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咱们常说机器制造的东西“没有魂灵”，以面食为例，手工面条、手工面包吃起来特别香，而机器做的总让人觉得还缺陷啥……究竟是缺陷啥呢？
机器难以仿照手工口感的原因之一，便是和面的进程十分依托制造者的经历。为了让机器更好地和面，几位德国物理学家对进行了详尽的建模，并探究或许的优化计划。
撰文 | Helena
修改 | 戚译引
从我国的面条、包子、馒头，到欧美的意面、吐司、汉堡，面食哺育着全世界约 45 亿人口。这些面食各具风味，有的筋道爽口，有的柔软疏松，而发作不同口感的奥妙正在于开端那一坨面团的揉制进程。
揉面绝不是“面多了加水，水多了加面”，原资料配比、揉制方法、发酵时刻都会影响终究制品的口感，糕点师傅和厨艺高手们都凭仗经历来调整这些参数。现在的厨师机、面包机尽管也能和面，但揉面时刻、拌和频率等参数依然依靠人工调整。假如期望用机器完成规模化出产，或是轻松在家就能编造好像手工打造的甘旨，怎样保证面团揉得适可而止呢？
最近，一群来自慕尼黑工业大学的物理学家们经过数值模仿，探究了面团揉制进程中不同阶段所发作的部分机械和微观结构的改动，为进一步优化并取得最佳面团揉制战略指出了方向。该研讨宣布在《流体物理学》上。
揉面团到底是在揉什么？
揉面看似是一连串简略重复的动作，其实内藏玄机。在重复抬起、揉捏、压实面团的进程中，空气、水与面粉中的面筋蛋白交互作用，构成面团的内部网络；这个网络和其他成分紧密结合在一起，才渐渐构成了咱们手中的这一坨润滑的小面团。
假如独自将这些面筋蛋白提取出来，就做成了面筋，想必咱们都吃过。因为这些高分子蛋白质的存在，过度搓弄面团不只会导致水分吸收能力下降，还会导致面筋结构过于紧实环绕，然后影响面团的膨起；相反，假如缺少力道或揉制时刻不行，面筋结构就会过于松懈，面团不简略留住空气，做出来的面食难以成形或是简略决裂。
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在和面进程中，面团结构和软硬度会实时发作显着的改动。假如不能主动操控和面进程，做出来的面食一向与手工打造的相差甚远。那么，给面包机编个程不就处理问题了么？
是的！不过第一步，咱们得知道面团揉制进程中需求操控的要害参数，以及它们与机器的交互作用。
揉面进程中的流变问题
在物理学家眼中，揉面是一个典型的流变学（rheology）问题：在外力作用下物体怎样活动和形变。看起来白白净净、简略质朴的面团，其实是一种杂乱多相资料，其机械性能介于粘性液体和弹性固体之间，研讨起来较为困难。
慕尼黑工业大学助理教授娜塔莉·格尔曼（Natalie Germann）带领团队，选用 ICEM CFD 仿真软件，结合 White-Metzner 求解模型与 Bird-Carreau 剪切模型，对面团构成、延展以及决裂的进程进行了具体建模剖析。经过与高速相机拍照的粘弹性资料爬杆试验成果进行比照，验证了该仿真模型的有效性。
为了保证仿真成果愈加挨近实践，需求经过试验进行比照以及参数获取。研讨团队精选了来自德国的小麦粉 500g，纯净水 296g，食盐 9g，混合置于螺旋拌和机中，并进行 60s 的低速预混合；接着，以 2 倍的速度持续拌和面团 300s 并辅以捏合臂的揉捏，捏合臂的揉捏速度约为旋转混合速度的 6.5 倍；终究，揉好的面团需求静置 20 分钟，这样的一个进程俗称“醒面”。
进一步地，研讨团队对面团的流变特性、表面张力特性也别离进行了丈量，这些参数都是仿真模仿进程所需的重要输入参量；模仿时选用的几许模型也与实践试验中选用的机械结构保持共同。
Germann 团队选用的几许模型（与试验共同）及边界条件设置。（本图及以下图片均来自论文，DOI：10.1063/1.5122261）
当然，为了顺畅求解，模型也进行了一些简化处理。例如，团队在模仿中运用了低于试验转速的转速，使面团保持在剪切率范围内，避免发作开裂，这样的面团才干被视为微观接连体。
怎样让小面聚会成大面团？
从生活经历咱们咱们可以知道，在开端和面的时分，往面粉中参加少数的水，稍一拌和就会构成许多个小面团。假如用机器和面，怎样让小面聚会集起来，成为一个大面团？
首要，研讨团队测验求解了 20rad/s 转速下，面团混合进程中的瞬态微观改动。他们发现，遭到弹性的影响，混合物开端需求一段较长的时刻对拌和发作呼应，并构成小面块，跟从拌和方向运动。空气随之混入，构成切向对流的、大小不一的“面团气囊”（下方图a）。此刻会有较大的正应力发作，与重力和离心力抗衡，导致面团向内活动并粘附于停止杆上（b）。所以，很多面团会堆积于停止杆和拌和棒之间，在拉扯作用中形变、决裂，或是聚会成更大的面块（c-d）。
面团拌和进程解析。
解析了面团构成进程后，进一步当然便是对其进行优化了。怎样让面团更均匀地、更简略地聚会起来，而不是一向处于“散架”形状呢？研讨团队进一步发现，旋转臂可以很好地使面块之间发作环绕，并战胜拌和进程中的剪切力，“捏合”小面块凝聚成大面团。一起他们还指出，这种捏合作用可以终究靠加大旋转臂弧度或是选用相反旋向的两根旋转臂来进一步加强。
在旋转臂的作用下，小面块更简略相互联合，构成大面团。
当面团成型之后，怎样调整和面的时刻和力道，赋予面食不同的口感？研讨进一步发现，在拌和进程中，面团内部不同部分的最大速度差，呈现于面团中部以及接近旋转臂最大曲率半径处——这个区域是面团弹性的最主要区域，也是发作面团气囊的要害区域。所以，要想改动面团的质地，可以终究靠优化和调理转速和悬臂参数，取得不同的空气掺杂以及剪切进程。
揉制 200s 时，不同轴向方位上面团的速度散布。(a) y=120mm；(b) y=160mm；(c) y=190mm；(d) y=210mm。
为厨师机“注入魂灵”
格尔曼表明：“以往的相关研讨一般只考虑面团的纯粘性特性，并将模仿的模型限定在极为简化的几许形状上，例好像心圆柱结构。”此外，上述研讨几乎没有考虑资料的弹性，因而疏忽了引起攀缘现象的正应力。
他们的研讨成果表明，笔直混合面团的方法不如螺旋捏合机的径向混合作用。因而，未来的主动揉面机可经过运用更曲折的螺旋臂或附加的螺旋捏合器替代中心固定棒，来进一步改进面团混合作用。再加上非等温进程操控，机器揉制面团的“手工”很或许会有质的腾跃。
想到未来可以具有一台揉面机，自己按几个按钮、编几个程序就能做出口感精巧的馒头、面包、花卷、面条、饺子……还真是令人等待呢。
本文转载自“科研圈”（ID：keyanquan）
