氣介式超聲強(qiáng)化西蘭花熱風(fēng)干燥過程中硫苷分解代謝途徑相關(guān)物質(zhì)的變化

劉貝妮，曹 曄，余 影，李丹丹，韓永斌，陶 陽

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，江蘇南京 210095）

西蘭花（Brassica oleraceaL. var.Italica）屬于十字花科蕓薹屬甘藍(lán)變種，富含蛋白質(zhì)、硫代葡萄糖苷、異硫氰酸酯、酚類化合物、維生素等[1]。近年來，其營養(yǎng)價(jià)值受到了越來越多的重視，眾多研究表明，長期食用西蘭花可以降低胃、肝、膀胱等器官的癌變幾率[2]。西蘭花的防癌抗癌功能與其含有的含硫化合物——硫苷密切相關(guān)[3]。在西蘭花加工過程中，硫苷容易發(fā)生酶促降解。當(dāng)黑芥子酶接觸到硫苷后，其部分化學(xué)鍵斷裂，水解形成D-葡萄糖和不穩(wěn)定的中間體thiohydroximate-O-sulfonate，該中間體在不同pH和多種專一性蛋白的影響下會(huì)進(jìn)一步形成能賦予西蘭花產(chǎn)品特殊風(fēng)味和較高營養(yǎng)價(jià)值的異硫氰酸酯以及硫氰酸酯、腈類化合物和唑惡烷-2-硫酮等物質(zhì)[2]。4-甲基硫氧丁基硫苷是西蘭花中含量最多的硫苷，它在黑芥子酶的作用下會(huì)水解產(chǎn)生蘿卜硫素，蘿卜硫素被認(rèn)為是一種功能強(qiáng)大的天然抗癌物質(zhì)，具有抗炎癥和化學(xué)預(yù)防的作用[4]。西蘭花中硫苷除發(fā)生酶促降解之外，還容易在Fe2+的催化作用下發(fā)生非酶促降解，形成功能性較低的腈類物質(zhì)和硫酰胺[5?6]。在西蘭花干燥過程中發(fā)生的這兩種降解途徑與干燥溫度、水分含量、抗壞血酸含量、Fe2+含量、酚酸含量以及抗氧化活性密切相關(guān)[7]。干燥溫度與黑芥子酶、硫苷及其降解產(chǎn)物的熱穩(wěn)定性密切相關(guān)，同時(shí)水分含量也會(huì)影響硫苷熱降解過程中的降解率[2]。抗壞血酸作為黑芥子酶的輔因子，可以促進(jìn)黑芥子酶的活性部位釋放葡萄糖分子，使不穩(wěn)定的糖苷配基發(fā)生洛森重排，在不同條件下形成不同的硫苷降解產(chǎn)物[8]。它還可以同酚酸一起將西蘭花中的Fe3+還原為能提高專一性蛋白活力并抑制異硫氰酸酯生成的Fe2+[6]。因此，為了靶向調(diào)控干燥過程中硫苷及其衍生物的轉(zhuǎn)化，需要針對(duì)上述組分和因素對(duì)硫苷組分的影響展開研究。

超聲波作為一種非熱加工技術(shù)，在合適的操作條件下并不會(huì)引起樣品溫度的額外升高，故在果蔬干燥領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。其強(qiáng)化果蔬干燥的方式主要有三種，即：超聲預(yù)處理[9]、接觸式超聲強(qiáng)化熱風(fēng)干燥[10]和氣介式超聲強(qiáng)化熱風(fēng)干燥[11]。超聲預(yù)處理對(duì)后續(xù)干燥傳質(zhì)的促進(jìn)作用有限，且容易導(dǎo)致果蔬營養(yǎng)物質(zhì)的損失[12]，而接觸式超聲波目前因技術(shù)原因和成本很難大規(guī)模應(yīng)用到傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥過程中[13]，故本研究選擇氣介式超聲波輔干燥西蘭花。目前已有關(guān)于氣介式超聲波應(yīng)用于十字花科蔬菜干燥的研究報(bào)道，但研究主要集中于產(chǎn)品的干燥特性以及干燥前后一些基本理化指標(biāo)的變化，如顏色、復(fù)水性、抗壞血酸含量和抗氧化能力等，對(duì)硫苷代謝途徑中相關(guān)物質(zhì)變化規(guī)律的研究還鮮有報(bào)道。目前，Tao等[14]發(fā)現(xiàn)甘藍(lán)在超聲干燥的過程中部分硫苷類物質(zhì)的含量出現(xiàn)先降低再升高的現(xiàn)象，故推斷在超聲場(chǎng)下含硫物質(zhì)的降解和體外合成反應(yīng)可能同時(shí)發(fā)生，且超聲樣品和未超聲樣品的變化規(guī)律不完全一致。盡管十字花科蔬菜在熱加工過程中硫苷的降解機(jī)理已有報(bào)道[2,15]，但超聲的機(jī)械作用在強(qiáng)化十字花科蔬菜熱風(fēng)干燥過程中對(duì)硫苷及其降解產(chǎn)物的影響尚未可知。為了明晰超聲強(qiáng)化西蘭花熱風(fēng)干燥過程中硫苷代謝途徑中相關(guān)物質(zhì)的變化情況，一方面需要分析硫苷及其降解產(chǎn)物和黑芥子酶的變化過程，另一方面需要對(duì)影響硫苷酶促降解和非酶促降解途徑的因素展開研究，同時(shí)需要考慮超聲波與物質(zhì)組分、干燥溫度等因素之間的相互作用對(duì)硫苷及其降解產(chǎn)物變化的影響。

因此，本研究采用氣介式超聲波聯(lián)合熱風(fēng)干燥西蘭花小花球，測(cè)定干燥過程中的干基含水量、溫度、硫苷含量、蘿卜硫素含量和黑芥子酶活力，同時(shí)測(cè)定干燥過程中抗壞血酸、Fe2+、游離酚酸含量以及抗氧化活性，以期為研究超聲干燥過程中硫苷的代謝變化提供理論依據(jù)，并為超聲技術(shù)在果蔬干燥中的實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮綠色的西蘭花（品種“優(yōu)秀”） 產(chǎn)地為南京市江寧區(qū)潤鴻蔬菜有限公司，協(xié)約定購于江蘇省南京市蘇果超市；4-甲基硫氧丁基硫苷、3-丁烯基硫苷、3-吲哚甲基硫苷、黑芥子苷、蘿卜硫素 美國Sigma公司；4-甲氧基-3-吲哚甲基硫苷 上海甄準(zhǔn)生物科技有限公司；三氟乙酸、乙腈、甲醇 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；HEPES緩沖液、單體酚標(biāo)準(zhǔn)品 上海源葉生物科技有限公司；D-Fructose/D-Glucose 分析試劑盒 愛爾蘭Megazyme。

超聲聯(lián)合熱風(fēng)干燥設(shè)備 無錫新上佳生物科技有限公司；LC-2010A島津高效液相色譜儀 日本島津公司；Synergy-2型酶標(biāo)儀 美國Biotek公司；K型/J型熱電偶溫度計(jì) 深圳華盛昌機(jī)械實(shí)業(yè)有限公司；TDL-40B離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；UV-5100B紫外-可見光分光光度計(jì) 上海元析儀器有限公司；RE-52旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠；Nexera X2超高液相色譜（UHPLC）、LC-2010A高效液相色譜（HPLC） 日本島津； AB SCIEX TripleTOF 4600 Triple-TOF-MS 系統(tǒng) USA； Eclipse XDBC18（ 5 μm，4.6 mm×150 mm）、色譜柱ZOBAX-C18（5 μm，4.6 mm×250 mm） Agilent。

1.2 干燥方法

稱取切成約1 cm3的西蘭花小花球平鋪于物料盤，然后將物料盤置于實(shí)驗(yàn)室自行研制的超聲聯(lián)合熱風(fēng)干燥箱內(nèi)的超聲探頭（超聲頻率20 kHz，探頭直徑5 cm）正下方。試驗(yàn)所用設(shè)備工作原理示意圖見圖1。樣品距離超聲探頭約5 mm，設(shè)定風(fēng)速為2 m/s，干燥溫度為60 ℃，超聲強(qiáng)度為125.2和180.1 W/dm2，超聲波模式為5 s開5 s關(guān)。除關(guān)閉該設(shè)備的超聲波外，單獨(dú)熱風(fēng)干燥的其余條件與氣介式超聲干燥一致。定期檢測(cè)樣品重量直至達(dá)到平衡，進(jìn)而建立干燥動(dòng)力學(xué)曲線。在干燥的同時(shí)，采用熱電偶溫度計(jì)記錄西蘭花莖的表面和中心部位溫度的變化。在明確好西蘭花干燥特性后，分別在干燥0、0.5、1、2、3、4 h和干燥終點(diǎn)（干燥終點(diǎn)的干基含水量為0.25 kg/kg DW）取樣，用于后續(xù)的理化分析。理化分析前樣品密封保存于?18 ℃。

圖1 超聲聯(lián)合熱風(fēng)干燥設(shè)備示意圖Fig.1 Diagram of the experimental setup for air drying coupled with air-borne ultrasound

1.3 理化分析

1.3.1 干基含水量測(cè)定 初始干基含水量按照AOAC的方法執(zhí)行[16]，挑選新鮮綠色的西蘭花，將花球修剪成約1 cm3的小塊，在105 ℃下干燥12 h測(cè)定得出。干基含水量的計(jì)算公式為：

式中：M為干基含水量，kg/kg DW；mt為t時(shí)刻樣品的質(zhì)量，kg；md為樣品的干物質(zhì)質(zhì)量，kg。

1.3.2 硫苷含量測(cè)定 西蘭花硫苷含量的測(cè)定參照Baenas等[17]方法并稍作修改。分別稱取0.4 g鮮樣、干燥0.5和1 h的樣品，0.2 g干燥2和3 h的樣品，和0.1 g干燥4 h和干燥終點(diǎn)的樣品，加3 mL、70%（v/v）的甲醇在70 ℃下水浴20 min充分滅酶，然后取出并充分研磨，再在70 ℃下水浴20 min提取硫苷，用10000 r/min離心10 min后收集上清液，殘?jiān)儆?0%（v/v）的甲醇重復(fù)提取一次并離心，合并兩次提取的上清液，在45 ℃下真空干燥至恒重，用2 mL、0.05%（v/v）的三氟乙酸復(fù)溶，過0.45 μm水系膜后用于液相檢測(cè)。提取液先用UHPLC串聯(lián)Triple-TOF-MS系統(tǒng)進(jìn)行硫苷鑒定，條件如下：電噴霧離子源（ESI），負(fù)離子檢測(cè)模式，質(zhì)量掃描范圍（m/z）為50~1500，檢測(cè)波長為280 nm，進(jìn)樣量為2 μL，流動(dòng)相A為0.1%（v/v）的甲酸，流動(dòng)相B為乙腈，洗脫梯度：0~2 min，5%B；2~19 min，5%~70%B；19~21 min，70%~90%B；21~25 min，90%B；25~25.1 min，90%~5%B；25.1~30 min，5%B。然后再在HPLC上進(jìn)行定量檢測(cè)，液相條件如下：色譜柱為Eclipse XDB-C18（5 μm，4.6 mm×150 mm），檢測(cè)波長為227 nm，流速為1.0 mL/min，柱溫為30 ℃，進(jìn)樣量為20 μL，流動(dòng)相A為0.05%（v/v）三氟乙酸，流動(dòng)相B為乙腈，洗脫梯度：0~15 min，0%B；15~25 min，0%~5%B；25~40 min，5%~20%B；40~50 min，20%~35%B；50~55 min，35%~99%B；55~60 min，99%~0%B。硫苷含量表示為mg/g DW。

1.3.3 黑芥子酶活力測(cè)定 西蘭花黑芥子酶活力的測(cè)定參照Guo等[18]的方法并稍作修改。分別稱取0.4 g鮮樣、干燥0.5和1 h的樣品，0.2 g干燥2和3 h的樣品，和0.1 g干燥4 h和干燥終點(diǎn)的樣品，加3 mL、0.1 mol/L磷酸鈉緩沖液（pH6.5）在冰浴中充分研磨，10000 r/min 離心15 min，收集上清液作為粗酶液。將500 μL粗酶液和500 μL、0.25 mmol/L黑芥子苷（sinigrin）溶液混合，37 ℃下反應(yīng)15 min后，煮沸5 min使酶失活。黑芥子酶和底物反應(yīng)過程中生成的葡萄糖含量用D-Fructose/D-Glucose分析試劑盒測(cè)定。37 ℃下每分鐘從黑芥子苷中釋放1 μmol葡萄糖的量定義為一個(gè)酶活力，黑芥子酶活力單位用U/g DW表示。

1.3.4 蘿卜硫素含量測(cè)定 西蘭花蘿卜硫素含量的測(cè)定參照Guo等[18]方法并稍作修改。分別稱取0.4 g鮮樣、干燥0.5和1 h的樣品，0.2 g干燥2和3 h的樣品，和0.1 g干燥4 h和干燥終點(diǎn)的樣品，加入4 mL蒸餾水后充分研磨，然后在37 ℃下恒溫水浴振蕩水解3 h，再用10 mL乙酸乙酯提取三次，每次提取完用一次性滴管將上層乙酸乙酯組分吸出，合并三次的提取液，加1 g無水硫酸鈉除水，讓提取液在35 ℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干，最后用2 mL乙腈復(fù)溶，過0.45 μm有機(jī)膜后用于液相檢測(cè)。液相測(cè)定條件：色譜柱為Eclipse XDB-C18（5 μm，4.6 mm×150 mm），檢測(cè)波長為254 nm，流速為1.0 mL/min，柱溫為30 ℃，進(jìn)樣量為20 μL，流動(dòng)相A為水，流動(dòng)相B為乙腈，洗脫梯度：0~15 min，20%~60%B；15~20 min，60%~100%B。蘿卜硫素含量表示為mg/g DW。

1.3.5 抗壞血酸含量測(cè)定 西蘭花抗壞血酸含量的測(cè)定參照仇宏偉等[19]方法。分別稱取0.4 g鮮樣、干燥0.5和1 h的樣品，0.2 g干燥2和3 h的樣品，和0.1 g干燥4 h和干燥終點(diǎn)的樣品，加入4 mL、2%（w/v）草酸充分研磨，渦旋1 min后10000 r/min離心10 min，收集上清液過0.45 μm水系膜后用于液相檢測(cè)。液相條件：色譜柱為Agilent ZOBAXC18（5 μm，4.6 mm×250 mm），檢測(cè)波長為254 nm，流速為0.8 mL/min，柱溫為30 ℃，進(jìn)樣量為20 μL，流動(dòng)相為0.1%草酸-甲醇溶液（95:5，v/v）?？箟难岷勘硎緸閙g/g DW。

1.3.6 亞鐵離子（Fe2+）含量測(cè)定 西蘭花Fe2+含量的測(cè)定參照Bellostas等[6]的方法并稍作修改。分別稱取0.4 g鮮樣、干燥0.5和1 h的樣品，0.2 g干燥2和3 h的樣品，和0.1 g干燥4 h和干燥終點(diǎn)的樣品，加4 mL蒸餾水充分研磨，吸取2 mL研磨液與1 mL非還原性蛋白沉淀溶液混合（配制方法：1 g三氯乙酸和1 mL、 37%鹽酸，用蒸餾水定容至10 mL），混合液在室溫下靜置過夜，然后10000 r/min離心15 min。吸取100 μL上清液、200 μL HEPES緩沖液（0.3 mol/L、pH9.9）和25 μL菲洛嗪溶液（5 mg/mL、水溶）加入96孔板，迅速用酶標(biāo)儀在570 nm下測(cè)定樣品的吸光值。用硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)品繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，F(xiàn)e2+含量用mg/100 g DW表示。

1.3.7 游離酚酸含量測(cè)定 西蘭花游離酚酸含量的測(cè)定參照Thomas等[20]的方法并稍作修改。分別稱取0.4 g鮮樣、干燥0.5和1 h的樣品，0.2 g干燥2和3 h的樣品以及0.1 g干燥4 h和干燥終點(diǎn)的樣品，加4 mL、80%（v/v）甲醇充分研磨，超聲處理30 min，在37 ℃下水浴振蕩提取4 h，10000 r/min離心10 min后收集上清液，殘?jiān)?0%（v/v）甲醇再提取一次，離心后合并兩次的上清液，制備好的樣品溶液過0.45 μm的有機(jī)膜后用于液相檢測(cè)。液相測(cè)定條件參照Wang等[21]：色譜柱為Inertsil ODS-3（3.5 μm，4.6 mm×250 mm），檢測(cè)波長為280 nm，流速為0.6 mL/min，柱溫為25 ℃，進(jìn)樣量為20 μL，流動(dòng)相A為1%醋酸-水，流動(dòng)相B為1%醋酸-甲醇，洗脫梯度：0~10 min，10%~26%B；10~25 min，26%~40%B；25~45 min，40%~65%B；45~55 min，65%~95%B；55~58 min，95%~10%B；58~65 min，10%B。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)品的色譜圖和標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)樣品中的游離酚酸進(jìn)行定性和定量，結(jié)果表示為μg/g DW。

1.3.8 體外抗氧化活性（ABTS+·清除能力和鐵離子還原能力）測(cè)定 分別稱取0.4 g鮮樣、干燥0.5和1 h的樣品，0.2 g干燥2和3 h的樣品以及0.1 g干燥4 h和干燥終點(diǎn)的樣品，抗氧化活性物質(zhì)的提取方法同1.3.7，樣品提取液中ABTS+·清除能力的測(cè)定參照Ling等[22]方法，以Trolox濃度為橫坐標(biāo)，抑制率為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果用Trolox當(dāng)量表示，即μmol Trolox/g DW；樣品提取液中鐵離子還原能力的測(cè)定參照Tao等[12]方法，以FeSO4濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果用Fe2+濃度表示，即μmol Fe2+/g DW。

1.4 數(shù)據(jù)處理

每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次，數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用Origin 2021繪圖，采用SAS V8進(jìn)行方差分析和Duncan’s多重比較，采用SPSS Statistics 25進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 60 ℃下西蘭花干燥特性分析

圖2 和圖3分別為西蘭花小花球干燥動(dòng)力學(xué)曲線及干燥過程中內(nèi)外溫度的變化情況。選擇干基含水量到達(dá)0.25 kg/kg DW時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻作為超聲干燥的終點(diǎn)，因?yàn)榇藭r(shí)的干基含水量接近平衡時(shí)的水分含量。由圖2可知，當(dāng)樣品到達(dá)干燥終點(diǎn)時(shí)，單獨(dú)熱風(fēng)干燥、125.2 W/dm2氣介式超聲聯(lián)合熱風(fēng)干燥、180.1 W/dm2氣介式超聲聯(lián)合熱風(fēng)干燥分別需要450、400和370 min，即125.2和180.1 W/dm2超聲處理使得干燥時(shí)間分別縮短了11.1%和17.8%。超聲探頭發(fā)射出的聲波不僅能夠在氣固界面形成一定的壓力變化、振蕩速度和微湍流，還能在物料內(nèi)部形成快速的膨脹-壓縮交替循環(huán)（海綿作用），從而提高水分子的蒸發(fā)、傳質(zhì)和擴(kuò)散速率，有效強(qiáng)化單獨(dú)熱風(fēng)干燥過程[14]。此外，125.2 W/dm2超聲干燥樣品的升溫速度最快，表面超聲處理并未導(dǎo)致西蘭花出現(xiàn)過熱的現(xiàn)象。

圖2 西蘭花小花球干燥動(dòng)力學(xué)曲線Fig.2 Drying kinetics of broccoli florets during air drying with and without air-borne ultrasonic assistance

圖3 西蘭花小花球干燥過程中內(nèi)外溫度的變化Fig.3 Inner and outer temperature curves of broccoli florets during air drying with and without air-borne ultrasonic assistance

2.2 西蘭花干燥過程中硫苷含量變化

表1 ~表2分別為西蘭花小花球在干燥過程中硫苷類物質(zhì)的鑒定結(jié)果及含量的變化。由表可知，西蘭花中主要含有以下4種硫苷：4-甲基硫氧丁基硫苷、3-丁烯基硫苷、3-吲哚甲基硫苷及4-甲氧基-3-吲哚甲基硫苷，新鮮樣品中含量最高的是4-甲基硫氧丁基硫苷（7.61 mg/g DW），然后依次是3-吲哚甲基硫苷（3.67 mg/g DW）、4-甲氧基-3-吲哚甲基硫苷（3.26 mg/g DW）和3-丁烯基硫苷（0.43 mg/g DW），該結(jié)果和Vallejo等[23]及Park等[24]的報(bào)道類似。總體上，4-甲氧基-3-吲哚甲基硫苷在干燥0.5 h后含量顯著降低，這可能是因?yàn)楦稍镆鸬牧蜍彰复俸头敲复俜磻?yīng)使其降解形成不同的產(chǎn)物[7,25]。然而在干燥0~2 h過程中，3-丁烯基硫苷和3-吲哚甲基硫苷含量卻出現(xiàn)明顯升高現(xiàn)象，尤其是超聲干燥的樣品，在干燥2 h時(shí)其3-丁烯基硫苷和3-吲哚甲基硫苷含量相比鮮樣分別增加了67.4%~95.3%和52.3%~78.2%，盡管在干燥后期有所下降，但干燥終點(diǎn)的含量仍然高于鮮樣。干燥終點(diǎn)樣品中的3-丁烯基硫苷和3-吲哚甲基硫苷含量分別比鮮樣中的高出7.0%~34.9%和22.3%~35.4%，且在Yábar等[26]采摘、干燥三種瑪卡和Tao等[14]用超聲聯(lián)合熱風(fēng)干燥包心菜的文獻(xiàn)中也有類似的報(bào)道。西蘭花小花球干燥過程中3-丁烯基硫苷和3-吲哚甲基硫苷含量的增加可能與西蘭花需要合成更多的硫苷來防御自身免疫機(jī)制受到的損傷有關(guān)[27]。

表1 西蘭花硫苷成分鑒定Table 1 Identification of glucosinolates in broccoli florets

表2 西蘭花干燥過程中硫苷含量的變化Table 2 Variation of glucosinolates contents of broccoli florets during air drying with and without air-borne ultrasonic assistance

4-甲基硫氧丁基硫苷又名蘿卜硫苷，與黑芥子酶反應(yīng)可生成蘿卜硫素。由表2可以看出，單獨(dú)熱風(fēng)樣品中4-甲基硫氧丁基硫苷含量在干燥2 h后出現(xiàn)了額外的升高，且在干燥后期（4 h~干燥終點(diǎn)）超過了氣介式超聲聯(lián)合熱風(fēng)的樣品。干燥終點(diǎn)處單獨(dú)熱風(fēng)、125.2和180.1 W/dm2氣介式超聲聯(lián)合熱風(fēng)樣品的4-甲基硫氧丁基硫苷含量分別較鮮樣降低了42.7%、50.5%和46.9%。Mahn等[4]研究熱風(fēng)干燥西蘭花過程中也出現(xiàn)了4-甲基硫氧丁基硫苷含量升高的現(xiàn)象，并將其解釋為干燥時(shí)物料熱收縮使4-甲基硫氧丁基硫苷逐漸釋放。更有研究表明，4-甲基硫氧丁基硫苷側(cè)鏈上的亞砜基會(huì)發(fā)生可逆性氧化或還原，分別形成4-（甲基磺酰基）丁基硫苷和4-甲硫丁基硫苷，它們可以被黑芥子酶水解形成蘿卜硫素、糖芥靈和甘油三芥酸酯的生物活性類似物[28]。

此外，不同種類硫苷的熱敏性存在差異。研究表明，十字花科蔬菜在進(jìn)行熱處理時(shí)，吲哚族硫苷的熱穩(wěn)定性不如脂肪族硫苷[2]。由表2可知，在干燥期間，相比于3-吲哚甲基硫苷和4-甲氧基-3-吲哚甲基硫苷含量的變化，西蘭花樣品中4-甲基硫氧丁基硫苷和3-丁烯基硫苷的含量出現(xiàn)更大幅度的變化。由于超聲處理可以使物料更快地達(dá)到設(shè)定的溫度，故相比于脂肪族硫苷，熱穩(wěn)定性較弱的吲哚族硫苷更容易受超聲作用的影響，且溫度升高越快，含量變化越明顯。Hennig等[15]的研究也曾報(bào)道3-吲哚甲基硫苷的熱降解速度約為4-甲基硫氧丁基硫苷的2倍。此外，Hanschen等[29]的研究表明，當(dāng)熱處理溫度達(dá)到62 ℃時(shí)三種蕓薹屬蔬菜（甘藍(lán)、包心菜、紫色包心菜）的細(xì)胞均開始融解，而硫苷組分的溶出動(dòng)力學(xué)由各自的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定，其中，4-甲氧基-3-吲哚甲基硫苷的溶出速率高于脂肪族硫苷。結(jié)合上述結(jié)論可知，超聲處理能加速植物組織細(xì)胞壁的破壞，促進(jìn)了硫苷釋放，使其更容易被黑芥子酶水解成葡萄糖和其它不穩(wěn)定的中間體，或發(fā)生非酶促降解形成其它物質(zhì)[30]，而超聲樣品比單獨(dú)熱風(fēng)樣品擁有更高的3-吲哚甲基硫苷含量可能是超聲處理在一定程度上加強(qiáng)了西蘭花應(yīng)對(duì)脅迫作用的能力。

2.3 西蘭花干燥過程中黑芥子酶活力及蘿卜硫素含量變化

圖4 和圖5分別為西蘭花小花球在干燥過程中黑芥子酶活力及蘿卜硫素含量的變化。由圖4可知，西蘭花鮮樣中的黑芥子酶活力為12.39±1.86 U/g DW，該結(jié)果和Charron等[31]報(bào)道的類似。干燥過程中，三種處理下的黑芥子酶活力均呈逐漸下降的趨勢(shì)。干燥達(dá)到終點(diǎn)時(shí)，單獨(dú)熱風(fēng)、125.2 W/dm2氣介式超聲聯(lián)合熱風(fēng)、180.1 W/dm2氣介式超聲聯(lián)合熱風(fēng)干燥樣品的黑芥子酶活力分別為4.14±0.19、2.61±0.17、4.77±0.18 U/g DW，比鮮樣低61.5%~78.9%。Oliviero等[32]研究西蘭花黑芥子酶活力和熱處理之間的關(guān)系時(shí)也得到了相似的結(jié)果。黑芥子酶在干燥過程中酶活性的變化與其分子擁擠/體積排斥效應(yīng)和構(gòu)象移動(dòng)性有關(guān)。干燥前，鮮樣中充足的水分給予酶構(gòu)象足夠的伸展空間，隨著干燥過程的進(jìn)行，留給蛋白質(zhì)伸展的體積隨著水分的去除逐漸減少，且黑芥子酶會(huì)在不斷升高的溫度下發(fā)生不可逆變性[33?34]。此外，在干燥過程中，180.1 W/dm2氣介式超聲聯(lián)合熱風(fēng)干燥樣品的黑芥子酶活力下降的速度最慢，且殘留的黑芥子酶活力最高，比單獨(dú)熱風(fēng)干燥高出15.2%。該現(xiàn)象不僅與分子擁擠和體積排斥效應(yīng)相關(guān)，還可能和水的增塑作用有關(guān)。Oliviero等[32]的研究結(jié)果表明，當(dāng)水分活度下降時(shí)，黑芥子酶的穩(wěn)定性增加。在這三種干燥方式中，180.1 W/dm2氣介式超聲聯(lián)合熱風(fēng)干燥能最快除去西蘭花樣品中的水分，故180.1 W/dm2氣介式超聲干燥樣品在干燥過程中的黑芥子酶穩(wěn)定性最強(qiáng)。

圖4 西蘭花干燥過程中黑芥子酶活力的變化Fig.4 Variation of myrosinase activity of broccoli florets during air drying with and without air-borne ultrasonic assistance

圖5 西蘭花干燥過程中蘿卜硫素含量的變化Fig.5 Variation of sulforaphane content of broccoli florets during air drying with and without air-borne ultrasonic assistance

由圖5可知，鮮樣中蘿卜硫素的含量為2.66±0.28 mg/g DW，干燥前0.5 h蘿卜硫素含量明顯降低。Lekcharoenkul等[35]的研究表明蘿卜硫素在樣品溫度達(dá)到42~43 ℃時(shí)開始降解，Tanongkankit等[30]也曾報(bào)道一旦卷心菜溫度達(dá)到50.5~53.5 ℃時(shí)蘿卜硫素就會(huì)迅速分解成硫脲，但有時(shí)候熱處理也會(huì)激發(fā)蘿卜硫素的應(yīng)激反應(yīng)，故具體的蘿卜硫素降解速度還是取決于物料熱處理的方式、溫度等多個(gè)因素。對(duì)于氣介式超聲聯(lián)合熱風(fēng)干燥的樣品而言，蘿卜硫素的含量從1 h左右開始持續(xù)升高，并在干燥4 h至干燥終點(diǎn)階段基本保持穩(wěn)定，這可能是超聲干燥樣品中黑芥子酶的活力更強(qiáng)，且超聲處理能加速物料內(nèi)部溫度的升高，使促進(jìn)腈類物質(zhì)形成的環(huán)硫?qū)Ｒ恍缘鞍祝‥SP）快速失活[35]。Mathsheski等[36]用熱風(fēng)干燥、真空干燥及低壓過熱蒸汽干燥技術(shù)聯(lián)合干燥卷心菜外葉時(shí)發(fā)現(xiàn)ESP的活性容易受溫度影響，當(dāng)樣品溫度超過47~49 ℃時(shí)，ESP開始失活，而黑芥子酶在60 ℃時(shí)依然存在活性。干燥結(jié)束后，單獨(dú)熱風(fēng)、125.2和180.1 W/dm2氣介式超聲聯(lián)合熱風(fēng)干燥的樣品中蘿卜硫素含量分別為2.42±0.40、2.94±0.26和3.05±0.07 mg/g DW，即超聲處理的樣品中蘿卜硫素含量比單獨(dú)熱風(fēng)處理的樣品高出了21.5%~26.0%。Tian等[37]的研究表明，不同水分含量會(huì)影響蘿卜硫素的降解機(jī)制，即樣品的含水量會(huì)對(duì)蘿卜硫素的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因?yàn)樘}卜硫素能和水分子中的羥基反應(yīng)形成二聚體，加速了蘿卜硫素的降解，這可能也是導(dǎo)致單獨(dú)熱風(fēng)樣品中蘿卜硫素含量更低的原因之一。

2.4 西蘭花干燥過程中抗壞血酸和Fe2+含量變化

抗壞血酸是黑芥子酶的輔因子，與硫苷酶促降解密切相關(guān)[8]。同時(shí)，一分子的Fe2+可以和兩分子的硫苷結(jié)合形成硫苷-金屬復(fù)合物，從而使硫苷發(fā)生非酶促降解[2]。西蘭花小花球在干燥過程中抗壞血酸和Fe2+含量的變化見圖6和圖7。由圖6可知，鮮樣中抗壞血酸的含量為15.28±0.57 mg/g DW，干燥開始后抗壞血酸含量顯著降低。125.2 W/dm2氣介式超聲聯(lián)合熱風(fēng)和單獨(dú)熱風(fēng)干燥的樣品在干燥終點(diǎn)處的抗壞血酸保留率分別為15.4%和14.7%，180.1 W/dm2氣介式超聲聯(lián)合熱風(fēng)干燥樣品在干燥終點(diǎn)處的抗壞血酸保留率最低，為8.1%。該現(xiàn)象一方面可能與高溫和氧氣的存在相關(guān)，樣品過熱和長時(shí)間干燥暴露在氧氣中都會(huì)導(dǎo)致抗壞血酸的降解[38]。另一方面，抗壞血酸的降解與抗壞血酸氧化酶（AOX）和抗壞血酸過氧化酶（APX）催化的氧化反應(yīng)有關(guān)，該反應(yīng)可以清除在應(yīng)激條件下產(chǎn)生的大量ROS自由基，如H2O2等。因?yàn)楣β食曁幚頃?huì)加速植物基質(zhì)的破壞，使抗壞血酸更容易同AOX和APX接觸，從而加快抗壞血酸的氧化進(jìn)程[39]。Hanschen等[8]的研究表明抗壞血酸是黑芥子酶的輔因子，在含量充足的情況下能夠促進(jìn)黑芥子酶活性部位釋放葡萄糖分子。然而，由表3可知，盡管皮爾森相關(guān)系數(shù)表明在本實(shí)驗(yàn)中抗壞血酸含量和黑芥子酶活力之間存在顯著正相關(guān)（P<0.01，相關(guān)系數(shù)為0.661），但抗壞血酸對(duì)黑芥子酶活力的促進(jìn)作用并未體現(xiàn)在本研究結(jié)果中，這可能是因?yàn)榭箟难嵩跓峒庸み^程中很容易降解，保留率相對(duì)較低。

表3 皮爾森相關(guān)系數(shù)Table 3 Pearson correlation coefficients

圖6 西蘭花干燥過程中抗壞血酸含量變化曲線Fig.6 Variation of ascorbic acid content of broccoli florets during air drying with and without air-borne ultrasonic assistance

圖7 西蘭花干燥過程中Fe2+含量變化曲線Fig.7 Variation of Fe2+ content of broccoli florets during air drying with and without air-borne ultrasonic assistance

由圖7可知，單獨(dú)熱風(fēng)樣品的Fe2+含量在干燥過程中始終高于氣介式超聲聯(lián)合熱風(fēng)樣品，但125.2和180.1 W/dm2氣介式超聲干燥過程中樣品的Fe2+含量之間無明顯差異，其中在180.1 W/dm2氣介式超聲聯(lián)合熱風(fēng)干燥0.5 h時(shí)西蘭花樣品的Fe2+含量最低，為14.03±2.06 mg/100 g DW。上述情況的產(chǎn)生可能有以下兩個(gè)原因：一方面，超聲波對(duì)植物細(xì)胞壁的破壞促進(jìn)了氧氣的進(jìn)入，使Fe2+自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3+；另一方面是因?yàn)樵诟稍锴捌?，單?dú)熱風(fēng)樣品的抗壞血酸含量略高于氣介式超聲聯(lián)合熱風(fēng)的樣品[6]。Hanschen等[40]研究脂肪族硫苷的熱降解機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)，抗壞血酸的氧化還原作用可以將Fe3+還原為Fe2+，從而促進(jìn)Fe2+催化硫苷降解過程，使其更容易生成腈類物質(zhì)。相關(guān)性分析結(jié)果表明本實(shí)驗(yàn)中抗壞血酸和Fe2+含量之間存在顯著極正相關(guān)（P<0.01，相關(guān)系數(shù)為0.723）。結(jié)合圖5可知，干燥0.5 h后，單獨(dú)熱風(fēng)干燥的樣品中Fe2+含量顯著增加(P<0.05) ，導(dǎo)致蘿卜硫素含量大幅下降，而Fe2+含量相對(duì)較低的氣介式超聲樣品在干燥過程中蘿卜硫素含量逐漸增多，且在3 h后蘿卜硫素含量超過單獨(dú)熱風(fēng)干燥的樣品。Williams等[41]的研究也表明，在水芹中加入Fe2+的螯合劑EDTA能顯著抑制苯乙腈的生成，使苯基異硫氰酸酯顯著增加。

2.5 西蘭花干燥過程中游離酚酸含量變化

酚類化合物是西蘭花中除了抗壞血酸之外另一類重要的抗氧化物質(zhì)。本研究采用HPLC-MS/MS鑒定出干燥過程中西蘭花小花球中的5種酚酸，分別是：沒食子酸、原兒茶酸、咖啡酸、對(duì)香豆酸和阿魏酸，該結(jié)果和Gliszczyńska-?wig?o等[42]報(bào)道的結(jié)果類似。表4為西蘭花在干燥過程中游離酚酸含量的變化，由表4可知，氣介式超聲和未超聲處理的樣品中5種酚酸的含量在干燥初期（0.5~2 h）均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，因?yàn)榉宇愇镔|(zhì)熱不穩(wěn)定，熱處理會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生氧化、聚合或者分解[43]。但隨著干燥時(shí)間的延長，酚酸含量逐漸增多。這可能是由于隨著干燥時(shí)間的延長，多酚氧化酶的活力隨溫度的升高而逐漸下降，甚至變性失活，從而阻止酚類物質(zhì)被進(jìn)一步氧化[44]。除此之外，干燥脫水可能會(huì)削弱多酚與細(xì)胞壁的相互結(jié)合作用，導(dǎo)致部分多酚發(fā)生解離，由結(jié)合酚向游離酚轉(zhuǎn)變[45]?？傮w而言，氣介式超聲樣品的酚酸降解量要高于單獨(dú)熱風(fēng)的樣品，特別是180.1 W/dm2氣介式超聲聯(lián)合熱風(fēng)干燥終點(diǎn)樣品中的原兒茶酸和咖啡酸含量，分別為單獨(dú)熱風(fēng)干燥終點(diǎn)樣品的67.7%和65.8%。這可能是因?yàn)橄啾扔趩为?dú)熱風(fēng)干燥導(dǎo)致的樣品結(jié)構(gòu)緩慢皺縮，超聲波對(duì)組織細(xì)胞的破壞作用更加徹底，使得各游離酚酸更容易被多酚氧化酶或過氧化酶等氧化。

表4 西蘭花干燥過程中游離酚酸含量的變化Table 4 Variations of free phenolic acid contents of broccoli florets during air drying with and without air-borne ultrasonic assistance

2.6 西蘭花干燥過程中體外抗氧化活性變化

圖8 為西蘭花小花球在干燥過程中ABTS+·清除能力和鐵離子還原能力的變化。由圖8可知，西蘭花鮮樣中ABTS+·清除能力和鐵離子還原能力分別為88.09±6.93 μmol Trolox/g DW和155.63±5.60 μmol Fe2+/g DW，該結(jié)果和Heimler等[46]報(bào)道的十字花科蔬菜（甘藍(lán)、西蘭花、包菜）類似。西蘭花ABTS+·清除能力和鐵離子還原能力在干燥過程中均呈現(xiàn)先降低（0~0.5/1 h）后升高（0.5/1 h~干燥終點(diǎn)）的趨勢(shì)。單獨(dú)熱風(fēng)干燥、125.2 W/dm2和180.1 W/dm2氣介式超聲聯(lián)合熱風(fēng)干燥終點(diǎn)樣品的鐵離子還原能力分別為94.46±5.43、88.86±6.96和96.78±7.88 μmol Fe2+/g DW，即相比鮮樣降低了37.8%~42.9%。然而，鮮樣的ABTS+·清除能力和干燥終點(diǎn)的樣品之間無顯著性差異（P>0.05），這是因?yàn)槲魈m花提取物的抗氧化能力并不僅僅是單體酚抗氧化能力的簡單相加，還是它們協(xié)同作用的結(jié)果[47]。曾有研究表明，超聲處理能夠引起植物結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重改變，降解細(xì)胞壁成分并加速多酚氧化酶的釋放，使酚類化合物更容易氧化，且水分的快速去除也會(huì)增加酚類化合物氧化的敏感性[48?49]。但該結(jié)果在本研究中體現(xiàn)的不明顯，因?yàn)闅饨槭匠暫臀闯晿悠烽g的ABTS+·清除能力和鐵離子還原能力無顯著性差異。這可能與西蘭花小花球的傘狀結(jié)構(gòu)有關(guān)，該結(jié)構(gòu)削弱了樣品干燥時(shí)對(duì)聲波能的吸收，使得超聲處理對(duì)傳質(zhì)傳熱的強(qiáng)化作用及組織細(xì)胞的破壞作用減弱[50]，也可能是干燥前期樣品含水量較高使降解反應(yīng)速度更快，而超聲處理能更快除去干燥前期的水分，縮短該過程。

圖8 西蘭花干燥過程中ABTS·+自由基清除能力和鐵離子還原能力變化Fig.8 Variations of ABTS+· scavenging activity and ferric ion reducing antioxidant power of broccoli florets during air drying with and without air-borne ultrasonic assistance

3 結(jié)論

本文研究了氣介式超聲聯(lián)合熱風(fēng)干燥（20 kHz，60 ℃，125.2和180.1 W/dm2）對(duì)西蘭花小花球干燥特性、硫苷及蘿卜硫素的衍變以及硫苷分解代謝相關(guān)影響因子的影響。研究發(fā)現(xiàn)，氣介式超聲聯(lián)合熱風(fēng)干燥能夠在單獨(dú)熱風(fēng)干燥的基礎(chǔ)上縮短11.1%~17.8%的干燥時(shí)間，加快樣品的升溫進(jìn)程，且超聲干燥樣品具有更高的3-吲哚甲基硫苷含量和黑芥子酶活力。盡管干燥過程中氣介式超聲和未超聲樣品的抗壞血酸含量、游離酚酸含量和體外抗氧化活性差異不明顯，但抗壞血酸和酚類化合物能將Fe3+還原為Fe2+，其中180.1 W/dm2氣介式超聲樣品的Fe2+含量最低，其干燥終點(diǎn)處的蘿卜硫素含量也相對(duì)較高，為3.05±0.07 mg/g DW。

綜上所述，相比于單獨(dú)熱風(fēng)干燥而言，氣介式超聲聯(lián)合熱風(fēng)干燥能夠強(qiáng)化西蘭花的干燥過程并減少生物活性成分的損失，有利于4-甲基硫氧丁基硫苷向蘿卜硫素的方向轉(zhuǎn)化，該研究為揭示超聲場(chǎng)下硫苷代謝途徑相關(guān)物質(zhì)的變化及在西蘭花產(chǎn)品超聲干燥應(yīng)用方面具有重要意義。但本研究仍然存在一些不足，如在西蘭花干燥的過程中沒有檢測(cè)專一性蛋白（如環(huán)硫?qū)Ｒ恍缘鞍?、腈專一性蛋白及硫氰酸酯形成蛋白等）的活力和腈類物質(zhì)的含量，也沒有考慮硫苷降解產(chǎn)物進(jìn)一步降解的情況，所以無法明確干燥過程中活性物質(zhì)變化的具體原因。因此，未來在研究超聲聯(lián)合熱風(fēng)干燥西蘭花過程中硫苷的代謝機(jī)理時(shí)，可以著重考慮上述因素，同時(shí)通過外源添加的方式驗(yàn)證其它組分對(duì)硫苷降解途徑的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)硫苷降解途徑的定向調(diào)控。