合肥工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，農(nóng)產(chǎn)品生物化工教育部工程研究中心Feng Ran等總結(jié)蒸煮-拉伸設(shè)備類型及其工藝參數(shù)，分析剪切作用對奶酪微觀結(jié)構(gòu)、成分、流變特性與功能屬性的影響，為生產(chǎn)定制化奶酪產(chǎn)品提供理論依據(jù)，推動乳制品加工工藝的創(chuàng)新與控制優(yōu)化。

1引言

帕斯塔菲拉塔奶酪（如馬蘇里拉奶酪）因其獨(dú)特的纖維結(jié)構(gòu)在食品工業(yè)中具有重要地位。該結(jié)構(gòu)的形成依賴于關(guān)鍵的“蒸煮-拉伸”工藝：將凝乳浸入熱水或蒸汽中加熱，同時進(jìn)行揉捏和拉伸，直至質(zhì)地光滑均勻。根據(jù)水分含量，馬蘇里拉奶酪可分為高水分型（52%～60%）和低水分型（45%～52%）。前者為新鮮奶酪，需盡快食用；后者具有優(yōu)異的熔融性、拉伸性和褐變特性，更適用于披薩等烘焙食品，解決了新鮮奶酪在加工、貯藏和保質(zhì)期方面的局限。

“拉絲性”是馬蘇里拉奶酪的核心功能特性，其本質(zhì)源于奶酪在宏觀與微觀尺度上的纖維結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)使其力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)各向異性。

蒸煮-拉伸工藝涵蓋混合、輸送、揉捏和擠壓等操作，在熱作用下同時施加剪切力。盡管研究者已認(rèn)識到熱機(jī)械過程的重要性，并嘗試量化剪切力及其對奶酪性能的影響，但目前仍缺乏能夠排除熱效應(yīng)干擾、單獨(dú)評估剪切作用的系統(tǒng)方法，也缺乏對剪切力影響的系統(tǒng)性綜述。

2蒸煮-拉伸設(shè)備

2.1設(shè)備發(fā)展與分類

傳統(tǒng)馬蘇里拉奶酪凝乳拉伸依賴人工在熱鹽水中完成，現(xiàn)代工業(yè)則廣泛采用機(jī)械設(shè)備，通過單螺桿或雙螺桿旋轉(zhuǎn)結(jié)合直接蒸汽加熱或熱水循環(huán)實(shí)現(xiàn)蒸煮-拉伸，這類設(shè)備被稱為“蒸煮-拉伸機(jī)”。設(shè)備通常包含帶循環(huán)熱水的容器與1～2 個螺桿，凝乳在容器內(nèi)被推送、揉捏和擠壓，促使酪蛋白分子定向排列，形成纖維結(jié)構(gòu)。

工業(yè)設(shè)備差異顯著，涵蓋連續(xù)式與間歇式、單螺桿與雙螺桿（材質(zhì)不同）、螺棱結(jié)構(gòu)、機(jī)筒設(shè)計(jì)及加熱方式等類型，且進(jìn)料斗尺寸、擠出模頭直徑等細(xì)節(jié)也各不相同，這些差異直接導(dǎo)致馬蘇里拉奶酪產(chǎn)品特性多樣化，進(jìn)而使設(shè)備施加的熱機(jī)械處理強(qiáng)度存在顯著區(qū)別。雙螺桿設(shè)備結(jié)構(gòu)雖比單螺桿擠出機(jī)復(fù)雜，但混合能力更強(qiáng)，能更好地控制物料停留時間和內(nèi)部剪切力，尤其適用于熱敏性食品加工。在雙螺桿系統(tǒng)中，用戶可選擇同旋向或異旋向螺棱的同向旋轉(zhuǎn)或反向旋轉(zhuǎn)模式，其中反向旋轉(zhuǎn)雙螺桿在奶酪拉伸中的應(yīng)用和研究更為廣泛。對于異旋向螺棱設(shè)備，反向旋轉(zhuǎn)通常用于物料裝載和卸載，同向旋轉(zhuǎn)則用于混合和反應(yīng)；同旋向螺棱設(shè)備的作用則相反。

2.2典型設(shè)備應(yīng)用與特性

以往研究多采用傳統(tǒng)雙螺桿蒸煮-拉伸機(jī)生產(chǎn)馬蘇里拉奶酪。Blentech、Stephan和Farinograph是常用的小型設(shè)備，適用于奶酪凝乳的蒸煮和混合。研究表明，利用配備外部水浴的Farinograph系統(tǒng)生產(chǎn)仿制奶酪，該設(shè)備作為標(biāo)準(zhǔn)面團(tuán)測試機(jī)，其雙葉片的揉捏和混合作用與Blentech相似，且可通過軟件控制扭矩測量和混合速度。不過，F(xiàn)arinograph螺桿的完整旋轉(zhuǎn)周期更長，導(dǎo)致奶酪制作時間比Blentech更長。

Stephan（單葉片蒸煮機(jī)）和Blentech生產(chǎn)的仿制奶酪的理化特性的區(qū)別，Blentech能攪動整個奶酪物料，而Stephan的切割作用僅集中在中心區(qū)域；Stephan的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍更廣，中速即可生產(chǎn)出黏結(jié)性良好的奶酪產(chǎn)品。

目前，設(shè)備設(shè)計(jì)需兼顧工業(yè)節(jié)能需求與市場對創(chuàng)新設(shè)計(jì)，而設(shè)計(jì)不同圖案的擠出模頭是吸引年輕消費(fèi)者的有效途徑。

3蒸煮-拉伸參數(shù)

3.1參數(shù)類型與影響因素

馬蘇里拉奶酪凝乳需具備足夠黏度才能實(shí)現(xiàn)充分拉伸并形成特征性纖維結(jié)構(gòu)，熱量和剪切強(qiáng)度對蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)及黏彈性行為影響顯著。在通過管道揉捏和擠出凝乳時，需考慮加熱溫度和時間對凝乳流動性的影響。通常，蒸煮-拉伸機(jī)的設(shè)定水溫為60～85 ℃，奶酪出機(jī)時的最終溫度為50～65 ℃。

除水溫、螺桿轉(zhuǎn)速、冷卻速率等可手動調(diào)節(jié)的操作參數(shù)外，比機(jī)械能、奶酪溫度、停留時間等系統(tǒng)變量在工藝描述中更具實(shí)用性。比機(jī)械能受水溫和螺桿轉(zhuǎn)速共同影響，不同組合可能產(chǎn)生相同的比機(jī)械能值，但對奶酪性能的影響仍存在差異；實(shí)際奶酪溫度則取決于進(jìn)料速率、螺桿轉(zhuǎn)速及設(shè)備容積。目前，熱機(jī)械處理的精準(zhǔn)控制需基于系統(tǒng)變量而非操作參數(shù)，已有研究指出操作條件并非描述蒸煮-拉伸過程的理想?yún)?shù)，系統(tǒng)變量更適合表征工藝并用于放大設(shè)計(jì)。

蒸煮-拉伸系統(tǒng)中操作參數(shù)的變化會對系統(tǒng)變量產(chǎn)生復(fù)雜影響，例如，提高螺桿轉(zhuǎn)速會縮短凝乳在系統(tǒng)中的停留時間，導(dǎo)致奶酪溫度下降。因此，為準(zhǔn)確描述拉伸過程，計(jì)算比機(jī)械能時需考慮功率消耗、填充段長度、停留時間、奶酪溫度及不同螺桿轉(zhuǎn)速和水溫下的產(chǎn)量，并最終將其與所得奶酪的成分和宏觀行為相關(guān)聯(lián)。研究發(fā)現(xiàn)，蒸煮停留時間與奶酪成分（蛋白質(zhì)和水分含量）、各向異性比及儲能模量呈線性相關(guān)，而受設(shè)備設(shè)計(jì)影響，拉伸停留時間的影響則不顯著。

凝乳性能還與比機(jī)械能、奶酪溫度、停留時間等實(shí)測/計(jì)算參數(shù)相關(guān)，這表明廣泛的實(shí)驗(yàn)范圍為奶酪凝乳擠出提供了新見解。加熱和冷卻溫度對奶酪凝乳的相變至關(guān)重要，直接影響纖維結(jié)構(gòu)的形成；冷卻溫度被視為影響剪切程度的關(guān)鍵因素，這表明冷卻過程在增強(qiáng)剪切力施加方面發(fā)揮著重要作用。

3.2不同設(shè)備參數(shù)與產(chǎn)品特性關(guān)聯(lián)

不同設(shè)備的參數(shù)設(shè)置對奶酪產(chǎn)品特性影響各異。傳統(tǒng)單螺桿蒸煮-拉伸機(jī)的參數(shù)包括溫度、通道寬度、螺桿直徑、通道深度、螺桿轉(zhuǎn)速、螺棱角度等，研究發(fā)現(xiàn)溫度升高會增加脂肪損失，且螺棱效應(yīng)比曲率效應(yīng)更關(guān)鍵。傳統(tǒng)雙螺桿蒸煮-拉伸機(jī)的參數(shù)有停留時間、溫度、比機(jī)械能、螺桿轉(zhuǎn)速等，研究建立了奶酪水分含量與系統(tǒng)變量之間的二次關(guān)系，蒸煮停留時間對奶酪成分、各向異性及儲能模量呈線性影響，而拉伸停留時間影響較??；工藝的主要步驟（塑化、輸送、紋理化）決定了工藝設(shè)計(jì)，相連片式模頭的溫度可用于確定剪切應(yīng)力，進(jìn)而控制各向異性特性。

改進(jìn)型單螺桿擠出機(jī)的參數(shù)為溫度和螺桿轉(zhuǎn)速，研究發(fā)現(xiàn)低比機(jī)械能下可生產(chǎn)出細(xì)長纖維，凝乳性能與出口溫度呈線性相關(guān)，擠出過程會增加鈣-蛋白質(zhì)鍵的數(shù)量。雙螺桿擠出機(jī)的參數(shù)包括溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、停留時間、比機(jī)械能、質(zhì)量流量、扭矩等，在低比機(jī)械能下可生產(chǎn)細(xì)長纖維，凝乳性能與出口溫度呈線性相關(guān)，擠出會增加鈣-蛋白質(zhì)橋鍵。

Farinograph（雙葉片混合機(jī)）的參數(shù)有溫度、時間、轉(zhuǎn)速、熱負(fù)荷、比機(jī)械能，研究發(fā)現(xiàn)截留水與奶酪凝乳溫度和熱負(fù)荷呈正相關(guān)，但不受機(jī)械處理量影響；其生產(chǎn)的奶酪硬度和流動性通常低于Blentech生產(chǎn)的奶酪。Stephan（單葉片蒸煮機(jī)）的參數(shù)為葉片轉(zhuǎn)速，葉片轉(zhuǎn)速提高會增加奶酪硬度，降低熔融性。毛細(xì)管流變儀的參數(shù)為溫度，研究觀察到壓力波動和奶酪產(chǎn)品變形，表明超過臨界剪切速率時會出現(xiàn)熔體破裂。Thermomix的參數(shù)為揉捏時間和溫度，當(dāng)烹飪溫度從55 ℃升至70 ℃時，奶酪產(chǎn)率下降。盡管操作參數(shù)和系統(tǒng)變量的研究不斷深入，但單獨(dú)研究剪切和加熱參數(shù)仍存在困難，未來需開發(fā)全面系統(tǒng)的方法以精準(zhǔn)描述單純剪切的影響。

4剪切對馬蘇里拉奶酪性能的影響

4.1對微觀結(jié)構(gòu)的影響

蒸煮-拉伸過程會導(dǎo)致新鮮馬蘇里拉奶酪中水分分布不均勻。在熱機(jī)械處理過程中，原本均勻分布的小脂肪球會聚集形成多種尺寸的脂肪球，平均直徑增大。在相對溫和的條件下，脂肪和乳清能更均勻地分散在蛋白質(zhì)基質(zhì)中；而在劇烈混合條件下，酪蛋白片段會變厚，脂肪池穩(wěn)定性下降。熱能增加結(jié)合處理時間延長，可能直接影響與奶酪蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)相連的水相，導(dǎo)致大量游離水出現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，更長的混合時間和更高的溫度會加速更大脂肪域和聚集體的形成，這些脂肪域和聚集體會被困在蛋白質(zhì)腔中。拉伸后，蛋白質(zhì)基質(zhì)變得更致密，脂肪顆粒聚集體增多；加熱結(jié)合拉伸會導(dǎo)致蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中包裹的脂肪球破裂和聚集。對軟化凝乳施加剪切力，會使蛋白質(zhì)聚集體定向排列形成彈性纖維，纖維間分布著游離脂肪和乳清通道。此外，更高的剪切速度和加熱溫度會顯著提高脂肪球的圓形度。

微觀結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)，Stephan生產(chǎn)的奶酪比Blentech生產(chǎn)的奶酪含有更小、更均勻的脂肪球，且混合速率提高會使脂肪球尺寸顯著減小。在剪切初期，乳脂肪以相對較大的池狀形式存在；進(jìn)一步處理后，形成更典型的馬蘇里拉奶酪結(jié)構(gòu)，脂肪主要以通道或細(xì)長脂肪顆粒的形式分散；剪切功進(jìn)一步增加會導(dǎo)致脂肪滴變小，甚至細(xì)長脂肪結(jié)構(gòu)消失；在最大剪切功輸入下，馬蘇里拉奶酪微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出非常精細(xì)的脂肪顆粒分布，同時觀察到微觀裂紋，表明奶酪材料呈脆性。

4.2對營養(yǎng)成分的影響

在熱水中進(jìn)行蒸煮-拉伸時，奶酪凝乳的質(zhì)量損失不可避免。以往研究普遍表明，熱機(jī)械處理后奶酪中蛋白質(zhì)含量相對增加，脂肪和水分含量降低，拉伸水中脂肪含量增加。脂肪是固體損失的主要部分，混合過程中質(zhì)量損失約占初始凝乳重量的10%；蛋白質(zhì)和其他固體的損失分別僅占總固體損失的6%和10%，其余84%為脂肪損失。

總體而言，隨著混合速度的增加，奶酪脂肪和水分含量會降低。研究表明，存在最佳的比機(jī)械能和奶酪溫度值，可使脂肪損失最小化且奶酪產(chǎn)率最大化，因?yàn)樵谧罴褩l件下，脂肪能最均勻地分布在酪蛋白網(wǎng)絡(luò)中。

關(guān)于鹽和乳糖的遷移（即進(jìn)入奶酪凝乳或釋放到拉伸水中）的研究報道較少。Mayes等在3%（m/m）NaCl鹽水中拉伸凝乳，發(fā)現(xiàn)溫度升高會導(dǎo)致奶酪中鹽含量增加。Ma等報道，隨著拉伸溫度升高，鹽/水分比升高；隨著拉伸速度增加，鈣含量升高。Banville等在含有3%（m/m）NaCl和500 mg/kg鈣、pH 5.2的拉伸鹽水中制作奶酪，發(fā)現(xiàn)加工后奶酪凝乳中非蛋白質(zhì)和非脂肪固體含量低于初始凝乳，但受不同混合設(shè)置的影響不顯著。B?hler等發(fā)現(xiàn)，隨著揉捏時間和溫度的增加，拉伸水中乳糖含量增加，這歸因于固體的蒸發(fā)和濃縮。Gon?alves等報道，拉伸后奶酪中不溶性鈣含量降低。有研究指出，奶酪和拉伸水的 pH 值不受拉伸條件影響，但基于主成分分析，拉伸溫度升高會導(dǎo)致 pH 值降低。

4.3對流變學(xué)和機(jī)械性能的影響

馬蘇里拉奶酪的流變特性復(fù)雜，其黏彈性隨工作溫度、程度和速率變化，呈現(xiàn)出不同的固體和液體特性。在拉伸測試中，馬蘇里拉奶酪表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性；在旋轉(zhuǎn)流變儀的流變測試中，表現(xiàn)出加工增稠特性。研究發(fā)現(xiàn)，剪切功輸入越高，奶酪彈性越大；隨著剪切功增加，黏彈性液體轉(zhuǎn)變?yōu)轲椥怨腆w，頻率依賴性降低。剪切功輸入顯著提高了穩(wěn)態(tài)剪切黏度，降低了馬蘇里拉奶酪的熔融性；進(jìn)一步增加剪切強(qiáng)度，奶酪會失去拉伸性并排出乳清。這些變化均源于長時間機(jī)械作用后更強(qiáng)的蛋白質(zhì)-鈣相互作用。

Banville等報道，當(dāng)奶酪混合時間不同時，在1 Hz下測量的儲能模量及其頻率依賴性呈現(xiàn)相反趨勢；最高混合溫度下生產(chǎn)的奶酪頻率依賴性更高，表明蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)變?nèi)酢?/p>

El-Bakry等對比了不同混合機(jī)的剪切功效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)Blentech生產(chǎn)的奶酪硬度顯著高于Farinograph生產(chǎn)的奶酪，這與脂肪球尺寸有關(guān)；而內(nèi)聚性和交叉溫度不受影響。Noronha等研究了Blentech和Stephan蒸煮機(jī)的混合作用對奶酪行為的影響，發(fā)現(xiàn)提高攪拌速度對 Blentech 奶酪的硬度和交叉溫度無影響，但對Stephan奶酪有影響；Stephan 奶酪的葉片轉(zhuǎn)速提高會導(dǎo)致硬度線性增加，這是因?yàn)槔业鞍装母≈厩蛟鰪?qiáng)了酪蛋白基質(zhì)的強(qiáng)度；Stephan奶酪在中等葉片轉(zhuǎn)速下內(nèi)聚性值最低，且其交叉溫度遠(yuǎn)高于Blentech奶酪。通過拉伸測試評估牛奶蛋白基擠出物的各向異性，結(jié)果表明，最大剪切應(yīng)力增加會導(dǎo)致各向異性行為增強(qiáng)。此外，蒸煮停留時間與馬蘇里拉奶酪的各向異性比和儲能模量呈線性相關(guān)；在更高擠出溫度下擠出的奶酪凝乳，彈性和拉伸強(qiáng)度得到提升，這與脂肪滴的良好伸長有關(guān)。

4.4對功能特性的影響

在奶酪熔融性方面，熱能發(fā)揮重要作用：在65 ℃下進(jìn)行剪切處理的奶酪，其熔融性顯著高于85 ℃下處理的奶酪；低熱能結(jié)合低螺桿轉(zhuǎn)速條件下，奶酪熔融性達(dá)到最大值。拉伸速度對馬蘇里拉奶酪中游離油脂的形成影響不顯著；而增加拉伸程度和拉伸水溫，會顯著促進(jìn)游離油脂形成，這是由于脂肪球熔融聚集和球膜破裂所致。奶酪褐變是影響消費(fèi)者接受度的關(guān)鍵屬性，主要由還原糖與游離氨基酸基團(tuán)之間的美拉德反應(yīng)引起。研究報道，隨著拉伸停留時間增加，馬蘇里拉奶酪褐變呈上升趨勢，這與游離油脂析出有關(guān)；游離油脂析出減少會促進(jìn)奶酪表面干燥，從而加速褐變。

目前，關(guān)于蒸煮-拉伸對奶酪性能影響的研究已較為廣泛，但研究人員和生產(chǎn)商真正關(guān)注的是剪切性能的精準(zhǔn)量化及其對奶酪的量化影響，以及生產(chǎn)定制化奶酪產(chǎn)品所需的剪切能量輸入量。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，仍需進(jìn)一步努力。

5結(jié)論與展望

帕斯塔菲拉塔奶酪（如馬蘇里拉奶酪）的特征纖維結(jié)構(gòu)深受研究人員和奶酪生產(chǎn)商關(guān)注，該結(jié)構(gòu)的形成離不開特殊的熱機(jī)械處理，即蒸煮-拉伸步驟。此步驟通過施加熱量和剪切力促進(jìn)纖維形成，使奶酪呈現(xiàn)各向異性。本文總結(jié)了多種傳統(tǒng)和新型設(shè)備，如單螺桿或雙螺桿蒸煮-拉伸機(jī)、擠出機(jī)、不同設(shè)計(jì)的混合機(jī)、Thermomix等。與無水產(chǎn)擠出機(jī)相比，傳統(tǒng)含水蒸煮-拉伸機(jī)施加的剪切功通常較低。研究發(fā)現(xiàn)，水溫、螺桿轉(zhuǎn)速等操作/可控參數(shù)在描述蒸煮-拉伸過程方面，不如比機(jī)械能、奶酪溫度、停留時間等系統(tǒng)/計(jì)算或?qū)崪y參數(shù)具代表性和便利性。區(qū)分熱量和剪切的影響也備受關(guān)注，研究通過分別計(jì)算蒸煮和拉伸停留時間，并將其與奶酪屬性相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。這些參數(shù)的變化會導(dǎo)致馬蘇里拉奶酪在微觀、介觀和宏觀層面呈現(xiàn)出一系列不同特性，包括各向異性、流變學(xué)特性、拉伸性以及與奶酪基質(zhì)中纖維形成相關(guān)的特性。

當(dāng)前，研究人員主要致力于2 個方向：一是更好地定性和定量系統(tǒng)變量，以精準(zhǔn)控制奶酪結(jié)構(gòu)和功能特性；二是開發(fā)近紅外技術(shù)等在線監(jiān)測技術(shù)，實(shí)時監(jiān)測奶酪加工過程中成分的動態(tài)變化，這對檢測熱量和剪切作用引起的變化極具價值?？傊?，剪切功對帕斯塔菲拉塔奶酪纖維形成和多尺度行為的影響仍需深入研究，尤其是從工業(yè)角度出發(fā)，以生產(chǎn)出具有定制化特性的奶酪產(chǎn)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

編輯：張慶芬、閻一鳴； 責(zé)任編輯：劉莉