利用量热法及质子 (1H) 和固态 31P 核磁共振技术研究冻融 LMPS 马苏里拉奶酪中的矿物质与水分动力学

《Journal of Food Engineering》：Studies of mineral and moisture dynamics in freeze-thawed LMPS mozzarella using calorimetry and proton (1H) and solid-state 31P NMR

　　

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  固态 ³¹P NMR 揭示了冷冻过程中的矿物动力学
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  长期冷冻储存重新组织了矿物-水分平衡
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  冷冻储存使水分从束缚态转变为流动态
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  水分平移扩散随长期冷冻储存而增加
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  磷酸盐微环境对冷冻历史敏感

引言

低水分部分脱脂（LMPS）马苏里拉奶酪的质构和功能特性由其水分和矿物（钙和磷酸盐；Ca、PO₄）含量的耦合动力学决定。在生产加工后，冷藏储存的前约3周内，LMPS马苏里拉奶酪中会发生水分-矿物平衡，其中血清水分作为被困相迁移进入钙-磷酸盐副酪蛋白基质（McMahon和Oberg, 2017; Smith等, 2017）。这促进了不流动的酪蛋白结合胶体钙磷酸盐（CCP）的溶解，减少了蛋白质-蛋白质相互作用，并改善了功能属性（熔化、拉伸和丝状）（Hindmarsh等, 2019）。同时，奶酪中副酪蛋白的水合作用也可能改变与CCP和一些磷酸丝氨酸（SerP）残基相关的胶粒流动性。约3周后，水分-矿物平衡趋于平稳（Hindmarsh等, 2019），从而实现了LMPS马苏里拉奶酪的最佳质构和功能性能，在冷藏条件下可保持4-6周（Digvijay等, 2025b）。超过此期限后，残余乳糜蛋白酶、纤溶酶或两者共同作用引起的渐进性蛋白水解会导致LMPS马苏里拉奶酪质构（变软、结块、糊状）和功能属性（熔化时产生汤状且失去拉伸性）的恶化。这对其长期储存性和长途出口提出了挑战（To等, 2020）。

虽然冷冻可以大大减少与蛋白水解相关的奶酪变化，但多项研究报告了冷冻和解冻对LMPS马苏里拉奶酪的微观结构、质构、流变性和功能特性的显著影响（Bertola等, 1996; Bunker, 2016; Bunker等, 2025）。此外，近期一项研究突出了冷冻LMPS马苏里拉奶酪在不同温度波动方案下功能属性（拉伸功/拉伸梯度降低）、质构（硬度降低）以及线性/非线性流变特性的变化（Digvijay等, 2026）。观察到的质构-功能差异主要归因于水分相转变为冰晶所引起的奶酪基质的物理变化（To等, 2020）。然而，除了与冰晶形成相关的宏观效应之外，我们假设副酪蛋白基质中的分子尺度变化也可能有助于解释冷冻-解冻奶酪中观察到的差异。这些可能包括冷冻引起的副酪蛋白网络中水分-蛋白质相互作用和水活性的变化，以及相关的矿物活性和分布变化。由于水分相的变化直接影响水合副酪蛋白（其体积的约63%为水），胶体矿物的分子活性和分配也会受到影响（To等, 2020）。然而，关于冷冻引起的LMPS马苏里拉奶酪矿物-水分平衡变化的详细理解仍然稀缺。此外，已发表文献中提出了奶酪中酪蛋白的冷冻引起的局部脱水现象，但实验证据仍然有限（Alinovi等, 2020; Bunker, 2016; To等, 2020）。因此，本研究旨在调查该主题的一些知识空白。

与副酪蛋白相关的水分，与其他多组分食物一样，预计具有热异质性。因此，奶酪中的总水分可以部分是可冻结的，部分是不可冻结的，并且可以存在于多种物理被困状态中（Kontogiorgos和Goff, 2006; McMahon等, 1999）。不同的水分成分对奶酪特性的贡献各不相同。例如，水的可冻结部分据报道可以决定LMPS马苏里拉奶酪的熔化与拉伸等功能特性（Smith等, 2017），并发生冰晶化和冻融浓缩，而结合水则在冷冻胁迫下维持蛋白质稳定性（Hishida等, 2023）。为了研究水分的活性和其与酪蛋白相互作用的程度，可以利用非破坏性方法，如质子（¹H）核磁共振（NMR）弛豫法（自旋-自旋或T₂弛豫）和扩散法（水的自扩散）（Gianferri等, 2007; Kuo等, 2003）。

传统的血清提取方法用于定量可溶性和不溶性Ca和P，为矿物分配及相关质构/功能特性提供了重要的大致见解（Hassan等, 2004）。然而，这些方法涉及加水匀浆（例如，通过胃磨处理获得奶酪浆），可能会引入方法依赖性变异（Deshwal等, 2024）。此外，这种方法只能直接获取可溶性Ca和P分量的信息，可能掩盖副酪蛋白中不溶性P活性的微妙变化（Gobet等, 2013）。此外，当需要分子水平的见解时，特别是检测奶酪中磷酸基团活性和化学环境的变化（Gobet等, 2010），其精确性可以质疑，这些变化可能是由加工（如冷冻）引起的。为了克服这些局限性，可以使用固态³¹P NMR波谱法配合魔角旋转（MAS，增强光谱分辨率），因为它可以提供一种灵敏、原位和非破坏性的方法来研究酪蛋白中磷的行为（Kakalis等, 1994; Rasmussen等, 1997）。

本研究采用了两种固态MAS ³¹P NMR方法，即单脉冲激发（SPE）和交叉极化（CP）实验。SPE-MAS检测奶酪基质中的总³¹P信号，无论磷核的活性状态如何。所得的SPE-MAS光谱可以根据已分辨³¹P共振的等向化学位移（δ_iso，单位ppm）进行去卷积，在定量采集条件下量化不同³¹P群体的相对贡献（Gobet等, 2013; Rasmussen等, 1997）。相比之下，CP-MAS依赖于在交叉极化条件下，通过异核¹H-³¹P偶极耦合，将丰度充足的¹H核（与附近的-OH、-NH和-CH基团相关）的磁化转移至³¹P核。相对较流动或溶剂化的³¹P物种通常表现出较弱或快速平均化的¹H-³¹P偶极相互作用，因此对CP信号的贡献效率较低。因此，CP-MAS提供了一种选择性定性手段来检测相对刚性或不流动的³¹P群体（Thomsen等, 1995）。

本研究呈现了关于冷冻引起的LMPS马苏里拉奶酪中水分相在可冻结/不可冻结部分之间分配的变化的发现，以及冰晶被困状态的相关变化。此外，还呈现了自旋-自旋弛豫实验中与水分活性（旋转/翻滚）及其与蛋白质相互作用相关的信息，以及使用¹H-NMR扩散法实验中获得的平移动态信息。围绕上述发现，讨论了SPE和CP-MAS固态³¹P NMR中矿物（胶体/可溶性）的分配、分子活性和化学环境的变化。这是一项更广泛研究的后续部分，旨在阐明不同冷冻和温度波动方案对工业LMPS马苏里拉奶酪的流变、质构、微观结构和功能特性的影响（Digvijay等, 2026）。

章节摘要

奶酪采样、冷冻及温度波动（TF）方案

三个批次（每批次20 kg）的工业LMPS马苏里拉奶酪样品于同一生产季的三个不同日期从爱尔兰科克郡巴利恩镇的Carbery Food Ingredients Ltd.采购。测量的平均成分为；水分46.9 ± 0.8%，脂肪22.4 ± 1.1%，蛋白质24.3 ± 0.4%，盐1.2 ± 0.1%，pH 5.5 ± 0.1。每批次由两块约10 kg的长方形奶酪块（36×9×26 cm）组成。奶酪块（2×10 kg）被分成八块较小的块（约2.5 kg；9×9×26 cm），

冷冻对LMPS马苏里拉奶酪中水分分配的影响

从DSC热图（表2）的熔化焓（ΔH，单位J/g奶酪；-35°C至25°C之间的吸热峰）来看，LMPS马苏里拉奶酪中的水分被表征为可冻结和不可冻结（或结合水）部分。所有样品的ΔH范围为约98-110 J/g奶酪。与冷藏对照（CTR）奶酪（ΔH约102.2 J/g奶酪）相比，冷冻储存（FrS）样品和样品的ΔH值出现显著变化（108-110 J/g奶酪；p<0.05）

结论

本研究强调了冷冻储存和温度波动下LMPS马苏里拉奶酪中原位矿物-水分动态。量热分析表明，可冻结水分（或被困水分）不是均一的，而是由两个热力学可区分的群体（M1和M2）组成，反映了被困于异质蛋白质-脂肪基质中的水。快速冻融循环对水分分配影响很小。相比之下，冷冻储存和缓慢温度

CRediT作者贡献声明

Alan Kelly：写作——审阅与编辑、验证、监督、资源、资金获取、概念化。Manuel Ruether：写作——审阅与编辑、可视化、验证、软件、方法论、正式分析、数据管理。Prabin Lamichhane：写作——审阅与编辑、验证、监督、资源、项目管理、资金获取、概念化。Digvijay Digvijay：写作——初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查，

未引用参考文献

Song, 2009.

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争或经济利益来影响本论文中报道的工作。

竞争利益声明

? 作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本论文中报道的工作。

致谢

本工作由Teagasc内部资金资助，项目：EFSL-Cheese。Digvijay是Teagasc（爱尔兰农业和食品发展局）Walsh奖学金的获得者。我们感谢爱尔兰科克郡巴利恩镇的Carbery集团有限公司提供LMPS马苏里拉奶酪样品。

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