牛奶，这种营养丰富的“白色血液”，其天生的短暂保鲜期一直是乳业可持续发展道路上的巨大挑战。为了应对这个难题，工业上普遍采用喷雾干燥法将液态奶制成奶粉，这虽然有效延长了保质期，却也付出了代价：高温会破坏热敏性的营养成分，而冲调后的产品还容易出现相分离，影响了其在后续加工中的应用潜力。近年来，冷冻技术作为一种极具前景的替代保鲜策略崭露头角，它通过低温抑制微生物和酶活性，能更好地保留牛奶的天然营养和感官品质。然而，这项技术的实际应用面临着一个核心障碍：冷冻过程中形成的冰晶的大小和形态，会严重破坏乳制品的微观结构。
这个问题在浓缩乳制品上尤为突出。与普通液态奶相比，全脂浓缩乳（Whole Milk Concentrate, WMC）具有更高的总固体含量和粘度，这使得其最大冰晶形成区的温度范围更宽，冰晶生长带来的破坏性也更强。而工业冷冻实践恰恰缺乏一种能够主动、精确地调控冰晶形成关键阶段——即“冷冻平台期”——的系统方法。正是在这个背景下，由内蒙古蒙牛乳业（集团）股份有限公司的研究人员开展的本项研究，旨在填补这一知识空白，探索如何通过优化冷冻过程，实现WMC长达24个月的高品质贮藏。
研究人员主要运用了几项关键技术来开展这项系统性研究。首先，他们通过反渗透（RO）技术，在40 bar压力下将已巴氏杀菌的全脂奶浓缩至总固形物含量为40% ± 0.5%，制备了实验用的WMC样本。其次，研究核心在于对冷冻过程的精确控制与监测，他们在可调温的商业冷库中设置了不同的环境温度（-30°C, -50°C, -80°C）和初始样品温度（0°C, -2.5°C），并使用插入样品内部和监测环境的多点探针温度计记录核心温度曲线，以此分析冷冻平台期的持续时间。再者，为了直观评估冰晶形态，研究采用了冷冻扫描电子显微镜（Cryo-SEM）技术，对经过不同条件处理的WMC样本进行观察，对比冰晶尺寸差异。最后，为了评估长期贮藏稳定性，他们将样品分别置于-18°C和4°C下储存长达24个月，并定期由经认证的第三方实验室依据AOAC官方方法，对包括pH值、酸度、蛋白质、脂肪、微生物总数、嗜冷菌等在内的多项理化和微生物指标进行跟踪检测。
研究结果部分揭示了冷冻参数对WMC品质的关键影响：
3.1. 全脂浓缩乳冷却曲线
研究首先描绘了WMC的典型冷冻曲线，明确了三个关键阶段：初始降温、平台期（相变）和继续降温。曲线中识别出三个关键点：A点（约-2.3°C）为冰结晶温度，伴随短暂温升；B点为平台期起点（冷冻速率为0）；C点为冻结终点。平台期是整个过程耗时最长的阶段，也是决定冷冻效率和最终产品质量的核心。
3.2. 环境温度对核心温度曲线和平台期持续时间的影响
通过比较不同低温室温度（-30°C, -50°C）下的冷冻过程，研究发现降低环境温度能显著缩短冷冻时间。当室温室从-30°C降至-50°C时，达到-6°C核心温度的时间缩短了约23%，同时平台期持续时间从480分钟大幅减少至260分钟，缩短了约45%。这表明更强的冷却强度能有效加快度过最大冰晶形成区。
3.3. 低初始温度
研究创新性地尝试将WMC的初始温度预冷至其冰点以下的-2.5°C（过冷状态）再进入冷冻室。结果显示，这种方法成功跳过了代表初始成核的A点，冷冻过程直接从平台期开始。在相同环境温度下，与从0°C开始冷冻相比，从-2.5°C开始将到达-6°C核心温度的时间进一步缩短了约27%，显著提升了冷冻效率。
3.4. 超快速冷冻条件评估
在极端条件（-2.5°C初始温度，-80°C环境温度）下，WMC在约300分钟内就达到了-6°C核心温度，相比-40°C环境条件时间缩短了62.5%。更重要的是，冷冻曲线显示平台期几乎被消除，冷冻速率呈线性增加，达到了理论上的最优冷冻效率，尽管其能耗过高目前不适用于工业规模。
3.5. 低温形态学
Cryo-SEM图像为“缩短平台期以减少冰晶尺寸”的假设提供了直接证据。图片清晰显示，经历480分钟长平台期的样品形成了明显的大冰晶，而260分钟短平台期样品的冰晶则小得多。在-80°C极端快速冷冻的样品中，甚至观察不到明显的冰晶结构，取而代之的是一种层状结构，这有望最大程度地减少对蛋白质等微观结构的机械损伤。
3.6. 储存
长期的贮藏实验给出了令人振奋的结论。在-18°C下储存24个月的WMC，其所有监测的理化参数（如pH、酸度、蛋白质、脂肪、钙、总固形物等）均保持整体稳定，没有发生显著劣变。微生物指标同样表现优异：24个月时，总菌落总数（TPC）仍低于100 CFU/g，嗜冷菌始终低于100 CFU/g，大肠菌群、霉菌和酵母菌均未检出。与之形成鲜明对比的是，在4°C下储存的WMC样品，仅1.5个月后总菌落数就超过了4,000,000 CFU/g，酸度显著上升，并出现了可见的乳清分离和包装鼓胀，在2个月时已完全腐败。
结论与讨论部分对本研究的意义进行了总结和展望。本研究确证，通过协同控制初始产品温度和冷冻环境温度来针对性地缩短冷冻平台期，能有效减小冰晶尺寸，从而显著提升冷冻全脂浓缩乳的长期贮藏品质和货架期。其核心贡献在于提出并验证了一套以“平台期”为靶点的加工策略：即通过降低冷冻室温度（如从-30°C到-50°C）和将产品预冷至过冷状态（-2.5°C）再冷冻，来主动管理最大冰晶形成区的动力学过程。Cryo-SEM结果直接印证了快速冷冻形成小冰晶或层状结构的优势。最重要的是，贮藏实验雄辩地证明，应用此优化策略处理的WMC，在常规工业冷冻储存温度-18°C下，可以实现至少24个月的微生物和理化性质稳定，这为乳制品行业提供了一种可替代传统热加工、用于长期保藏的高品质方案。
研究也指出了当前方案的局限性，主要是实现近乎消除平台期的超快速冷冻（-80°C）能耗过高，目前难以大规模工业应用。此外，本研究使用的是固定固形物含量（40%）的WMC，未来研究需要将此种冷冻控制策略拓展至不同成分（如不同固形物和脂肪含量）的浓缩乳体系，以形成更具普适性的工业指南。未来的研究方向应聚焦于开发更节能的快速冷冻技术，以及评估优化冷冻条件对WMC复原后的功能特性及其在具体产品（如冰淇淋、奶昔）中应用表现的影响，从而进一步验证该方案对整个乳制品产业链的实用价值。这篇论文已发表在食品科学领域知名期刊《LWT》（Lebensmittel-Wissenschaft und-Technologie / Food Science and Technology）上。
