振荡磁场辅助的超冷却技术能够在奶油奶酪储存于零下温度的环境中保持其微观结构及粘弹性

《International Dairy Journal》：Oscillating magnetic field-assisted supercooling preserves the microstructure and viscoelasticity of cream cheese during subzero storage

奶油奶酪在冷藏、冷冻及OMF辅助过冷条件下的显微结构及流变特性研究。采用CLSM和SAOS/LAOS分析显示，OMF处理(-5°C)有效抑制冰晶形成，保持蛋白-脂质凝胶网络完整，其流变特性与冷藏样品接近，而冷冻样品(-18°C)出现显著结构破坏和力学强度下降。

　　

作者：So Heejin | Jun Soojin | Ibanez Danica | Wang Yu | Du Zhi-Yan | Yang Zhi

美国夏威夷大学马诺阿分校人类营养、食品与动物科学系，檀香山，HI 96822

摘要：

奶油奶酪是一种高水分的蛋白质-脂质乳液凝胶，在储存过程中容易发生质量恶化。冷藏可以保持产品质量，但保质期有限；而冷冻虽然能延长保质期，但常常会导致冰晶形成，进而引起脂肪聚集、蛋白质网络破坏和质地变差。过冷技术可以在不形成冰晶的情况下将温度维持在冰点以下；然而，其实际应用受到自发冰核形成的限制。本研究评估了利用振荡磁场（OMF）辅助过冷技术作为在零下温度下保护商业奶油奶酪物理和结构质量的替代方法。样品分别在4°C（冷藏）、-18°C（冷冻）和-5°C（OMF辅助过冷）条件下储存15天。通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察微观结构变化，并在4°C和40°C下使用小振幅振荡剪切（SAOS）和大振幅振荡剪切（LAOS）测量方法研究流变特性，以探究线性和非线性流变行为。结果表明，OMF处理成功地在整个储存过程中保持了稳定的过冷状态，且未检测到冰核形成。在OMF辅助过冷条件下储存的奶油奶酪表现出与冷藏样品相似的微观结构完整性和粘弹性特性，而冷冻样品则出现了明显的孔隙形成、脂肪聚集以及机械强度下降，尤其是在40°C时。这些结果表明，OMF辅助过冷技术能有效保持奶油奶酪在零下温度下的微观结构和粘弹性特性，为高水分乳制品的系统提供了一种可行的物理保存策略，但仍需进一步进行微生物学验证以确定其工业应用潜力。

引言

奶油奶酪是一种广泛消费的乳制品，其特性是由酸凝固的蛋白质和分散的乳脂颗粒形成的乳液凝胶网络（Bot等人，2007年；Ong等人，2018年）。这种微观结构赋予了奶油奶酪柔软、可涂抹的质地，深受消费者喜爱；然而，这也使其在储存过程中特别容易发生质量恶化。开罐后，奶油奶酪通常需要冷藏保存，但其保质期受到物理化学不稳定、微生物生长和质地逐渐变差的影响（Brighenti等人，2018年；Perveen等人，2013年）。因此，如何在储存过程中保持奶油奶酪的结构和质地完整性对制造商和消费者来说都是一个重要挑战。

冷冻常用于通过抑制微生物活动和减缓生化反应来延长易腐食品的保质期（Alvarenga等人，2013年）。然而，对于像奶油奶酪这样的柔软、类似凝胶的乳制品来说，冷冻常常会导致不希望出现的质量变化。长期在-18°C下储存已被证明会对奶油奶酪和马斯卡彭奶酪的质地和功能产生负面影响。具体来说，冷冻后的奶油奶酪会出现颗粒状质地，而冷冻后的马斯卡彭奶酪会出现裂纹并变得脆弱（Jiménez-Maroto等人，2026年）。其他新鲜奶酪也观察到了类似的质量恶化现象。例如，各种冷冻方法（包括步入式冷冻、快速冷冻和液氮冷冻）都会在随后于4°C下储存14天后损害山羊奶酪的质地特性。这些效应主要是由于蛋白质脱水以及形成更硬、更干燥的结构并产生裂纹（Wang等人，2023年）。这些质量损失主要归因于冷冻过程中的冰晶形成，冰晶会破坏蛋白质网络，导致脂肪不稳定，促进酪蛋白基质的脱水，并在微观结构中产生空隙，最终导致质地恶化（Graiver等人，2004年）。Alinovi等人（2020年）的研究表明，将奶油奶酪在-20°C下冷冻7天后再在4°C下解冻，会导致商业奶油奶酪产品中出现大的水团和明显的微观结构不稳定。同样，Conte等人（2017年）的研究表明，无论是传统冷冻（-18°C）还是快速冷冻（-50°C），随后在4°C下解冻，都会在长达60天的冷冻储存后引起fiordilatte奶酪的显著微观和宏观结构变化，包括孔隙体积减小、孔隙隔离增加和孔隙形状改变。这些发现凸显了冷冻作为保持奶油奶酪结构完整性和质量特性的保存策略的固有局限性。

过冷技术作为一种有前景的保存方法，可以在不形成冰晶的情况下将食品温度维持在冰点以下，从而避免冷冻通常造成的结构损伤（Kang等人，2020年）。通过抑制冰晶形成，过冷技术有望比传统冷藏和冷冻更好地保持食品的微观结构和质量。然而，过冷状态本质上是亚稳态的，温度波动、机械干扰或异质核形成点都可能引发自发冰核形成，这限制了其在复杂食品系统中的实际应用（Lin等人，2024年）。振荡磁场（OMF）作为一种非侵入性方法，越来越受到关注，可用于抑制冰核形成。尽管OMF的机制仍有争议，但先前的研究表明，OMF可能通过偶极相互作用和调节氢键网络来影响水分子的动力学，从而影响冷冻和过冷行为（Aleksandrov等人，2000年；Panayampadan等人，2022年；Woo & Mujumdar，2010年）。最近，已有研究在基于凝胶和乳液的系统中展示了OMF辅助过冷技术的应用，如豌豆蛋白-菜籽油/蜂蜡乳液凝胶（So等人，2025年）、可可脂固体脂质纳米粒子分散体系（So等人，2025年）和琼脂凝胶（Kang等人，2019年）。然而，其对商业凝胶基乳制品（如奶油奶酪）的结构和流变特性的影响仍大多未被探索，系统性的表征工作尚待开展。

流变分析是表征奶油奶酪在变形条件下机械行为的基本工具（Brighenti等人，2018年；Kim等人，2022a；Ong等人，2018年；Wang等人，2024年）。小振幅振荡剪切（SAOS）测量可以提供关于线性粘弹性特性和凝胶强度的定量信息，反映蛋白质-脂肪网络在小变形下的完整性。相比之下，大振幅振荡剪切（LAOS）分析可以捕捉到大变形下的非线性粘弹性响应，这些变形与食品加工、涂抹和咀嚼过程相关（Melito等人，2013年；Pi?eiro-Lago等人，2023年；Wang等人，2024年）。例如，Digvijay等人（2025年）使用SAOS和LAOS研究了Gouda奶酪在冷冻过程中的粘弹性变化，而Dahl等人（2024年）利用这些技术研究了披萨奶酪在加工和储存过程中的结构差异。此外，在不同温度下进行的流变测量可以进一步了解奶油奶酪基质的热敏感性。在4°C下的测量代表了典型的冷藏储存条件，此时脂肪保持结晶状态，对网络刚性有贡献；而在较高温度（约40°C）下的测量则模拟了消费条件，此时脂肪熔化和蛋白质网络软化会放大储存条件引起的结构差异。流变测量通常与微观结构表征（如共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）结合使用，以全面理解奶酪的结构-功能关系（Guinee等人，2000年；Madadlou等人，2005年）。

因此，本研究旨在探讨冷藏、冷冻和OMF辅助过冷储存对商业奶油奶酪的微观结构和流变特性的影响。使用CLSM观察微观结构特征，同时使用SAOS和LAOS在典型储存温度（4°C）和消费相关温度（40°C）下测量流变行为。研究假设OMF辅助过冷技术可以抑制冰核形成，从而保持蛋白质-脂肪乳液凝胶网络的连续性，使微观结构和粘弹性特性与冷藏样品相当。相比之下，冷冻则可能导致冰晶形成，进而引起结构破坏，导致微观结构异质性增加以及线性和非线性流变响应减弱，特别是在大变形和较高温度（40°C）下。鉴于乳液网络的物理稳定性是乳制品质量的主要决定因素，本研究特别关注储存过程中的流变和微观结构方面。虽然全面的微生物学验证对于评估其工业应用潜力是不可或缺的，但本研究为未来评估OMF辅助过冷的微生物安全性和保质期性能奠定了基础。

材料

从美国夏威夷檀香山的本地杂货店购买了两批相同的商业奶油奶酪产品。使用的是全脂原味奶油奶酪（Philadelphia Original Cream Cheese，8盎司；Kraft Heinz，伊利诺伊州芝加哥），根据制造商的营养信息，每份含有10克脂肪、2克蛋白质和少于1克碳水化合物。为确保产品新鲜度，仅选择了距离过期日期至少还有两个月的产品。

OMF处理对奶油奶酪过冷稳定性的影响

由于奶油奶酪的高水分含量和易受物理化学变化的影响，其在常规冷藏储存下的保质期相对较短，通常在一到两周内质量就会下降（Aslan等人，2024年）。因此，选择了15天的储存期来监测不同储存条件下奶油奶酪的时间依赖性稳定性。奶油奶酪样品的时间-温度曲线如图2所示。

结论

本研究系统评估了冷藏、冷冻和OMF辅助过冷储存对商业奶油奶酪的微观结构和流变特性的影响。OMF辅助过冷技术成功地在-5°C下将奶油奶酪保持在稳定的过冷状态长达15天，且未出现冰核形成；而传统冷冻则导致了冰晶形成。共聚焦显微镜观察显示，过冷样品保持了完整的蛋白质-脂质网络，几乎没有孔隙形成。

CRediT作者贡献声明

Zhi-Yan Du：资源准备、方法学设计。Zhi Yang：写作 - 审稿与编辑、验证、监督、资源管理、方法学设计、研究实施、资金筹集、数据分析、概念化。Heejin So：写作 - 初稿撰写、可视化、方法学设计、研究实施、数据分析。Soojin Jun：写作 - 审稿与编辑、验证、监督、资金筹集。Danica Ibanez：研究实施、数据分析。Yu Wang：

未引用参考文献

Ewoldt等人，2008年；Joyner等人，2018年；So等人，2025年。

利益冲突声明

作者声明与本文无关的任何利益冲突。

致谢

作者Zhi Yang感谢美国夏威夷大学马诺阿分校的启动基金和夏威夷社区基金会（MedRes_2025_00010071）对这项工作的部分资助。作者Heejin So和Soojin Jun感谢美国农业部国家食品与农业研究所（项目编号2024–67017–42805）的财政支持。Danica Ibanez感谢CTAHR（热带农业与人类韧性学院）的夏季研究资助。