杨慧珍，肖亚冬*，王娟，杨亦雯,3，聂梅梅，宋江峰，刘春泉，李大婧

（1.江苏省农业科学院农产品加工研究所，江苏南京 210014）（2.南京农业大学食品科技学院，江苏南京 210095）（3.东北林业大学林学院，黑龙江哈尔滨 150040）

花椰菜（Brassica oleraceavar. botrytisL.）又名花菜、菜花，是一种十字花科芸薹属植物，富含纤维素、生物碱类、黄酮类和硫代葡萄糖苷等多种营养物质，主要种植在我国沿海和高海拔地区[1,2]。新鲜花椰菜含水量大、不易储存，严重降低其经济和食用价值[3,4]。干制可减少果蔬中的水分，降低其水分活度，提高果蔬营养品质，便于贮藏和运输[5]。因此，通过将新鲜花椰菜进行脱水干制，可有效减少损失，提高其商品价值。

干燥前选择合适的预处理方式，有助于提高干燥速率，降低干燥过程对干制品品质产生的不利影响。目前，超声波技术在果蔬干制或冻结前的预处理中得到了较为广泛的应用，它具有加快干燥速率、改善干制品品质、增加固体物质扩散等优点。王海鸥等[6]研究发现超声处理可改善真空冻结草莓片的失水率，且影响程度为超声波功率>超声波频率>超声波处理时间。Kek等[7]发现与未处理相比，超声处理后番石榴的干燥时间减少了17%～33%，并且改善了番石榴干制品品质。Cao等[8]发现，超声处理不仅可以缩短干燥大麦草的时间、降低干燥所需能耗，还可减少大麦草中的微生物含量，保留营养成分，改善风味。

果蔬中的水分通常包括自由水、半结合水和结合水，随着干燥过程的进行，果蔬中水分被去除的同时其状态也会发生变化。低场核磁共振（LF-NMR）是一种能够在无损状态下快速、准确检测果蔬中水分状态及分布的新型技术，其中，弛豫时间T2是低场核磁共振检测结果中的重要指标，它反映了被检测材料中的水分分布情况，T2值越高则表示水的流动性越强。Sun等[9]采用LF-NMR术监测了覆盆子干燥过程中的水分状态和变化，发现结合水含量变化不明显，但其比例逐渐增加，非流动水和自由水含量显著降低。Kamal等[10]对苹果片的干燥过程进行了研究，发现采用LF-NMR技术能够快速检测到其中的自由水含量变化。因此，通过LF-NMR技术来分析花椰菜干燥过程中的水分分布情况及变化规律，对于改善干制品品质、优化干燥工艺具有重要意义。

因此，本研究以花椰菜为原料，对超声波预处理过程中的关键单因素进行实验，并采用响应面中心组合设计试验优化超声波预处理参数，通过建立回归模型获得超声波预处理最优工艺参数，同时运用LF-NMR技术比较超声波处理前后热风干燥过程中花椰菜样品中水分分布情况，进一步明确超声波预处理对花椰菜干燥过程中水分变化的影响，为高品质花椰菜干制品加工制造提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 原材料

新鲜有机花椰菜购于南京市玄武区孝陵卫农贸市场。花椰菜大小（20 cm×20 cm×15 cm）、成熟度基本一致，于2～4 ℃冰箱中冷藏待用。使用前尽量将其分割为长×宽×高约2 cm×2 cm×2 cm大小的块茎。

1.2 实验试剂

Folin酚试剂，上海麦克林生化科技有限公司；草酸、磷酸、碳酸钠、酒石酸钾钠，南京化学试剂股份有限公司；氢氧化钠、乙酸，西陇化工股份有限公司；苯酚，成都市科龙化工试剂厂；无水乙醇、甲醇、葡萄糖、碳酸氢钠、牛血清白蛋白、浓硫酸、亚硝酸钠、硝酸铝、3,5-二硝基水杨酸、亚硫酸钠、双氧水、氯化钠（均为分析纯），国药集团化学试剂有限公司；没食子酸、L(+)-抗坏血酸、芦丁标准品，上海源叶生物科技有限公司；2,6-二氯酚靛酚、考马斯亮蓝G-250，上海蓝季科技发展有限公司；结晶酚，北京索莱宝科技有限公司；1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）、Trolox，东京化成工业发展有限公司；水杨酸，上海凌峰化学试剂有限公司；七水合硫酸亚铁，汕头市西陇化工厂有限公司；葡萄糖测定试剂盒、总抗氧化能力（T-AOC）测定试剂盒，南京建成生物工程公司。

1.3 仪器与设备

BS-224-S万分之一分析天平，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；CM-700d1全自动手持色差计，日本柯尼卡美能达公司；UV-6300型紫外分光光度计，上海美普达仪器有限公司；MesoMR23-060H-I核磁共振仪，苏州纽迈电子科技有限公司；KQ-S1000VDE型三频数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；DHG-9073B5型电热恒温鼓风箱，上海新苗医疗机械制造有限公司；FW100高速万能粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司。

1.4 实验方法

1.4.1 工艺流程

新鲜花椰菜→清洗→切分（2 cm×2 cm×2 cm）→超声波预处理→热风干燥（干燥温度70 ℃，干燥至湿基水分含量<8%）→花椰菜干制品

1.4.2 超声波预处理条件参数的单因素实验

根据王娟等[11]不同预处理后花椰菜干制品品质分析的研究表明，超声预处理效果更好，因此，本部分研究选择超声时间、超声频率和超声功率密度三个因素进行单因素实验，因素水平见表1，分别考察其对花椰菜干制品b*值、复水比、Vc含量和DPPH自由基清除能力的影响，其中各因素各水平均是在相同恒定温度下进行，详细实验设计如下：

表1 超声波预处理因素水平表Table 1 Factors and levels in the single factor design

（1）选定超声频率和超声功率密度分别为45 kHz、0.22 W/cm2，考察不同超声时间对花椰菜干制品品质的影响，超声时间分别为5、10、15、20、25 min，以超声时间0 min即未超声处理干燥花椰菜作为空白对照。

（2）选定超声时间和超声功率密度分别为10 min、0.22 W/cm2，考察不同超声频率对花椰菜干制品品质的影响，超声频率分别为45、80、100 kHz，以超声频率0 kHz即未超声处理干燥花椰菜作为空白对照。

（3）选定超声时间和超声频率分别为10 min、45 kHz，考察不同超声功率密度对花椰菜干制品品质的影响，超声功率密度分别为0.22、0.28、0.33、0.39、0.44、0.50、0.55 W/cm2，以超声功率密度0 W/cm2即未超声处理干燥花椰菜作为空白对照。

1.4.3 超声波预处理工艺响应面优化实验

选取超声时间、超声频率和超声功率密度作为自变量，b*值、复水比、Vc含量和DPPH自由基清除能力作为响应值，进行花椰菜超声波预处理三因素三水平响应面实验设计及实验，并且各实验条件均是在相同恒定温度下进行，实验结果详见结果与讨论部分。

1.4.4 LF-NMR技术分析水分状态

1.4.4.1 弛豫时间的测定

样品制备：新鲜花椰菜清洗切块沥干，取一部分经超声频率为80 kHz、超声功率密度为0.22 W/cm2超声6 min后，将未预处理与超声波处理后的样品置于70 ℃的热风干燥箱内干燥。选取新鲜花椰菜以及水分含量为60%、40%、20%、8%的花椰菜样品，共计9个实验样品，以低场核磁共振技术的横向弛豫行为测定干燥过程中花椰菜样品的水分状态。

测定方法：将花椰菜样品放入25 mm的NMR专用试管中，然后将试管置于磁场中心位置的射频线圈中心，利用CPMG脉冲序列测定得到花椰菜横向弛豫时间T2，主要参数设置为：磁体温度32 ℃，主频23 MHz，偏移频率399424.9 Hz，90度脉冲时间9 μs，180度脉冲时间18 μs，累积采样次数450016，重复时间5000 ms，回波时间0.15 ms，回波个数15000，谱宽200 kHz。

1.4.4.2 MRI成像分析

超声波预处理后的花椰菜分别热风干燥至含水率为60%±2%、40%±2%、20%±2%、8%±2%，选取鲜样以及上述水分含量的花椰菜样品，利用LF-NMR成像软件对样品进行成像实验。MRI成像分析参数设置：回波时间30 ms，重复时间500 ms，矩阵为256×256。

1.5 指标测定

1.5.1 含水率

参考GB 5009.3-2016《食品中水分的测定》[12]进行花椰菜中含水率的测定。

1.5.2 色泽

采用手持式色差计，对干燥前和干燥后花椰菜的黄绿值b*进行测定，其中b*值偏黄为正数值，偏蓝为负数值。

1.5.3 复水比

将一定质量的花椰菜干制品放入装满蒸馏水的烧杯中，将其置于25 ℃恒温水浴锅中进行复水操作，20 min后用滤纸吸干花椰菜的水分[13]。复水比可按公式（1）计算：

式中：

m0——花椰菜干制品的质量，g；

m1——复水后花椰菜的质量，g。

1.5.4 维生素C含量

参考GB 5009.86-2016《食品中抗坏血酸的测定》[14]中的2,6-二氯靛酚滴定法。

1.5.5 DPPH自由基清除能力

首先将花椰菜干制品打粉，称取花椰菜粉溶于95%无水乙醇中，反复超声浸提、离心，定容至50 mL。将2 mL样品提取液与2 mL 0.16 mmol/L DPPH溶液（DPPH溶解在95%乙醇中，在3.5 h内使用完）混合均匀后于室温条件下避光反应30 min，在517 nm处比色得到吸光度值Ai，以蒸馏水代替样品溶液为对照，得到吸光度值A0，同时将2 mL样品提取液和2 mL 95%乙醇溶液混合均匀后，测定吸光度Aj，根据式（2）计算DPPH自由基的清除率[15]。以Trolox为对照，按照上述方法绘制标准曲线为y=0.9538x+3.9137（R2=0.9940），根据标准曲线计算DPPH自由基清除能力。

1.6 数据统计与分析

各个指标平行测定三次，采用Design Expert 8.0统计分析软件进行响应面分析，利用Origin 9.0软件作图，采用SPSS 25.0软件进行方差分析和Ducan检验法进行显著性分析，显著水平p<0.05。

2 结果与讨论

2.1 不同单因素对花椰菜干制品品质的影响

2.1.1 超声时间对花椰菜干制品品质的影响

不同超声时间预处理花椰菜干燥后b*值、复水比、Vc和抗氧化活性的变化如表2所示。由表2可知，随着超声处理时间的增加，花椰菜干制品b*值逐渐降低，与未处理样品色泽更接近，说明超声长时间处理更有利于花椰菜干制品色泽的保持。不同超声时间处理后花椰菜干制品复水比无显著性差异（p>0.05），均高于未处理样品，随着时间的增加，复水比先增大后减少，超声处理10 min时达到最大值，为3.16，超声处理15 min～25 min与未处理样品之间无显著性差异（p>0.05）。

如表2所示，超声波处理5 min和10 min后，花椰菜干制品中Vc含量较高，分别为258.76 mg/100 g和257.93 mg/100 g，二者之间无显著性差异（p>0.05）；随着超声处理时间的增加，花椰菜干制品中Vc含量逐渐降低；而未经超声处理的花椰菜干制品中Vc含量显著低于超声处理后样品（p<0.05），原因可能有两个方面：首先，经过超声波预处理后花椰菜中细胞发生破裂，其中的Vc更易提取，含量也会高于未预处理样品[16]；其次，超声波预处理会使植物细胞膜通透性变大，利于水分的蒸发，导致干燥时间缩短，从而减少了物料在高温作用下的时间，使得Vc等热敏性成分的保留率提高。同时随着超声处理时间增加，花椰菜在热水溶液中停留时间变长，易溶于水的Vc含量就逐渐降低。与Vc含量变化类似，随着超声处理时间的增加，花椰菜干制品的DPPH自由基清除能力逐渐降低，其中超声处理5 min后其抗氧化活性最强，为11.86 µmol Trolox/g，与处理10 min样品之间无显著性差异（p>0.05）。

表2 不同超声时间对花椰菜干制品品质的影响Table 2 Effects of different ultrasonic time on the quality of dried cauliflower products

良好的色泽、较强的复水能力及营养成分高保留是判断干制蔬菜品质的重要指标，由上述结果可知，花椰菜干燥前进行超声处理5 min或10 min均可获得较好的色泽、复水比和保留较多的Vc及高DPPH自由基清除能力。

2.1.2 超声频率对花椰菜干制品品质的影响

不同超声频率处理对花椰菜干燥后b*值、复水比、Vc和抗氧化活性的影响如表3所示。由表可知，不同超声频率对花椰菜干制品的色泽和复水比无显著性影响（p>0.05）；随着超声频率的增加干制花椰菜中Vc含量先增加后减少，超声频率为45 kHz时花椰菜干制品中Vc含量最高，为257.93 mg/100 g，与超声频率80 kHz时花椰菜干制品中Vc含量无显著性差异（p>0.05）；不同超声频率对花椰菜干制品的DPPH自由基清除能力无显著性影响（p>0.05）。由以上结果可知，选择45 kHz或80 kHz对花椰菜进行超声波预处理均可。

表3 不同超声频率对花椰菜干制品品质的影响Table 3 Effects of different ultrasonic frequency on the quality of dried cauliflower products

2.1.3 超声功率密度对花椰菜干制品品质的影响

不同超声功率密度对干制花椰菜b*值、复水比、Vc和抗氧化活性的影响如表4所示。由表可知，不同超声功率密度对花椰菜干制品的四个重要品质均有显著性影响（p<0.05）。随着超声功率密度的增加花椰菜干制品的b*值和复水比先增加后减少，超声功率密度为0.33 W/cm2时二者均达到最大值，分别为43.60和3.21，但与超声功率为0.22 W/cm2时无显著性差异（p>0.05）；随着超声功率密度的增加花椰菜干制品Vc含量和DPPH自由基清除能力变化一致，均先增加后减少，在超声功率密度为0.22 W/cm2时达到最大值，分别为257.93 mg/100 g和11.72 µmol Trolox/g。综上，超声波功率密度为0.22 W/cm2较为合适。

表4 不同超声功率密度对花椰菜干制品品质的影响Table 4 Effects of different ultrasonic power densities on the quality of dried cauliflower products

2.2 响应面优化超声波预处理最佳工艺

以上述单因素试验结果为基础，采用响应面法进行花椰菜干燥前超声波处理优化实验，测定花椰菜干制品b*、复水比、Vc含量和DPPH自由基清除能力，中心组合设计因素水平及结果如表5和表6所示。

表5 响应面中心组合设计实验变量与编码表Table 5 Response suface center combination design experiment variables and coding table

表6 试验设计及结果Table 6 Experimental designs and results

2.2.1 响应面优化实验结果分析

使用Design Expert 8.0软件对实验结果进行拟合分析，得到各个实验因素对响应值影响的二次回归方程如下：

其中A、B、C分别代表超声时间、超声频率和超声功率密度，方程中的各项系数表示各因素对b*值、复水比、Vc含量和DPPH自由基清除能力的影响情况。

为检验方程是否有效，对上述回归模型进行方差分析，结果如表7所示。其中，复水比和Vc含量模型显著（p<0.05），DPPH自由基清除能力模型极显著（p˂0.001），b*值模型不显著（p˃0.05）；Vc和DPPH方程的决定系数R2>0.9，b*值和复水比方程的决定系数R2接近于0.9，说明本试验中所建方程有意义。

表7 回归系数及变量分析Table 7 Regression coefficient and variable analysis

由表7可知，影响花椰菜干制品b*值的顺序为超声时间>超声功率密度>超声频率，其中仅超声时间对花椰菜干制品b*值具有显著性影响（p<0.05）；超声时间、超声频率和超声功率密度对花椰菜干制品的复水性和Vc含量均无显著性影响（p˃0.05）；影响花椰菜干制品DPPH自由基清除能力的顺序为超声时间>超声频率>超声功率密度，其中超声时间和超声频率对花椰菜干制品DPPH自由基清除能力具有极显著影响（p˂0.001），超声功率密度具有显著影响（p<0.05）。以上结果由图1～3各因素对b*值、复水比、Vc含量和DPPH自由基清除能力的交互作用也可验证。

由图1可知，超声时间对花椰菜干制品b*值影响显著（p<0.05），超声频率和超声功率密度对花椰菜干制品b*值无显著性影响（p˃0.05）。随着超声时间的增加，花椰菜干制品的b*值先增加再减少。随着超声频率和超声功率密度的增加，花椰菜干制品的b*值逐渐增加。

对比图2与表7的方差分析结果可知，进一步验证了超声时间、超声频率和超声功率密度对花椰菜干制品复水比和Vc含量均无显著性影响（p˃0.05），但随着超声条件的变化，二者均表现出一定的变化趋势。其中，花椰菜干制品的复水比随着超声时间、超声频率和超声功率密度的增加均先增加再减少，Vc含量随着超声时间、超声频率和超声功率密度的增加先减少再增加。

由图3可知，超声时间对花椰菜干制品DPPH自由基清除能力影响极显著（p˂0.001），超声频率对花椰菜干制品DPPH自由基清除能力影响极显著（p˂0.01），超声功率密度对花椰菜干制品DPPH自由基清除能力影响显著（p<0.05）。花椰菜干制品DPPH自由基清除能力随着超声时间、超声频率和超声功率密度的增大而增大。

由此可知，不同超声处理条件对花椰菜干制品感官特性和营养品质影响不同。其中，长时间的超声作用致使花椰菜温度逐渐升高，造成花椰菜氧化程度增大，花椰菜干制品的色泽变差，并且高温以及超声水中的氧分子导致抗氧化活性物质降解[17,18]。适当的超声波空化作用会引起果蔬细胞被破坏，抗氧化活性物质更易提取，而随着超声频率的增加，其空化作用减少，提取到的抗氧化活性物质也随之减少[19]。另外，声强随着超声波功率的增加而增加。郭庆启等[20]采用超声波提取落叶松树皮中的多酚物质时发现，随着超声波功率的增加，多酚提取率增加，但当超过350 W后，多酚得率下降，分析原因可能是过高的超声功率导致多酚稳定性下降。因此，适当的超声波功率对花椰菜产生的作用会使其中抗氧化活性物质较快溶出，能够获得干制品较高的抗氧化能力，但过大的超声波功率密度导致抗氧化活性物质不稳定而被破坏，抗氧化能力随之降低。因此，选择合适的超声条件是获得高品质花椰菜干制品的重要前提。

2.2.2 响应面实验优化结果及验证

色泽和营养是评价脱水蔬菜的重要指标。利用Design Expert软件对各评价指标进行优化，以b*值、复水比、Vc含量和DPPH自由基清除力为标准，获得花椰菜干燥前超声波预处理最优工艺条件为：超声时间6.22 min，超声频率83.98 kHz，超声功率密度0.22 W/cm2。结合实际操作条件和设备可设置参数，最终将花椰菜干燥前超声波预处理的条件修正为超声时间6 min，超声频率80 kHz，超声功率密度0.22 W/cm2。采用修正后的条件进行验证实验，结果如表8所示，b*值、Vc含量和DPPH自由基清除能力的实验验证值大于预测值，复水比的实验验证值与预测值相近，说明该模型合理可靠。

表8 验证性实验Table 8 Verification test

2.3 超声波预处理花椰菜干燥过程中水分变化分析

根据细胞中水的流动性质，植物组织中的水分可分为三种形式，即结合水（T21）、半结合水（T22）和自由水（T23）[21]，分别对应A21、A22和A23的峰面积，其中不同状态水分的相对含量由峰面积的大小代表，A则表示三种不同水状态峰面积之和[22]。图4和图5分别为未经预处理和经超声波预处理后花椰菜热风干燥过程中的T2反演图谱和不同状态水分峰面积变化。由图可知，随着干燥的进行，T2反演图谱逐渐向左移动，峰信号幅值逐渐减小，峰面积也逐渐减小，这是因为干燥温度可为花椰菜样品中的水分提供能量，减弱水分子与细胞间的吸附能力，水分的迁移能力提高。其中，T23比T21、T22变化更明显，说明主要脱除的水分是自由水。从图5不同水分状态峰面积和总峰面积变化可知，随着干燥过程的进行，自由水相对含量逐渐降低，结合水和半结合水含量变化无规律，这说明在干燥过程中花椰菜内部的自由水先被去除，半结合水在自由水与结合水两种状态下相互转化。

宋悦等[23]研究超声辅助渗透黄桃干燥过程中的水分变化发现，超声处理使桃片微观结构发生变化，细胞收缩，形成微孔通道，有利于其中水分扩散，导致T23和T21降低，弛豫时间减少，进而利于后期干燥过程水分的去除。许方方[24]分析了烫漂处理对西兰花中水分状态及分布的影响，结果表明烫漂预处理可增加物料内部水分的自由度进而提高干燥速率。由图4和图5可知，同一含水率下，与未预处理样品相比，超声波处理花椰菜干燥样品中的T2反演图谱均向左移动且总含水量的峰面积低于未预处理样品，这可能是因为超声作用同样诱导了花椰菜内部形成微通道并使细胞结构破裂，促进了水分从内部向表面扩散的同时提高水分自由度，结合水和不易流动水可迁移到细胞质中，部分结合水和不易流动水被脱除[25,26]。

在MRI成像中，红色成像颜色表示较高的水分含量，蓝色则表示较低的水分含量。由图6可知，新鲜花椰菜的主茎部分含有较多的水分，花及侧茎部分水分含量较少。随着干燥过程的进行，含水率逐渐降低，花椰菜中茎样的红色部分不断减少，且逐渐被蓝绿色代替，当水分含量低于60%时，花样部分颜色逐渐与背景色相同。且在干燥后期，由于水分含量较低，样品成像图与背景色融为一体，已观察不到成像图，说明花椰菜中的水分含量已经很低。

3 结论

不同超声波预处理单因素试验表明，超声时间、超声频率和超声功率密度对花椰菜干制品品质有显著影响，综合试验结果，选择超声时间10 min，超声频率80 kHz，超声功率密度0.33 W/cm2为响应面实验优化条件的中心水平。经响应面中心组合设计实验及最优工艺修正，获得的修正后花椰菜干燥前超声波预处理的最优工艺为：超声时间6 min，超声频率80 kHz，超声功率密度0.22 W/cm2，经验证实验，此条件下花椰菜干制品b*值为30.58，复水比2.97，Vc含量为311.78 mg/100 g，DPPH自由基清除能力为17.20 μmol Trolox/g。经低场核磁共振检测发现，花椰菜干燥过程中主要失去的是自由水，经超声处理可提高其氢自由度，加快自由水的脱除并去除部分半结合水和结合水。