苹果品质的气体表达及感知技术现状李娴;曹玉栋;李哲敏【摘 要】目的水果品质检测技术,尤其是无损检测技术的发展和应用对苹果品质 管理具有重要作用,而其中气体表达和感知技术是水果品质无损检测的重要研究方 向.方法文章从苹果果实的气体表达角度出发,分别对苹果释放的香气(挥发性有机 化合物主要成分)、内源乙烯和呼吸作用中二氧化碳的产生、作用和研究意义进行 阐述,同时对其现有检测技术进行归纳总结.结果3 类气体的产生具有紧密关联关系, 其变化直接反映苹果的品质状态,而现有检测技术多关注于单一对象贮藏期内变化 情况,功能较单一,应用受限.结论3 类气体的检测对于提升果品品质、育种、贮藏 等具有重要的意义和研究价值.苹果气体感知技术和设备应该向低成本、高性能、 多功能、集成化、智能化等方向加快发展速度.期刊名称】中国农业信息年(卷),期】2019(031)004【总页数】10页(P74-83) 【关键词】 苹果;气味;香气;乙烯;二氧化碳;气体传感器;感知技术【作 者】 李娴;曹玉栋;李哲敏【作者单位】 中国农业科学院农业信息研究所,北京 100081;中国农业科学院农业信息研究所,北京 100081;中国农业科学院农业信息研究所,北京 100081;中国农业 科学院研究生院,北京100081正文语种】 中 文0 引言 我国苹果的产量、销量均居世界首位，苹果产业具有重要的经济地位，其发展对农 村经济发展、农民增收、扩大出口创汇等方面具有重要的作用和意义。作为苹果生 产大国，我国苹果的出口率仅为2.7%，远低于世界平均水平（8%）1。究其 原因，在于我国苹果的基础竞争力不足。果品品质的提升是提高我国果品竞争力的 重要内容。苹果的色泽、大小、糖酸含量、香气、硬度、营养成分等都是苹果品质的组成内容 其中，苹果释放的挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds , VOCs ） 中的香气物质一定程度反映苹果的风味，而苹果释放的乙烯（C2H4 ）和呼吸作用 产生二氧化碳（CO2 ）与苹果香气释放及苹果其它品质指标具有重要联系。VOCs 被称为植物的“化学语言”，植物在生长发育过程中，自身会释放包括醇类、醛类 酮类、酯类、菇烯类和芳香类等VOCs，这些挥发物传递着植物身份和其生理状况 等信息。通过检测苹果的VOCs组分及获取其香气成分，对于提高果实品质、获 取果实成熟度、香味育种和建立完善果品评价体系具有重要意义2。而C2H4 是跃变型果实的成熟信号，对于苹果果实的生长发育、贮藏等具有重要的研究意义 3;CO2则反映苹果果实呼吸强度，同样是苹果生长发育、贮藏的重要研究内 容4。文章对苹果果实释放气体（VOCs、C2H4和CO2 ）的产生、作用、相 互之间关联关系及检测意义进行了分析，同时对3类气体的现有检测技术进行了 归纳整理，并通过对现有技术的分析，对苹果气体感知技术的发展做出展望。1苹果的香气一VOCs1.1 香气产生、组成及检测意义 果实的香气是人们通过嗅觉和味觉可以感受到的物质，作为一种独特的特征，对判 断果实成熟及品质具有重要作用，香气还是构成苹果整体风味的重要组成部分，果 实的香气不仅可以吸引消费者，还可以增强市场竞争力5-6。苹果释放的VOCs达300多种，主要包括酯类、醇类、醛类、酮类和醚类，其中酯类约占 78% 92%，醇类约占6% 16%，此外还包括其他挥发性组分。苹果VOCs组 分中，仅有204 0种含量超过其味感阈值的物质对果实的香味起作用。香气阈值 指嗅觉器官感觉到气味时嗅感物质的最低浓度，如苹果中最主要的香气代表物质乙 酸己酯的香味阈值为2 pg/kg。香气值（香气物质浓度与香气阈值的比值）是评 价食品香气特性的依据，香气值越大，表明该成分对果实香气贡献的作用越大7-8。不同苹果品种产生的VOCs种类和含量不同，因此产生香气也不同，但 乙酸己酯、1-己醇和（E ） -2-己烯醛是多种苹果品种的共有特征香气成分，其中 乙酸己酯占比最高9。苹果果皮香气比较浓郁和丰富，果肉则主要提供背景香 气化合物10。根据苹果产生的酯类和醇类的含量和种类不同，苹果分为酯香 型和醇香型9。果实的香气通常在后熟期间大量产生，其中酯类、醇类和醛类 是主要香气成分，大多数苹果在采收时的挥发性成分主要为己醛和（E ）-2-己烯 醛。果实后熟期间，醛类物质被还原为醇或氧化为酸，并参与到酯类物质的合成中， 香味随着果实衰老逐渐变淡11。果实香气受内部因素（种类品种、成熟度） 和外部环境因素（灌水、施肥、套袋、嫁接等栽培因素；光照、温度等生态环境因 素；温度、乙烯、气调贮藏条件）共同影响12。苹果中香气能反映苹果的采 后货架期，间接反映果实硬度、pH、可溶性固形物、淀粉指数等变化情况13。 此外，苹果受到病虫害侵袭时，香气物质会迅速做出反应14。研究果实香气 物质对于进一步提高果实品质、获取果实成熟度、香味育种和建立完善的果品评价 体系具有重要意义。1.2 香气检测技术 香气的提取主要采用萃取方法，鉴别主要采用气相色谱方法。通常是将果实果肉切 碎或粉碎后加入适量氯化钠、放置于顶空样品瓶中平衡后，使用萃取头萃取一定时 间后插入气相色谱仪进样口分析。但萃取色谱联用技术为有损检测方法，使用 范围局限于实验室。色谱方法是破坏样品及分离，并将分离后结果重组分析的过程， 苹果香气的“嗅觉”系统化、科学化分析难度大13。同时，果实香气成分复 杂、动态变化且浓度低，对香气物质的动态监测和分析造成一定难度。 电子鼻技术可以对苹果的香气成分进行无损、整体评价，相比于专家小组对苹果香 气进行感官鉴别判断具有更高准确性14。如PEN3便携式电子鼻（Airsense , 德国）480 s后即可获取苹果的挥发性物质响应信号，结合不同的模式识别方法可 成功区分苹果品种（图1 ） ，该电子鼻的传感器元件由10个半导体氧化物传感器 组成（甲苯、二氧化氮、苯、氢气、丙烷、甲烷x2、硫化氢x2、一氧化碳传感器）15。电子鼻由传感器阵列、信号处理和模式识别组成，也有研究者根据检测 需要购买传感器单元后集成采气系统、信号处理和模式识别算法（主成分分析、神 经网络、最小二乘法等）制备而成16-17。电子鼻技术还可应用于苹果贮藏期 香气物质变化、新鲜度 16 、成熟度、腐烂程度 18 、损伤和病害情况 14 检测和对比分析。但电子鼻产品中所采用的传感器单元并不针对苹果释放的某一香 气物质定向进行检测，且传感器单元的交叉灵敏度问题严重，因此需要大量样本数 据训练并借助模式识别算法来提高检测的准确率，同时也增加了检测时间和功耗。 随着纳米材料和传感器技术的快速发展，对支持苹果香气物质高灵敏和高选择性检 测的气体传感器研制和开发提出了迫切需求。目前，也有一些研究者在这方面开展 了初步尝试，如通过在不同电极衬底上沉积不同聚合方式形成的聚苯胺（PANI） 薄膜构成传感器阵列，借助主成分分析算法检测苹果、葡萄和草莓中的香气成分19；该研究团队还对聚苯胺进行不同酸的掺杂后原位聚合于石墨电极上，用 于监测存储过程中软糖的香气物质的释放情况20，并对苹果味道、葡萄味道 和草莓味道的软糖进行区分21。图1电子鼻技术：（a）原理；（b）主成分分析方法识别不同苹果品种Fig.1Electronic nose technology identifies different apple varieties2苹果成熟信号一C2H42.1 乙烯的产生及检测意义1901年，科学家发现乙烯导致植物和叶片提前衰老，此后研究者开始关注乙烯研 究并发现乙烯对于植物生长发育过程和果实成熟软化具有重要作用。乙烯存在于大 多数植物组织和器官中，是重要的植物生长激素，参与许多发育过程，调节种子休 眠和萌发，诱导根茎生长和分化（三重反应：抑制茎的伸长生长、促进茎或根的增 粗和引起叶柄和胚轴偏上生长），促进叶片衰老和果实成熟软化，参与植物抗逆性 调节3，22-24。图2展示了果实乙烯合成途径。图 2 乙烯生物合成途径 Fig.2 The biosynthesis of ethylene苹果在成熟过程中受到乙烯调控发生一系列生理生化和结构变化，包括颜色改变、 质地变软、淀粉水解及特殊风味和香气的形成11。乙烯促进果实呼吸，通过 调节基因表达来实现对果实衰老的促进作用25。人们往往根据果实是否出现 乙烯高峰来划分跃变型果实和非跃变型果实。苹果呼吸高峰与乙烯释放高峰同时出 现或稍晚于乙烯释放高峰26-27。苹果在进入成熟时呼吸强度逐渐下降，完全 成熟时，呼吸强度急剧上升，出现一个峰值，即呼吸跃变。对于呼吸跃变型果实， 呼吸跃变的出现标志着果实的完全成熟，同时也表明果实内贮藏物质的强烈水解作 用开始。影响呼吸最重要的环境因素包括温度、湿度、空气成分、乙烯浓度。乙烯的作用位点可能在某些细胞膜和细胞质膜的金属离子（Cu2+），受乙烯作用后，膜的透性增强物与酶的分隔状态被打破，因而引起呼吸代谢增强。乙烯是影响呼吸 跃变型果实成熟的关键因素，跃变型果实成熟时适量的外源乙烯能够启动大量自我 催化的内源乙烯产量的上升28。内源乙烯产量的突然升高，往往认为是果实 色泽、质地、风味和香味物质等生理生化指标开始发生不可逆变化的标志，因而乙 烯是跃变型果实成熟启动、调节的关键因子。对于非跃变型果实，乙烯从分子水平 参与其成熟衰老过程以及叶绿素降解和类胡萝卜素的合成。乙烯在植物对生物的、 非生物的应激反应中起重要作用。机械伤能诱导乙烯的合成，采后果实遭受机械伤 害，能诱导乙烯合成关键酶基因的表达，提高乙烯释放量，激活防御反应，提高伤 口对病原菌的抵抗力 29。伤害诱导乙烯和果实跃变时产生乙烯是相对独立的， 在时间上表现不一致。果实伤害首先诱导氨基环丙烷羧酸(l- aminocyclopropane-l-carboxylic acid，ACC )氧化酶活性增加，进而导致伤诱 乙烯快速合成发生，并在612 h内达到乙烯生成量的高峰，随后因ACC氧化酶 活性下降，乙烯生成量下降并逐渐恢复至原来水平，加快果实的成熟、软化和衰老 30。乙烯释放量的高低还决定果实的贮藏性，乙烯释放量高则贮藏性变差。乙烯除了与CO2释放具有紧密联系外，其浓度与香气的生成也密切相关。催化乙 烯产量的增加和呼吸系统的活性对于增加香气物质的产生至关重要31。酯类 是苹果果实香气的主要成分，其产生量的大小和时间与呼吸跃变紧密相关，呼吸跃 变是果实产生乙烯的结果，通过乙烯抑制剂或调节贮藏条件抑制果实乙烯的产生， 果实的酯类香气产生量会大幅度降低，而醇类和醛类香气降低较少32。水果 成熟到接近最优收获日期时，水果质量、呼吸、乙烯和香气的产生同时达到最高水 平33-34 (图3 ) 。因此，乙烯检测可以从一定程度反映果实香气及品质，与 果实香气检测相比难度和复杂度降低。图3果实的呼吸、乙烯释放和生长轨迹Fig.3 Fruit respiration , ethylene release and growth trajectory2.2 乙烯检测技术 果实释放乙烯检测最常用的方法是色谱技术，其次还有光声光谱方法、非扩散红外 光谱方法、电催化传感器和化学传感器方法25。气相色谱仪是实验室常用方法，将一定数量的苹果果实放入密闭器皿，静置15 h后使用注射器抽取器皿内气体，注入气相色谱仪分析测定。研究发现，不同的贮 藏条件（温度、C02浓度）对于乙烯释放速率有一定影响。采后果实乙烯浓度逐 渐上升，达到乙烯高峰后下降，这也意味着果实真正进入衰老过程，且果实品质将 严重下降。乙烯浓度的检测对于贮藏果实最佳出库时间也具有重要的参考价值 16。荷兰 Sensor Sense