《食品科学》：中国农业科学院佟立涛教授等：脉冲磁场提升速冻米制品品质的机理：基于淀粉凝胶结构调控与冻融稳定性的研究

以鲜湿米粉为代表的鲜湿大米食品，是亚洲饮食文化中的重要组成部分，并凭借其独特的风味与口感日益受到全球市场的青睐。这类食品通常具有较高的水分活度和丰富的营养成分，这使其在常温下极易成为微生物生长的温床，导致货架期短暂。为延长其保质期、扩大销售半径，低温速冻贮藏技术已成为产业中的关键解决方案。通过快速降低产品温度，能有效抑制微生物活动与生化反应，从而在较长时间内维持食品的感官与安全品质。然而，冷冻贮藏并非完美无缺，其本身会引入一系列物理化学变化，尤其是对以淀粉三维网络凝胶为质构基础的食品而言。在速冻及后续贮藏、运输中难以避免的因温度波动而引发的反复冻融循环，是导致品质劣变的核心问题。在此过程中，水分的相变（冰晶的形成、生长与重结晶）会对淀粉凝胶网络产生机械破坏作用。冰晶的挤压与穿刺效应，不仅会直接撕裂凝胶的微观结构，导致其宏观上出现塌陷、脱水收缩（析水）等现象，更会促使淀粉分子链发生不可控的聚集与重排，破坏原有的水分分布与结合状态，其最终表现为产品质地硬化、弹性丧失、口感粗糙，并伴有严重的汁液流失，严重制约了速冻淀粉基食品的商业价值与消费者接受度。

为了提升速冻米制品的冻融稳定性，传统食品工业广泛依赖于添加食品改良剂，如亲水胶体、乳化剂、变性淀粉等。这些添加剂通过增强持水性、抑制淀粉链聚集或形成复合凝胶网络等方式，在一定程度上缓解了冻融损伤。然而，随着全球消费者对“清洁标签”和天然健康食品的需求日益增长，对化学添加剂的排斥心理也愈发明显。因此，开发绿色、物理场辅助的新型加工技术，从本质上改善淀粉凝胶自身的抗冻融能力，成为当前食品领域的研究热点。在诸多新兴物理场技术中，磁场处理因其非热加工、能耗低、无残留且环境友好的特性，展现出在食品冷冻与品质调控方面的独特潜力。其主要通过对水分子簇的氢键网络及其相变动力学的调控，促进过冷、影响冰晶成核与生长，避免冷冻过程对产品结构造成损伤。前期研究表明，低频静磁场（0～20 mT）能够加速冻结过程、缩小冰晶尺寸，并有效减轻面团、炒饭、汤圆等多种食品的品质劣变。此外，高频磁场也被应用于淀粉改性领域。研究证实，高频磁场（＞250 Hz）可以通过改变淀粉分子的链构象与排列有序度，从而提升淀粉的溶解性、膨胀力、结晶度及热稳定性。这些均体现出磁场技术在改善食品品质与加工效率方面的广泛应用潜力。

然而，现有研究大多集中于静磁场对食品宏观冷冻特性或淀粉静态性质的影响。脉冲磁场（PMF）由于具有动态变化的磁场力，可干扰水分子簇在冰晶核表面的有序排列，改变冰晶的择优生长方向，从而有效抑制大冰晶的形成，促进细小、均匀的冰晶分布。PMF为鲜湿米制品提供了一种非热、高效的精准调控方案，通过抑制冰晶生长和保护微观结构，直接推动产业实现高品质产品的标准化与规模化生产。PMF在食品深低温速冻中的应用机理研究亟待深入。尽管其动态物理特性被认为能有效调控冰晶形成，但在－40 ℃速冻条件下，PMF对淀粉凝胶多尺度结构（从分子聚集态到微观网络）和品质特性的调控机制仍不明确，这制约了该技术在速冻米制品中的应用。中国农业科学院农产品加工研究所的王静、谌荟琳和佟立涛*等人针对此瓶颈，以大米淀粉凝胶为对象，系统揭示PMF在－40 ℃速冻及反复冻融过程中对凝胶结构与性能的影响规律，旨在为PMF这一绿色物理技术提供关键的理论支撑，并为开发冻融稳定性优异的速冻米制品开辟新的技术方向。

1 淀粉凝胶的冷冻温度变化分析

如图1所示，淀粉凝胶的冷冻过程可分为3 个阶段：预冷阶段（温度快速下降）、相变阶段（温度相对稳定）和冷冻阶段（温度持续下降）。前期研究表明，相变时间缩短是形成细小冰晶的关键指标。较短的相变持续时间可产生更细小、更均匀的冰晶，从而最大程度降低对冷冻产品品质的影响。如表1所示，10 mT磁场下的总冷冻时间、相变时间最短，而0 mT下最长（表1）。相较于0 mT，5、10 mT处理分别使相变时间显著缩短34.62%、46.15%，总冷冻时间分别缩短12.73%、14.55%。PMF处理可通过有效缩短相变时间与总冷冻时间，从而加速冷冻速率，减少大冰晶的形成，降低冻融过程对凝胶结构的损伤。

2 淀粉凝胶的SAXS分析

如图2a所示，所有样品在小角度范围内的散射强度均随q值增加而显著下降，这表明形成了更大尺度的网络结构或更高程度的分子间聚集。此外，所有样品在特定范围内均呈现自相似分形结构，且D均小于3（表1），表明这些凝胶网络均呈现质量分形特征。对于冻融不同次数的样品，随着磁场强度的增加，D逐渐增加，表明PMF处理后淀粉凝胶网络更加均匀，揭示了PMF处理通过抑制冰晶的不规则生长与破坏，调控了淀粉分子的有序组装，从而构建出更均一的凝胶网络结构。尽管冻融循环会加剧网络的不均匀性（D降低），但PMF处理展现出了强大的稳定与优化作用，能够显著抵消反复冻融带来的结构劣化。

3 淀粉凝胶的FTIR分析

如图3a所示，所有样品的FTIR显示出一致的趋势，没有观察到新的吸收峰，这表明PMF处理没有引起化学结构或共价键形成的变化。在1 636 cm -1 附近有一个明显的吸收峰，可能与水的羟基弯曲振动相关。此外，3 300 cm -1 附近的宽吸收峰与淀粉凝胶的氢键相互作用相关。对于冻融循环1 次和2 次的样品，随着磁场强度的增加氢键吸收峰的位置均向高波数移动，表明在快速冷冻条件下磁场可以减少冻融过程淀粉链的交联，使得氢键相互作用减弱。 R 1047/1022 作为表征凝胶中有序结构比例的指标。通过进一步分析 R 1047/1022 ，发现有序结构的变化与氢键特征峰位置的移动呈现出一致的趋势（表2），表明快速冷冻会造成淀粉凝胶中有序结构的形成，导致氢键相互作用增加，而PMF处理可减少有序结构的形成，且在冻融循环不同次数下均有明显效果。

4 淀粉凝胶的拉曼光谱分析

如图3b所示，所有光谱呈现出稳定一致的谱图模式，所有淀粉特征峰均存在。位于480 cm -1 处的吸收峰可用于评估淀粉凝胶的分子有序性。865 cm -1 处的吸收峰对应C1—O—C4葡萄糖环结构，该峰特征源于直链淀粉双螺旋中糖环的轴向排列结构。此外，2 908 cm -1 区域的拉曼谱带反映C—H键伸缩振动，与支链淀粉双螺旋结构的形成密切相关。相较于峰强度，特征峰的FWHM值因其更高的稳定性和抗干扰性，成为评估分子有序度的可靠参数，其数值与有序度呈负相关。由表2可知，相同冻融次数下随着磁场强度的增加，480、865 cm -1 及2 908 cm -1 处的FWHM值整体均增加，表明PMF可以抑制快速冷冻过程中直链双螺旋结构和支链双螺旋结构的形成，减少凝胶结构有序度。与此同时，冻融次数增加可诱导淀粉凝胶中双螺旋结构的形成，增加结构有序度。

5 淀粉凝胶的SEM结果

如图4所示，所有样品均呈现蜂窝状多孔结构，这是淀粉分子在冷却过程中脱水缩合形成三维凝胶网络所致。由图4A可以看到，无磁场施加的样品展示出单一的凝胶网络排列方向，而施加磁场的样品凝胶网络是多个排列方向，这可能与磁场辅助传热有关，加快了水分子传热过程。由图4B可知，冻融过程由于冰晶的挤压和穿刺，导致凝胶网络出现碎片化，凝胶网络壁上出现大小不一的孔洞，这种现象在冻融2 次的样品中更加明显。经过PMF处理后凝胶网络均匀性和结构完整性均有提高，且随着磁场强度的增加这种效果更加明显。

6 淀粉凝胶的大幅振荡剪切分析结果

如图5所示，所有样品的储能模量（G′）和损耗模量（G″）随应变增大均呈现先保持稳定且G′＞G″的特征，表明凝胶处于线性黏弹性区域并呈现类固体行为。当应变超越线性区域进入非线性黏弹性区域后，G′与G″随应变增加逐渐下降，表明达到屈服点并经历屈服应变后，淀粉链间相互作用减弱，网络结构发生不可逆破坏。随后G′与G″曲线相交，标志着体系从类固体行为向类液体行为转变。由图5可知，冻融次数增加会使G′与G″均提高，结合FTIR和拉曼光谱结果，这可能是由于反复冻融造成凝胶网络发生不均匀的聚集，有序结构（直链双螺旋、支链双螺旋）增加，导致凝胶强度增加。其次，对于冻融不同次数的淀粉凝胶，随着施加磁场强度的增加，G′与G″均呈降低的趋势，表明PMF处理可减弱快速冷冻过程中淀粉链的交联行为，降低冻融过程对凝胶结构的损伤，最终降低速冻后的凝胶强度，这也与FTIR分析结果相印证。

通过应力分解将剪切应力分解为弹性和黏性分量，如图6a所示，蓝色为总应力曲线，绿色为弹性应力曲线，红色为黏性应力曲线。对应变-应变速率-应力曲线的分析表明，在应变低于10.1%时，弹性应力和黏性应力均呈现椭圆形分布。然而，超过这一临界应变值后，应力分布发生畸变，逐步转变为四边形形态。这种形态转变清晰地表明体系从弹性主导转向黏性主导，并呈现明显的非线性黏弹性行为。如图6b、c所示，弹性利萨如图形由平滑的椭圆形逐步转变为四边形，同时弹性应力曲线（红线）发生畸变。值得注意的是，在最大应变处弹性应力斜率骤增，表明存在应变硬化行为。与此同时，黏性利萨如图形从椭圆形首先演变为纺锤形，随着应变进一步增加，黏性应力曲线呈现扭曲特征，表现为更为畸形的多环结构。最大应变速率处黏性应力斜率的下降则暗示了剪切稀化行为。值得注意的是，对于冻融循环1 次和2 次的样品，随着磁场强度增加，弹性利萨如图和黏性利萨如图的面积均呈现减小的趋势，这一现象表明PMF处理有效增强了淀粉凝胶网络结构的稳定性，显著抑制了大变形下的结构破坏与能量耗散。

弹性和黏性利萨如图可通过非线性模量分析（式（2）、（3））计算S与T，这些参数可进一步表征材料在非线性振荡变形过程中表现出的应变硬化/软化及剪切增稠/稀化行为。如图7a所示，对于所有样品，应变超过0.101%，S均为正值，表明所有淀粉凝胶均呈现明显的应变硬化行为，表明随着应变增加淀粉分子链沿应变方向排列，淀粉链之间发生氢键相互作用，凝胶网络结构有序性和抗变形性均增加。如图7b所示，所有样品的T曲线均呈现先T＞0后T＜0的特征，表现为典型的先剪切增稠后剪切稀化行为。该现象可归因于剪切力诱导淀粉链取向排列，促进分子有序堆积并增强分子间氢键作用，从而引发初始应变增稠；随着应变进一步增加，氢键逐渐破坏与链缠结减少继而诱发剪切稀化。在1 000%应变下，对于冻融不同次数的样品，随着施加磁场强度的增加，T值减小，表明剪切稀化行为增强，这是因为PMF处理抑制有序结构的形成，凝胶强度降低，导致淀粉凝胶受到大应变时结构更易遭到破坏。与此同时，冻融2 次的样品T值均大于冻融1 次的样品，表明剪切稀化行为减弱，这主要与反复冻融后凝胶强度增加有关。

7 淀粉凝胶的水分分布

如表3所示，与冻融1 次的样品相比，冻融2 次的凝胶呈现出结合水与不易流动水减少、自由水增加的趋势，表明冻融处理促进了结合水与不易流动水向自由水的转化。这可能是由于冰晶形成破坏了凝胶的结构完整性，从而降低了其持水能力。对于冻融1 次和2 次的样品，较高的磁场强度提升了结合水与不易流动水含量，同时降低了自由水含量，表明PMF能够缓解冰晶引起的结构劣化，从而减少速冻后淀粉凝胶的水分流失。

8 淀粉凝胶的质构特性分析

如图8所示，硬度与弹性分别表示压缩凝胶所需的作用力以及凝胶受压后回弹的能力，可反映水凝胶网络的强度与弹性。内聚性反映材料断裂前所能承受的压缩程度，与凝胶的内部结构强度及结构完整性相关。基于硬度和内聚性衍生的胶黏性，以及基于弹性和胶黏性衍生的咀嚼性，则表征将凝胶破碎至可吞咽状态所需的能量。对于冻融1 次的样品，随着磁场强度增加，硬度、胶黏性和咀嚼性均有所降低，相比于0FT-1，施加5、10 mT磁场分别使硬度降低12.81%、33.95%。与此同时，对于冻融2 次的样品，随着磁场强度增加，硬度、内聚性逐渐降低，相较于0FT-2，施加5、10 mT磁场分别使硬度降低5.97%、29.35%。对以上结果结合FTIR（氢键特征峰向高波数移动）与拉曼光谱结果（直链双螺旋结构和支链双螺旋结构降低）进行分析，可知PMF处理可以通过抑制速冻过程中淀粉分子链的交联，降低冻融后凝胶强度，改善淀粉凝胶的吞咽适口性。

9 结论

本研究探究了PMF处理对经快速冷冻（－40 ℃）的淀粉凝胶的非线性流变特性、微观结构、水分分布及品质特性的影响。研究发现，－40 ℃的冻融过程由于受到冰晶的挤压和穿刺可引起淀粉链的交联，促进直链双螺旋及支链双螺旋结构的形成及造成淀粉凝胶结构损伤，主要表现为凝胶网络呈碎片化且孔壁结构出现多个孔洞的结构形态。反复冻融则会进一步增强淀粉分子间氢键相互作用，使得凝胶结构损伤加剧。PMF能有效调控淀粉分子的多尺度结构，增强凝胶剪切稀化行为，提升速冻淀粉凝胶的冻融稳定性，表现为凝胶氢键相互作用减弱，直链双螺旋与支链双螺旋结构减少、网络结构碎片化减弱，并形成更均匀完整的网络结构，提升淀粉凝胶的质构品质，减少水分散失（通过SEM、FTIR、SAXS和质构测试证实）。此外，PMF处理对反复冻融的淀粉凝胶结构和品质也存在明显改善，对鲜湿大米产品在速冻环境下温度波动所造成的品质劣变有较好的抑制作用。本研究对推动PMF在速冻米制品中的应用具有重要意义，同时也为提高速冻米制品冻融稳定性方面提供一个新的策略。

引文格式：

王静, 谌荟琳, 聂萌滋, 等. 脉冲磁场提升速冻米制品品质的机理: 基于淀粉凝胶结构调控与冻融稳定性的研究[J]. 食品科学, 2026, 47(10): 249-257. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251226-220.

WANG Jing, SHEN Huilin, NIE Mengzi, et al. Mechanism of action of pulsed magnetic field in improving the quality of quick-frozen rice products: a study based on starch gel structure regulation and freeze-thaw stability[J]. Food Science, 2026, 47(10): 249-257. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251226-220.

实习编辑：俞逸岚；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

北京食品科学研究院、中国食品杂志社和全国糖酒会组委会将于2026年10月15-17日在江苏省南京市南京国际博览中心举办第115届全国糖酒会食品科技成果交流会。食品科技成果交流会期间举办食品科技成果展，本届科技成果展以我国当前食品产业科技需求为导向，重点邀请“十四五”以来获得国家和省部级重要科研项目支持产出的食品科技新成果、新技术、新产品参展，并针对企业技术需要开展精准对接服务。扫描下方二维码即可申请展位。

为进一步促进动物源食品科学理论的完善与创新，加速科研成果向实际生产力的转化，助力产业实现高质量、可持续发展，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、中国食品杂志社与海南大学、海南热带海洋学院、江西农业大学共同举办的“2026年动物源食品科学与人类健康国际研讨会”，将于2026年11月14-15日（11月13日报到）在中国 海南 海口召开。

长按或微信扫码进行注册

会议招商招展

联系人：杨红；电话：010-83152138；手机：13522179918（微信同号）