《Journal of Food Engineering》：Linking water thermodynamics to carotenoid degradation kinetics in coextruded core–shell paprika oleoresin macrocapsules: A comparative analysis of hot-air drying and freeze-drying
编辑推荐：
•冷冻干燥保留了96.5%的包封率；热风干燥保留了74.9%。•未包封的核心物质在第27天时降至4%以下；胶囊在56天时仍保留了色素。•热风干燥呈现单相动力学；冷冻干燥呈现三相动力学。•热风干燥中的最小为?146.5 J mol-1 K-1，冷冻干燥胶囊中为?50.2。•仅在
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冷冻干燥保留了96.5%的包封率；热风干燥保留了74.9%。
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未包封的核心物质在第27天时降至4%以下；胶囊在56天时仍保留了色素。
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热风干燥呈现单相动力学；冷冻干燥呈现三相动力学。
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热风干燥中的最小为?146.5 J mol-1 K-1，冷冻干燥胶囊中为?50.2。
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仅在冷冻干燥后最小值才与最大保留量相匹配； 0.108为最佳值。
引言
核-壳型钙藻酸盐大胶囊是一种基于水凝胶的递送系统，其生物活性核心被一层连续的藻酸盐外壳所包裹，该外壳通过Ca2+介导的离子交联形成。当这些包封系统的直径超过1毫米时，通常被归类为大胶囊（Passannanti等，2024；Phawaphuthanon等，2014）。在可用的包封材料中，钙藻酸盐已成为一种前景广阔且成本效益高的平台，用于结构化和保护敏感活性化合物。
近年来，共挤出核-壳系统引起了越来越多的关注，因为它能够通过同轴喷嘴同时对界定良好的核心相和连续水凝胶外壳进行结构化。该方法已应用于包封各种活性材料，包括咖啡酸、脂质类化合物、精油、益生菌和细胞，支持食品、营养保健品、生物医学、化妆品及其他工业领域的应用（Bamidele和Emmambux，2021；Bennacef等，2022）。
在食品领域，多种包封系统（包括喷雾干燥微胶囊、络合物、乳液和基质型水凝胶珠）可以保护敏感生物活性化合物、提高稳定性并促进控释。然而，核-壳型钙藻酸盐大胶囊因其宏观尺寸和储库型结构而提供了额外的功能性。与传统的微包封粉末或均质基质型颗粒不同，这些大胶囊不仅可以作为保护载体，还可以作为离散的、可见的和口感可感知的食品组分。这一特性对于结构化食品、功能性添加物、分子美食学和感官驱动型应用尤其相关，在这些应用中，外观、口感、咀嚼时的破裂以及脂溶性核心的爆发性释放可能有助于产品差异化提升和消费者体验（Ortiz-Sánchez等，2025）。
辣椒油树脂是Capsicum annuum（辣椒）的脂溶性提取物，作为这些系统的一个相关模型核心具有代表性，因为它结合了技术性、视觉和生物活性功能。由于其高类胡萝卜素含量，它被广泛用作天然色素和抗氧化剂。然而，类胡萝卜素的共轭双键结构使辣椒油树脂极易受到热、氧化和光诱导降解。因此，辣椒油树脂已被频繁用作模型化合物来评估包封和干燥工艺的保护效率（Rascón等，2011，2015）。在此背景下，其在干燥大胶囊中的保留率既可以作为核心稳定性的功能性指标，也可以作为包封基质在加工和储存期间所维持的结构完整性的间接衡量（Flores-Andrade等，2023；Pascual-Pineda等，2014）。
钙藻酸盐胶囊因其能够保持大量水分并通过Ca2+介导的离子交联形成柔性三维网络而被广泛认为是基于水凝胶的包封系统（Bennacef等，2022；M?rch等，2007；Zhang等，2011）。为了增强长期稳定性并允许更详细的理化表征，这些胶囊经常使用冷冻干燥或对流干燥进行脱水（Cui等，2022；Dol?à等，2015；Pascual-Pineda等，2014；Phawaphuthanon等，2014）。这些干燥技术可以在促进干燥胶囊微观结构分析和功能评估的同时，有助于核心的保存（Flores-Andrade等，2023；Ortiz-Sánchez等，2025；Zhou等，2025）。然而，脱水会在胶囊基质中引起结构变化，从而影响其理化稳定性，而这与产品中水的状态密切相关（Azuara和Beristain，2006）。为此，热力学方法被广泛用于评估吸附水的能量和构型相互作用，而这些相互作用直接受到特定干燥方法的影响（Azuara和Beristain，2006；Flores-Andrade等，2018）。先前的比较研究表明，干燥方法可以改变食品系统的热力学和储存特性（Dalg??等，2012；Flores-Andrade等，2019；Giraldo-Gómez等，2011；Pascual-Pineda等，2019）。因此，干燥应被视为不仅是一个脱水步骤，而且是一个能够改变这些系统中外壳结构、水-基质相互作用和降解途径的结构工程变量。
在食品系统中，含水量与水活度之间的关系通常使用BET、GAB、Oswin和Condon方程等数学模型来描述（Amorim等，2021；Choque-Quispe等，2022）。这些模型允许确定临界参数（如单分子层含水量），并有助于阐明与水吸附相关的热力学变化（Dalg??等，2012；de Azevedo和Nore?a，2024）。焓变（ΔH）提供了水分子吸附过程中所涉及能量的信息，而熵变（ΔS）则与吸附在材料表面的水的构型排列有关（de Azevedo和Nore?a，2024；Rodríguez-Bernal等，2015）。这些热力学函数已被证明是确定脱水食品最佳储存条件的有力工具（Pascual-Pineda等，2019，2021）。然而，关于将这些热力学方法应用于共挤出核-壳型钙藻酸盐大胶囊的信息仍然匮乏（Flores-Andrade等，2023；Viveros-Contreras等，2013）。
鉴于这一研究空白，本研究以负载辣椒油树脂的共挤出钙藻酸盐大胶囊作为储库型模型，将干燥引起的外壳变化与水吸附热力学及类胡萝卜素稳定性联系起来。这一框架对于设计用于结构化食品中敏感脂溶性成分的宏观递送系统以及天然色素的稳定化具有重要意义。因此，本研究比较了冷冻干燥和热风干燥两种脱水方法，考察每种工艺如何改变外壳形态、物理性质、水分吸附行为和类胡萝卜素稳定性。具体目标为：(i) 评估干燥方法对辣椒油树脂大胶囊微观结构、物理、色差和类胡萝卜素保留特性的影响；(ii) 使用经验性和理论性吸附模型表征水分吸附行为，并确定相关的热力学性质；(iii) 通过积分熵和焓-熵补偿分析阐明吸附机制；(iv) 评估热力学描述符（特别是最小积分熵ΔSint）与不同水活度条件下储存期间类胡萝卜素降解动力学之间的关系。通过将外壳微观结构、水热力学和类胡萝卜素稳定性联系起来，本工作为定义有利于干燥核-壳大胶囊保存的储存条件提供了机制基础。
各章节摘录
材料
辣椒油树脂（总类胡萝卜素含量为89 ± 3 mg g-1）购自Oleoespecias（墨西哥哈利斯科州瓜达拉哈拉市）。食品级海藻酸钠购自Diquitra（墨西哥），氯化钙（纯度≥99%）购自Sigma-Aldrich（墨西哥）。丙酮和水（分析纯）购自Abaquisur（墨西哥韦拉克鲁斯州里奥布兰科市）。菜籽油（Canoil?，100%菜油，食品级）购自当地超市（墨西哥）。
核-壳型钙藻酸盐大胶囊的制备
核-壳型钙藻酸盐大胶囊
形态表征与理化性质
图2展示了共挤出所得辣椒油树脂大胶囊的形态演变及其干燥后的结构变化。新鲜胶囊由核心相和外壳相通过同轴喷嘴同时挤出至CaCl2凝固浴中形成（图2a），其中瞬时离子交联产生了具有明确核-壳结构的球形水凝胶胶囊（Zhao等，2020）（图2b），其直径较大（3.41 ± 0.25 mm），且具有高
结论
结果表明，共挤出钙藻酸盐核-壳大胶囊中辣椒油树脂的稳定性不能仅用水热力学来解释，而与干燥引起的外壳结构差异有关。冷冻干燥更好地保留了初始类胡萝卜素负载量、色差特性和包封率，但产生了坍塌和开裂的外壳，导致储存期间出现三相降解。热风干燥造成了较大的加工损失，且
CRediT作者贡献声明
Enrique Flores-Andrade：撰写-审阅与编辑，撰写-原始稿件，可视化，验证，监督，项目管理，方法学，形式化分析，数据整理，概念化。Ubaldo Richard Marin Castro：撰写-审阅与编辑，方法学，调查，数据整理。Etna Oropeza de la Rosa：撰写-审阅与编辑，方法学，调查，数据整理。Marisol Castillo Morales：撰写-审阅与编辑，监督，方法学，数据整理，
利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文所报道的工作。
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在准备本工作期间，作者使用了ChatGPT-5.5 Thinking（OpenAI，2026年5月版本）来提高稿件的清晰度、可读性和语言质量。在使用该工具后，作者对内容进行了批判性审阅、编辑和验证，以确保准确性和完整性。作者对已发表文章的内容承担全部责任。
资助
本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何特定资助机构的资助。
利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文所报道的工作。
Karina Huerta Vera|Alicia Merino González|Ricardo Salazar|Luz Alicia Pascual-Pineda|Martha Paola Rascón-Díaz|Marisol Castillo Morales|Etna Oropeza de la Rosa|Ubaldo Richard Marin Castro|Enrique Flores-Andrade
