《Powder Technology》：Spray-dried yacon juice microparticles: effect of gum arabic–inulin ratios on thermal stability, structure, and bioactive retention
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本研究系统评估了阿拉伯胶与菊粉不同配比对菊芋汁微颗粒热稳定性、结构特性及功能稳定性的影响，发现高菊粉比例（如T5组）能显著提升抗氧化活性（75.3%）和热稳定性，同时形成致密无定形态结构，为开发稳定功能性食品提供理论依据。
保罗娜·吉亚罗拉·席尔维拉（Paula Giarolla Silveira）|卡洛斯·拉蒙·德·保拉·席尔瓦（Carlos Ramon de Paula Silva）|杰恩·德·阿布鲁·菲格雷多（Jayne de Abreu Figueiredo）|阿曼达·阿帕雷西达·德·利马·桑托斯（Amanda Aparecida de Lima Santos）|詹妮弗·克里斯蒂娜·卡瓦略·多斯·桑托斯（Jhenifer Cristina Carvalho dos Santos）|马塞乌斯·德·索萨·克鲁兹（Matheus de Souza Cruz）|卢卡斯·卡亚法·卡多索·雷伊斯（Lucas Caiafa Cardoso Reis）|杰斐逊·路易斯·戈麦斯·科雷亚（Jefferson Luis Gomes Corrêa）|伊雷纽·佩特里·朱尼奥尔（Irineu Petri Júnior）|维尔吉利奥·德·卡瓦略·多斯·安乔斯（Virgílio de Carvalho dos Anjos）|罗尼·阿尔维斯·达·罗查（Roney Alves da Rocha）|玛丽亚·何塞·瓦伦苏埃拉·贝尔（Maria José Valenzuela Bell）
巴西米纳斯吉拉斯州茹伊斯迪福拉市（Juiz de Fora）联邦大学（UFJF）物理系，邮编36036-110
摘要
为了克服雅康果汁（yacon juice）的高吸湿性和低玻璃化转变温度，本研究采用阿拉伯胶（Arabic gum, AG）和菊粉（Inulin, IN）作为载体，对其进行喷雾干燥处理。研究了五种不同的AG:IN比例（15:0、11.25:3.75、7.5:7.5、3.75:11.25和0:15%（质量比）对所得微粒的结构、热性能和功能特性的影响。所有配方的水分含量（3.29–3.87%，干基）和水分活度（0.15–0.18）均较低，各配方之间无显著差异（p > 0.05），确保了产品的微生物安全性。热分析表明，富含菊粉的配方在25–125°C范围内的初始质量损失低于6%，且脱水吸热曲线变宽，表明其稳定性较高。傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示在600–1750 cm?1区域内存在典型的碳水化合物吸收峰；C–O–C键的伸缩振动频率略有变化（约1020–1040 cm?1）；O–H键的伸缩峰最大值（约3300 cm?1）逐渐向更高波数移动。3550–3800 cm?1范围内的弱吸收表明存在游离或弱结合的羟基。扫描电子显微镜（SEM）观察结果显示，从不规则多孔表面（使用阿拉伯胶时）转变为光滑致密的膜状结构（使用菊粉时）。从功能角度来看，含有3.75%阿拉伯胶和11.25%菊粉的配方不仅保留了较高的果寡糖（Fruit Oligosaccharides, FOS）含量（70.7%），还表现出显著的抗氧化活性（56.3%）；而含有5%阿拉伯胶和11.25%菊粉的配方则提供了最佳的抗氧化保护（75.3%）。总体而言，这些研究结果揭示了载体选择对基于碳水化合物的喷雾干燥粉末的热稳定性、包封性能和非晶化程度的影响，有助于理解载体与核心成分之间的相互作用，从而为设计稳定的非晶微粒提供理论依据。
引言
喷雾干燥是将液体转化为粉末的常用技术，但其效率很大程度上取决于原料的物理化学性质及所选载体的性质。先前的研究表明，由于雅康果汁中含有大量果寡糖（FOS），其喷雾干燥过程较为困难，因为果寡糖的低玻璃化转变温度（15–26°C）和高吸湿性会导致粘性增加、结构塌陷以及干燥过程中和之后的货架稳定性降低[3,7]。大多数已发表的研究采用单一载体，如麦芽糊精（Maltodextrin, MD）或阿拉伯胶（Arabic gum, AG），它们具有不同的保护机制。麦芽糊精因其高玻璃化转变温度和低成本而被广泛使用，但通常需要至少20%的浓度才能有效抑制粘性，这可能会稀释生物活性成分的浓度并影响最终产品的营养价值[Rodrigues et al., 2022]。相比之下，阿拉伯胶因其两亲性、低吸湿性以及出色的乳化和成膜能力而受到重视，在中等浓度（10–15%）下能提高雅康果汁粉末的溶解性和储存稳定性[32,45]。然而，仅使用阿拉伯胶或麦芽糊精的配方在高温干燥条件下存在局限性。例如，Arango-Torres等人[3]发现，在160°C的干燥条件下果寡糖会发生部分热水解，这不仅会降低粉末的益生元活性，还会因单糖的塑化作用而加剧粘性和降低玻璃化转变温度。因此，需要更复杂的载体系统来调节热行为、减少水分吸附，并提高对热敏感成分的包封效率。
为了改善喷雾干燥产物的结构和热性能，人们探索了多种基于碳水化合物的载体组合。阿拉伯胶和菊粉正是两种具有互补特性的载体：阿拉伯胶是一种无定形、高溶解度的多糖，具有优异的成膜能力[33]；菊粉则由线性果聚糖链组成，具有半结晶性和凝胶化能力，有助于保持水分并形成致密结构[30,31]。两者结合被认为是一种调节玻璃化转变温度（Tg）、结晶度和包封效率的有效方法[5,32]，但目前尚未针对雅康果汁系统进行系统研究。
尽管已有研究表明阿拉伯胶和菊粉作为载体的潜力，但缺乏比较研究来探讨它们的比例如何影响喷雾干燥雅康果汁粉末的结构-功能关系。
本研究利用差示扫描量热法（DSC）、热重分析（TGA）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）等手段，探讨了阿拉伯胶与菊粉比例对喷雾干燥雅康果汁粉末的热性能、结晶度和形态的影响，同时评估了果寡糖和酚类化合物的保留情况作为屏障效果的指标。据我们所知，这是首次系统研究阿拉伯胶-菊粉载体组合如何调节喷雾干燥雅康果汁配方的热稳定性、基质结构和生物活性成分的保留情况，旨在为富含碳水化合物的物料中载体系统的合理设计提供依据。
实验设计
实验中使用的雅康根茎（Smallanthus sonchifolius）采自巴西米纳斯吉拉斯州的拉夫拉斯（Lavras）。作为载体的阿拉伯胶（Colloides Naturels Brasil，圣保罗，巴西）和菊粉（Orafti? GR，BENEO-Orafti，比利时；聚合度>10）均购自相关公司。分析试剂包括亚硫酸氢钠（≥99%，Sigma-Aldrich，美国）、Fast Blue BB盐（Sigma-Aldrich，美国）、没食子酸（≥98%，Sigma-Aldrich，美国）、氢氧化钠（≥98%，Synth，巴西）以及乙醇（95%，êxodo Científica，巴西），均为分析级。
实验结果
所有处理组的水分含量（3.29–3.87%，干基）和水分活度（0.15–0.18）均较低，这主要归因于本研究采用的喷雾干燥工艺参数（入口温度160°C、进料流速0.6 L/h、干燥气流0.3 m3/min），这些条件有助于快速去除水分并促进颗粒固化。这类条件特别适用于富含碳水化合物的物料。
结论
本研究表明，阿拉伯胶与菊粉的比例决定了喷雾干燥雅康果汁微粒的结构、热性能和功能稳定性。所有配方的水分含量和水分活度均较低，表明它们可作为稳定的颗粒体系。热分析和结构分析表明，增加菊粉的比例可以提高颗粒的凝聚性和非晶化程度，从而减少初始质量损失。
作者贡献声明
保罗娜·吉亚罗拉·席尔维拉（Paula Giarolla Silveira）：负责撰写、审稿与编辑、原始稿撰写、数据可视化、结果验证、软件使用、资源协调、项目管理、方法设计、实验实施及数据分析。卡洛斯·拉蒙·德·保拉·席尔瓦（Carlos Ramon de Paula Silva）：负责数据可视化、结果验证、资源协调、方法设计及数据分析。杰恩·德·阿布鲁·菲格雷多（Jayne de Abreu Figueiredo）：负责撰写、审稿与编辑、原始稿撰写及结果验证。阿曼达·阿帕雷西达·德·利马·桑托斯（Amanda Aparecida de Lima Santos）：负责撰写、审稿与编辑及原始稿撰写。
未引用参考文献
[18], [25], [26], [34], [35], [39], [43], [44], [46]
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
作者感谢FAPEMIG、CNPq、FINEP和CAPES提供的财务支持，以及zLab（DCA/UFLA食品生物化学与电子原型实验室）在实验中的合作。
