模拟低温冷库中异味物质分析及臭氧清除效果研究

陈 彬，张友胜，张业辉，刘学铭，程镜蓉，汪婧瑜

（1.湖南农业大学食品科技学院，湖南长沙410128；2.广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所，广东广州510610）

模拟低温冷库中异味物质分析及臭氧清除效果研究

陈 彬1，2，*张友胜2，张业辉2，刘学铭2，程镜蓉2，汪婧瑜2

（1.湖南农业大学食品科技学院，湖南长沙410128；2.广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所，广东广州510610）

研究水产品为主要贮藏原料的模拟低温冷库（-20℃）中异味物质组成和臭氧对其清除效果，采用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱联用技术和主成分分析法对其进行统计分析。结果表明，在5个模拟低温冷库中检测出异味物质142种，其中链类44种、芳香烃29种、酯类20种、醇类12种、胺类10种、醛类8种、酮类7种、酸类5种、其他类7种。主成分分析结果表明，前4个主成分因子的累积贡献率高达100%，囊括了全部变量的信息。随着臭氧浓度的增加和作用时间的延长，-20℃模拟低温冷库中单体异味物质的含量逐渐降低，其中小分子物质含量下降较快，大分子物质含量下降较慢，芳香烃、链烃、醛类下降比例较大，酸类、酮类化合物则有增加的趋势。对-20℃模拟冷库而言，选择200×10-6～300×10-6的臭氧浓度作用2.5～3.0 h比较合适。

水产品；模拟冷库；异味成分；主成分分析；臭氧；清除

随着社会经济的发展，人们生活水平逐渐提高，冷冻冷藏容器（冷库、冷链车辆、冰箱等）已成为日常生活中重要的设施和设备，尤其对冷链物流行业而言更是如此。截至2014年底，我国冷库总容量达5 750×104m3，冷链车辆达3万辆，总容量超过2 000×104t。由于绝大部分冷冻冷藏容器通风不畅、长时间低温运行、湿度过大，加之各种原料在内外界因素影响下，通过物理、化学和生物等因素的作用，容易产生并累积多种不正常的气味。天长日久，这些气味黏附于容器的器壁、顶棚等部位，污染冷冻物品，导致贮藏物品品质劣变，给企业造成巨大的经济损失。尤其对大库容低温冷库而言，基本不可能通过停止运转来对其进行专门的清洗除味。据不完全调查，在-20℃水产品贮藏冷库（运行1年以上，原料混存）中基本上都有明显串味现象，其中3%～5%的贮藏物品只能降价或销毁处理。一般全年运行1 000 t以上冷库容量的企业，每年损失至少在50万元以上。

近年来，关于控制、减少或清除冷冻冷藏容器中异味物质的研究逐渐成为气味研究热点，如利用吸收吸附、等离子电离、氧化剂氧化、TiO2-UVLED光催化系统清除等[1-6]。综合现有技术的共同点，目前对异味清除方法可以归纳为掩盖式除味、物理式除味、化学式除味和杀菌式除味4种。其中，掩盖式除味是利用挥发性芳香物质对异味进行掩盖，从而消除人们感觉上的不快；物理式除味为利用物理作用，如气体扩散、吸附等去除异味；化学式除味为通过异味物质与化学除味剂发生化学反应，将异味成分转化为无味物质；杀菌式除味主要是通过杀菌剂对容器内腐败菌进行杀灭，防止物质腐败产生臭味。杀菌式除味既可以杀菌又可以清除异味，应该是一种值得推广的方式。

臭氧又称富氧、三子氧、超氧，是已知可利用的最强氧化剂之一，具有突出的杀菌作用，被认为是一种高效广谱的杀菌剂。相关研究证明，臭氧对冷冻冷藏容器和贮藏原料具有较好的杀菌作用[7-8]，同时对自来水[9]、家禽粪便[10]的异味消除具有较好的抑制和清除效果，但对冷冻冷藏容器中的异味物质清除效果鲜见报道。水产品品类多，是一种容易产生异味且难以消除的冷冻冷藏原料，在研究异味组成与清除技术时是一个较好的研究对象。

试验采用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱联用技术（Solid-phase microextraction-gas chromatogra ph-mass spectrometer，SPEM-GC-MS）对5个-20℃以水产品为主要贮藏对象模拟冷库中的异味成分进行了检测，并采用主成分分析法（Principal component analysis，PCA）进行了统计分析，同时研究了臭氧对异味成分的清除效果，以期为冷冻冷藏容器中异味清除技术的确定提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料和试剂

模拟低温冷库（-20℃），选用青岛海尔股份有限公司生产的BC/DB-220SE型卧式冷藏冷冻转换柜进行改造。在冷藏冷冻转换柜箱门处的对角将防止冷气外漏和热空气侵入的磁性密封条各去掉2.5 cm，共去掉磁性密封条5 cm，以模拟正常低温冷库（-20℃）的通气和密封性能。

试验使用5个模拟低温冷库（-20℃），模拟库内贮藏物均为从当地海鲜市场购买的各类新鲜和冰冻海鱼、从水产市场购买的淡水鱼，各放置20 kg；海鱼和淡水鱼均没有进行任何包装，所有模拟库6个月内不进行清洗除味。上述试验原料的混杂安排，主要是为了最大程度地模拟目前冷库行业中水产原料混存的现象。

内标环己酮标准品（色谱纯），上海哈灵生物技术有限公司提供；其他试剂均为色谱纯。

1.2 仪器与设备

Agilent 6890N/5975B型气相色谱-质谱联用仪，美国安捷伦科技有限公司产品；DVB/CAR/PDMS型固相微萃取纤维头，美国Supelco公司产品；0Z-3G型臭氧发生器，深圳市怡尔康科技有限公司产品；GB-2000型多功能复合气体分析仪，深圳市科诺电子科技有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 异味物质的萃取方法

参照王亚军[12]的方法并略作修改，直接将DVB/ CAR/PDMS型50/30 μm萃取纤维头放入库的中心部位萃取吸附后进行GC-MS分析，萃取时间60 min，解析时间5 min，解析温度260℃，试验内标为环己酮（最终质量浓度为1 mg/L，将环己酮加热通过导管导入冷库）。

1.3.2 GC-MS分析

参照Cheng J H，虞爱娜和吴纪军等人[13-14]的方法并略作修改。GC-MS的色谱条件：采用DB-5MS型弹性毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；氦气为载气，其流速1 mL/min，无分流比；进样口温度250℃；程序升温的初始温度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；离子源温度230℃；接口温度250℃；GC-MS的质谱条件为EI离子源（70 eV），质量扫描范围10～450 m/z。

GC-MS分析获得的挥发性物质总离子流图，经计算机谱库（NIST/WILEY）进行检索匹配，记录相似度大于85%的物质。挥发性物质的定量采用内标法，以环己酮为内标，根据内标物的质量浓度、样品各组分的峰面积与内标峰面积的比值，计算库中各挥发性组分的含量（μg/m3）。

1.4 模拟低温冷库中臭氧浓度的测定和臭氧对异味物质的清除

打开臭氧发生器，将臭氧气体通过导管从去掉的磁性密封条处通入-20℃的模拟低温冷库内，同时将多功能复合气体分析仪的检测探头放入相应模拟低温冷库的中心部位，及时观察臭氧浓度显示屏，当臭氧浓度接近试验需要的浓度时，关闭臭氧发生器。试验过程中，对去掉的磁性密封条不作任何处理，让臭氧从中部分逸出，以此模拟正常低温冷库中从通风处可能逸出的臭氧；试验过程中，没有考虑臭氧的自分解作用对臭氧浓度的变化。

1.5 数据处理

异味物质采用主成分分析法进行分析，并采用SPSS 17.0统计软件进行方差分析（ANOVA），用Origin 8.5.1软件制图。

2 结果与分析

2.1 GC-MS分析

试验从5个-20℃模拟低温冷库中共检测出142种异味物质，其中链类44种、芳香烃29种、酯类20种、醇类12种、胺类10种、醛类8种、酮类7种、酸类5种、其他类7种（数据未给出）。

2.2 异味物质的主成分分析

根据主成分分析原理，选取了对5个模拟低温冷库异味成分贡献较大的32种挥发性成分构成整个原始数据的主成分。

5个-20℃模拟低温冷库中异味物质测定见表1，5个-20℃模拟低温冷库中异味物质的主成分因子见图1。

表15个-20℃模拟低温冷库中异味物质测定

图1 5个-20℃模拟低温冷库中异味物质的主成分因子

由统计软件分析后，选取了前4个主分量，其方差贡献率依次是31.068%，25.568%，25.377%和17.986%，累积贡献率为100%。由此可见，前4个主成分因子囊括了全部变量的信息，说明统计分析降维效果非常好。由图1可知，对第1主成分有较大贡献的是三甲胺、乙硫醇、异戊醇、苯乙烯、对二甲苯、壬醛；对第2主成分有较大贡献的是二甲基二硫、左旋樟脑、己酸丁酯、环氧乙烷、乙酸己酯、十二烷；对第3主成分有较大贡献的是正戊烷、异丁醇、正己烷、乙酸乙酯、乙酸。

2.3 模拟低温冷库中异味物质的清除

由于-20℃低温冷库温度较其他高温冷库温度更低，密闭性能更强，异味物质组成更加复杂，在实际过程中更加难以清洗除臭，因此试验过程中适当提高了臭氧浓度，分别将臭气浓度设置为75×10-6，100×10-6，200×10-6，300×10-6，通过改变作用时间和臭氧浓度，观察-20℃模拟低温冷库中对第1主成分和第2主成分有较大贡献的三甲胺、乙硫醇、异戊醇、二甲基二硫、苯乙烯、对二甲苯、左旋樟脑和壬醛8种单体异味物质的含量变化，以及芳香烃、链烃、醇类、酯类、胺类、酸类、酮类、醛类和其他类9类化合物峰面积百分比的变化情况。

臭氧对-20℃模拟低温冷库中单体异味物质的清除效果见图2。

随着臭氧浓度的增大、作用时间的延长，单体异味物质的含量逐渐降低，其中分子量相对较小的化合物含量下降较快，分子量相对较大的化合物含量下降较慢。如在臭氧浓度为75×10-6的条件下，随着作用时间的增长，所有单体挥发性物质都有下降趋势；在异戊醇（分子量88.15）、二甲基二硫（分子量94.20）、苯乙烯（分子量104.14）、对二甲苯（分子量106.17）等分子量相对较小化合物明显下降趋势的同时，左旋樟脑（分子量234.30）、壬醛（分子量142.24）等分子量相对较大化合物的含量也有所下降，但其下降速度较分子量相对较小化合物的下降速度要慢。当臭氧浓度为200×10-6、作用时间4 h的条件下，三甲胺（分子量59.11）、乙硫醇（分子量62.13）、异戊醇、二甲基二硫已经被完全氧化；左旋樟脑、壬醛等分子量相对较大的化合物在作用时间为3 h时含量也大量下降，当作用时间延长至4 h时含量所剩极微。

臭氧对-20℃模拟低温冷库中不同种类异味物质的清除效果见图3。

图2 臭氧对-20℃模拟低温冷库中单体异味物质的清除效果

图3 臭氧对-20℃模拟低温冷库中不同种类异味物质的清除效果

随着臭氧作用时间的延长和臭氧浓度的提高，芳香烃、链烃、醛类下降比例较大，相反酸类、酮类化合物有增加的趋势。

如臭氧浓度为100×10-6的条件下，臭氧作用2.5 h后，芳香烃、链烃、醛类化合物峰面积百分比已分别降至4.17%，2.09%，5.20%，酸类、酮类化合物增加至21.51%和28.71%。当臭氧浓度为300×10-6、作用时间为4 h时，芳香烃、链烃、醛类、醇类等4类化合物峰面积百分比已分别减少为原始的5.35%，2.08%，3.19%，5.14%，酸类、酮类化合物增加至39.81%和29.71%。其可能原因为从臭氧中分解而来的臭氧原子与烃中的碳原子结合生成酮或者与醛结合成酸，从而使得臭氧处理后酸类、酮类化合物有增加的趋势。

综合4种臭氧浓度在不同作用时间内对-20℃模拟低温冷库中异味物质的清除效果，如果要将其中的单体异味物质总量减少50%，选择200× 10-6～300×10-6的臭氧浓度作用2.5～3.0 h比较合适。

3 讨论

采用SPEM-GC-MS对异味物质进行研究是一种常用的方法，但对冷冻冷藏容器而言，由于容器内温度低、湿度高、空气对流缓慢，因此选择合适的萃取纤维、萃取时间、解析时间和解析温度对研究结果起着重要的作用。预备试验阶段，比较了4种不同型号的DVB/CAR/PDMS萃取纤维（50/30，65，75，100μm）、5种萃取时间（30，40，50，60，70min）、5种解析时间（1，2，3，5，7 min）和5种解析温度（230，240，250，260，270℃）条件下的总离子流程图、出峰个数及不同峰之间的分离度。结果表明，采用SPEM-GC-MS法研究以水产品为贮藏原料的模拟冷库中异味物质时，采用50/30 μm DVB/ CAR/PDMS萃取纤维，萃取时间60 min，解析时间5 min，解析温度250℃比较合适，此条件下吸附异味物质能力较强，总离子流图比较清晰且峰的分离度较好、峰的个数较多。

由于规模效应、管理方便、综合成本等因素的作用，联体冷库的规模越建越大，库体容量从过去的几百吨发展到现在的上万吨，过去常用的清库杀菌消毒除味方法实际上没办法进行；另外，冷冻冷藏容器中的异味物质是一类非常特殊的物质，只要原料存在，它会随时产生并且各物质之间也会随时发生分解、聚合，从而使其浓度随时发生变化。因此，对冷冻冷藏容器中异味物质进行除味技术研究的首要条件是在冷库正常工作的情况下进行，其次是对异味物质只能减少抑制而不能清除。实际上，利用臭氧对以水产品为贮藏原料的模拟低温冷库中异味物质进行了清除试验并取得了较好的效果，但臭氧是一个强氧化剂，对贮藏原料、贮藏设备和贮藏原料包装等会造成一定的影响，因此采用何种方式进行异味物质清除实施又是一个亟待解决的问题。

[1]Sang-Hee Jo，Ki-Hyun Kim，Yong-Hyun Kim，et al. Deodorization of food-related nuisances from a refrigerator：the feasibility test of photocatalytic system[J].Chemical Engineering Journal，2015（7）：260-268.

[2]Ki-Hyun Kim，Yong-Hyun Kim.Composition of key offensive odorants released from fresh food materials[J].Atmospheric Environment，2014（6）：443-452.

[3]Yanhui Zhang，Zi-Rong Tang，Xianzhi Fu.Nanocomposite of Ag-AgBr-TiO2as a photoactive and durable catalyst for degradation of volatile organic compounds in the gas phase[J].AppliedCatalysisB：Environmental，2011（11）：445-452.

[4]Choi W Y.Pure and modified TiO2photocatalysts and their environmental applications[J].Catal.Surv.Asia，2006（10）：16-28.

[5]Zuo G，Zuo M，Cheng Z X，et al.Study on photocatalytic degradation of several volatile organic compounds[J].Hazard.Mater.，2006（B128）：158-163.

[6]Zhao J，Yang X.Photocatalytic oxidation for indoor air purification：a literature review[J].Build.Environ.，2003（38）：645-654.

[7]王宏延，曾凯芳，贾凝，等.不同质量浓度臭氧化水对鲜切西兰花贮藏品质的影响[J].食品科学，2012，33（2）：267-271.

[8]闫师杰，梁丽雅，宋振梅，等.臭氧水对鲶鱼肉保鲜效果的研究[J].食品科学，2010，31（24）：465-468.

[9]Wang Y J，Yu J W，Zhang D，et al.Addition of hydrogen peroxide for the simultaneous control of bromate and odor during advanced drinking water treatment using ozone[J]. Journal of Environmental Sciences，2014，26（3）：550-554.

[10]Wang Q H，Narita J Y，Xie W M，et al.Effects of anaerobic/aerobic incubation and storage temperature on preservation and deodorization of kitchen garbage[J].Bioresource Technology，2002（8）：213-220.

[11]Matusiak K，Oleksy M，Borowski S，et al.The use of yucca schidigera and microbial preparation for poultry manure deodorization and hygienization[J].Journal of Environmental Management，2016（10）：50-59.

[12]王亚军.食品储藏用冰箱异味成分分析及除味探索[D].杭州：浙江大学，2015.

[13]Cheng J H，Lee Y S，Chen K S.Carbonyl compounds in dining areas，kitchens and exhauststreams in restaurants with varying cooking methods in Kaohsiung，Taiwan[J]. Journal of Environmental Sciences，2016，41：218-226.

[14]虞爱娜，戎欣，王复，等.固相微萃取-气相色谱／质谱法测定博物馆空气中总挥发性有机物[J].武汉大学学报（理学版），2008，54（2）：153-156.◇

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

广州市科技计划项目（201704020081）；广东省科技项目（2015B020206001，2016A040403080）。

陈彬（1991—），女，在读硕士，研究方向为农产品加工。

*通讯作者：张友胜（1965—），男，博士，研究员，研究方向为农产品和水产品深加工。