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物理學家讓機器制作的東西注入靈魂

2019-12-09 14:18:18  來源:科研圈

我們常說機器制作的東西“沒有靈魂”,以面食為例,手工面條、手工面包吃起來特別香,而機器做的總讓人覺得還缺點啥……究竟是缺點啥呢?

機器難以模仿手工口感的原因之一,就是和面的過程非常依靠制作者的經驗。為了讓機器更好地和面,幾位德國物理學家對進行了細致的建模,并探索可能的優化方案。

從中國的面條、包子、饅頭,到歐美的意面、吐司、漢堡,面食養育著全世界約 45 億人口。這些面食各具風味,有的筋道爽口,有的柔軟蓬松,而產生不同口感的奧秘正在于最初那一坨面團的揉制過程。

揉面絕不是“面多了加水,水多了加面”,原材料配比、揉制手法、發酵時間都會影響最終成品的口感,糕點師傅和廚藝高手們都憑借經驗來調整這些參數。現在的廚師機、面包機雖然也能和面,但揉面時間、攪拌頻率等參數仍然依賴人工調整。如果希望用機器實現規模化生產,或是輕松在家就能炮制如同手工打造的美味,怎樣確保面團揉得恰到好處呢?

最近,一群來自慕尼黑工業大學的物理學家們通過數值模擬,探索了面團揉制過程中不同階段所發生的局部機械和微觀結構的變化,為進一步優化并獲得最佳面團揉制策略指出了方向。該研究發表在美國物理聯合會(AIP)出版的《流體物理學》(Physics of Fluids)上。

揉面團到底是在揉什么?

揉面看似是一連串簡單重復的動作,其實內藏玄機。在反復抬起、揉捏、壓實面團的過程中,空氣、水與面粉中的面筋蛋白交互作用,形成面團的內部網絡;這個網絡和其他成分緊密結合在一起,才慢慢形成了我們手中的這一坨光滑的小面團。

如果單獨將這些面筋蛋白提取出來,就做成了面筋,想必大家都吃過。由于這些高分子蛋白質的存在,過度揉搓面團不僅會導致水分吸收能力下降,還會導致面筋結構過于緊實纏繞,從而影響面團的膨起;相反,如果缺乏力道或揉制時間不夠,面筋結構就會過于松散,面團不容易留住空氣,做出來的面食難以成形或是容易破裂。

在和面過程中,面團結構和軟硬度會實時發生變化。如果不能自動控制和面過程,做出來的面食始終與手工打造的相差甚遠。那么,給面包機編個程不就解決問題了么?

是的!不過第一步,我們得知道面團揉制過程中需要控制的關鍵參數,以及它們與機器的交互作用。

揉面過程中的流變問題

在物理學家眼中,揉面是一個典型的流變學(rheology)問題:在外力作用下物體如何流動和形變。看起來白白凈凈、簡單純樸的面團,其實是一種復雜多相材料,其機械性能介于粘性液體和彈性固體之間,研究起來較為困難。

慕尼黑工業大學助理教授娜塔莉·格爾曼(Natalie Germann)帶領團隊,采用 ICEM CFD 仿真軟件,結合 White-Metzner 求解模型與 Bird-Carreau 剪切模型,對面團形成、延展以及破裂的過程進行了詳細建模分析。通過與高速相機拍攝的粘彈性材料爬桿實驗結果進行對比,驗證了該仿真模型的有效性。

為了確保仿真結果更加接近實際,需要通過實驗進行對比以及參數獲取。研究團隊精選了來自德國的小麥粉 500g,純凈水 296g,食鹽 9g,混合置于螺旋攪拌機中,并進行 60s 的低速預混合;接著,以 2 倍的速度繼續攪拌面團 300s 并輔以捏合臂的擠壓,捏合臂的擠壓速度約為旋轉混合速度的 6.5 倍;最后,揉好的面團需要靜置 20 分鐘,這個過程俗稱“醒面”。

進一步地,研究團隊對面團的流變特性、表面張力特性也分別進行了測量,這些參數都是仿真模擬過程所需的重要輸入參量;模擬時采用的幾何模型也與實際實驗中采用的機械結構保持一致。

圖 1。 Germann 團隊采用的幾何模型(與實驗一致)及邊界條件設置。圖片來自論文,DOI:10.1063/1.5122261

圖 1。 Germann 團隊采用的幾何模型(與實驗一致)及邊界條件設置。圖片來自論文,DOI:10.1063/1.5122261  當然,為了順利求解,模型也進行了一些簡化處理。例如,團隊在模擬中使用了低于實驗轉速的轉速,使面團保持在剪切率范圍內,以免發生斷裂,這樣的面團才能被視為宏觀連續體。

如何讓小面團聚成大面團?

從生活經驗我們可以知道,在開始和面的時候,往面粉中加入少量的水,稍一攪拌就會形成許多個小面團。如果用機器和面,怎么讓小面團聚集起來,成為一個大面團?

首先,研究團隊嘗試求解了 20rad/s 轉速下,面團混合過程中的瞬態微觀變化。他們發現,受到彈性的影響,混合物最初需要一段較長的時間對攪拌產生響應,并形成小面塊,跟隨攪拌方向運動。空氣隨之混入,形成切向對流的、大小不一的“面團氣囊”(圖 2a)。此時會有較大的正應力產生,與重力和離心力抗衡,導致面團向內流動并粘附于靜止桿上(圖 2b)。于是,大量面團會堆積于靜止桿和攪拌棒之間,在拉扯作用中形變、破裂,或是團聚成更大的面塊(圖 2c-d)。

圖 2。 面團攪拌過程解析。圖片來自論文,DOI:10.1063/1.5122261

圖 2。 面團攪拌過程解析。圖片來自論文,DOI:10.1063/1.5122261  解析了面團形成過程后,進一步當然就是對其進行優化了。如何讓面團更均勻地、更容易地團聚起來,而不是一直處于“散架”形態呢?研究團隊進一步發現,旋轉臂可以很好地使面塊之間發生纏繞,并克服攪拌過程中的剪切力,“捏合”小面塊凝結成大面團。同時他們還指出,這種捏合作用可以通過加大旋轉臂弧度或是采用相反旋向的兩根旋轉臂來進一步加強。

圖 3。 在旋轉臂的作用下,小面塊更容易互相聯結,形成大面團。圖片來自論文,DOI:10.1063/1.5122261

圖 3。 在旋轉臂的作用下,小面塊更容易互相聯結,形成大面團。圖片來自論文,DOI:10.1063/1.5122261  當面團成型之后,怎樣調整和面的時間和力道,賦予面食不同的口感?研究進一步發現,在攪拌過程中,面團內部不同部分的最大速度差,出現于面團中部以及靠近旋轉臂最大曲率半徑處——這個區域是面團伸縮的最主要區域,也是產生面團氣囊的關鍵區域。所以,要想改變面團的質地,可以通過優化和調節轉速和懸臂參數,獲得不同的空氣摻雜以及剪切過程。

圖 4。 揉制 200s 時,不同軸向位置上面團的速度分布。(a) y=120mm;(b) y=160mm;(c) y=190mm;(d) y=210mm。圖片來自論文,DOI:10.1063/1.5122261

圖 4。 揉制 200s 時,不同軸向位置上面團的速度分布。(a) y=120mm;(b) y=160mm;(c) y=190mm;(d) y=210mm。圖片來自論文,DOI:10.1063/1.5122261  為廚師機“注入靈魂”

格爾曼表示:“以往的相關研究通常只考慮面團的純粘性特性,并將模擬的模型限定在極為簡化的幾何形狀上,例如同心圓柱結構。”此外,上述研究幾乎沒有考慮材料的彈性,因而忽略了引起攀緣現象的正應力。

他們的研究結果表明,垂直混合面團的方式不如螺旋捏合機的徑向混合效果。因此,未來的自動揉面機可通過使用更彎曲的螺旋臂或附加的螺旋捏合器代替中心固定棒,來進一步改善面團混合效果。再加上非等溫過程控制,機器揉制面團的“手藝”很可能會有質的飛躍。

想到未來能夠擁有一臺揉面機,自己按幾個按鈕、編幾個程序就能做出口感精美的饅頭、面包、花卷、面條、餃子……還真是令人期待呢。

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