含咖啡因与胶原蛋白的功能性无糖软糖：冻干及虫胶包衣对其配方与理化性质的影响

《Applied Sciences》：Innovative Functional Gummies with Caffeine and Collagen: Formulation and Physicochemical Properties

　　

： 本研究旨在开发富含咖啡因和胶原蛋白水解物的软糖，并探究冻干（freeze-drying）及包衣工艺对其理化性质的影响。研究人员以木糖醇（xylitol）替代蔗糖制备明胶基软糖，对其进行冻干处理，并采用虫胶（shellac）层进行包衣。随后，研究人员对产品的水分活度（water activity）、干物质含量、质构特性、色泽及凝胶体系pH值进行了评估。研究人员采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重分析（TGA）来探究结构变化与热稳定性。冻干处理使水分活度从0.679降至0.486，干物质含量从64.50%提升至84.20%，从而可能改善产品稳定性。虫胶包衣的使用影响了质构特性，使产品在冻干后仍保持软糖特有的质地，并将冻干后的色泽变化从4.88个单位降低至1.77个单位。FTIR分析证实了配方各组分特征官能团的存在，并提供了咖啡因成功嵌入软糖基质的证据。此外，热重分析（TGA）表明所开发的配方具有较高的热稳定性。

论文解读文章

一、研究背景与问题提出

近年来，兼具营养价值和健康功效的功能性食品日益受到重视。软糖因其良好的感官特性，被认为是包载多糖、植物提取物、蛋白质及抗氧化剂等多种生物活性成分的有效基质。功能性软糖市场正快速扩张，预测到2030年全球市场规模有望超过240亿美元，年复合增长率达11.8%。然而，现有研究多集中于植物源成分的添加、糖替代或胶凝剂的选择，尚未见将咖啡因与胶原蛋白水解物结合于同一无糖软糖配方，并通过冻干工艺进行稳定化的研究报道。传统软糖配方中蔗糖和葡萄糖浆的完全替代仍是技术难点，因为蔗糖在体系中承担着多重功能。此外，胶原蛋白作为人体主要结构蛋白，其水解产物具有高生物利用度，可能支持组织再生、皮肤健康及关节功能；咖啡因则被证实可支持有氧及无氧运动能力、改善肌肉功能并减轻疲劳。将二者整合于单一低糖凝胶产品中仍属小众市场，具有开发潜力。因此，本研究旨在开发含咖啡因和胶原蛋白的无糖软糖，并评估配方组成、冻干及包衣工艺对其理化性质的影响。

二、研究内容与核心结论

研究人员基于文献分析优化配方，最终确定产品组成为：100%橙汁（49.9%）、木糖醇（30%）、猪明胶180 BLOOM（9%）、无水咖啡因（0.1%）、猪胶原蛋白水解物（10%）及抗坏血酸（1%）。生产工艺包括加热混合、超声脱气、注模、冷却、冷冻及冻干，冻干后部分样品采用虫胶基抛光乳液进行包衣。研究结果表明，冻干显著降低了软糖的水分活度并提高干物质含量，有效改善了产品稳定性；虫胶包衣在冻干后保持了软糖特有的质构特征，并显著降低了色泽变化。FTIR证实了咖啡因成功嵌入软糖基质且未破坏基本生物聚合物结构；TGA表明所有配方均具有较高的热稳定性。该产品作为兼具功能性和稳定性的创新替代品，填补了无糖配方中咖啡因与胶原蛋白联合应用的研究空白。

三、主要关键技术方法

研究人员主要采用了以下关键技术方法：冻干技术用于产品脱水稳定化处理；虫胶包衣技术用于表面防护；水分活度仪测定水分活度；对流干燥法测定干物质含量；台式分光测色仪在Lab色彩空间进行色泽测定；傅里叶变换红外光谱（FTIR）采用衰减全反射（ATR）技术分析化学结构与官能团；热重分析（TGA）评估热稳定性与热降解特性；质构仪进行质地剖面分析（TPA）测定硬度、弹性、内聚性、咀嚼性及粘附性等力学参数。所有数据采用单因素方差分析（ANOVA）及Tukey事后检验进行统计处理。

四、研究结果

4.1 水分活度与干物质含量

水分活度测定结果显示，冻干处理将软糖的水分活度从原料样品的0.679显著降至0.484–0.486，低于0.60的阈值，表明该条件通常可抑制大多数微生物的生长。仅冻干样品与冻干后包衣样品之间无显著差异。干物质含量测定显示所有样品间均存在显著差异：原料样品最低（64.5%），冻干样品为84.2%，冻干包衣样品最高（约90%）。

4.2 凝胶形成溶液的酸度

对成型前明胶溶液酸度的分析显示，pH平均值为4.80 ± 0.05，表明产品具有明显的酸性特征。

4.3 力学性质

质构分析表明，冻干显著改变了软糖的力学性质。原料样品（G_R）的硬度显著低于冻干样品（G_L和G_L_C），而冻干与包衣样品间无显著差异。弹性分析显示原料样品的弹性值显著高于冻干样品，冻干与包衣样品间无显著差异。内聚性分析同样显示原料样品显著高于冻干样品。咀嚼性方面，原料样品显著高于冻干样品，冻干与包衣样品间无显著差异。粘附性在所有样品中均较低且无显著差异。冻干过程显著降低了软糖的弹性，包衣对弹性无显著影响。

4.4 色泽

色泽测定结果显示，原料样品（G_R）的亮度系数L值最低（54.65），冻干处理显著提高至59.62，包衣后降至56.10。红色分量a经冻干和包衣处理后均显著增加。黄色分量b*在原料与冻干样品间无显著差异，但包衣处理使其显著增至2.33。色差参数ΔE分析显示，冻干包衣样品相对于原料样品的色差仅为1.77个单位，属于仅经验丰富的观察者才能察觉的极轻微差异；而未包衣冻干样品的色差为4.88个单位，属于明显可察觉的颜色变化。

4.5 傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析

FTIR光谱反映了软糖中主要化学成分的存在。3600–3000 cm^?1区域的宽吸收带主要对应O–H和N–H伸缩振动，可能来自碳水化合物和多元醇中的羟基以及明胶或胶原中的氨基。3000–2800 cm^?1区域的谱带归属于脂肪族C–H伸缩振动。1632–1635 cm^?1处的谱带主要归属于酰胺I带，由肽键C=O伸缩振动主导；1500–1580 cm^?1区域对应酰胺II带；约1238 cm^?1处的谱带与酰胺III带一致。1200–1000 cm^?1区域的吸收带主要归属于碳水化合物材料的特征振动，约1049 cm^?1处的谱带可能与碳水化合物部分的伸缩振动有关，木糖醇等多元醇也可能在此区域产生贡献。光谱证实了明胶、木糖醇和咖啡因等组分特征官能团的存在。

4.6 热重分析（TGA）

热重分析显示，所有软糖样品的降解均可分为三个阶段。第一阶段（起始至180 °C）对应水分蒸发和低分子量组分的最初水解；第二阶段（180–380 °C）与多糖及其他有机大分子的降解相关；第三阶段（370–600 °C）包括固定碳的形成和材料的最终降解。原料样品（G_R）在第一阶段失重最高（43.18%），冻干样品（G_L）第一阶段失重降至20.29%，冻干包衣样品（G_L_C）为19.91%。冻干处理显著降低了第一阶段的失重，证实了有效脱水提高了样品稳定性。包衣未改变降解机制，但影响了失重值和转变温度。

五、讨论总结与结论翻译

讨论部分指出，冻干有效降低了水分活度并提高干物质含量至80%以上，与常规调理软糖产品特性一致，表明冻干可作为传统调理工艺的替代方案。凝胶体系的pH值（4.80）表明产品呈明显酸性。冻干后硬度增加与水分去除减少增塑效应有关，而弹性、内聚性和咀嚼性的降低与脱水引起的凝胶基质结构变化一致。虫胶包衣在冻干后保持了软糖特有的质构特征，并显著降低了色差变化，改善了产品外观。FTIR证实咖啡因成功嵌入基质而未破坏生物聚合物结构，TGA证实冻干有效脱水提高了样品的热稳定性。

研究结论为：所开发产品融合了功能性成分（咖啡因和胶原蛋白）、无糖配方与现代保藏技术，具有创新性，是市售产品的有吸引力替代品。冻干降低了水分活度并提高了干物质含量；包衣不仅具有保护功能，还改善了最终产品的视觉吸引力。尽管冻干降低了弹性、柔韧性和内聚性等参数，但这些变化与低水分含量产品的特征一致，产品仍属于软糖类别。FTIR分析证实软糖是包含明胶、木糖醇和咖啡因特征官能团的复杂生物聚合物体系；TGA揭示了所有测试软糖的三阶段热降解过程，冻干显著减少了第一阶段的质量损失，确认了有效脱水和稳定性提升。