微波真空干燥中天然奶酪膨胀机制与状态图构建：从材料特性到干燥动力学的多尺度解析

本研究针对微波真空干燥（MVD）过程中奶酪膨胀行为难以预测的问题，通过构建状态图耦合干燥动力学与材料特性（玻璃化转变温度Tg、水分吸附等温线、力学性能），揭示了真空压力和微波功率对莫扎里拉和切达奶酪膨胀/塌陷行为的影响机制，为精准调控干燥奶酪零食结构与质地提供了理论依据和实践指导。

　　

在休闲食品市场蓬勃发展的今天，具有蓬松酥脆口感的干燥奶酪零食备受消费者青睐。然而，传统热风干燥和冷冻干燥技术存在能耗高、时间长或产品质地硬化等问题。微波真空干燥（Microwave Vacuum Drying, MVD）技术将微波加热的快速性与真空环境的低温干燥优势相结合，不仅能高效去除水分，还能诱导食品基质膨胀，形成多孔结构。但该技术应用于奶酪干燥时面临核心挑战：如何预测和控制干燥过程中的膨胀与塌陷行为？这本质上取决于对材料特性与干燥动力学相互作用的深入理解。

为此，康奈尔大学食品科学系的B. Gong和C.I. Moraru在《LWT - Food Science and Technology》上发表了一项机制性研究，采用状态图（State Diagram）方法，系统阐述了天然奶酪在MVD过程中的变化规律。他们选取低水分部分脱脂莫扎里拉奶酪（Mozzarella）和 mild 切达奶酪（Cheddar）为模型，通过测定其组成、水分解吸等温线、不同温度下的力学性能（杨氏模量E、断裂应变ε_max）和玻璃化转变温度（T_g），并将这些特性与MVD过程中的实际变化相关联，最终构建了一个能预测奶酪膨胀或塌陷行为的状态图。

为开展这项研究，作者团队运用了几个关键技术方法：首先，利用质构分析仪（TA.XT Plus）进行拉伸测试，获取奶酪在不同温度下的大变形力学性能；其次，采用机械光谱法（动态流变仪，ARES）测定奶酪的储能模量（G'）和损耗模量（G''），从而精确确定其玻璃化转变温度（T_g），此法避免了差示扫描量热法（DSC）因脂肪熔化干扰而导致的测量不准确问题；第三，通过平衡吸附法（使用不同饱和盐溶液控制相对湿度）建立奶酪的水分解吸等温线，并采用GAB（Guggenheim-Anderson-de Boer）模型进行拟合；第四，在 pilot-scale 的微波真空干燥设备（nutraREV 10 kW）中进行干燥实验，通过图像分析定量监测样品膨胀过程（面积比、高度比），并利用多种经验模型（Balbay-Sahin、Page、Sigmoid等）对干燥动力学数据进行建模；最后，对最终产品的质构（硬度、韧性、脆性）和颜色（CIELAB空间）进行了全面表征。

研究结果揭示了多个重要规律：

3.1. 奶酪在MVD过程中的干燥动力学

干燥速率曲线均呈现微波干燥典型的三个阶段：升温期、快速干燥期和降速期。对于莫扎里拉奶酪，在1.7至9.6 kPa的绝对压力范围内，干燥速率常数（k）与压力无关；而对于切达奶酪，k值随压力（3.2-15.8 kPa）升高而线性降低。微波功率对干燥动力学有显著影响，k值随比微波功率（1-3 W/g）的增加而线性增加。Balbay-Sahin模型被确定为描述两种奶酪干燥动力学的最佳模型。

3.2. 与奶酪膨胀和干燥相关的材料特性

3.2.1. 水分吸附特性

两种奶酪的水分解吸等温线均呈S型（II型），并成功用GAB模型拟合。莫扎里拉奶酪的单层水分含量（M_m）为4.9 g/100g固体，切达奶酪为5.4 g/100g固体。切达奶酪由于脂肪含量更高，其GAB常数C值显著低于莫扎里拉，表明其水分吸附能力更弱。

3.2.2. 奶酪的力学性能

奶酪的杨氏模量（E）随温度升高呈指数下降，而断裂应变（ε_max）先增后减。莫扎里拉奶酪在45°C、切达奶酪在40°C时达到“铺展点”（E ～ 30 kPa）， beyond which the cheese开始变形。莫扎里拉比切达具有更大的延展性，这与其加工过程中的热拉伸和较低的蛋白水解程度有关。小变形流变测试表明，储能模量（G'）也随温度升高而下降。

3.2.3. 奶酪的玻璃化转变温度

通过机械光谱法确定的T_g表明，完全干燥固体的T_g（T_g0）对于莫扎里拉和切达奶酪分别为116.8°C和116.5°C。T_g随水分活度（a_w）升高而降低的趋势符合Gordon-Taylor方程。

3.3. MVD过程中奶酪的状态图转变

将玻璃化转变曲线与水分解吸等温线结合，构建了奶酪的状态图。该图明确了奶酪在不同温度和水分含量下的物理状态（玻璃态、橡胶态、“铺展”态），并能预测MVD过程中的行为。分析表明，在较低压力（高真空）下，干燥快，奶酪在充分膨胀前就转变为玻璃态，膨胀受限；在中等压力（~9.6 kPa）下，干燥速度适中，奶酪能在转变为玻璃态前充分膨胀，获得最大膨胀且结构稳定；在更高压力（15.8 kPa）下，干燥慢，奶酪在膨胀过程中达到“铺展点”，机械强度过低导致结构塌陷。

3.4. MVD过程中奶酪的膨胀

膨胀在过程开始后2分钟内启动，5-6分钟内达到最大。莫扎里拉奶酪在9.6 kPa时膨胀最大（面积比和高度比最高），而在15.8 kPa时发生塌陷。切达奶酪在3.2和5.6 kPa时膨胀较好，在15.8 kPa时同样发生塌陷。膨胀程度与奶酪的力学性能密切相关。

3.5. MVD过程中奶酪特性的演变

3.6.1. 质构演变

干燥导致硬度和脆性增加，而膨胀会削弱基质。最膨胀的样品（莫扎里拉9.6 kPa，切达3.2/5.6 kPa）显示出最高的脆性。硬度和脆性随a_w降低而变化，最大脆度在a_w ~0.2时达到。

3.6.2. 颜色变化

切达奶酪在MVD过程中a*值（红度）显著增加，表明发生了美拉德反应，这与其较高的非蛋白氮（NPN）含量有关。不同压力下最终产品的颜色有细微差异。

本研究的核心结论在于，成功构建了一个基于机制理解的状态图，它将奶酪的材料特性（T_g、力学性能）、热力学特性（水分吸附）与MVD过程的动力学（干燥速率、温度历程）有机地联系起来。该状态图能够清晰预测在给定的MVD工艺参数（真空度、微波功率）下，奶酪样品将处于何种物理状态（玻璃态、橡胶态或铺展态），进而预测其最终是会成功膨胀为蓬松的泡芙结构，还是因过早软化而塌陷成脆片。这项工作的重要意义在于它为食品生产者提供了一个强大的预测工具和理论指导，使其能够有的放矢地选择MVD工艺条件，减少实验试错次数，高效地开发出具有理想结构和质地的脱水奶酪零食，从而推动MVD技术在食品工业中的更广泛应用。这种将材料科学原理与食品加工动力学相结合的系统方法，不仅适用于奶酪，也有望为其他固体食品的微波真空干燥过程优化提供可借鉴的框架。