來源：科研圈
我們常說機(jī)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(jī)器做的總讓人覺得還缺點(diǎn)啥……究竟是缺點(diǎn)啥呢？
機(jī)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(jīng)驗(yàn)。為了讓機(jī)器更好地和面，幾位德國物理學(xué)家對進(jìn)行了細(xì)致的建模，并探索可能的優(yōu)化方案。
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從中國的面條、包子、饅頭，到歐美的意面、吐司、漢堡，面食養(yǎng)育著全世界約 45 億人口。這些面食各具風(fēng)味，有的筋道爽口，有的柔軟蓬松，而產(chǎn)生不同口感的奧秘正在于最初那一坨面團(tuán)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(fā)酵時(shí)間都會(huì)影響最終成品的口感，糕點(diǎn)師傅和廚藝高手們都憑借經(jīng)驗(yàn)來調(diào)整這些參數(shù)?，F(xiàn)在的廚師機(jī)、面包機(jī)雖然也能和面，但揉面時(shí)間、攪拌頻率等參數(shù)仍然依賴人工調(diào)整。如果希望用機(jī)器實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，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(tuán)揉得恰到好處呢？
最近，一群來自慕尼黑工業(yè)大學(xué)的物理學(xué)家們通過數(shù)值模擬，探索了面團(tuán)揉制過程中不同階段所發(fā)生的局部機(jī)械和微觀結(jié)構(gòu)的變化，為進(jìn)一步優(yōu)化并獲得最佳面團(tuán)揉制策略指出了方向。該研究發(fā)表在美國物理聯(lián)合會(huì)（AIP）出版的《流體物理學(xué)》（Physics of Fluids）上。
揉面團(tuán)到底是在揉什么？
揉面看似是一連串簡單重復(fù)的動(dòng)作，其實(shí)內(nèi)藏玄機(jī)。在反復(fù)抬起、揉捏、壓實(shí)面團(tuán)的過程中，空氣、水與面粉中的面筋蛋白交互作用，形成面團(tuán)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)；這個(gè)網(wǎng)絡(luò)和其他成分緊密結(jié)合在一起，才慢慢形成了我們手中的這一坨光滑的小面團(tuán)。
如果單獨(dú)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(zhì)的存在，過度揉搓面團(tuán)不僅會(huì)導(dǎo)致水分吸收能力下降，還會(huì)導(dǎo)致面筋結(jié)構(gòu)過于緊實(shí)纏繞，從而影響面團(tuán)的膨起；相反，如果缺乏力道或揉制時(shí)間不夠，面筋結(jié)構(gòu)就會(huì)過于松散，面團(tuán)不容易留住空氣，做出來的面食難以成形或是容易破裂。
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在和面過程中，面團(tuán)結(jié)構(gòu)和軟硬度會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)生變化。如果不能自動(dòng)控制和面過程，做出來的面食始終與手工打造的相差甚遠(yuǎn)。那么，給面包機(jī)編個(gè)程不就解決問題了么？
是的！不過第一步，我們得知道面團(tuán)揉制過程中需要控制的關(guān)鍵參數(shù)，以及它們與機(jī)器的交互作用。
揉面過程中的流變問題
在物理學(xué)家眼中，揉面是一個(gè)典型的流變學(xué)（rheology）問題：在外力作用下物體如何流動(dòng)和形變。看起來白白凈凈、簡單純樸的面團(tuán)，其實(shí)是一種復(fù)雜多相材料，其機(jī)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(yè)大學(xué)助理教授娜塔莉·格爾曼（Natalie Germann）帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，采用 ICEM CFD 仿真軟件，結(jié)合 White-Metzner 求解模型與 Bird-Carreau 剪切模型，對面團(tuán)形成、延展以及破裂的過程進(jìn)行了詳細(xì)建模分析。通過與高速相機(jī)拍攝的粘彈性材料爬桿實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了該仿真模型的有效性。
為了確保仿真結(jié)果更加接近實(shí)際，需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比以及參數(shù)獲取。研究團(tuán)隊(duì)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(jī)中，并進(jìn)行 60s 的低速預(yù)混合；接著，以 2 倍的速度繼續(xù)攪拌面團(tuán) 300s 并輔以捏合臂的擠壓，捏合臂的擠壓速度約為旋轉(zhuǎn)混合速度的 6.5 倍；最后，揉好的面團(tuán)需要靜置 20 分鐘，這個(gè)過程俗稱“醒面”。
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進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)對面團(tuán)的流變特性、表面張力特性也分別進(jìn)行了測量，這些參數(shù)都是仿真模擬過程所需的重要輸入?yún)⒘?；模擬時(shí)采用的幾何模型也與實(shí)際實(shí)驗(yàn)中采用的機(jī)械結(jié)構(gòu)保持一致。
圖 1。 Germann 團(tuán)隊(duì)采用的幾何模型（與實(shí)驗(yàn)一致）及邊界條件設(shè)置。圖片來自論文，DOI：10.1063/1.5122261
當(dāng)然，為了順利求解，模型也進(jìn)行了一些簡化處理。例如，團(tuán)隊(duì)在模擬中使用了低于實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速，使面團(tuán)保持在剪切率范圍內(nèi)，以免發(fā)生斷裂，這樣的面團(tuán)才能被視為宏觀連續(xù)體。
如何讓小面團(tuán)聚成大面團(tuán)？
從生活經(jīng)驗(yàn)我們可以知道，在開始和面的時(shí)候，往面粉中加入少量的水，稍一攪拌就會(huì)形成許多個(gè)小面團(tuán)。如果用機(jī)器和面，怎么讓小面團(tuán)聚集起來，成為一個(gè)大面團(tuán)？
首先，研究團(tuán)隊(duì)嘗試求解了 20rad/s 轉(zhuǎn)速下，面團(tuán)混合過程中的瞬態(tài)微觀變化。他們發(fā)現(xiàn)，受到彈性的影響，混合物最初需要一段較長的時(shí)間對攪拌產(chǎn)生響應(yīng)，并形成小面塊，跟隨攪拌方向運(yùn)動(dòng)?？諝怆S之混入，形成切向?qū)α鞯?、大小不一的“面團(tuán)氣囊”（圖 2a）。此時(shí)會(huì)有較大的正應(yīng)力產(chǎn)生，與重力和離心力抗衡，導(dǎo)致面團(tuán)向內(nèi)流動(dòng)并粘附于靜止桿上（圖 2b）。于是，大量面團(tuán)會(huì)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(tuán)聚成更大的面塊（圖 2c-d）。
圖 2。 面團(tuán)攪拌過程解析。圖片來自論文，DOI：10.1063/1.5122261
解析了面團(tuán)形成過程后，進(jìn)一步當(dāng)然就是對其進(jìn)行優(yōu)化了。如何讓面團(tuán)更均勻地、更容易地團(tuán)聚起來，而不是一直處于“散架”形態(tài)呢？研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)臂可以很好地使面塊之間發(fā)生纏繞，并克服攪拌過程中的剪切力，“捏合”小面塊凝結(jié)成大面團(tuán)。同時(shí)他們還指出，這種捏合作用可以通過加大旋轉(zhuǎn)臂弧度或是采用相反旋向的兩根旋轉(zhuǎn)臂來進(jìn)一步加強(qiáng)。
圖 3。 在旋轉(zhuǎn)臂的作用下，小面塊更容易互相聯(lián)結(jié)，形成大面團(tuán)。圖片來自論文，DOI：10.1063/1.5122261
當(dāng)面團(tuán)成型之后，怎樣調(diào)整和面的時(shí)間和力道，賦予面食不同的口感？研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在攪拌過程中，面團(tuán)內(nèi)部不同部分的最大速度差，出現(xiàn)于面團(tuán)中部以及靠近旋轉(zhuǎn)臂最大曲率半徑處——這個(gè)區(qū)域是面團(tuán)伸縮的最主要區(qū)域，也是產(chǎn)生面團(tuán)氣囊的關(guān)鍵區(qū)域。所以，要想改變面團(tuán)的質(zhì)地，可以通過優(yōu)化和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和懸臂參數(shù)，獲得不同的空氣摻雜以及剪切過程。
圖 4。 揉制 200s 時(shí)，不同軸向位置上面團(tuán)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(jī)“注入靈魂”
格爾曼表示：“以往的相關(guān)研究通常只考慮面團(tuán)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(jié)構(gòu)?！贝送猓鲜鲅芯繋缀鯖]有考慮材料的彈性，因而忽略了引起攀緣現(xiàn)象的正應(yīng)力。
他們的研究結(jié)果表明，垂直混合面團(tuán)的方式不如螺旋捏合機(jī)的徑向混合效果。因此，未來的自動(dòng)揉面機(jī)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(jìn)一步改善面團(tuán)混合效果。再加上非等溫過程控制，機(jī)器揉制面團(tuán)的“手藝”很可能會(huì)有質(zhì)的飛躍。
想到未來能夠擁有一臺揉面機(jī)，自己按幾個(gè)按鈕、編幾個(gè)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。
