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物理学科普：在物理学家研究下的包子馒头都被“注入灵魂”了
物理学科普：在物理学家研究下的包子馒头都被“注入灵魂”了
图片来源：Pixabay
我们常说机器制作的东西“没有灵魂”，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点啥……究竟是缺点啥呢？
机器难以模仿手工口感的原因之一，就是和面的过程非常依靠制作者的经验。为了让机器更好地和面，几位德国物理学家对进行了细致的建模，并探索可能的优化方案。
从中国的面条、包子、馒头，到欧美的意面、吐司、汉堡，面食养育着全世界约 45 亿人口。这些面食各具风味，有的筋道爽口，有的柔软蓬松，而产生不同口感的奥秘正在于最初那一坨面团的揉制过程。
揉面绝不是“面多了加水，水多了加面”，原材料配比、揉制手法、发酵时间都会影响最终成品的口感，糕点师傅和厨艺高手们都凭借经验来调整这些参数。现在的厨师机、面包机虽然也能和面，但揉面时间、搅拌频率等参数仍然依赖人工调整。如果希望用机器实现规模化生产，或是轻松在家就能炮制如同手工打造的美味，怎样确保面团揉得恰到好处呢？
最近，一群来自慕尼黑工业大学的物理学家们通过数值模拟，探索了面团揉制过程中不同阶段所发生的局部机械和微观结构的变化，为进一步优化并获得最佳面团揉制策略指出了方向。该研究发表在《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单重复的动作，其实内藏玄机。在反复抬起、揉捏、压实面团的过程中，空气、水与面粉中的面筋蛋白交互作用，形成面团的内部网络；这个网络和其他成分紧密结合在一起，才慢慢形成了我们手中的这一坨光滑的小面团。
如果单独将这些面筋蛋白提取出来，就做成了面筋，想必大家都吃过。由于这些高分子蛋白质的存在，过度揉搓面团不仅会导致水分吸收能力下降，还会导致面筋结构过于紧实缠绕，从而影响面团的膨起；相反，如果缺乏力道或揉制时间不够，面筋结构就会过于松散，面团不容易留住空气，做出来的面食难以成形或是容易破裂。
图片来源：Pixabay
在和面过程中，面团结构和软硬度会实时发生变化。如果不能自动控制和面过程，做出来的面食始终与手工打造的相差甚远。那么，给面包机编个程不就解决问题了么？
是的！不过第一步，我们得知道面团揉制过程中需要控制的关键参数，以及它们与机器的交互作用。
揉面过程中的流变问题
在物理学家眼中，揉面是一个典型的流变学（rheology）问题：在外力作用下物体如何流动和形变。看起来白白净净、简单纯朴的面团，其实是一种复杂多相材料，其机械性能介于粘性液体和弹性固体之间，研究起来较为困难。
慕尼黑工业大学助理教授娜塔莉·格尔曼（Natalie Germann）带领团队，采用 ICEM CFD 仿真软件，结合 White-Metzner 求解模型与 Bird-Carreau 剪切模型，对面团形成、延展以及破裂的过程进行了详细建模分析。通过与高速相机拍摄的粘弹性材料爬杆实验结果进行对比，验证了该仿真模型的有效性。
为了确保仿真结果更加接近实际，需要通过实验进行对比以及参数获取。研究团队精选了来自德国的小麦粉 500g，纯净水 296g，食盐 9g，混合置于螺旋搅拌机中，并进行 60s 的低速预混合；接着，以 2 倍的速度继续搅拌面团 300s 并辅以捏合臂的挤压，捏合臂的挤压速度约为旋转混合速度的 6.5 倍；最后，揉好的面团需要静置 20 分钟，这个过程俗称“醒面”。
进一步地，研究团队对面团的流变特性、表面张力特性也分别进行了测量，这些参数都是仿真模拟过程所需的重要输入参量；模拟时采用的几何模型也与实际实验中采用的机械结构保持一致。
Germann 团队采用的几何模型（与实验一致）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，为了顺利求解，模型也进行了一些简化处理。例如，团队在模拟中使用了低于实验转速的转速，使面团保持在剪切率范围内，以免发生断裂，这样的面团才能被视为宏观连续体。
如何让小面团聚成大面团？
从生活经验我们可以知道，在开始和面的时候，往面粉中加入少量的水，稍一搅拌就会形成许多个小面团。如果用机器和面，怎么让小面团聚集起来，成为一个大面团？
首先，研究团队尝试求解了 20rad/s 转速下，面团混合过程中的瞬态微观变化。他们发现，受到弹性的影响，混合物最初需要一段较长的时间对搅拌产生响应，并形成小面块，跟随搅拌方向运动。空气随之混入，形成切向对流的、大小不一的“面团气囊”（下方图a）。此时会有较大的正应力产生，与重力和离心力抗衡，导致面团向内流动并粘附于静止杆上（b）。于是，大量面团会堆积于静止杆和搅拌棒之间，在拉扯作用中形变、破裂，或是团聚成更大的面块（c-d）。
面团搅拌过程解析。
解析了面团形成过程后，进一步当然就是对其进行优化了。如何让面团更均匀地、更容易地团聚起来，而不是一直处于“散架”形态呢？研究团队进一步发现，旋转臂可以很好地使面块之间发生缠绕，并克服搅拌过程中的剪切力，“捏合”小面块凝结成大面团。同时他们还指出，这种捏合作用可以通过加大旋转臂弧度或是采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，小面块更容易互相联结，形成大面团。
当面团成型之后，怎样调整和面的时间和力道，赋予面食不同的口感？研究进一步发现，在搅拌过程中，面团内部不同部分的最大速度差，出现于面团中部以及靠近旋转臂最大曲率半径处——这个区域是面团伸缩的最主要区域，也是产生面团气囊的关键区域。所以，要想改变面团的质地，可以通过优化和调节转速和悬臂参数，获得不同的空气掺杂以及剪切过程。
揉制 200s 时，不同轴向位置上面团的速度分布。(a) y=120mm；(b) y=160mm；(c) y=190mm；(d) y=210mm。
为厨师机“注入灵魂”
格尔曼表示：“以往的相关研究通常只考虑面团的纯粘性特性，并将模拟的模型限定在极为简化的几何形状上，例如同心圆柱结构。”此外，上述研究几乎没有考虑材料的弹性，因而忽略了引起攀缘现象的正应力。
他们的研究结果表明，垂直混合面团的方式不如螺旋捏合机的径向混合效果。因此，未来的自动揉面机可通过使用更弯曲的螺旋臂或附加的螺旋捏合器代替中心固定棒，来进一步改善面团混合效果。再加上非等温过程控制，机器揉制面团的“手艺”很可能会有质的飞跃。
想到未来能够拥有一台揉面机，自己按几个按钮、编几个程序就能做出口感精美的馒头、面包、花卷、面条、饺子……还真是令人期待呢。
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物理学科普：在物理学家研究下的包子馒头都被“注入灵魂”了
图片来源：Pixabay
机器难以模仿手工口感的原因之一，就是和面的过程非常依靠制作者的经验。为了让机器更好地和面，几位德国物理学家对进行了细致的建模，并探索可能的优化方案。
从中国的面条、包子、馒头，到欧美的意面、吐司、汉堡，面食养育着全世界约 45 亿人口。这些面食各具风味，有的筋道爽口，有的柔软蓬松，而产生不同口感的奥秘正在于最初那一坨面团的揉制过程。
揉面绝不是“面多了加水，水多了加面”，原材料配比、揉制手法、发酵时间都会影响最终成品的口感，糕点师傅和厨艺高手们都凭借经验来调整这些参数。现在的厨师机、面包机虽然也能和面，但揉面时间、搅拌频率等参数仍然依赖人工调整。如果希望用机器实现规模化生产，或是轻松在家就能炮制如同手工打造的美味，怎样确保面团揉得恰到好处呢？
最近，一群来自慕尼黑工业大学的物理学家们通过数值模拟，探索了面团揉制过程中不同阶段所发生的局部机械和微观结构的变化，为进一步优化并获得最佳面团揉制策略指出了方向。该研究发表在《流体物理学》上。
揉面看似是一连串简单重复的动作，其实内藏玄机。在反复抬起、揉捏、压实面团的过程中，空气、水与面粉中的面筋蛋白交互作用，形成面团的内部网络；这个网络和其他成分紧密结合在一起，才慢慢形成了我们手中的这一坨光滑的小面团。
如果单独将这些面筋蛋白提取出来，就做成了面筋，想必大家都吃过。由于这些高分子蛋白质的存在，过度揉搓面团不仅会导致水分吸收能力下降，还会导致面筋结构过于紧实缠绕，从而影响面团的膨起；相反，如果缺乏力道或揉制时间不够，面筋结构就会过于松散，面团不容易留住空气，做出来的面食难以成形或是容易破裂。
图片来源：Pixabay
在和面过程中，面团结构和软硬度会实时发生变化。如果不能自动控制和面过程，做出来的面食始终与手工打造的相差甚远。那么，给面包机编个程不就解决问题了么？
是的！不过第一步，我们得知道面团揉制过程中需要控制的关键参数，以及它们与机器的交互作用。
在物理学家眼中，揉面是一个典型的流变学（rheology）问题：在外力作用下物体如何流动和形变。看起来白白净净、简单纯朴的面团，其实是一种复杂多相材料，其机械性能介于粘性液体和弹性固体之间，研究起来较为困难。
慕尼黑工业大学助理教授娜塔莉·格尔曼（Natalie Germann）带领团队，采用 ICEM CFD 仿真软件，结合 White-Metzner 求解模型与 Bird-Carreau 剪切模型，对面团形成、延展以及破裂的过程进行了详细建模分析。通过与高速相机拍摄的粘弹性材料爬杆实验结果进行对比，验证了该仿真模型的有效性。
为了确保仿真结果更加接近实际，需要通过实验进行对比以及参数获取。研究团队精选了来自德国的小麦粉 500g，纯净水 296g，食盐 9g，混合置于螺旋搅拌机中，并进行 60s 的低速预混合；接着，以 2 倍的速度继续搅拌面团 300s 并辅以捏合臂的挤压，捏合臂的挤压速度约为旋转混合速度的 6.5 倍；最后，揉好的面团需要静置 20 分钟，这个过程俗称“醒面”。
进一步地，研究团队对面团的流变特性、表面张力特性也分别进行了测量，这些参数都是仿真模拟过程所需的重要输入参量；模拟时采用的几何模型也与实际实验中采用的机械结构保持一致。
Germann 团队采用的几何模型（与实验一致）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，为了顺利求解，模型也进行了一些简化处理。例如，团队在模拟中使用了低于实验转速的转速，使面团保持在剪切率范围内，以免发生断裂，这样的面团才能被视为宏观连续体。
从生活经验我们可以知道，在开始和面的时候，往面粉中加入少量的水，稍一搅拌就会形成许多个小面团。如果用机器和面，怎么让小面团聚集起来，成为一个大面团？
首先，研究团队尝试求解了 20rad/s 转速下，面团混合过程中的瞬态微观变化。他们发现，受到弹性的影响，混合物最初需要一段较长的时间对搅拌产生响应，并形成小面块，跟随搅拌方向运动。空气随之混入，形成切向对流的、大小不一的“面团气囊”（下方图a）。此时会有较大的正应力产生，与重力和离心力抗衡，导致面团向内流动并粘附于静止杆上（b）。于是，大量面团会堆积于静止杆和搅拌棒之间，在拉扯作用中形变、破裂，或是团聚成更大的面块（c-d）。
面团搅拌过程解析。
解析了面团形成过程后，进一步当然就是对其进行优化了。如何让面团更均匀地、更容易地团聚起来，而不是一直处于“散架”形态呢？研究团队进一步发现，旋转臂可以很好地使面块之间发生缠绕，并克服搅拌过程中的剪切力，“捏合”小面块凝结成大面团。同时他们还指出，这种捏合作用可以通过加大旋转臂弧度或是采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，小面块更容易互相联结，形成大面团。
当面团成型之后，怎样调整和面的时间和力道，赋予面食不同的口感？研究进一步发现，在搅拌过程中，面团内部不同部分的最大速度差，出现于面团中部以及靠近旋转臂最大曲率半径处——这个区域是面团伸缩的最主要区域，也是产生面团气囊的关键区域。所以，要想改变面团的质地，可以通过优化和调节转速和悬臂参数，获得不同的空气掺杂以及剪切过程。
揉制 200s 时，不同轴向位置上面团的速度分布。(a) y=120mm；(b) y=160mm；(c) y=190mm；(d) y=210mm。
格尔曼表示：“以往的相关研究通常只考虑面团的纯粘性特性，并将模拟的模型限定在极为简化的几何形状上，例如同心圆柱结构。”此外，上述研究几乎没有考虑材料的弹性，因而忽略了引起攀缘现象的正应力。
他们的研究结果表明，垂直混合面团的方式不如螺旋捏合机的径向混合效果。因此，未来的自动揉面机可通过使用更弯曲的螺旋臂或附加的螺旋捏合器代替中心固定棒，来进一步改善面团混合效果。再加上非等温过程控制，机器揉制面团的“手艺”很可能会有质的飞跃。
想到未来能够拥有一台揉面机，自己按几个按钮、编几个程序就能做出口感精美的馒头、面包、花卷、面条、饺子……还真是令人期待呢。
听说，打赏我的人最后都找到了真爱。
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