《Food Chemistry》：Composition-dependent amorphous matrix formation controls vitamin C stability in reconstituted freeze-dried lactose–whey protein isolate systems
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摘要本研究考察了冷冻历史和基质组成如何影响冻干乳糖 - 乳清蛋白浓缩物（WPI）基质（乳糖：WPI = 4:0, 3:1, 0:4，重量比）中维生素 C 的固态结构和复溶后稳定性。样品经过一步或两步冷冻后进行冻干，并使用 X 射线衍射、差示扫描量热法和傅里叶变换红外光谱法进行
摘要
本研究考察了冷冻历史和基质组成如何影响冻干乳糖 - 乳清蛋白浓缩物（WPI）基质（乳糖：WPI = 4:0, 3:1, 0:4，重量比）中维生素 C 的固态结构和复溶后稳定性。样品经过一步或两步冷冻后进行冻干，并使用 X 射线衍射、差示扫描量热法和傅里叶变换红外光谱法进行表征。WPI 抑制了乳糖结晶并产生了无定形氢键基质，而乳糖主导的基质保持高结晶度。复溶后，维生素 C 在避光和光照条件下储存 72 小时的降解遵循双参数 Weibull 模型，该模型优于一级动力学模型。基质组成对稳定性的影响大于冷冻历史：仅含 WPI 的基质半衰期最长，并在光照下保留了大部分稳定性优势，而乳糖主导的基质在光照下降解迅速。这些结果表明，富含蛋白质的无定形基质改善了维生素 C 的稳定性，特别是在复溶后的水合状态下，这是仅评估干粉末无法捕获的条件。
引言
冻干食品基质通常通过减少水分含量和限制分子流动性来提高不稳定生物活性化合物的稳定性。在冻干过程中，溶质和成基质载体浓缩成固相，根据配方组成和加工条件，可能以无定形、部分结晶或结晶结构存在。在无定形和部分结晶食品粉末中，结晶度和玻璃化转变温度（Tg）被广泛用于评估物理稳定性，因为高于 Tg 时分子流动性增加，可能加速结构变化和降解反应（Ferrari 等，2021；Thiruvengadam 等，2025）。由于分子流动性极低且粘度很高，玻璃态粉末表现出类似固体的性质，从而提供对诸如结块和再结晶等劣变现象的抵抗（Karel 等，1994；Lee 等，2023）。
维生素 C（抗坏血酸）是一种常见于强化食品和膳食补充剂中的必需营养素。然而，维生素 C 具有高度水溶性、反应活性强且易于氧化，其降解会因环境因素如热量和光照而加速（Basak 等，2023）。特别是，维生素 C 在水系统中不稳定，而在低水分干燥基质中其降解通常比在液体产品中慢（Yin 等，2022）。因此，使用成基质载体将维生素 C 转化为干粉被认为是一种提高其物理稳定性和减轻储存期间降解的实际方法。然而，一旦粉末复溶，低水分玻璃态就被破坏，维生素 C 重新暴露于水环境、氧气和光照中，在那里降解可能通过氧化和光致途径进行（Aguilar 等，2019；Ahmad 等，2018）。因此，冻干基质的保护功能不仅应根据干态结晶度和 Tg 进行评估，还应根据复溶后维生素 C 的稳定性进行评估。
成基质载体控制着结晶和玻璃化转变等物理转变，进而影响储存期间粉末结构和包埋化合物的稳定性（Ledari 等，2024）。蛋白质通常被认为主要通过空间位阻和增加无定形相的局部粘度来延缓糖的结晶，这限制了结晶区域的成核和生长（Huang 等，2021；Maidannyk & Roos, 2017）。因此，冻干基质的保护性能不仅取决于是否形成了无定形相，还取决于该无定形相的组成和分子组织。这种区别在碳水化合物 - 蛋白质系统中尤为重要，因为载体组成可以影响结晶行为、分子相互作用和再水化行为（Maidannyk & Roos, 2017；Sánchez-García 等，2022）。
乳糖和乳清蛋白浓缩物（WPI）均为乳源成分，为研究碳水化合物和蛋白质组成对冻干食品基质固态结构的影响提供了适当的模型系统。乳糖是一种低分子量碳水化合物，常被用作壁材料以包埋活性物质，乳糖 - WPI 混合物已被用作冻干粉中的壁基质。然而，乳糖在干燥和储存过程中容易结晶，这会导致基质微观结构变化，并促进核心材料向颗粒表面迁移，从而降低储存期间的保留率（Huang 等，2021）。为了克服这些局限性，修改基质组成被提出作为一种有效策略，以抑制乳糖结晶并改善含乳糖粉末的结构稳定性。混合系统或乳糖 - 蛋白质偶合物可以限制或延迟乳糖结晶，从而提高干燥基质的稳定性（Huang 等，2023；Yan 等，2022）。在乳糖 - WPI 系统中，这种抑制结晶的效果被归因于成核减少和晶体生长所需的分子扩散受限（Fan & Roos, 2015）。通过加工控制定制乳糖特性被建议作为增强乳制品粉末储存稳定性的策略（Qí 等，2025）。作为一种蛋白质载体，WPI 可以通过与生物活性化合物的非共价相互作用影响基质内的分子环境（Poopan 等，2024）。因此，乳糖 - WPI 系统提供了一个适当的组成模型，用于同时评估乳糖结晶和蛋白质基无定形畴的形成如何贡献于维生素 C 的稳定性。除了这些基质相关因素外，氧气可用性和光照暴露是影响水系统中复溶后维生素 C 稳定性的重要环境变量（Garnero & Longhi, 2010；Ruiz 等，2018）。
冻干前的冷冻步骤是影响干燥基质物理组织的一个重要因素。冷冻速率影响冰晶形成和溶质冻浓，这可能导致冻干粉末的孔隙结构和固态行为存在差异（Nakagawa 等，2012；Nowak & Jakubczyk, 2020）。因此，改变冷冻历史提供了一种在不改变基质组成的情况下调节结晶度和 Tg 的实际方法。在乳糖 - WPI 系统中，这种比较允许将冷冻诱导的结构变化效应与基质组成的贡献区分开来。
尽管维生素 C 降解、乳糖结晶和无定形食品粉末的物理稳定性已分别进行研究，但它们与复溶冻干乳糖 - WPI 基质的关系仍了解不足。特别是，干态性质（如结晶度和 Tg）如何与复溶后的维生素 C 稳定性相关尚不清楚，在后一种情况下，该化合物暴露于水、氧气和光照中。阐明这种关系对于设计复溶后仍保持保护功能的冻干基质是必要的。
本研究的目标是考察含有维生素 C 的冻干乳糖 - WPI 基质的结构 - 稳定性关系，特别关注干态基质组织如何与复溶后的维生素 C 稳定性相关。在冻干前，使用两种冷冻历史制备了乳糖、WPI 和混合乳糖 - WPI 配方。使用 X 射线衍射（XRD）、差示扫描量热法（DSC）和傅里叶变换红外光谱法（FT-IR）分别对所得粉末的结晶度、玻璃化转变行为和分子环境进行表征。使用配备二极管阵列检测器的高效液相色谱法（UHPLC-DAD）在避光和光照条件下量化复溶后的维生素 C 降解，以确定配方依赖的结构差异是否转化为水相中稳定性的改善。
章节片段
材料
α-乳糖一水合物（制造商规范：25°C 下 5%（w/v）水溶液 pH 为 4–6）购自韩国大韩民国京畿道安山市 Duksan Pure Chemicals Co., Ltd.。乳清蛋白浓缩物（WPI；每 100 克含 88.5 克蛋白质、0.87 克脂肪和 3 克碳水化合物）购自美国新墨西哥州克洛维斯市 Southwest Cheese Co., LLC，未经进一步纯化直接使用。l-抗坏血酸（维生素 C，纯度>99.5%）购自大纯化学与金属公司（Daejung Chemical & Metals Co., Ltd.）。
载维生素 C 乳糖 - WPI 基质的冷冻曲线和物理特性
温度曲线证实了两种冷冻方案在冻干前产生了不同的热历史（图 1A 和 B）。快速冷冻通常定义为在 30 分钟内通过最大冰晶形成区（?1 至?5 °C），而在此区域较长的停留时间被认为是慢速冷冻的特征（Zhao 等，2022）。在 -100°C 一步冷冻期间，所有配方均在 10.60 分钟内通过了该温度区。转移
结论
这些发现强调了 WPI 作为设计用于复溶的冻干维生素 C 系统中结构成分的重要性。虽然冷冻方案影响了结晶度和玻璃化转变行为，但含有 WPI 的配方始终表现出更优的维生素 C 稳定性，这与结晶减少、蛋白质相关无定形相的形成以及氢键环境的变化有关。相比之下，仅含乳糖的基质
作者贡献声明
Juhyun Kim: 写作 - 初稿，可视化，调查，形式分析，数据整理。Muthu Thiruvengadam: 写作 - 初稿，验证，方法学，形式分析，数据整理。Bum-Su Jung: 可视化，方法学，调查，形式分析。Dagyeom Jeon: 软件，调查，形式分析。Seung-Hyun Kim: 写作 - 审阅与编辑，监督，项目管理，概念化。Mi-Jung Choi: 写作 - 审阅与编辑，监督，项目
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本研究由韩国教育部资助的韩国国家研究基金会（NRF）基础研究计划支持 [RS-2024-00412288]。
Juhyun Kim|Muthu Thiruvengadam|Bum-Su Jung|Dagyeom Jeon|Seung-Hyun Kim|Mi-Jung Choi
