模擬低溫冷庫中異味物質(zhì)分析及臭氧清除效果研究

陳 彬，張友勝，張業(yè)輝，劉學(xué)銘，程鏡蓉，汪婧瑜

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖南長沙410128；2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，廣東廣州510610）

模擬低溫冷庫中異味物質(zhì)分析及臭氧清除效果研究

陳 彬1，2，*張友勝2，張業(yè)輝2，劉學(xué)銘2，程鏡蓉2，汪婧瑜2

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖南長沙410128；2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，廣東廣州510610）

研究水產(chǎn)品為主要貯藏原料的模擬低溫冷庫（-20℃）中異味物質(zhì)組成和臭氧對(duì)其清除效果，采用頂空固相微萃取結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)和主成分分析法對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，在5個(gè)模擬低溫冷庫中檢測出異味物質(zhì)142種，其中鏈類44種、芳香烴29種、酯類20種、醇類12種、胺類10種、醛類8種、酮類7種、酸類5種、其他類7種。主成分分析結(jié)果表明，前4個(gè)主成分因子的累積貢獻(xiàn)率高達(dá)100%，囊括了全部變量的信息。隨著臭氧濃度的增加和作用時(shí)間的延長，-20℃模擬低溫冷庫中單體異味物質(zhì)的含量逐漸降低，其中小分子物質(zhì)含量下降較快，大分子物質(zhì)含量下降較慢，芳香烴、鏈烴、醛類下降比例較大，酸類、酮類化合物則有增加的趨勢。對(duì)-20℃模擬冷庫而言，選擇200×10-6～300×10-6的臭氧濃度作用2.5～3.0 h比較合適。

水產(chǎn)品；模擬冷庫；異味成分；主成分分析；臭氧；清除

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平逐漸提高，冷凍冷藏容器（冷庫、冷鏈車輛、冰箱等）已成為日常生活中重要的設(shè)施和設(shè)備，尤其對(duì)冷鏈物流行業(yè)而言更是如此。截至2014年底，我國冷庫總?cè)萘窟_(dá)5 750×104m3，冷鏈車輛達(dá)3萬輛，總?cè)萘砍^2 000×104t。由于絕大部分冷凍冷藏容器通風(fēng)不暢、長時(shí)間低溫運(yùn)行、濕度過大，加之各種原料在內(nèi)外界因素影響下，通過物理、化學(xué)和生物等因素的作用，容易產(chǎn)生并累積多種不正常的氣味。天長日久，這些氣味黏附于容器的器壁、頂棚等部位，污染冷凍物品，導(dǎo)致貯藏物品品質(zhì)劣變，給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。尤其對(duì)大庫容低溫冷庫而言，基本不可能通過停止運(yùn)轉(zhuǎn)來對(duì)其進(jìn)行專門的清洗除味。據(jù)不完全調(diào)查，在-20℃水產(chǎn)品貯藏冷庫（運(yùn)行1年以上，原料混存）中基本上都有明顯串味現(xiàn)象，其中3%～5%的貯藏物品只能降價(jià)或銷毀處理。一般全年運(yùn)行1 000 t以上冷庫容量的企業(yè)，每年損失至少在50萬元以上。

近年來，關(guān)于控制、減少或清除冷凍冷藏容器中異味物質(zhì)的研究逐漸成為氣味研究熱點(diǎn)，如利用吸收吸附、等離子電離、氧化劑氧化、TiO2-UVLED光催化系統(tǒng)清除等[1-6]。綜合現(xiàn)有技術(shù)的共同點(diǎn)，目前對(duì)異味清除方法可以歸納為掩蓋式除味、物理式除味、化學(xué)式除味和殺菌式除味4種。其中，掩蓋式除味是利用揮發(fā)性芳香物質(zhì)對(duì)異味進(jìn)行掩蓋，從而消除人們感覺上的不快；物理式除味為利用物理作用，如氣體擴(kuò)散、吸附等去除異味；化學(xué)式除味為通過異味物質(zhì)與化學(xué)除味劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將異味成分轉(zhuǎn)化為無味物質(zhì)；殺菌式除味主要是通過殺菌劑對(duì)容器內(nèi)腐敗菌進(jìn)行殺滅，防止物質(zhì)腐敗產(chǎn)生臭味。殺菌式除味既可以殺菌又可以清除異味，應(yīng)該是一種值得推廣的方式。

臭氧又稱富氧、三子氧、超氧，是已知可利用的最強(qiáng)氧化劑之一，具有突出的殺菌作用，被認(rèn)為是一種高效廣譜的殺菌劑。相關(guān)研究證明，臭氧對(duì)冷凍冷藏容器和貯藏原料具有較好的殺菌作用[7-8]，同時(shí)對(duì)自來水[9]、家禽糞便[10]的異味消除具有較好的抑制和清除效果，但對(duì)冷凍冷藏容器中的異味物質(zhì)清除效果鮮見報(bào)道。水產(chǎn)品品類多，是一種容易產(chǎn)生異味且難以消除的冷凍冷藏原料，在研究異味組成與清除技術(shù)時(shí)是一個(gè)較好的研究對(duì)象。

試驗(yàn)采用頂空固相微萃取結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（Solid-phase microextraction-gas chromatogra ph-mass spectrometer，SPEM-GC-MS）對(duì)5個(gè)-20℃以水產(chǎn)品為主要貯藏對(duì)象模擬冷庫中的異味成分進(jìn)行了檢測，并采用主成分分析法（Principal component analysis，PCA）進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)研究了臭氧對(duì)異味成分的清除效果，以期為冷凍冷藏容器中異味清除技術(shù)的確定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

模擬低溫冷庫（-20℃），選用青島海爾股份有限公司生產(chǎn)的BC/DB-220SE型臥式冷藏冷凍轉(zhuǎn)換柜進(jìn)行改造。在冷藏冷凍轉(zhuǎn)換柜箱門處的對(duì)角將防止冷氣外漏和熱空氣侵入的磁性密封條各去掉2.5 cm，共去掉磁性密封條5 cm，以模擬正常低溫冷庫（-20℃）的通氣和密封性能。

試驗(yàn)使用5個(gè)模擬低溫冷庫（-20℃），模擬庫內(nèi)貯藏物均為從當(dāng)?shù)睾ｕr市場購買的各類新鮮和冰凍海魚、從水產(chǎn)市場購買的淡水魚，各放置20 kg；海魚和淡水魚均沒有進(jìn)行任何包裝，所有模擬庫6個(gè)月內(nèi)不進(jìn)行清洗除味。上述試驗(yàn)原料的混雜安排，主要是為了最大程度地模擬目前冷庫行業(yè)中水產(chǎn)原料混存的現(xiàn)象。

內(nèi)標(biāo)環(huán)己酮標(biāo)準(zhǔn)品（色譜純），上海哈靈生物技術(shù)有限公司提供；其他試劑均為色譜純。

1.2 儀器與設(shè)備

Agilent 6890N/5975B型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國安捷倫科技有限公司產(chǎn)品；DVB/CAR/PDMS型固相微萃取纖維頭，美國Supelco公司產(chǎn)品；0Z-3G型臭氧發(fā)生器，深圳市怡爾康科技有限公司產(chǎn)品；GB-2000型多功能復(fù)合氣體分析儀，深圳市科諾電子科技有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 異味物質(zhì)的萃取方法

參照王亞軍[12]的方法并略作修改，直接將DVB/ CAR/PDMS型50/30 μm萃取纖維頭放入庫的中心部位萃取吸附后進(jìn)行GC-MS分析，萃取時(shí)間60 min，解析時(shí)間5 min，解析溫度260℃，試驗(yàn)內(nèi)標(biāo)為環(huán)己酮（最終質(zhì)量濃度為1 mg/L，將環(huán)己酮加熱通過導(dǎo)管導(dǎo)入冷庫）。

1.3.2 GC-MS分析

參照Cheng J H，虞愛娜和吳紀(jì)軍等人[13-14]的方法并略作修改。GC-MS的色譜條件：采用DB-5MS型彈性毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；氦氣為載氣，其流速1 mL/min，無分流比；進(jìn)樣口溫度250℃；程序升溫的初始溫度40℃，保持6 min，以5℃/min的速率升至150℃并保持2 min，再以10℃/min的速率升至250℃并保持3 min；離子源溫度230℃；接口溫度250℃；GC-MS的質(zhì)譜條件為EI離子源（70 eV），質(zhì)量掃描范圍10～450 m/z。

GC-MS分析獲得的揮發(fā)性物質(zhì)總離子流圖，經(jīng)計(jì)算機(jī)譜庫（NIST/WILEY）進(jìn)行檢索匹配，記錄相似度大于85%的物質(zhì)。揮發(fā)性物質(zhì)的定量采用內(nèi)標(biāo)法，以環(huán)己酮為內(nèi)標(biāo)，根據(jù)內(nèi)標(biāo)物的質(zhì)量濃度、樣品各組分的峰面積與內(nèi)標(biāo)峰面積的比值，計(jì)算庫中各揮發(fā)性組分的含量（μg/m3）。

1.4 模擬低溫冷庫中臭氧濃度的測定和臭氧對(duì)異味物質(zhì)的清除

打開臭氧發(fā)生器，將臭氧氣體通過導(dǎo)管從去掉的磁性密封條處通入-20℃的模擬低溫冷庫內(nèi)，同時(shí)將多功能復(fù)合氣體分析儀的檢測探頭放入相應(yīng)模擬低溫冷庫的中心部位，及時(shí)觀察臭氧濃度顯示屏，當(dāng)臭氧濃度接近試驗(yàn)需要的濃度時(shí)，關(guān)閉臭氧發(fā)生器。試驗(yàn)過程中，對(duì)去掉的磁性密封條不作任何處理，讓臭氧從中部分逸出，以此模擬正常低溫冷庫中從通風(fēng)處可能逸出的臭氧；試驗(yàn)過程中，沒有考慮臭氧的自分解作用對(duì)臭氧濃度的變化。

1.5 數(shù)據(jù)處理

異味物質(zhì)采用主成分分析法進(jìn)行分析，并采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析（ANOVA），用Origin 8.5.1軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 GC-MS分析

試驗(yàn)從5個(gè)-20℃模擬低溫冷庫中共檢測出142種異味物質(zhì)，其中鏈類44種、芳香烴29種、酯類20種、醇類12種、胺類10種、醛類8種、酮類7種、酸類5種、其他類7種（數(shù)據(jù)未給出）。

2.2 異味物質(zhì)的主成分分析

根據(jù)主成分分析原理，選取了對(duì)5個(gè)模擬低溫冷庫異味成分貢獻(xiàn)較大的32種揮發(fā)性成分構(gòu)成整個(gè)原始數(shù)據(jù)的主成分。

5個(gè)-20℃模擬低溫冷庫中異味物質(zhì)測定見表1，5個(gè)-20℃模擬低溫冷庫中異味物質(zhì)的主成分因子見圖1。

表15個(gè)-20℃模擬低溫冷庫中異味物質(zhì)測定

圖1 5個(gè)-20℃模擬低溫冷庫中異味物質(zhì)的主成分因子

由統(tǒng)計(jì)軟件分析后，選取了前4個(gè)主分量，其方差貢獻(xiàn)率依次是31.068%，25.568%，25.377%和17.986%，累積貢獻(xiàn)率為100%。由此可見，前4個(gè)主成分因子囊括了全部變量的信息，說明統(tǒng)計(jì)分析降維效果非常好。由圖1可知，對(duì)第1主成分有較大貢獻(xiàn)的是三甲胺、乙硫醇、異戊醇、苯乙烯、對(duì)二甲苯、壬醛；對(duì)第2主成分有較大貢獻(xiàn)的是二甲基二硫、左旋樟腦、己酸丁酯、環(huán)氧乙烷、乙酸己酯、十二烷；對(duì)第3主成分有較大貢獻(xiàn)的是正戊烷、異丁醇、正己烷、乙酸乙酯、乙酸。

2.3 模擬低溫冷庫中異味物質(zhì)的清除

由于-20℃低溫冷庫溫度較其他高溫冷庫溫度更低，密閉性能更強(qiáng)，異味物質(zhì)組成更加復(fù)雜，在實(shí)際過程中更加難以清洗除臭，因此試驗(yàn)過程中適當(dāng)提高了臭氧濃度，分別將臭氣濃度設(shè)置為75×10-6，100×10-6，200×10-6，300×10-6，通過改變作用時(shí)間和臭氧濃度，觀察-20℃模擬低溫冷庫中對(duì)第1主成分和第2主成分有較大貢獻(xiàn)的三甲胺、乙硫醇、異戊醇、二甲基二硫、苯乙烯、對(duì)二甲苯、左旋樟腦和壬醛8種單體異味物質(zhì)的含量變化，以及芳香烴、鏈烴、醇類、酯類、胺類、酸類、酮類、醛類和其他類9類化合物峰面積百分比的變化情況。

臭氧對(duì)-20℃模擬低溫冷庫中單體異味物質(zhì)的清除效果見圖2。

隨著臭氧濃度的增大、作用時(shí)間的延長，單體異味物質(zhì)的含量逐漸降低，其中分子量相對(duì)較小的化合物含量下降較快，分子量相對(duì)較大的化合物含量下降較慢。如在臭氧濃度為75×10-6的條件下，隨著作用時(shí)間的增長，所有單體揮發(fā)性物質(zhì)都有下降趨勢；在異戊醇（分子量88.15）、二甲基二硫（分子量94.20）、苯乙烯（分子量104.14）、對(duì)二甲苯（分子量106.17）等分子量相對(duì)較小化合物明顯下降趨勢的同時(shí)，左旋樟腦（分子量234.30）、壬醛（分子量142.24）等分子量相對(duì)較大化合物的含量也有所下降，但其下降速度較分子量相對(duì)較小化合物的下降速度要慢。當(dāng)臭氧濃度為200×10-6、作用時(shí)間4 h的條件下，三甲胺（分子量59.11）、乙硫醇（分子量62.13）、異戊醇、二甲基二硫已經(jīng)被完全氧化；左旋樟腦、壬醛等分子量相對(duì)較大的化合物在作用時(shí)間為3 h時(shí)含量也大量下降，當(dāng)作用時(shí)間延長至4 h時(shí)含量所剩極微。

臭氧對(duì)-20℃模擬低溫冷庫中不同種類異味物質(zhì)的清除效果見圖3。

圖2 臭氧對(duì)-20℃模擬低溫冷庫中單體異味物質(zhì)的清除效果

圖3 臭氧對(duì)-20℃模擬低溫冷庫中不同種類異味物質(zhì)的清除效果

隨著臭氧作用時(shí)間的延長和臭氧濃度的提高，芳香烴、鏈烴、醛類下降比例較大，相反酸類、酮類化合物有增加的趨勢。

如臭氧濃度為100×10-6的條件下，臭氧作用2.5 h后，芳香烴、鏈烴、醛類化合物峰面積百分比已分別降至4.17%，2.09%，5.20%，酸類、酮類化合物增加至21.51%和28.71%。當(dāng)臭氧濃度為300×10-6、作用時(shí)間為4 h時(shí)，芳香烴、鏈烴、醛類、醇類等4類化合物峰面積百分比已分別減少為原始的5.35%，2.08%，3.19%，5.14%，酸類、酮類化合物增加至39.81%和29.71%。其可能原因?yàn)閺某粞踔蟹纸舛鴣淼某粞踉优c烴中的碳原子結(jié)合生成酮或者與醛結(jié)合成酸，從而使得臭氧處理后酸類、酮類化合物有增加的趨勢。

綜合4種臭氧濃度在不同作用時(shí)間內(nèi)對(duì)-20℃模擬低溫冷庫中異味物質(zhì)的清除效果，如果要將其中的單體異味物質(zhì)總量減少50%，選擇200× 10-6～300×10-6的臭氧濃度作用2.5～3.0 h比較合適。

3 討論

采用SPEM-GC-MS對(duì)異味物質(zhì)進(jìn)行研究是一種常用的方法，但對(duì)冷凍冷藏容器而言，由于容器內(nèi)溫度低、濕度高、空氣對(duì)流緩慢，因此選擇合適的萃取纖維、萃取時(shí)間、解析時(shí)間和解析溫度對(duì)研究結(jié)果起著重要的作用。預(yù)備試驗(yàn)階段，比較了4種不同型號(hào)的DVB/CAR/PDMS萃取纖維（50/30，65，75，100μm）、5種萃取時(shí)間（30，40，50，60，70min）、5種解析時(shí)間（1，2，3，5，7 min）和5種解析溫度（230，240，250，260，270℃）條件下的總離子流程圖、出峰個(gè)數(shù)及不同峰之間的分離度。結(jié)果表明，采用SPEM-GC-MS法研究以水產(chǎn)品為貯藏原料的模擬冷庫中異味物質(zhì)時(shí)，采用50/30 μm DVB/ CAR/PDMS萃取纖維，萃取時(shí)間60 min，解析時(shí)間5 min，解析溫度250℃比較合適，此條件下吸附異味物質(zhì)能力較強(qiáng)，總離子流圖比較清晰且峰的分離度較好、峰的個(gè)數(shù)較多。

由于規(guī)模效應(yīng)、管理方便、綜合成本等因素的作用，聯(lián)體冷庫的規(guī)模越建越大，庫體容量從過去的幾百噸發(fā)展到現(xiàn)在的上萬噸，過去常用的清庫殺菌消毒除味方法實(shí)際上沒辦法進(jìn)行；另外，冷凍冷藏容器中的異味物質(zhì)是一類非常特殊的物質(zhì)，只要原料存在，它會(huì)隨時(shí)產(chǎn)生并且各物質(zhì)之間也會(huì)隨時(shí)發(fā)生分解、聚合，從而使其濃度隨時(shí)發(fā)生變化。因此，對(duì)冷凍冷藏容器中異味物質(zhì)進(jìn)行除味技術(shù)研究的首要條件是在冷庫正常工作的情況下進(jìn)行，其次是對(duì)異味物質(zhì)只能減少抑制而不能清除。實(shí)際上，利用臭氧對(duì)以水產(chǎn)品為貯藏原料的模擬低溫冷庫中異味物質(zhì)進(jìn)行了清除試驗(yàn)并取得了較好的效果，但臭氧是一個(gè)強(qiáng)氧化劑，對(duì)貯藏原料、貯藏設(shè)備和貯藏原料包裝等會(huì)造成一定的影響，因此采用何種方式進(jìn)行異味物質(zhì)清除實(shí)施又是一個(gè)亟待解決的問題。

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Determination and Elimination of Unpleasant Smell in Simulated Cold Storage for Aquatic Products by Employing Principal Component Analysis and Ozone

CHEN Bin1，2，*ZHANG Yousheng2，ZHANG Yehui2，LIU Xueming2，CHENG Jingrong2，WANG Jingyu2
（1.College of Food Science&Technology，Hu'nan Agricultural University，Changsha，Hu'nan 410128，China；2.Sericultural&Agri-Food Research Institute，Guangdong Academy of Agricultural Sciences，Guangzhou，Guangdong 510610，China）

To measure odor compositions in the simulated cold storages of aquatic products（-20℃）and the deodorization efficiency of ozone.The odor compositions in the simulated cold storages of aquatic products（-20℃）are measured by solid-phase microextraction-gas chromatograph-mass spectrometer（SPEM-GC-MS）and analyzed by principal component analysis（PCA）.142 kinds of odor substances are detected in the simulated cold storage of-20℃.Including 44 chain hydrocarbon，29 aromatic hydrocarbon，20 esters，12 alcohols，10 amine，8 ketones，7 aldehyde，5 acids and 7 other classes.PCA analysis found that the cumulative contribution rate for the first four principal components factors reached up to 100%，indicating that the odor components are highly correlated in the different simulated cold storages of aquatic products. The deodorization efficiency of ozone is also evaluated ozone exhibited a positive effect on odor elimination in time and dose-dependent manner under all tested cold storages.The content of small molecules decreased rapidly while that of large molecule decreased relatively slow.Aromatic hydrocarbon，chain hydrocarbon and aldehyde reduce in large scale while acids and ketone compounds showed an increasing trend.The optimal ozone concentration and treatment time are 200×10-6～300× 10-62.5～3.0 h for-20℃storage tank，respectively.

aquatic products；simulated cold storage；odor composition；principal component analysis；ozone；elimination

S984.1

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.05.011

1671-9646（2017）05a-0035-05

2017-03-08

廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（201704020081）；廣東省科技項(xiàng)目（2015B020206001，2016A040403080）。

陳彬（1991—），女，在讀碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工。

*通訊作者：張友勝（1965—），男，博士，研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品和水產(chǎn)品深加工。