Provavelmente, a proxy_cache_use_stale atualização, combinada com proxy_cache_background_update . A documentação diz
proxy_cache_use_stale
Determines in which cases a stale cached response can be used during communication with the proxied server.
The updating parameter permits using a stale cached response if it is currently being updated. This allows minimizing the number of accesses to proxied servers when updating cached data.
proxy_cache_background_update
Permite iniciar uma sub-requisição de segundo plano para atualizar um item de cache expirado, enquanto uma resposta obsoleta armazenada em cache é retornada ao cliente. Observe que é necessário permitir o uso de uma resposta armazenada em cache quando ela está sendo atualizada.
Parece que está fazendo exatamente o que você mandou fazer.
Solução possível
O que eu suspeito que você quer é
proxy_cache_use_stale off;
proxy_cache_background_update off;