摘要：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，並克服攪拌過程中的剪切力，“捏合”小面塊凝結成大面團。慕尼黑工業大學助理教授娜塔莉·格爾曼（Natalie Germann）帶領團隊，採用 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。

來源：科研圈

我們常說機器製作的東西“沒有靈魂”，以麪食爲例，手工麪條、手工麪包喫起來特別香，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，就是和麪的過程非常依靠製作者的經驗。爲了讓機器更好地和麪，幾位德國物理學家對進行了細緻的建模，並探索可能的優化方案。

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從中國的麪條、包子、饅頭，到歐美的意麪、吐司、漢堡，麪食養育着全世界約 45 億人口。這些麪食各具風味，有的筋道爽口，有的柔軟蓬鬆，而產生不同口感的奧祕正在於最初那一坨麪糰的揉制過程。

揉麪絕不是“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藉經驗來調整這些參數。現在的廚師機、麪包機雖然也能和麪，但揉麪時間、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，或是輕鬆在家就能炮製如同手工打造的美味，怎樣確保麪糰揉得恰到好處呢？

最近，一羣來自慕尼黑工業大學的物理學家們通過數值模擬，探索了麪糰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，爲進一步優化並獲得最佳麪糰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。

揉麪團到底是在揉什麼？

揉麪看似是一連串簡單重複的動作，其實內藏玄機。在反覆抬起、揉捏、壓實麪糰的過程中，空氣、水與麪粉中的麪筋蛋白交互作用，形成麪糰的內部網絡；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麪糰。

如果單獨將這些麪筋蛋白提取出來，就做成了麪筋，想必大家都喫過。由於這些高分子蛋白質的存在，過度揉搓麪糰不僅會導致水分吸收能力下降，還會導致麪筋結構過於緊實纏繞，從而影響麪糰的膨起；相反，如果缺乏力道或揉制時間不夠，麪筋結構就會過於鬆散，麪糰不容易留住空氣，做出來的麪食難以成形或是容易破裂。

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在和麪過程中，麪糰結構和軟硬度會實時發生變化。如果不能自動控制和麪過程，做出來的麪食始終與手工打造的相差甚遠。那麼，給麪包機編個程不就解決問題了麼？

是的！不過第一步，我們得知道麪糰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。

揉麪過程中的流變問題

在物理學家眼中，揉麪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。看起來白白淨淨、簡單純樸的麪糰，其實是一種複雜多相材料，其機械性能介於粘性液體和彈性固體之間，研究起來較爲困難。

慕尼黑工業大學助理教授娜塔莉·格爾曼（Natalie Germann）帶領團隊，採用 ICEM CFD 仿真軟件，結合 White-Metzner 求解模型與 Bird-Carreau 剪切模型，對麪糰形成、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杆實驗結果進行對比，驗證了該仿真模型的有效性。

爲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，純淨水 296g，食鹽 9g，混合置於螺旋攪拌機中，並進行 60s 的低速預混合；接着，以 2 倍的速度繼續攪拌麪團 300s 並輔以捏合臂的擠壓，捏合臂的擠壓速度約爲旋轉混合速度的 6.5 倍；最後，揉好的麪糰需要靜置 20 分鐘，這個過程俗稱“醒面”。

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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；模擬時採用的幾何模型也與實際實驗中採用的機械結構保持一致。

圖 1。 Germann 團隊採用的幾何模型（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，爲了順利求解，模型也進行了一些簡化處理。例如，團隊在模擬中使用了低於實驗轉速的轉速，使麪糰保持在剪切率範圍內，以免發生斷裂，這樣的麪糰才能被視爲宏觀連續體。

如何讓小麪糰聚成大面團？

從生活經驗我們可以知道，在開始和麪的時候，往麪粉中加入少量的水，稍一攪拌就會形成許多個小麪糰。如果用機器和麪，怎麼讓小麪糰聚集起來，成爲一個大面團？

首先，研究團隊嘗試求解了 20rad/s 轉速下，麪糰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，並形成小面塊，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“麪糰氣囊”（圖 2a）。此時會有較大的正應力產生，與重力和離心力抗衡，導致麪糰向內流動並粘附於靜止杆上（圖 2b）。於是，大量麪糰會堆積於靜止杆和攪拌棒之間，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。 麪糰攪拌過程解析。圖片來自論文，DOI：10.1063/1.5122261

解析了麪糰形成過程後，進一步當然就是對其進行優化了。如何讓麪糰更均勻地、更容易地團聚起來，而不是一直處於“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，並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採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

當面團成型之後，怎樣調整和麪的時間和力道，賦予麪食不同的口感？研究進一步發現，在攪拌過程中，麪糰內部不同部分的最大速度差，出現於麪糰中部以及靠近旋轉臂最大麴率半徑處——這個區域是麪糰伸縮的最主要區域，也是產生麪糰氣囊的關鍵區域。所以，要想改變麪糰的質地，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佈。（a） y=120mm；（b） y=160mm；（c） y=190mm；（d） y=210mm。圖片來自論文，DOI：10.1063/1.5122261

爲廚師機“注入靈魂”

格爾曼表示：“以往的相關研究通常只考慮麪糰的純粘性特性，並將模擬的模型限定在極爲簡化的幾何形狀上，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，垂直混合麪糰的方式不如螺旋捏合機的徑向混合效果。因此，未來的自動揉麪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，來進一步改善麪糰混合效果。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麪機，自己按幾個按鈕、編幾個程序就能做出口感精美的饅頭、麪包、花捲、麪條、餃子……還真是令人期待呢。