无缝爆珠胶囊的吸湿特性建模与热力学分析：提升产品稳定性的关键研究

本研究针对无缝爆珠胶囊在储存过程中因吸湿导致的粘连和质地变化问题，通过分析25°C、32°C和37°C下的等温吸附曲线和68%相对湿度(RH)下的吸附动力学，揭示了其吸湿行为遵循Type II模式，并确定Smith模型(25°C和37°C，R2>0.98)和GAB模型(32°C，R2>0.98)的最佳拟合性。研究提出储存湿度需控制在61% RH以下，且吸附过程在2小时内达到饱和，符合一级动力学(R2>0.95)。热力学分析表明吸附为焓驱动非自发过程，等动力学温度为324.76 K。ATR-FTIR和SEM技术进一步明确了水分结合位点和结构变化机制，为优化储存条件提供了理论依据。

　　

在食品、药品和日化领域，无缝爆珠胶囊因其独特的“爆裂”口感和活性成分封装能力广受欢迎。然而，这类胶囊的明胶基外壳对湿度极为敏感，吸湿后易导致粘连、质地软化及感官体验下降，严重影响货架期。尽管已有研究聚焦配方优化，但对其吸湿机制和储存稳定性的系统性研究仍属空白。为此，华宝香精香料有限公司（Huabao Flavors and Fragrances Co., LTD）的研究团队在《Scientific Reports》发表论文，通过多尺度分析揭示了无缝爆珠胶囊的吸湿特性与热力学规律，为产业实践提供了关键指导。

研究采用等温吸附实验（25°C、32°C、37°C）、吸附动力学测试（68% RH）结合Smith和GAB模型拟合，辅以衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)和扫描电镜(SEM)表征，并基于克劳修斯-克拉佩龙方程和吉布斯-亥姆霍兹方程完成热力学参数计算。

硬度变化与温度依赖性

储存实验显示，胶囊硬度随温度升高呈阶梯式下降：25°C至32°C时从1500 g骤降至900 g，45°C时丧失商业价值（<600 g）。37°C成为临界阈值，超过此温度后产品稳定性急剧恶化。

吸湿等温线与模型拟合

等温吸附曲线呈S型（Type II特征），表明水分吸附为多层可逆过程。Smith模型在25°C和37°C下拟合优度最高（R²>0.98），而32°C时GAB模型更优。当环境RH>61%时，胶囊硬度显著降低，提示储存湿度需严控在此阈值下。

吸附动力学与结构变化

68% RH条件下，水分吸附在2小时内达饱和，符合一级动力学（R²>0.95）。SEM显示高温高湿导致胶囊表面裂纹和团聚，37°C时出现泡沫化结构，印证水分渗透引发的力学性能衰退。ATR-FTIR鉴定3273 cm^-1处羟基为关键吸水位点。

热力学机制解析

吉布斯自由能(ΔG>0)证实吸附为非自发过程，等静吸附热(q_st)峰值11.665 kJ/mol低于纯水蒸发潜热，表明水分以游离态存在。熵-焓补偿理论确定等动力学温度T_β=324.76 K，且T_β>T_hm(304.40 K)，证实过程为焓驱动。

该研究首次建立了无缝爆珠胶囊吸湿行为的完整理论框架，提出的61% RH和37°C储存限值可直接指导产业实践。通过揭示羟基主导的吸附机制和温度依赖性结构劣化规律，为开发抗湿配方和智能包装提供了靶点。热力学参数的量化进一步丰富了亲水性聚合物材料的理论体系，对功能性食品的稳定性设计具有普适意义。