冷冻储存期间温度波动对马苏里拉奶酪的影响：来自线性和非线性流变学以及结构-功能关系的研究见解

《Food Research International》：Impact of temperature fluctuations during frozen storage on mozzarella cheese: insights from linear and nonlinear rheology and structure-function relationships

本研究探究了-18℃冷冻存储期间温度波动（TF）对低水分部分脱脂马苏里拉奶酪（LMPS）力学性能及微观结构的影响，发现TF强度和样品部位（侧/中）显著改变其流变学行为、质地及蛋白脂肪网络结构，导致拉伸功和梯度下降。

　　

Digvijay Digvijay | Thom Huppertz | Alan L. Kelly | Prabin Lamichhane

食品化学与技术系，Teagasc食品研究中心，Moorepark，Fermoy P61C996，爱尔兰

摘要

意大利面菲拉塔奶酪（pasta-filata cheeses）较短的货架寿命以及全球需求的增长，促使人们研究其冷冻储存的适用性。然而，冷冻储存期间（-18°C）的温度波动（temperature fluctuations, TF）对低水分、部分脱脂（low-moisture, part-skim, LMPS）马苏里拉奶酪的结构和功能特性的影响尚未得到充分探讨。本研究调查了不同温度波动条件对商用LMPS马苏里拉奶酪块线性和非线性流变行为、质地及微观结构的影响。通过热电偶和数据记录仪在冷冻过程中记录的热传递曲线，将LMPS马苏里拉奶酪块的侧面和中间部分视为不同的区域进行检测。线性粘弹性参数（G', G"）仅在有限的温度范围内以及通过对频率扫描数据（9.9–99 rad/s）进行幂律拟合时才能区分温度波动的影响。相比之下，循环内的非线性流变指标显示，在γ < 24%时出现了剪切增稠（T > 0）或稀释（T < 0）的应变分辨转变，以及两个广泛的循环内应变硬化（S）区域（1 < γ < 44%；γ > 59.2%），这些现象随温度波动强度和样品位置的不同而变化。Lissajous-Bowditch图和主成分分析证实了不同温度区域和温度波动处理之间的流变行为差异。与冷藏和冷冻对照样品相比，极端温度条件显著降低了总拉伸功和拉伸梯度。此外，共聚焦激光显微镜观察发现，经过快速或缓慢温度波动处理的奶酪中蛋白质-脂肪基质存在微观结构不均匀性。总体而言，LMPS马苏里拉奶酪块侧面和中间区域之间的温度波动强度和热不均匀性导致了一些流变、质地和功能特性的显著差异。

引言

预计到2030年，全球奶酪市场将达到3520亿美元（Shahbandeh, 2025），市场增长主要由西方奶酪生产商向亚洲和中东新兴食品服务行业的出口推动（To et al., 2020）。低水分部分脱脂（LMPS）马苏里拉奶酪因其熔化性、延展性和可切碎性等特性而成为关键品种。然而，其在冷藏温度下的短货架寿命（4–6周）对远距离出口和长期储存构成了重大挑战。因此，奶酪生产商越来越多地采用不同的冷冻技术来阻止蛋白水解，延长意大利面菲拉塔型奶酪的功能货架寿命（Alinovi, Corredig et al., 2020; Digvijay et al., 2023）。

据报道，冷冻和冷冻储存可以在真空包装条件下保持奶酪的化学成分，并减缓蛋白水解和微生物变化（Alinovi, Wiking et al., 2020; Pax et al., 2023; To et al., 2020），但由于奶酪水分从液态变为固态的相变，仍可能发生微观物理变化（Kuo & Gunasekaran, 2009）。这会导致一系列变化，包括冰晶的大小和密度变化（受冷冻速率控制），导致酪蛋白基质的冻干、酪蛋白-脂肪网络的破坏和位移（Kuo & Gunasekaran, 2009）、溶质的冻浓（Bunker, 2016）以及奶酪内部的浓度梯度形成（Golzarijalal et al., 2025）。解冻后，如果酪蛋白-脂肪网络未能完全重新水化，加热和未加热的LMPS马苏里拉在质地和功能特性上可能会出现可量化的差异。此外，LMPS马苏里拉的质地和功能特性（如熔化性、褐变和油析出）的变化程度与冷冻速率有关（Bunker et al., 2025; Conte et al., 2017; Fontecha et al., 1996）。

此外，冷冻储存期间温度波动导致的冰晶生长以及由此引起的奶酪水分重新分布和微观结构变化也被认为会对奶酪的质地和烘焙性能产生负面影响（Kuo & Gunasekaran, 2009; To et al., 2020）。Arrhenius模型表明，冷冻过程中温度的微小波动可能导致不稳定的冰核溶解，从而促进稳定冰晶的体积增长（Vicent et al., 2020）。这会形成圆柱形和六边形冰晶，可能破坏冷冻食品中的蛋白质基质（Digvijay et al., 2023）。此外，冷冻过程中中等至高水分食品的冰重结晶还会导致相分离、凝聚性丧失和质地变弱（Rahman, 2020）。然而，据作者所知，目前尚无研究探讨LMPS马苏里拉在冷冻储存期间温度波动对其质地、流变性和微观结构的影响。

重要的是，在像LMPS马苏里拉这样的各向异性食品结构中，已经记录到质地、功能、微观结构和热力学响应的方向依赖性（Dahl et al., 2024; Golzarijalal et al., 2025; Patel et al., 2025）。在冷冻和解冻过程中，由于奶酪成分的热性质差异（例如，冰状水分的热导率 > 液态水分 > 沿纤维方向的蛋白质 > 跨蛋白质纤维方向的脂肪），预计奶酪基质中的热传递速率是不均匀的（Digvijay et al., 2025）。此外，奶酪块的外层（侧面部分）在冷冻和解冻过程中不可避免地会遇到更快的热传递速率，因为其更接近热传递介质。特别是在工业环境中，大量奶酪（数吨）堆叠在一起，在步入式冷冻柜中缓慢冷冻、运输和以类似规模解冻时，奶酪块之间的热传递速率存在显著差异（Golzarijalal et al., 2025）。然而，大多数关于LMPS马苏里拉的冷冻研究仅评估了来自奶酪块中心的样品，从而忽略了侧面区域，这些区域经历更高的热传递速率和更明显的温度波动（Bunker et al., 2025; Conte et al., 2017）。

因此，本研究旨在解决以下研究空白：（1）了解LMPS马苏里拉在冷冻储存期间温度波动的影响；（2）分析LMPS马苏里拉侧面和中间部分对温度波动处理的响应差异。本研究的第二个目标也填补了所有先前关于奶酪冷冻研究的空白，因为之前的研究在取样时未能全面反映工业环境中冷冻-解冻过程中奶酪基质热响应的可能不均匀性。为了实现上述目标，选择了两种不同的温度波动处理方案，即快速和缓慢的温度波动条件，并设置了三个不同的强度水平，以涵盖LMPS马苏里拉在整个冷冻供应和零售分销过程中可能遇到的各种温度滥用情况。记录了温度波动对奶酪质地、小变形和大变形下的流变特性以及功能特性（熔化性、油析出、延展性、切割性）的影响。快速温度波动方案模拟了冷冻奶酪块在陆地运输（装卸）和热带气候条件（约25–38°C）下的温度差异；而缓慢温度波动方案则侧重于理解长时间冷冻运输和仓库储存过程中预期的温度波动情况。

部分内容摘要

奶酪取样和温度波动（TF）处理

在同一个奶牛季节的三个不同日子里（每次采购2×10公斤的奶酪块），从爱尔兰Cork的Carbery集团有限公司购买了总共60公斤的真空包装工业用LMPS马苏里拉奶酪（每个奶酪块约10公斤，尺寸约为36×9×26厘米），共进行了三次试验。奶酪的平均成分分别为：水分46.9±0.8%、脂肪22.4±1.1%、蛋白质24.3±0.4%、盐分1.2±0.1%，pH值为5.5±0.1。成分和pH值在任何处理后均无显著变化。

奶酪的微观结构

CTR样品侧面和中间部分的显微照片（图2a, b）显示了明显的纤维方向性，这与意大利面菲拉塔型奶酪的典型微观结构一致（Dahl et al., 2024）。在热机械拉伸过程中形成的延长蛋白质纤维（用红色染色）包裹着脂肪团（主要是聚集的脂肪颗粒）和水分（Kuo & Gunasekaran, 2009）。本研究中使用的LMPS马苏里拉奶酪总共陈化了23天（其中21天为成熟期）。

结论

在定义的数学和力学限制范围内，LAOS分析中的非线性指标（S和T）能够区分冷冻LMPS马苏里拉在不同温度波动处理下的处理和位置依赖性变化。这些差异反映了非线性应力-应变响应模式的变化，而不是弹性或粘性材料功能的直接测量结果。长时间冷冻储存期间的温度波动降低了非线性响应的应变起始点。

CRediT作者贡献声明

Digvijay Digvijay：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、方法论设计、实验研究、数据分析、概念化。Thom Huppertz：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督。Alan L. Kelly：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、资金争取、概念化。Prabin Lamichhane：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理。

未引用的参考文献

Digvijay and T., Kelly, A. L., & Lamichhane, 2025

Digvijay, Huppertz, Kelly and Lamichhane, 2024

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或财务利益会影响本文所述的工作。

致谢

本项工作得到了Teagasc内部资金的资助，项目名称为EFSL-Cheese。Digvijay获得了Teagasc（爱尔兰农业和食品发展局）提供的Walsh奖学金。我们感谢爱尔兰Cork的Carbery集团有限公司提供LMPS马苏里拉样品。