 有機地球化學國家重點實驗室，廣東 廣州 510640；2.安徽師范大學環境科學與工程學院，安徽 蕪湖 241003)

臍橙因其果色鮮艷、營養豐富和芳香宜人而成為了最受歡迎的水果之一，同時因其含糖量和含水率高在加工和儲運過程中容易腐爛產生酸腐的氣味。這種刺激性氣味主要由于臍橙腐爛過程中產生了大量的碳氫化物、含氧化合物、含硫化合物等揮發性有機物[1]。其中，揮發性有機硫(VOSCs)具有極低的嗅閾值[2]，雖然在質量濃度低時對水果的特有的香味具有重要貢獻，但是當其質量濃度升高到一定程度就會形成令人不愉快的刺激性氣味，從而導致水果變味變質[1,3]。

由于臍橙中VOSCs的質量濃度非常低，一般儀器達不到其檢測限，因此經常沒法檢測到或被忽略[4-5]。目前只有國外有少量文獻報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]中檢測到了3-甲硫基丙醛、2-甲基-3-呋喃硫醇和1-對孟烯-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-對孟烯-8-硫醇8種異味VOSCs。但是，有關臍橙及其他柑橘類水果腐爛過程中VOSCs的變化規律目前尚未見文獻報道。國內雖然有一些關于橙汁揮發性成分的報道[13-15]，但是均未檢測出VOSCs。本研究選取臍橙為研究對象進行模擬腐爛實驗，定期采集臍橙腐爛過程中釋放出來的氣體，采用預濃縮系統(preconcentration)富集、氣相色譜-質譜(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)分析氣體中VOSCs的化學成分、質量濃度和組成特征。

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回實驗室。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長約1cm的小塊。取部分臍橙小塊置于烘箱中，60℃烘干，測其干質量。二甲基硫醚(DMS)、二硫化碳(CS2)和二甲基二硫醚(DMDS)標樣(均為分析純) 美國Sigma-Aldrich公司。

1.2 儀器與設備

Entech Model 7100預濃縮儀 美國Entech公司；GC6890-MS5973N型氣相色譜-質譜聯用儀(GC-MS) 美國Agilent公司；2L Tedlar氣體采樣袋 美國SKC公司。

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

模擬腐爛實驗裝置，自制，詳見圖1。此裝置是圓柱形的玻璃容器，總體積約為11L(直徑20cm，高35cm)。每套裝置設有進氣系統和出氣系統，用于樣品采集時供氣和采氣；裝置內安裝有兩個小風扇，用于充分混勻箱內氣體。裝置所有的內表面都用特氟龍薄膜貼上，所有連接管均為特氟龍管，以免內表面吸附和污染，影響實驗結果。

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驗裝置中，在(25±0.5)℃的室溫下進行腐爛實驗，設3個平行樣。實驗開始后，裝置蓋子敞開，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，先把蓋子蓋好密封，再往裝置中以0.5L/min的流速通入潤濕后的去除了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 預濃縮系統條件

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

1.3.3 GC-MS分析條件

GC條件：HP-1毛細管柱(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，掃描質量數范圍為29～350u。

化合物的定性和定量分析：根據樣品與標樣的色譜保留時間和質譜圖進行定性，采用外標法建立標準曲線根據色譜峰面積進行定量。所有標樣先用高純N2稀釋獲得質量濃度約為1000ng/L初始混合標樣，再采用動態稀釋法利用高純N2逐級稀釋初始混合標樣得到質量濃度分別為0(高純N2)、20、100、500、1000ng/L系列混合標樣，然后進行儀器分析。DMS、CS2和DMDS這3種VOSCs在0～1000ng/L質量濃度范圍內線性良好(R＞0.99)；當進樣量為250mL時，3種VOSCs的方法檢測限分別為65、48、80ng/m3；連續檢測質量濃度為20ng/L的3種VOSCs標樣10次，3種VOSCs的相對標準偏差(RSDs)分別為3%、5%和2%；樣品加標量為20ng/L時，3種VOSCs的加標回收率分別為95%、108%和102%。

2 結果與分析

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。這些化合物主要來源水果成熟過程中本身含硫蛋白質和氨基酸代謝的產物[3,16]。事實上，這些化合物在臍橙和其他橘類水果的新鮮果汁和加工果汁的頂空氣體中經常被檢測到，是臍橙等橘類水果的重要風味物質。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出了DMS，還檢測到了羰基硫(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出了DMS和DMDS，還檢測到了MeSH。值得注意的是，雖然MeSH是橘類水果的重要風味物質，普遍存在各種橘類水果中[8-9]，但本研究新鮮臍橙釋放出來的VOSCs中并沒有檢測到。這有可能與橘類水果的種類和產地有關，還可能與MeSH本身的性質有關，在空氣中MeSH很容易被氧化，轉化生成DMDS[17]。

2.2 臍橙腐爛過程中VOSCs質量濃度變化

圖 3 臍橙腐爛過程中VOSCs質量濃度隨時間的變化Fig.3 Changes in the concentration of DMS, CS2, DMDS and total VOSCs during storage of navel oranges

由圖3可知，臍橙腐爛過程中3種VOSCs質量濃度隨時間變化趨勢相似但又有區別。臍橙新鮮時(第0天)，DMS、CS2和DMDS這3種VOSCs質量濃度都很低，分別為2.7、4.2ng/L和0.1ng/L；隨后3種VOSCs質量濃度隨腐爛時間不斷增高，分別在第6、2、16天達到最大，最大質量濃度分別為199.6、49.4ng/L和9.6ng/L，分別為臍橙腐爛前質量濃度的74.0倍、11.9倍和92.4倍；然后DMS和DMDS質量濃度隨腐爛時間逐漸降至非常低且于第25天后趨于穩定，CS2質量濃度隨腐爛時間迅速降至非常低且于第4天后趨于穩定。對于TVOSCs，其質量濃度在臍橙腐爛前也很低為7.0ng/L，然后隨腐爛時間不斷增高在第6天達到最大質量濃度202.0ng/L，為腐爛前的28.9倍。結果表明，臍橙腐爛前期產生大量的DMS、CS2和DMDS。這期間VOSCs可能主要來源于微生物降解臍橙底物產生的二次產物。據文獻[18]報道，食品發酵過程中含硫氨基酸和蛋白質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酵腐爛過程并產生VOSCs[19-20]。事實上，DMS可作為食品微生物腐敗的診斷標志[21]。事實上，在橙汁罐頭[12]和其他一些發酵食品[22-23]中檢測到較高質量濃度的這些VOSCs。

2.3 臍橙腐爛過程中VOSCs組成變化

由表1可知，臍橙新鮮時(第0天)，CS2占TVOSCs的比例最大(59.93%)，其次是DMS(38.59%)，DMDS最小(1.48%)。臍橙腐爛過程中，DMS的比例在前2d迅速下降，然后隨腐爛時間快速升高在第6天達到最大值(98.79%)，第6天后到實驗結束都是隨時間逐漸降低；CS2的比例在前2d快速升高達到最大值(81.95%)，然后隨時間急劇降低在第6天達到最小值(0.73%)，從第6天到實驗結束都是隨時間逐漸升高；DMDS在前2d降低至最小值(0.21%)，然后隨時間逐漸升高在第30天達到最大值(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在整個腐爛實驗過程中所占比例最小。結果表明，臍橙腐爛過程中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]研究發現橙汁、柚汁和橘汁在密封罐中貯存1h，DMS的比例隨貯存時間快速升高。由于臍橙特殊水果香味是由揮發性有機硫、揮發性含氧化合物、萜烯化合物等按一定比例混合的結果[1]，臍橙腐爛過程中3種VOSCs比例的改變可使臍橙失去其本來的芳香味從而導致變味變質。

3 結 論

本研究在實驗室模擬臍橙的腐爛過程，采用預濃縮系統與GC-MS技術檢測到臍橙腐爛過程中共釋放出3種VOSCs，即DMS、CS2和DMDS。臍橙腐爛過程中釋放出來的TVOSCs和3種VOSCs質量濃度隨時間不斷增高達到最大，然后隨時間降至非常低且趨于穩定。TVOSCs和DMS質量濃度均在臍橙腐爛的第6天達到最大，分別是新鮮臍橙的28.9倍和74.0倍。新鮮臍橙VOSCs以CS2為主，腐爛過程中以DMS為主。臍橙腐爛過程中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。由于臍橙經常被切開后沒立即吃完放置在空氣中以及大部分臍橙被切開用于榨取果汁，因此本研究臍橙切開后暴露在空氣中腐爛釋放VOSCs特別是DMS和CS2的質量濃度和組成的變化可示蹤臍橙自然腐爛。研究結果可為臍橙品質的鑒定提供基礎數據，有助于臍橙的生產加工業提供科學依據。臍橙腐爛過程中VOSCs質量濃度和組成與臍橙品質參數同步測定有利于更深入了解VOSCs與臍橙腐爛的關系，需進一步研究。

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