《Food Chemistry: X》：Study on the effects of media-regulated ultrasonic pretreatment combined with elwectrohydrodynamic drying on the drying kinetics, active components, proteomic characteristics and volatile components of garlic
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本研究针对电流体动力学（EHD）干燥在低水分阶段效率下降的瓶颈，探索了不同介质（NaCl溶液、蔗糖溶液、去离子水）调控的超声（US）预处理对大蒜联合干燥过程的影响。结果表明，NaCl溶液+超声（NaCl aq. + US）预处理通过渗透压与空化效应协同作用，不仅能显著提升有效水分扩散系数（Deff）、缩短干燥时间、改善复水性，还能最优地保留大蒜素衍生物（DADS/DATS）、总酚等活性成分，维持蛋白质二级结构，促进蒜氨酸酶释放，并最大化挥发性硫化合物含量。该研究首次揭示了介质调控超声的协同机制，为优化大蒜等农产品联合干燥工艺提供了理论与实践支持。
大蒜，这种厨房里不可或缺的调味佳品，不仅是美味的来源，更是健康的守护者，富含大蒜素（allicin）等有机硫化合物、蛋白质和多酚等活性成分。然而，新鲜大蒜水分含量高，难以长期贮藏，科学的干燥加工是延长其保质期、制成脱水蒜片或蒜粉等产品的重要手段。传统的热风干燥虽高效但易导致热敏成分损失，冷冻干燥品质虽佳但成本高昂。电流体动力学（Electrohydrodynamic, EHD）干燥作为一种低温技术，能较好地保留营养成分，但其在物料水分降低后，干燥速率会显著下降，成为一个制约其应用效率的“阿喀琉斯之踵”。
为了突破这一瓶颈，研究人员将目光投向了超声（Ultrasonic, US）预处理。超声波产生的空化效应能在物料内部形成微通道，促进水分迁移。但常规超声通常以普通水为介质，在处理像大蒜这样成分特殊的食材时，效果有限。那么，如果更换超声介质，比如用氯化钠（NaCl）溶液或蔗糖溶液来代替普通水，会不会产生“1+1>2”的协同效果呢？这正是发表在《Food Chemistry: X》上的这项研究想要探索的核心问题。
为了回答这个问题，研究人员设计了一项系统的实验。他们选取新鲜大蒜，制备成标准切片，并设定了四组不同的预处理方案进行对比：单纯去离子水浸泡（DW，作为对照）、去离子水+超声（DW + US）、氯化钠溶液+超声（NaCl aq. + US）以及蔗糖溶液+超声（Suc aq. + US）。所有预处理后的样品，均使用EHD系统在18 kV电压下进行干燥，直至水分含量降至10%。研究团队随后对干燥后的大蒜片进行了全方位的“体检”，分析其干燥动力学特性、物理品质、活性成分、蛋白质结构以及挥发性风味物质，以期全面评估不同介质调控的超声预处理联合EHD干燥的综合效果。
本研究采用了多项关键技术方法。在干燥过程表征方面，通过监测水分含量变化计算干燥速率和有效水分扩散系数（Deff），并测试了复水率以评估产品结构恢复能力。在活性成分分析上，采用超高效液相色谱（UHPLC）定量了大蒜素的主要稳定衍生物二烯丙基二硫醚（DADS）和二烯丙基三硫醚（DATS），并使用福林-酚法测定总酚含量。在蛋白质层面，运用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析蛋白质二级结构变化，并通过液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术进行了蛋白组学分析，以考察蛋白质丰度、翻译后修饰及关键酶（如蒜氨酸酶）的变化。挥发性成分则通过顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HS-SPME-GC–MS）进行指纹图谱分析和主成分分析（PCA）。
3.1. 干燥特性与复水能力分析
研究结果清晰显示，不同预处理方式对干燥效率影响显著。在干燥初期，所有超声辅助预处理组（DW + US, NaCl aq. + US, Suc aq. + US）的水分下降都比单纯DW组更快，说明超声形成的微通道加速了干燥。其中，NaCl aq. + US组表现最为突出，其平均干燥速率最高，所需干燥时间最短，有效水分扩散系数（Deff）也最大。这归因于NaCl的离子效应增强了超声空化，更有效地破坏了细胞结构，形成了利于水分扩散的通道。相反，Suc aq. + US组在后期干燥速率下降明显，其Deff值最小，因为高浓度蔗糖在表面形成的黏性膜层阻碍了水分扩散。
复水实验是检验干燥产品品质恢复能力的重要指标。NaCl aq. + US组的复水率最高，表明该预处理在加速干燥的同时，并未过度破坏细胞结构，可能形成了可控的多孔结构，使得水分在复水时易于渗入和填充。而DW组因长时间干燥导致细胞塌陷，结构致密，复水率最低。Suc aq. + US组受蔗糖膜效应影响，复水率也低于NaCl aq. + US组。
3.2. 活性成分保留：大蒜素衍生物DADS/DATS与总酚
大蒜的核心功能成分是大蒜素，但其不稳定，在加工中会转化为稳定的DADS和DATS。研究表明，NaCl aq. + US预处理组中DADS和DATS的总含量达到3.69 ± 0.22 g/kg，显著高于其他各组。这得益于超声空化促进蒜氨酸（alliin）释放，而NaCl溶液则通过调节离子强度，优化了关键酶——蒜氨酸酶（alliinase）的构象和催化效率，二者协同促进了大蒜素的生成与保留。在总酚含量方面，NaCl aq. + US组同样以0.9 ± 0.03 g/kg的含量位居第一，比DW组高出32.4%。这可能是由于NaCl抑制了多酚氧化酶活性，减少了酚类物质的氧化分解。
3.3. 蛋白组学特性与结构稳定性分析
通过FTIR光谱分析蛋白质二级结构发现，NaCl aq. + US和Suc aq. + US预处理组的β-转角含量显著增加，这可能与超声和溶液的协同作用增强了蛋白质结构的稳定性有关。蛋白组学分析进一步揭示了深层机制。在翻译后修饰方面，NaCl aq. + US组的N-末端乙酰化修饰水平最高（35.36%），这种修饰有助于稳定蛋白质结构，可能特异性地保护了蒜氨酸酶等关键代谢酶的活性。这与该组观测到最高的蒜氨酸酶丰度相一致。相比之下，Suc aq. + US组的蛋白质氧化修饰水平较高，这可能损害了功能蛋白的稳定性，解释了该组蒜氨酸酶丰度最低的原因。差异蛋白质相互作用网络分析显示，不同预处理影响了与光合作用、碳代谢、基因转录翻译等相关的核心蛋白网络，反映了预处理对大蒜细胞代谢通路的广泛调控。
3.4. 挥发性成分分析
风味是食品的重要属性。HS-SPME-GC–MS分析表明，NaCl aq. + US预处理极大地丰富了大蒜的挥发性成分图谱，其总离子流图中峰的数量和强度均为最高。特别是构成大蒜特征硫磺风味的关键硫化合物，如二烯丙基二硫醚、甲基-2-丙烯基二硫醚等的含量，在NaCl aq. + US组中显著高于其他组。主成分分析（PCA）和偏最小二乘判别分析（PLS-DA）能清晰地将不同预处理组的样品区分开，进一步证实了预处理对大蒜整体挥发性风味特征的显著重塑作用。
3.5. 统计分析
相关性热图分析将各项指标关联起来，清晰地展示了NaCl aq. + US预处理的综合优势：干燥效率指标（Deff、干燥速率）与活性成分保留指标（DADS+DATS含量、蒜氨酸酶丰度）、产品品质指标（复水率）之间呈现积极的协同关系。
结论与讨论
本研究得出结论，在测试的四种预处理方法中，NaCl溶液联合超声（NaCl aq. + US）预处理是与EHD干燥技术结合的最佳方案。其成功源于一种协同机制：超声空化与NaCl离子效应共同作用，物理性破坏大蒜细胞膜，形成高效的微水通道，从而大幅提升干燥速率和复水性能；与此同时，NaCl调节细胞离子环境，一方面增强蒜氨酸酶活性、促进大蒜素合成路径，另一方面抑制多酚氧化酶、减少酚类损失，最终在高效脱水的同时，实现了活性成分（大蒜素衍生物、总酚）、蛋白质结构以及特征风味物质（挥发性硫化合物）的最大化保留。
这项研究的意义重大。它首次阐明了“介质调控超声”这一协同机制，即渗透压与空化效应如何共同驱动“结构破坏-酶调控-成分积累”这一链条，填补了该领域的研究空白。从实践角度看，该研究为优化大蒜乃至类似球茎类农产品的联合干燥工艺提供了直接的理论依据和工艺参数支持。通过这种高效的“预处理+干燥”组合技术，有望在较低能耗和成本下，生产出高品质、高活性成分保留率的脱水大蒜产品，满足健康食品和药品原料的市场需求，提升农产品附加值。未来的研究可以在此基础上，进一步优化NaCl浓度、超声功率等参数，并将该机制拓展至更多农产品加工中，推动食品干燥技术的进步。
