FSAP | 合肥工业大学章宝教授等：帕斯塔菲拉塔奶酪热机械处理及剪切诱导多尺度变化的研究进展

合肥工业大学食品与生物工程学院，农产品生物化工教育部工程研究中心Feng Ran等总结蒸煮-拉伸设备类型及其工艺参数，分析剪切作用对奶酪微观结构、成分、流变特性与功能属性的影响，为生产定制化奶酪产品提供理论依据，推动乳制品加工工艺的创新与控制优化。

1引言

帕斯塔菲拉塔奶酪（如马苏里拉奶酪）因其独特的纤维结构在食品工业中具有重要地位。该结构的形成依赖于关键的“蒸煮-拉伸”工艺：将凝乳浸入热水或蒸汽中加热，同时进行揉捏和拉伸，直至质地光滑均匀。根据水分含量，马苏里拉奶酪可分为高水分型（52%～60%）和低水分型（45%～52%）。前者为新鲜奶酪，需尽快食用；后者具有优异的熔融性、拉伸性和褐变特性，更适用于披萨等烘焙食品，解决了新鲜奶酪在加工、贮藏和保质期方面的局限。

“拉丝性”是马苏里拉奶酪的核心功能特性，其本质源于奶酪在宏观与微观尺度上的纤维结构，这一结构使其力学性能和微观结构呈现各向异性。

蒸煮-拉伸工艺涵盖混合、输送、揉捏和挤压等操作，在热作用下同时施加剪切力。尽管研究者已认识到热机械过程的重要性，并尝试量化剪切力及其对奶酪性能的影响，但目前仍缺乏能够排除热效应干扰、单独评估剪切作用的系统方法，也缺乏对剪切力影响的系统性综述。

2蒸煮-拉伸设备

2.1设备发展与分类

传统马苏里拉奶酪凝乳拉伸依赖人工在热盐水中完成，现代工业则广泛采用机械设备，通过单螺杆或双螺杆旋转结合直接蒸汽加热或热水循环实现蒸煮-拉伸，这类设备被称为“蒸煮-拉伸机”。设备通常包含带循环热水的容器与1～2 个螺杆，凝乳在容器内被推送、揉捏和挤压，促使酪蛋白分子定向排列，形成纤维结构。

工业设备差异显著，涵盖连续式与间歇式、单螺杆与双螺杆（材质不同）、螺棱结构、机筒设计及加热方式等类型，且进料斗尺寸、挤出模头直径等细节也各不相同，这些差异直接导致马苏里拉奶酪产品特性多样化，进而使设备施加的热机械处理强度存在显著区别。双螺杆设备结构虽比单螺杆挤出机复杂，但混合能力更强，能更好地控制物料停留时间和内部剪切力，尤其适用于热敏性食品加工。在双螺杆系统中，用户可选择同旋向或异旋向螺棱的同向旋转或反向旋转模式，其中反向旋转双螺杆在奶酪拉伸中的应用和研究更为广泛。对于异旋向螺棱设备，反向旋转通常用于物料装载和卸载，同向旋转则用于混合和反应；同旋向螺棱设备的作用则相反。

2.2典型设备应用与特性

以往研究多采用传统双螺杆蒸煮-拉伸机生产马苏里拉奶酪。Blentech、Stephan和Farinograph是常用的小型设备，适用于奶酪凝乳的蒸煮和混合。研究表明，利用配备外部水浴的Farinograph系统生产仿制奶酪，该设备作为标准面团测试机，其双叶片的揉捏和混合作用与Blentech相似，且可通过软件控制扭矩测量和混合速度。不过，Farinograph螺杆的完整旋转周期更长，导致奶酪制作时间比Blentech更长。

Stephan（单叶片蒸煮机）和Blentech生产的仿制奶酪的理化特性的区别，Blentech能搅动整个奶酪物料，而Stephan的切割作用仅集中在中心区域；Stephan的转速调节范围更广，中速即可生产出黏结性良好的奶酪产品。

目前，设备设计需兼顾工业节能需求与市场对创新设计，而设计不同图案的挤出模头是吸引年轻消费者的有效途径。

3蒸煮-拉伸参数

3.1参数类型与影响因素

马苏里拉奶酪凝乳需具备足够黏度才能实现充分拉伸并形成特征性纤维结构，热量和剪切强度对蛋白质网络及黏弹性行为影响显著。在通过管道揉捏和挤出凝乳时，需考虑加热温度和时间对凝乳流动性的影响。通常，蒸煮-拉伸机的设定水温为60～85 ℃，奶酪出机时的最终温度为50～65 ℃。

除水温、螺杆转速、冷却速率等可手动调节的操作参数外，比机械能、奶酪温度、停留时间等系统变量在工艺描述中更具实用性。比机械能受水温和螺杆转速共同影响，不同组合可能产生相同的比机械能值，但对奶酪性能的影响仍存在差异；实际奶酪温度则取决于进料速率、螺杆转速及设备容积。目前，热机械处理的精准控制需基于系统变量而非操作参数，已有研究指出操作条件并非描述蒸煮-拉伸过程的理想参数，系统变量更适合表征工艺并用于放大设计。

蒸煮-拉伸系统中操作参数的变化会对系统变量产生复杂影响，例如，提高螺杆转速会缩短凝乳在系统中的停留时间，导致奶酪温度下降。因此，为准确描述拉伸过程，计算比机械能时需考虑功率消耗、填充段长度、停留时间、奶酪温度及不同螺杆转速和水温下的产量，并最终将其与所得奶酪的成分和宏观行为相关联。研究发现，蒸煮停留时间与奶酪成分（蛋白质和水分含量）、各向异性比及储能模量呈线性相关，而受设备设计影响，拉伸停留时间的影响则不显著。

凝乳性能还与比机械能、奶酪温度、停留时间等实测/计算参数相关，这表明广泛的实验范围为奶酪凝乳挤出提供了新见解。加热和冷却温度对奶酪凝乳的相变至关重要，直接影响纤维结构的形成；冷却温度被视为影响剪切程度的关键因素，这表明冷却过程在增强剪切力施加方面发挥着重要作用。

3.2不同设备参数与产品特性关联

不同设备的参数设置对奶酪产品特性影响各异。传统单螺杆蒸煮-拉伸机的参数包括温度、通道宽度、螺杆直径、通道深度、螺杆转速、螺棱角度等，研究发现温度升高会增加脂肪损失，且螺棱效应比曲率效应更关键。传统双螺杆蒸煮-拉伸机的参数有停留时间、温度、比机械能、螺杆转速等，研究建立了奶酪水分含量与系统变量之间的二次关系，蒸煮停留时间对奶酪成分、各向异性及储能模量呈线性影响，而拉伸停留时间影响较小；工艺的主要步骤（塑化、输送、纹理化）决定了工艺设计，相连片式模头的温度可用于确定剪切应力，进而控制各向异性特性。

改进型单螺杆挤出机的参数为温度和螺杆转速，研究发现低比机械能下可生产出细长纤维，凝乳性能与出口温度呈线性相关，挤出过程会增加钙-蛋白质键的数量。双螺杆挤出机的参数包括温度、螺杆转速、停留时间、比机械能、质量流量、扭矩等，在低比机械能下可生产细长纤维，凝乳性能与出口温度呈线性相关，挤出会增加钙-蛋白质桥键。

Farinograph（双叶片混合机）的参数有温度、时间、转速、热负荷、比机械能，研究发现截留水与奶酪凝乳温度和热负荷呈正相关，但不受机械处理量影响；其生产的奶酪硬度和流动性通常低于Blentech生产的奶酪。Stephan（单叶片蒸煮机）的参数为叶片转速，叶片转速提高会增加奶酪硬度，降低熔融性。毛细管流变仪的参数为温度，研究观察到压力波动和奶酪产品变形，表明超过临界剪切速率时会出现熔体破裂。Thermomix的参数为揉捏时间和温度，当烹饪温度从55 ℃升至70 ℃时，奶酪产率下降。尽管操作参数和系统变量的研究不断深入，但单独研究剪切和加热参数仍存在困难，未来需开发全面系统的方法以精准描述单纯剪切的影响。

4剪切对马苏里拉奶酪性能的影响

4.1对微观结构的影响

蒸煮-拉伸过程会导致新鲜马苏里拉奶酪中水分分布不均匀。在热机械处理过程中，原本均匀分布的小脂肪球会聚集形成多种尺寸的脂肪球，平均直径增大。在相对温和的条件下，脂肪和乳清能更均匀地分散在蛋白质基质中；而在剧烈混合条件下，酪蛋白片段会变厚，脂肪池稳定性下降。热能增加结合处理时间延长，可能直接影响与奶酪蛋白质网络相连的水相，导致大量游离水出现。研究发现，更长的混合时间和更高的温度会加速更大脂肪域和聚集体的形成，这些脂肪域和聚集体会被困在蛋白质腔中。拉伸后，蛋白质基质变得更致密，脂肪颗粒聚集体增多；加热结合拉伸会导致蛋白质网络中包裹的脂肪球破裂和聚集。对软化凝乳施加剪切力，会使蛋白质聚集体定向排列形成弹性纤维，纤维间分布着游离脂肪和乳清通道。此外，更高的剪切速度和加热温度会显著提高脂肪球的圆形度。

微观结构观察发现，Stephan生产的奶酪比Blentech生产的奶酪含有更小、更均匀的脂肪球，且混合速率提高会使脂肪球尺寸显著减小。在剪切初期，乳脂肪以相对较大的池状形式存在；进一步处理后，形成更典型的马苏里拉奶酪结构，脂肪主要以通道或细长脂肪颗粒的形式分散；剪切功进一步增加会导致脂肪滴变小，甚至细长脂肪结构消失；在最大剪切功输入下，马苏里拉奶酪微观结构呈现出非常精细的脂肪颗粒分布，同时观察到微观裂纹，表明奶酪材料呈脆性。

4.2对营养成分的影响

在热水中进行蒸煮-拉伸时，奶酪凝乳的质量损失不可避免。以往研究普遍表明，热机械处理后奶酪中蛋白质含量相对增加，脂肪和水分含量降低，拉伸水中脂肪含量增加。脂肪是固体损失的主要部分，混合过程中质量损失约占初始凝乳重量的10%；蛋白质和其他固体的损失分别仅占总固体损失的6%和10%，其余84%为脂肪损失。

总体而言，随着混合速度的增加，奶酪脂肪和水分含量会降低。研究表明，存在最佳的比机械能和奶酪温度值，可使脂肪损失最小化且奶酪产率最大化，因为在最佳条件下，脂肪能最均匀地分布在酪蛋白网络中。

关于盐和乳糖的迁移（即进入奶酪凝乳或释放到拉伸水中）的研究报道较少。Mayes等在3%（m/m）NaCl盐水中拉伸凝乳，发现温度升高会导致奶酪中盐含量增加。Ma等报道，随着拉伸温度升高，盐/水分比升高；随着拉伸速度增加，钙含量升高。Banville等在含有3%（m/m）NaCl和500 mg/kg钙、pH 5.2的拉伸盐水中制作奶酪，发现加工后奶酪凝乳中非蛋白质和非脂肪固体含量低于初始凝乳，但受不同混合设置的影响不显著。Bähler等发现，随着揉捏时间和温度的增加，拉伸水中乳糖含量增加，这归因于固体的蒸发和浓缩。Gonçalves等报道，拉伸后奶酪中不溶性钙含量降低。有研究指出，奶酪和拉伸水的 pH 值不受拉伸条件影响，但基于主成分分析，拉伸温度升高会导致 pH 值降低。

4.3对流变学和机械性能的影响

马苏里拉奶酪的流变特性复杂，其黏弹性随工作温度、程度和速率变化，呈现出不同的固体和液体特性。在拉伸测试中，马苏里拉奶酪表现出应变硬化特性；在旋转流变仪的流变测试中，表现出加工增稠特性。研究发现，剪切功输入越高，奶酪弹性越大；随着剪切功增加，黏弹性液体转变为黏弹性固体，频率依赖性降低。剪切功输入显著提高了稳态剪切黏度，降低了马苏里拉奶酪的熔融性；进一步增加剪切强度，奶酪会失去拉伸性并排出乳清。这些变化均源于长时间机械作用后更强的蛋白质-钙相互作用。

Banville等报道，当奶酪混合时间不同时，在1 Hz下测量的储能模量及其频率依赖性呈现相反趋势；最高混合温度下生产的奶酪频率依赖性更高，表明蛋白质网络变弱。

El-Bakry等对比了不同混合机的剪切功效应，发现Blentech生产的奶酪硬度显著高于Farinograph生产的奶酪，这与脂肪球尺寸有关；而内聚性和交叉温度不受影响。Noronha等研究了Blentech和Stephan蒸煮机的混合作用对奶酪行为的影响，发现提高搅拌速度对 Blentech 奶酪的硬度和交叉温度无影响，但对Stephan奶酪有影响；Stephan 奶酪的叶片转速提高会导致硬度线性增加，这是因为酪蛋白包裹的更小脂肪球增强了酪蛋白基质的强度；Stephan奶酪在中等叶片转速下内聚性值最低，且其交叉温度远高于Blentech奶酪。通过拉伸测试评估牛奶蛋白基挤出物的各向异性，结果表明，最大剪切应力增加会导致各向异性行为增强。此外，蒸煮停留时间与马苏里拉奶酪的各向异性比和储能模量呈线性相关；在更高挤出温度下挤出的奶酪凝乳，弹性和拉伸强度得到提升，这与脂肪滴的良好伸长有关。

4.4对功能特性的影响

在奶酪熔融性方面，热能发挥重要作用：在65 ℃下进行剪切处理的奶酪，其熔融性显著高于85 ℃下处理的奶酪；低热能结合低螺杆转速条件下，奶酪熔融性达到最大值。拉伸速度对马苏里拉奶酪中游离油脂的形成影响不显著；而增加拉伸程度和拉伸水温，会显著促进游离油脂形成，这是由于脂肪球熔融聚集和球膜破裂所致。奶酪褐变是影响消费者接受度的关键属性，主要由还原糖与游离氨基酸基团之间的美拉德反应引起。研究报道，随着拉伸停留时间增加，马苏里拉奶酪褐变呈上升趋势，这与游离油脂析出有关；游离油脂析出减少会促进奶酪表面干燥，从而加速褐变。

目前，关于蒸煮-拉伸对奶酪性能影响的研究已较为广泛，但研究人员和生产商真正关注的是剪切性能的精准量化及其对奶酪的量化影响，以及生产定制化奶酪产品所需的剪切能量输入量。要实现这一目标，仍需进一步努力。

5结论与展望

帕斯塔菲拉塔奶酪（如马苏里拉奶酪）的特征纤维结构深受研究人员和奶酪生产商关注，该结构的形成离不开特殊的热机械处理，即蒸煮-拉伸步骤。此步骤通过施加热量和剪切力促进纤维形成，使奶酪呈现各向异性。本文总结了多种传统和新型设备，如单螺杆或双螺杆蒸煮-拉伸机、挤出机、不同设计的混合机、Thermomix等。与无水产挤出机相比，传统含水蒸煮-拉伸机施加的剪切功通常较低。研究发现，水温、螺杆转速等操作/可控参数在描述蒸煮-拉伸过程方面，不如比机械能、奶酪温度、停留时间等系统/计算或实测参数具代表性和便利性。区分热量和剪切的影响也备受关注，研究通过分别计算蒸煮和拉伸停留时间，并将其与奶酪属性相关联，实现了这一目标。这些参数的变化会导致马苏里拉奶酪在微观、介观和宏观层面呈现出一系列不同特性，包括各向异性、流变学特性、拉伸性以及与奶酪基质中纤维形成相关的特性。

当前，研究人员主要致力于2 个方向：一是更好地定性和定量系统变量，以精准控制奶酪结构和功能特性；二是开发近红外技术等在线监测技术，实时监测奶酪加工过程中成分的动态变化，这对检测热量和剪切作用引起的变化极具价值。总之，剪切功对帕斯塔菲拉塔奶酪纤维形成和多尺度行为的影响仍需深入研究，尤其是从工业角度出发，以生产出具有定制化特性的奶酪产品。

Abstract

The characteristic cooking-stretching process for pasta-filata cheese production applies shear forces accompanied by thermal treatment to form a fibrous cheese structure. This work aims to summarize the traditional and novel cooking-stretching equipment and related parameters, as well as shear-induced alterations in the micro-, meso-, and macro-behaviour of mozzarella cheese. Apparatus like cooker-stretchers, extruders, Thermomix, etc., have been summarized. Operating parameters, e.g., screw speed, were found less convenient to describe the process, in comparison with system variables like specific mechanical energy. These variations induce different cheese properties, including anisotropy, rheology, stretchability, and those related to fibre formation. Nowadays, researchers are devoted to 1) better qualifying and quantifying the system variables, and 2) developing online techniques to monitor the dynamic changes in components that occur during processing. This review provides an idea for researchers and manufacturers to study and produce customized pasta-filata cheese products, and facilitate improvements in controlling dairy processing and innovating processing approaches.

引文格式

Feng R, Yu M, Ye P, et al. Advances in thermal-mechanical treatment and shear-induced multiscale alterations of pasta-filata cheese. Food Science of Animal Products, 2025, 3(2): 9240116. https://doi.org/10.26599/FSAP.2025.9240116

编辑：张庆芬、阎一鸣； 责任编辑：刘莉