预处理加工对西兰花茎叶汁挥发性成分的影响

郭世豪 吕霞敏 黄建颖

(浙江工商大学食品与生物工程学院/浙江省食品安全重点实验室，浙江 杭州 310018)

西兰花(BrassicaoleraceaL.var. italic Planch.)，又名青花菜、花椰菜、意大利芥蓝等，因其丰富的营养价值、高纤维和低热量的特性而被称为“蔬菜皇冠”。西兰花中含有丰富的硫代葡萄苷，即萝卜硫素(sulforaphane，SFN)的前体形式[1]。SFN分子是目前发现的抗癌活性最强的生物活性成分[2-4]，其对辅助治疗2型糖尿病[5]和改善人体胃肠道菌群具有很好的效果[6]。西兰花通常用于食用部分的占比不到其整体的50%，其余皆为废弃物，包括茎、花序和叶子等部位。西兰花采收过程中为保障产品品质，要求在采收后4～6 h内完成加工包装，这也导致了西兰花废弃物的产生。研究发现西兰花废弃物也富含多种功能性成分，如硫代葡萄糖苷、酚类化合物和抗坏血酸[7-8]。尽管研究者已开始有意识地开发利用西兰花废弃物，然而其潜在的价值仍未被完全发掘，若能将其研制成具有附加值的产品，既可以实现资源再利用创造经济价值，又能减缓废弃物造成的其他负面影响。

蔬菜汁因其制作方便、营养健康的特点而越来越受到关注。最近的一项临床研究发现，每天饮用半杯西兰花芽饮料可以降低因空气污染而带来的健康风险[9]。因此，研制一种方便、营养价值高的西兰花茎叶汁具有重要意义。但是，西兰花因机械损伤导致的组织破坏会自发产生不理想的气味，难以被人接受。目前已有较多有关预处理对果蔬和果蔬汁中挥发性成分影响的报道，牛丽影等[10]研究发现，乳熟期的甜玉米及糯玉米的生鲜玉米汁中挥发性成分均以直链醛醇类物质为主，而经热漂处理后玉米汁中这些“强烈的”、“刺激的”醛醇类物质含量分别减少了64.3%和100.0%。此外，Varming等[11]研究热处理对黑加仑汁香气成分的影响发现，热处理后样品中大多数萜烯、醛类、呋喃类和酚类物质的含量增加，而酯类的含量略下降。Kaewtathip等[12]和Talens等[13]对菠萝和猕猴桃的研究发现，反复冻融处理带来的温度波动会导致多种降解作用，损害细胞隔室的完整性，从而造成挥发性香气化合物含量的减少。Kwaw等[14]发现超声处理显著增加了发酵桑葚汁中挥发性成分的含量，改善了气味活性值和感官指标。林雯雯[15]发现超声处理作为一种非热加工技术，不仅可以杀菌灭酶，而且能在一定程度上释放键合态香气物质，较好地增加橙汁的香气。目前仅有少数研究致力于不同预处理对西兰花茎叶汁挥发性成分的影响，故本研究对西兰花茎叶进行不同的前处理加工(热烫、冻融和超声处理)，探究其对西兰花茎叶汁中挥发性成分的影响，以期为西兰花废弃物的利用和西兰花茎叶汁的加工提供一定的理论依据和数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

氯化钠(分析纯)，西陇科学股份有限公司；2-乙基噻吩、庚醛、己醛、(E)-2-己烯醛、(E,E)-2,-4-庚二烯醛、二甲二硫醚、壬醛、1-辛醛、1-戊醇、硫氰酸甲酯，均为色谱纯(>99%)，中国百灵威科技有限公司；西兰花(绿雄90)茎叶原料由杭州市江干区下沙街道永辉超市提供。西兰花茎叶在5月份进行收集，并于4℃冰箱储存备用。

1.2 主要仪器与设备

7890A-5975C气相色谱质谱联用仪、SUPELCO 50/30 μm萃取头(DVB/CAR/PDMS)、VF-WAX色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm，柱长×内径×膜厚)，美国安捷伦科技有限公司；-80℃超低温冰箱，上海汗诺仪器有限公司；JYL-C16V九阳榨汁机，中国九阳股份有限公司；EL 204-IC电子天平，梅特勒-托利多仪器有限公司；KQ5200LH超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 西兰花茎叶汁的制备 西兰花茎叶如图1所示，分别将清洗干净的完整、形态大小相近的西兰花茎叶(20 g/份)进行以下处理：

1)对照组(CK)：直接将西兰花茎叶切成长度1 cm左右大小放入榨汁机中，按照1∶10(m∶v)的比例加入蒸馏水榨汁，榨汁时间为3 min。随后经200目的滤布过滤得到未经处理的西兰花茎叶汁，备用；

2)热烫处理组：西兰花茎叶放入沸水中(98±2℃)漂烫2 min，然后迅速取出放入蒸馏水中冷却。将漂烫冷却的西兰花茎叶切成长度1 cm左右，按照1∶10(m∶v)的比例榨汁、过滤得到经热烫处理的西兰花茎叶汁，备用；

3)冻融处理组：西兰花茎叶放入-80℃超低温冰箱中24 h后取出，在室温下解冻。解冻后的西兰花茎叶切成长度1 cm左右，按照1∶10(m∶v)的比例榨汁、过滤得到经冻融处理的西兰花茎叶汁，备用；

4)超声处理组：西兰花茎叶放入盛有一定蒸馏水的超声波专用杯中，超声波频率40 kHz，时间8 min。将超声处理后的西兰花茎叶切成长度1 cm左右，按照1∶10(m∶v)的比例榨汁、过滤得到经超声处理的西兰花茎叶汁，备用。

图1 西兰花茎叶

1.3.2 西兰花茎叶汁挥发性成分的测定 参考Lv等[16]和Koutidou等[17]的方法并作适当修改，分别量取10 mL经过不同预处理方式制备的西兰花茎叶汁加入到15 mL顶空瓶中，加入2.0 g氯化钠，用带有硅橡胶隔垫的瓶盖将其密封。顶空瓶50℃水浴平衡30 min后，将萃取头插入顶空瓶中距离液面1 cm处，50℃吸附30 min，吸附结束后插入色谱进样口，250℃解析2 min，之后用气相质谱联用仪(gas chromatography mass spectrometer，GC-MS)分析。

色谱条件：进样口温度为250℃，升温程序为35℃保持3 min后，以2℃·min-1升温至135℃，再以5℃·min-1升温至220℃，保持5 min。柱流速为1 mL·min-1。 采用不分流进样，恒流模式。

质谱条件：离子源为EI，离子源和四极杆温度分别为230℃和150℃，扫描范围：33～500 m/z。

1.3.3 挥发性成分的定性和定量分析 定性分析：通过计算机检索与NIST/WILLEY标准质谱库进行匹配，选择有较高匹配度的检索结果，并按照各成分的出峰保留时间进行人工解谱，确定挥发性化合物的各物质成分。

定量分析：绝大多数挥发性组分的定量采用峰面积归一化法，选取10种特征性挥发性物质：(E)-2-己烯醛、己醛、2-乙基噻吩、庚醛、(E,E)-2,-4-庚二烯醛、二甲基二硫醚、壬醛、1-辛醛、1-戊醇、硫氰酸甲酯，利用外标法作标准曲线进行精确定量。

标准曲线的制作：用超纯水配制浓度为200 μL·L-1的(E)-2-己烯醛、100 μL·L-1的己醛、20 μL·L-1的2-乙基噻吩、庚醛、(E,E)-2,-4-庚二烯醛、二甲基二硫醚、壬醛、1-辛醛、1-戊醇、硫氰酸甲酯标准液。根据西兰花茎叶汁挥发性成分的峰面积调整相应浓度的标准溶液，然后分别吸取0.05、0.10、0.20、0.40、0.60、0.80 mL配制好的标准溶液，并用超纯水准确定容至10 mL加入顶空瓶中，用带有硅橡胶隔垫的瓶盖密封，进行测定。各成分标准曲线的回归方程及相关系数见表1。

表1 西兰花茎叶汁的异味成分定量标准曲线

1.4 数据处理

试验设3个平行，采用Excel 2016进行数据统计分析，并应用Origin 8.0软件制图。

2 结果与分析

2.1 对照组西兰花茎叶汁的挥发性成分

由表2可知，CK组西兰花茎叶汁中共检出28种挥发性成分，相对含量为88.226%。其中醛类化合物12种、醇类化合物7种、酯类化合物2种、硫化物2种和其他类型化合物5种。西兰花的风味主要由各种硫化物、醛类、醇类和芳香族化合物组成，西兰花茎叶和西兰花中的挥发性成分较相似[18]。CK组西兰花茎叶汁挥发性成分中醛类的相对含量为75.099%、醇类为7.865%、酯类为1.875%、硫化物为0.367%、其他类型为3.020%。其中主要挥发性成分为(E)-2-己烯醛、己醛、(E)-3-己烯-1-醇、3-己烯醛、(E,Z)-2,4-己二烯醛，相对含量分别为60.700%、8.166%、5.489%、1.716%、1.762%，占挥发性成分总量的77.833%。

新鲜西兰花会因机械损伤导致的组织破坏、酶反应或因烹饪过程中的热降解产生不悦的气味。西兰花异味的形成可归因于如下反应：(1)含硫氨基酸和硫代葡萄糖苷的酶解；(2)含硫氨基酸和硫代葡萄糖苷的热降解；(3)不饱和脂肪酸降解；(4)美拉德及其副反应[19]。结合阈值和硫化物的气味，引起西兰花异味的化合物有二甲基二硫醚、二甲基三硫醚、甲硫醇、己醛、庚醛、辛醛、壬醛、(E)-2-戊烯醛、(E)-2-己烯醛、(E)-2-庚醛、(E，E)-2,4-庚二烯醛、乙醇、1-戊醇、1-己醇、(Z)-3-己烯-1-醇、β-紫罗兰酮和6-甲基-5-庚-2-酮[20]。其中西兰花花球的硫化物二甲基二硫醚、二甲基三硫醚、甲硫醇在本研究未经处理的西兰花茎叶汁中未检测到，西兰花茎叶汁中的挥发性硫化物为2-乙基噻吩和硫氰酸甲酯，本研究主要针对上述挥发性成分进行分析比较，直接榨汁的主要异味成分为己醛、庚醛、壬醛、(E)-2-己烯醛、(E,E)-2,4-庚二烯醛、1-己醇、(E)-3-己烯-1-醇、β-紫罗兰酮、2-乙基噻吩和硫氰酸甲酯，相对含量分别为8.166%、0.087%、0.067%、60.700%、0.795%、0.144%、5.489%、1.676%、0.308%和0.059%，占总挥发性成分的77.494%。

2.2 热烫处理西兰花茎叶汁的挥发性成分

由表2可知，热烫处理的西兰花茎叶汁中共检出14种挥发性物质，相对含量为60.320%。其中醛类5种、醇类3种、酯类1种、硫化物2种，其他类型化合物3种，相对含量分别为醛类15.917%、醇类3.719%、酯类34.795%、硫化物2.056%、其他类型4.346%。与CK相比，热烫处理的西兰花茎叶汁挥发性成分发生了较大变化，其主要挥发性成分为乙酸乙酯、己醛、(E)-2-己烯醛、壬醛、丙酮、1-戊醇、(E)-3-己烯-1-醇、1-辛醇、二甲基二硫醚，相对含量分别为34.795%、5.822%、4.573%、4.200%、2.191%、1.074%、1.147%、1.498%、1.461%，占挥发性物质总量的56.761%。其中引起异味的挥发性成分为己醛、庚醛、(E)-2-己烯醛、壬醛、1-戊醇、(E)-3-己烯-1-醇、1-辛醇、甲硫醇、二甲基二硫醚和6-甲基-5-庚烯-2-酮，其相对含量分别为5.822%、0.733%、4.573%、4.200%、1.074%、1.147%、1.498%、0.595%、1.461%和0.787%，占挥发性物质总量的21.890%。与CK组西兰花茎叶汁相比，热烫处理大大减少了(E)-2-己烯醛和己醛的相对含量，提高了乙酸乙酯的相对含量，不同于CK的是热烫处理西兰花茎叶汁中挥发性硫化物为甲硫醇和二甲基二硫醚。

表2 不同预处理加工对西兰花茎叶汁挥发性成分相对含量的影响

表2(续)

2.3 冻融处理的西兰花茎叶汁的挥发性成分

Nadulski等[21]研究指出，在压榨蔬菜果肉前，可以使用冷冻和解冻预处理方式，又称为冻融处理。由表2可知，冻融处理的西兰花茎叶汁共检测出挥发性成分28种，相对含量为89.282%。其中醛类12种、醇类6种、硫化物2种、其他类型8种。挥发性成分相对含量为醛类78.432%、醇类为3.960%、硫化物2.544%、其他类型4.346%。与CK相比，冻融处理的西兰花茎叶汁挥发性成分变化较小，主要挥发性成分为(E)-2-己烯醛、己醛、2-乙基噻吩、(E,Z)-2,4-己二烯醛、(E)-3-己烯-1-醇、3-己烯醛、β-紫罗酮、1-戊烯-3-酮和(Z)-2-戊烯-1-醇，其相对含量分别为57.940%、14.462%、2.269%、1.974%、1.723%、1.119%、1.674%、1.189%和1.091%，占挥发性物质总量的83.441%。引起异味的主要挥发性成分为己醛、(E)-2-己烯醛、壬醛、(E,E)-2,4-庚二烯醛、1-己醇、(E)-3-己烯-1-醇、2-乙基噻吩、硫氰酸甲酯、6-甲基-5-庚烯-2-酮和β-紫罗酮，其相对含量分别为14.462%、57.940%、0.187%、0.737%、0.165%、1.723%、2.269%、0.275%、0.141%和1.674%，占挥发性物质总量的79.573%。

2.4 超声处理的西兰花茎叶汁的挥发性成分

由表2可知，西兰花茎叶经超声处理榨汁后共检出26种挥发性成分，相对含量为88.935%，其中醛类12种、醇类6种、酯类1种、硫化物2种、其他类型5种。挥发性成分相对含量为醛类78.679%、醇类6.232%、酯类0.184%、硫化物为0.383%，其他类型3.457%。与CK组相比，西兰花茎叶汁挥发性成分变化较少，主要的挥发性成分为(E)-2-己烯醛、己醛、(E)-3-己烯-1-醇、β-紫罗酮、(E,Z)-2,4-己二烯醛和3-己烯醛，相对含量分别为61.660%、11.471%、4.114%、2.246%、1.594%和1.195%，占总量的82.280%。其中引起异味的挥发性成分为己醛、壬醛、庚醛、(E)-2-己烯醛、(E,E)-2,4-庚二烯醛、1-己醇、(E)-3-己烯-1-醇、2-乙基噻吩、硫氰酸甲酯和β-紫罗兰酮，其相对含量为11.471%、0.078%、0.088%、61.660%、0.790%、0.072%、4.114%、0.307%、0.076%和2.246%，占挥发性物质总量的80.902%。

2.5 3种预处理加工方式的比较

由图2可知，与CK相比，超声处理西兰花茎叶汁挥发性成分的相对含量和种类变化不大；冻融处理西兰花茎叶汁中仅酯类和其他类型化合物的数量发生了明显变化；热烫处理西兰花茎叶汁中醛类和醇类的数量发生了较大的变化，醛类相对含量明显减少，酯类相对含量明显增加。经热烫处理后，西兰花茎叶汁的主要挥发性物质由醛类变为酯类，其中醛类化合物数量减少了57.1%，很好地改善了西兰花茎叶汁的香气，优于其他2种处理。

为了更好地研究3种预处理方式对西兰花茎叶汁挥发性成分的影响，本研究对西兰花茎叶汁中一些主要的异味成分采用标准曲线进行定量分析。根据菲克(Fick)第一定律[22]，挥发成分固相微萃取(solid phase microextraction，SPME)萃取头上的吸附量与其在样品中该成分的浓度呈正比，吸附的成分全部解吸后，其响应的峰面积值与该成分的浓度呈正比，故可以使用峰面积法对其他的挥发性成分进行比较。将CK组西兰花茎叶汁挥发性物质的峰面积定义为100%，根据同种物质峰面积的变化，计算3种处理相对于CK的含量变化。为了区别不同的挥发性物质，本试验选用X1、X2、X3…加以区分。从峰面积的变化来表示含量的变化，定量的挥发性物质根据表1的标准曲线计算其含量。

表3 预处理加工对西兰花茎叶汁的挥发性成分的影响

由表3、表4可知，CK组西兰花茎叶汁中(E)-2-己烯醛、己醛、(E,E)-2,4-庚二烯醛、2-乙基噻吩、硫氰酸甲酯的含量分别为2.98、0.27、32.00×10-3、7.40×10-3、14.00×10-3μg·L-1。尽管部分挥发性成分的含量低，但由于其阈值较低，仍然会对西兰花茎叶汁的风味造成较大的影响[20]。与CK组相比，超声处理西兰花茎叶汁的挥发性成分的含量无明显变化，主要异味成分中1-己醇和(E)-3-己烯-1-醇的峰面积分别减少了20.7%和24.6%。热烫处理的西兰花茎叶汁中标记挥发性物质中己醛、(E)-2-己烯醛定量后含量极低，作未检出处理，而(E,Z)-2,4-庚二烯醛均未被检测到；与CK相比，热烫处理的西兰花茎叶汁定量的异味成分含量减少了93.85%，未定量的标记化合物1-己醇峰面积减少了100%，(E)-3-己烯-1-醇的峰面积减少了89.60%，乙酸乙酯的峰面积增加了96.10%，虽然产生了其他不利的气味，如1-戊醇、1-辛醇和二甲基二硫醚，但未检测到CK中含有的2-乙基噻吩和硫氰酸甲酯这2种硫化物。冻融处理相比于CK西兰花茎叶汁，庚醛、(E)-2-己烯醛、(E,E)-2,4-庚二烯醛、β-紫罗酮含量分别减少了43.64%、44.30%、43.75%、38.80%，2-乙基噻吩和硫氰酸甲酯含量增加，硫化物的含量为0.088 μg·L-1。热烫处理和冻融处理都改善了西兰花茎叶的香气，热烫处理虽然导致甲硫醇和二甲二硫醚含量增加，但硫化物的含量少于冻融处理组，且对醛类和酯类的改善效果也优于冻融处理。

表4 预处理加工对的西兰花茎叶汁的香气成分的影响

3 讨论

本研究主要探究了西兰花茎叶经过不同预处理后制成西兰花茎叶汁中挥发性成分的变化，研究发现，西兰花茎叶汁的主要异味成分为己醛、庚醛、壬醛、(E)-2-己烯醛、(E,E)-2,4-庚二烯醛、1-戊醇、1-辛醇、1-己醇、(E)-3-己烯-1-醇、甲硫醇、2-乙基噻吩、硫氰酸甲酯、二甲基二硫醚、β-紫罗酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮。Lv[16]等采用正壬烷为内标物对鲜切西兰花的挥发性成分进行了研究，其中硫氰酸甲酯的含量为0.51 μg·kg-1；而本研究CK组中硫氰酸甲酯的含量为0.014 μg·L-1，榨汁比例为1∶10(m∶v)，可以得出西兰花茎叶中硫氰酸甲酯含量为0.14 μg·kg-1， 出现上述差异主要是因为西兰花研究部位、采取的研究手段和试验条件不同。与CK相比，热烫处理的西兰花茎叶汁中醛类含量大大减少，酯类含量增加。Aguiló-Aguayo等[23]在研究热处理和高强度脉冲电场对草莓汁风味的影响中发现，已烯醛含量减少可能与脂肪氧合酶(lipoxygenase，LOX)的钝化有关。本研究发现，与CK相比，热烫处理使得西兰花茎叶汁异味成分的种类和含量大大减少，但也产生了其他不利的气味，如1-戊醇、1-辛醇、甲硫醇和二甲基二硫醚，且已有研究证实热烫处理会导致二甲基二硫醚含量增加[24]。本研究中热烫处理的西兰花茎叶汁中2-乙基噻吩和硫氰酸甲酯消失的原因可能是西兰花组织破碎之前使得黑芥子酶活性降低，而硫代葡糖苷需要在黑芥子酶的作用下的才能降解产生异硫氰酸盐、硫氰酸盐、吲哚和腈等化合物[24]。与CK相比，冻融处理西兰花茎叶汁中庚醛、(E)-2-己烯醛、(E,E)-2,4-庚二烯醛、β-紫罗酮含量分别减少了43.64%、44.30%、43.75%、38.80%，硫化物2-乙基噻吩和硫氰酸甲酯含量增加。冻融处理损害了细胞隔室的完整性，造成挥发性香气化合物减少，但同时使得硫代葡糖苷和黑芥子酶相互接触导致2-乙基噻吩和硫氰酸甲酯含量增加[25]。Xiao等[26]研究发现反复冻融黑孢块菌会使其产生硫的味道。热烫处理和冻融处理主要通过减弱酶活性来减少挥发性物质的含量。LOX有助于醛类和大量含硫挥发物的产生，这些挥发物来源于各种s-取代半胱氨酸及其亚砜的分解[27]。张方方等[28]研究发现，葡萄经冻融处理后，其汁液中挥发性风味物质含量普遍呈现下降趋势，只有无机硫化物显著增加，说明葡萄经冷冻、解冻处理后组织细胞受损，致使挥发性物质与细胞间的结合能力下降，使得部分香气成分含量减少。与本研究结果相似，冻融处理虽然会使挥发性性成分含量减少，但会增加硫化物含量。

4 结论

本研究发现，3种预处理加工方式均会影响西兰花茎叶汁挥发性成分的种类和含量，超声处理对西兰花茎叶汁挥发性成分的影响较小。与CK相比，热烫处理和冻融处理可以较好降低西兰花茎叶汁中的异味成分。与冻融处理相比，热烫处理的西兰花茎叶汁，醛类和硫化物的含量更低，酯类含量更高，热烫处理的效果优于冻融处理。在本研究的基础上，后续可以进一步研究不同预处理加工方式对西兰花茎叶汁各营养成分及其稳定性的影响。