《Talanta》：Terahertz spectral characterization and quantitative analysis of sugar substitutes in a chocolate matrix
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摘要代糖产品越来越多地用于食品中，以减少热量含量并减轻血糖影响。然而，用于其鉴定和表征的可靠分析方法仍然有限，特别是在复杂的食品基质中。在本研究中，太赫兹时域光谱 (THz-TDS) 被用于表征十种代表性甜味剂——安赛蜜、阿斯巴甜、D-麦芽糖醇、D-山梨糖醇、D-木糖、甘露醇
摘要
代糖产品越来越多地用于食品中，以减少热量含量并减轻血糖影响。然而，用于其鉴定和表征的可靠分析方法仍然有限，特别是在复杂的食品基质中。在本研究中，太赫兹时域光谱 (THz-TDS) 被用于表征十种代表性甜味剂——安赛蜜、阿斯巴甜、D-麦芽糖醇、D-山梨糖醇、D-木糖、甘露醇、糖精、三氯蔗糖、甜菊糖苷和木糖醇——频率范围为 0.5-2.5 THz。大多数化合物表现出独特的吸收特征，提供了化合物特异性的光谱指纹。基于独立报告的血糖指数 (GI) 值，甜味剂被进一步组织成 GI=0 和 GI>0 组，以便对其 THz 光谱特征进行探索性比较。为了评估在复杂食品基质中的适用性，三氯蔗糖、甜菊糖苷和甘露醇以 5-25 重量百分比的浓度掺入无糖黑巧克力中。吸收系数的浓度依赖性变化与每种甜味剂和巧克力基质之间的折射率差异密切相关，在选定频率下的决定系数范围约为 0.94 至 0.99。这些结果证明了 THz-TDS 作为无损、无标记技术用于表征和定量加工食品中代糖的潜力。这种方法为食品质量控制和成分评估提供了一种有前景的分析工具。
引言
糖是人体易得的能量来源，并作为多功能甜味剂，不仅贡献甜味，还为各种食品和饮料提供质地、风味和结构完整性 [1]。随着其广泛使用，一种以甜味为导向的饮食文化应运而生，确立了糖作为现代饮食核心成分的地位 [2]。然而，过量摄入糖与能量摄入增加有关，并与肥胖和代谢紊乱等健康问题密切相关 [3], [4]。特别是，高糖摄入通过体重增加和胰岛素抵抗增加了患 2 型糖尿病的风险 [5]。
为了解决这些问题，开发了各种代糖，现已被广泛应用于食品行业。这些包括人工甜味剂（例如，安赛蜜钾、阿斯巴甜、糖精、三氯蔗糖）、糖醇或多元醇（例如，甘露醇、麦芽糖醇、木糖醇）以及天然高强度甜味剂如甜菊糖苷 [6], [7]。虽然这些替代品与蔗糖相比具有较低热量含量和较低血糖反应等益处，但有报道称过量摄入会导致胃肠道不适并改变代谢功能 [8], [9]。一些甜味剂也可能影响血糖和胰岛素水平，引发对其与 2 型糖尿病潜在联系的担忧 [10], [11]。因此，基于其物理化学和代谢特征对代糖进行系统分类和仔细选择，对于其在食品系统中的有效应用至关重要 [12]。
尽管色谱和化学分析法是食品成分分析的传统工具，但诸如 FT-IR 和近红外 (NIR) 光谱等光谱技术作为快速且无损的替代方案引起了兴趣。然而，这些技术主要对分子内振动模式敏感，这可能限制它们区分结构相似糖的能力，特别是在复杂基质中。相比之下，THz-TDS 探测低频分子动力学，包括分子间振动、集体分子运动、晶格声子和其他低能激发，提供了常规振动光谱不易获得的互补信息。此外，THz 辐射可以穿透各种非导电材料，同时保持低光子能量、最小的材料损伤和非电离特性。这些优势导致其在从食品分析到半导体检测等各种领域的应用不断增加 [13], [14], [15], [16], [17], [18]。
除了食品分析外，THz 光谱在材料科学和工程中也找到了广泛的应用，包括材料表征 [19], [20]、无损评估 [21], [22] 和基于先进超表面的 THz 传感技术 [23], [24]。这些发展突显了 THz 光谱作为针对多样化材料系统的无损分析平台的通用性和稳健性。
在本研究中，十种代糖被制成压片形式，并使用太赫兹时域光谱 (THz-TDS) 进行分析。从测量的时域信号中提取了折射率和吸收系数数据，并在根据文献报告的血糖指数 (GI) 值分组的甜味剂之间进行了比较。结果证明，THz 光谱参数可以反映代糖之间的成分差异，并表明开发用于食品原料表征的光谱数据库的可行性。此外，为了评估该方法在复杂食品系统中的适用性，对含有选定甜味剂的巧克力配方进行了 THz 测量。这使得能够评估甜味剂浓度如何影响加工食品基质中的 THz 光谱特征。总体而言，研究结果突显了 THz 光谱作为食品产品中代糖鉴别的补充分析工具的潜力。
片段
样品制备
选择十种代糖粉末——安赛蜜、阿斯巴甜、D-麦芽糖醇、D-山梨糖醇、D-木糖、甘露醇、糖精、三氯蔗糖、甜菊糖苷和木糖醇——代表天然甜味剂、人工甜味剂和糖醇（图 1）。初步粉末的平均粒径范围约为 66 至 154 , 这是通过基于分割一切模型 (SAM) 的扫描电子显微镜 (SEM) 图像分析确定的。每种粉末使用热压压缩成压片
结果与讨论
图 2 (a–c) 展示了代糖样品的 THz 时域波形。黑色虚线表示通过自由空间传输的参考脉冲，而彩色实线对应于通过压片样品传输的脉冲。相对于参考信号，传输脉冲表现出时间延迟和幅度衰减，反映了代糖之间折射率和吸收行为的差异。基于它们的化学
结论
在本研究中，使用 THz-TDS 提取了十种代糖样品的光学常数。在 0.5–2.5 THz 范围内观察到的独特吸收特征为每种甜味剂提供了特征光谱指纹，使化合物之间能够清晰区分。重要的是，结果证明代糖可以根据其 GI 进行区分，揭示了 GI = 0 和 GI > 0 组之间的系统性光谱差异。这些发现表明分子和
CRediT 作者贡献声明
Geunchang Choi: 写作 - 审阅和编辑，验证，监督，项目管理，方法论，概念化。 Woo June Choi: 写作 - 审阅和编辑，监督，方法论。 Xu Wu: 写作 - 审阅和编辑，验证，监督。 Eunse Lee: 写作 - 审阅和编辑，写作 - 初稿，调查，形式分析，数据整理。 Junho Ryeom: 写作 - 审阅和编辑，写作 - 初稿，调查，形式分析，数据整理
未引用参考文献
[32], [33], [34], [35]。
竞争利益声明
? 作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为影响了本论文报告的工作。
致谢
这项工作得到了 韩国国家研究基金会 (NRF) 资助（由 韩国 政府 (MSIT) 资助）(RS-2026-25497214, RS-2020-NR049537) 和 韩国基础科学研究所（国家研究设施和设备中心）资助（由 韩国 政府 (MSIT) 资助）(RS-2025-00622993)。这项工作也得到了信息与通信技术规划评估研究所 (IITP)-ITRC（信息技术研究中心）资助（由
Junho Ryeom|Eunse Lee|Xu Wu|Woo June Choi|Geunchang Choi
韩国首尔中央大学电气与电子工程学院，邮编 06974
