热超声处理增强莳萝汁生物活性成分生物可及性与功能品质：体外消化模型下的优化与机制研究

本研究通过响应面法（RSM）与平衡优化算法（EO）协同优化热超声处理（TS）参数，系统评估了莳萝汁（Anethum graveolens L.）在热超声、巴氏灭菌（P-DJ）与未处理对照组（CDJ）中总叶绿素、β-胡萝卜素、总酚含量（TPC）及铁还原抗氧化能力（FRAP）的保留率与消化后生物可及性。结果表明，TS处理显著提高了活性成分的稳定性和体外消化回收率，并通过Pearson相关性分析揭示了β-胡萝卜素、挥发性成分与酚类物质的协同增效机制，为植物基饮料的非热加工提供了创新技术方案。

　　

1 引言

近年来，植物源功能性食品与药物研发备受关注。莳萝（Anethum graveolens L.）作为伞形科芳香植物，因其营养与治疗特性被广泛应用于传统医学和现代食品工业。其活性成分包括精油、脂肪酸、多酚、香芹酮和柠檬烯等，具有抗菌、抗炎、抗氧化、降血脂和抗糖尿病等功效。在食品加工领域，热超声处理（Thermosonication, TS）作为一种非热加工技术，能在低温下实现微生物控制与酶活化，避免传统热加工（如巴氏灭菌）导致的感官与营养品质劣变。本研究采用国际INFOGEST联盟开发的体外消化模型，模拟口腔、胃和小肠阶段，评估营养成分的生物可及性与宏营养素消化率。通过响应面法（RSM）与平衡优化算法（EO）协同优化TS处理参数，系统分析莳萝汁中功能性成分的保留率、抗氧化活性及挥发性风味物质的变化规律。

2 材料与方法

2.1 莳萝汁制备

莳萝样品采集自土耳其泰基尔达省本地生产者，于4°C环境下储存。去除成熟茎叶组织后，采用Waring商用搅拌机（Model HGB2WTS3）均质化，经Whatman No. 1滤纸去除纤维素残留，涡旋混合器（2,000 rpm, 1 min）标准化大分子分布，未处理样品作为对照组（CDJ）。

2.2 热巴氏灭菌处理

样品转移至100 mL玻璃瓶，于85±1°C水浴（Wisd WUC-D06H）中处理2分钟，冷却后-20°C储存（标记为P-DJ）。

2.3 热超声处理

采用探头式超声系统（UP200St, Hielscher）处理100 mL样品，参数包括振幅（60–100%）、时间（4–12 min）和温度（40–60°C），冰水循环冷却防止热降解，处理后快速冰浴冷却并-18°C储存（标记为TS-DJ）。

2.4 响应面法（RSM）与平衡优化算法（EO）

采用Minitab软件（v18.1.1）建立RSM模型，以时间（X₁）、振幅（X₂）、温度（X₃）为自变量，β-胡萝卜素与总叶绿素为因变量，构建二阶多项式模型。EO算法基于质量平衡方程（V·dC/dt = Q·C_eq - Q·C + G），通过浓度更新规则（F = exp[-λ(t-t₀)]）优化参数，实现解空间高效搜索。

2.6 生物活性成分测定

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  总酚含量（TPC）：Folin-Ciocalteu法测定，结果以没食子酸当量（mg GAE/L）表示。

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  叶绿素与β-胡萝卜素：丙酮提取法，分光光度计测定645 nm与663 nm吸光度。

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  抗氧化能力（FRAP）：铁还原能力法，测定593 nm吸光度，以Trolox当量（mmol TE/L）表示。

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  挥发性成分：顶空固相微萃取（HS-SPME）结合GC-MS分析，DB-5色谱柱（30 m × 0.25 mm, 0.25 μm），离子源70 eV，质量范围40–350 m/z。

2.8 体外模拟消化分析

采用INFOGEST三阶段模型（口腔α-淀粉酶、胃蛋白酶、肠胰酶与胆汁盐），分析消化后β-胡萝卜素、FRAP、总叶绿素与TPC的变化。

2.9 统计分析

单因素方差分析（ANOVA）与Tukey HSD检验（p<0.05），数据以均值±标准差表示。

3 结果与讨论

3.1 RSM与EO优化结果

RSM模型显著（p<0.001），β-胡萝卜素与总叶绿素模型R²分别为98.72%与99.26%。EO算法在60次迭代后收敛，误差函数稳定。最优参数为时间11.15 min、振幅77.69%、温度50.30°C，预测β-胡萝卜素38.53 mg/100 mL，总叶绿素3.42 g/100 mL。实验验证值分别为41.14±1.39 mg/100 mL与3.52±0.07 g/100 mL，误差低于6.34%，表明模型可靠性高。

3.2 生物活性成分变化

TS-DJ组在初始与21天储存期内均保持最高活性成分：

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  总叶绿素：3.41±0.06 g/100 mL（初始）→ 3.35±0.05 g/100 mL（第21天）

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  β-胡萝卜素：38.19±1.18 mg/100 mL → 37.01±0.51 mg/100 mL

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  TPC：120.30±3.71 mg GAE/100 mL → 116.67±1.66 mg GAE/100 mL

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  FRAP：9.56±0.16 mmol TE/L → 9.38±0.14 mmol TE/L

  Pearson相关性显示FRAP与TPC（r=0.996）、β-胡萝卜素（r=0.979）、总叶绿素（r=0.976）显著正相关，证实多酚与色素协同贡献抗氧化活性。

3.3 挥发性成分分析

TS-DJ组有效保留萜烯类物质（α-水芹烯、柠檬烯、α-蒎烯），21天后α-水芹烯从45.29 μg/mL降至21.04 μg/mL，降幅低于其他组。 sabinene（2.46 μg/mL vs. P-DJ 2.08 μg/mL）与β-月桂烯（1.24 μg/mL vs. 对照组1.40 μg/mL）的保留率显著更高（p<0.05），表明TS处理抑制氧化降解。

3.4 生物可及性评估

体外消化后TS-DJ组生物可及性最高：

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  TPC回收率：34.93±0.34%（初始）→ 肠道相34.22±1.31 mg GAE/L

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  β-胡萝卜素回收率：19.33±1.26% → 肠道相7.02±0.52 mg/100 mL

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  总叶绿素回收率：22.94±0.74% → 胃相1.44±0.05 g/100 mL

  TS-DJ组回收率较P-DJ组提高21.8–27.5%，源于超声空化效应促进细胞壁破裂与成分释放。

3.5 多变量统计分析

PCA与聚类分析表明TS-DJ组在功能成分与香气谱上形成独立簇群，其与FRAP、TPC、β-胡萝卜素高度关联。散点图矩阵证实活性成分间协同变化趋势，强化TS处理的协同增强效应。

4 结论

热超声处理通过优化参数（振幅77.69%、时间11.15 min、温度50.30°C）显著提升莳萝汁生物活性成分的保留率与消化后生物可及性，其机制源于空化效应促细胞结构破坏与成分释放。该技术为非热加工植物基饮料开发提供有效策略，兼具功能性与风味稳定性。