低脂奶酪微观结构与流变特性的调控：乳化凝胶配方、相态与凝固机理的综合影响

《Food Hydrocolloids》：Modulating the microstructure and rheological properties of low-fat cheese: Combined effects of emulsion gel formulation, phase state, and coagulation mechanism

　　

摘要

本研究提出了一种创新的脂肪替代策略，通过系统阐明负载DHA/ARA微囊的结构化乳状凝胶在低脂奶酪中的应用机制，重点关注乳状液配方、相态和不同凝结动力学的共同贡献。结果表明，当油相质量分数达到40 wt%时，疏水性乳化剂驱动系统从油包水（O/W）发生灾难性相转变为水包油（W/O），W/O乳状凝胶在大变形下表现出明显的应变硬化行为和优异的摩擦润滑性能。将乳状凝胶掺入奶酪基质后，O/W乳状凝胶由于其亲水性连续相与酪蛋白网络表现出优异的相容性。相比之下，W/O乳状凝胶在奶酪乳中重建为复杂的水包油包水（W/O/W）双重乳液，形成多区室化物理屏障，实现了活性成分的保护。低场核磁共振和质子密度磁共振成像进一步表明，发酵/凝乳酶诱导的凝结形成了连续、高度有序的蛋白质基质，促进了更高的结合水比例（T₂₁）。重要的是，大振幅振荡剪切分析（LAOS）揭示脂质域在酪蛋白晶格中作为活性填料发挥作用，通过循环内应变硬化耗散机械能以增强韧性和弹性，同时消除了质地缺陷。这些发现为通过调节乳状凝胶类型和凝结过程来定制和优化功能性奶酪的微结构和质地特性提供了重要的理论基础。

引言

奶酪是一种营养丰富、风味美味且用途广泛的发酵乳制品，含有3-40%的蛋白质和4-48%的脂肪，具体含量取决于其类型和制造工艺（Feng等，2025）。然而，过量食用高脂肪食物（特别是富含饱和脂肪酸和反式脂肪酸的食物）与慢性病风险升高有关，包括糖尿病、肥胖、高血压和冠心病（Cui等，2022；Q. Wang等，2024）。出于健康动机减少脂肪摄入的驱动，消费者越来越寻求更健康的替代品，这一趋势推动了低脂奶酪产品的发展（Mao & Meng，2024）。

不幸的是，直接减少脂肪会显著损害奶酪产品的质地。在奶酪基质中，脂肪球作为颗粒填料嵌入连续的蛋白质相中。这些脂质包含物表现为小球状液滴和不规则聚集体，局部破坏蛋白质网络，直接影响产品的润滑性和熔化特性（Tian等，2025）。随着脂肪含量的减少，酪蛋白浓度的相对增加改变了蛋白质-蛋白质相互作用，导致更致密的蛋白质网络。因此，最终产品的硬度、弹性、咀嚼性和颗粒感显著增加，这不利于消费者的接受度（Limit等，2024）。

为了缓解低脂奶酪的质量缺陷，利用脂肪替代物模拟天然乳脂的功能特性受到了越来越多的关注。乳状凝胶被表征为软固体类似材料，代表了一种新型结构化两相系统，结合了乳状液和凝胶的特性。其半固体网络可以有效固定油滴，从而抑制相分离并提供更接近富含脂肪奶酪基质的机械特性。与单相水凝胶或油凝胶相比，乳状凝胶提供了更广泛的应用场景，包括同时替代脂肪和递送生物活性化合物（Farjami & Madadlou，2019）。特别是，将微包封的二十二碳六烯酸（DHA）和花生四烯酸（ARA）纳入乳状凝胶中，不仅可以模拟乳脂的口感和结构功能，还可以增强低脂奶酪的营养特性，赋予其具有健康促进作用的长链多不饱和脂肪酸。微胶囊外壳进一步保护这些不稳定油脂免受氧化和 unwanted 相互作用的影响，为功能性低脂奶酪设计提供了稳健的策略。

此外，奶酪的最终质量在很大程度上取决于凝结过程中酪蛋白网络的构建机制（F. Wang等，2024）。凝固主要通过两种方法实现：酸凝固和凝乳酶诱导的凝固。酸凝固通常使用柠檬酸、乳酸或乙酸等弱酸。该过程中pH值的降低中和了酪蛋白胶束的表面电荷，导致其在等电点附近聚集（Rathod等，2022）。相反，凝乳酶通过切割胶束表面κ-酪蛋白的N端区域诱导凝固。这种水解导致胶束失去空间位阻稳定作用，在钙离子存在下引发交联（F. Wang等，2023）。因此，乳状凝胶与周围蛋白质基质之间的相互作用在酸凝固和凝乳酶凝固奶酪中可能存在显著差异。尽管乳状凝胶作为脂肪替代物显示出相当大的潜力，但系统性阐明具有不同界面特性的乳状凝胶（例如O/W型与W/O型）在这两种根本不同的凝结系统中的行为比较研究仍然缺乏。

因此，本研究旨在开发和表征设计为功能性脂肪替代物的负载DHA/ARA乳状凝胶，并在柠檬酸诱导凝固和发酵菌种结合凝乳酶凝固的低脂奶酪系统中对其性能进行集中比较。通过分析微结构、流变特性、质地和持水能力，对乳状凝胶配方/组成和凝结机制对奶酪性质的综合影响进行了比较评估。预计研究结果将为设计具有定制化和感官概况的功能性低脂奶酪提供坚实的理论基础和技术支持。

章节片段

材料

DHA和ARA藻油粉由青岛海之源生命科学有限公司（中国青岛）慷慨提供。椰子油（SMP，25.0°C）、乳木果油（SMP，10.6°C）和棕榈硬脂（SMP，48.7°C）由益海嘉里有限公司（中国上海）惠赠。聚甘油蓖麻醇酸酯（PGPR）和脂肪酸单甘油酯和双甘油酯从大工业（中国）有限公司购买。大豆卵磷脂（PC≥90%）从上海源野生物科技有限公司（中国上海）购买。

乳状凝胶中的灾难性相转变

乳状凝胶由含有椰子油、乳木果油和棕榈硬脂的油相以及包含角叉菜胶、黄原胶和DHA/ARA微囊粉的水相组成。如图1a所示，展示了不同油相质量分数（20 wt%至70 wt%）制备的新鲜乳状凝胶的光学微观结构。在低油相浓度下，分散相表现出相对较大的粒径和不均匀分布，包含...

结论

本研究系统阐明了乳状凝胶的相转变行为及其作为脂肪替代物调节功能性低脂奶酪微结构和理化性质的调控机制。在油相质量分数低于40 wt%时，乳状凝胶表现出典型的水包油结构，以水多糖网络为主。在油相质量分数达到或超过40 wt%时，疏水性乳化剂驱动灾难性相转变为水包油结构，其致密的脂肪晶体...

CRediT作者贡献声明

宗蒙：撰写 – 审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。茅继宪：撰写 – 原稿、软件、方法论、调查、资金获取、形式分析、数据整理。

注释

作者声明无竞争性经济利益。

利益冲突声明

作者声明无竞争性经济利益。

致谢

本研究得到国家关键研究与开发计划-政府间国际科技创新合作专项（2025YFE0106000）、中国国家关键研究与开发计划（2025YFF1107702）、江苏省研究生研究与实践创新计划（KYCX24_2623）以及江南大学国家食品科学技术重点实验室开放项目（编号：SKLF-KF-202305）的资助。

茅继宪|宗蒙

食品科学与资源国家重点实验室，食品科学与技术学院，江南大学，江苏省无锡市蠡湖大道1800号，邮编214122，中华人民共和国