手擀麵加工過程中的非線性力學及熱力學問題
張亞輝
Unité de Mécanique, ENSTA-Paristech, UniversitéParis-Saclay, 828 BD des Marechaux, 91120 Palaiseau
摘要
本文對手擀麵加工過程中涉及的非線性力學及熱力學問題進行了分析，主要涉及：I.揉面過程的時效成形原理；II.擀麵過程中的非線性變形機理；III.煮麵過程中的火候控制問題。結合分析結果，本文對如何做出一碗可口筋道的手擀麵給出了可行性建議。
1.引言
麵條作為人類社會最主要的主食之一，自問世以來廣為流傳，深受人們喜愛。其形態各異，或細如龍鬚，或寬如褲帶；其吃法百搭，或略施榨菜，或魚頭高湯。一碗麵條下肚，生活便有了意義。我國勞動人民在長期的吃麵實踐中，創造性地摸索出了紛繁複雜的麵條加工方法。以刀削麵為代表的切削成形法，麵條口感筋道凌厲，然其技術要求過高，非常人居家所能及。以扯麵拉麵拉條子為代表的超塑性成形法風靡全國，然其前處理過於複雜，多用於麵館經營批量生產。以掛麵為代表的時效成形法，麵條風乾耐儲藏，然其工序耗時過長，只適用於商品化生產。與其他成形方法相比，手擀麵以其耗時短、技術門檻低、麵條樣式靈活多變的顯著優點，應用最為廣泛，尤其以作者所在的關中一帶，更是形成了家家戶戶把面擀的盛景奇觀。
然而擀麵看似簡單，背後卻蘊藏了極為複雜的力學原理。作為一種典型的粘塑性材料，麵團在擀成麵條的過程中呈現出複雜的非線性力學行為，時至今日，相關研究仍然極為欠缺。為了彌補此項空白，本文對手擀麵加工過程中的非線性力學及熱力學問題進行了系統的實驗及理論研究。各章安排如下：第二章介紹了實驗部分，包括材料屬性及實驗流程；第三章給出了理論分析，對餳面、擀麵、煮麵過程中涉及的非線性力學及熱力學知識進行了詳盡分析。第四章對全文工作進行了總結，並對未來工作做了展望。
2.實驗
本文所用麵粉為T45小麥粉，購於Auchan Villebon超市。和面用水為冷自來水，未加鹽，未加鹼。水面混合比為目測，只可意會，不可量化。經初步和面揉面，製成粗結構麵團。靜置約10分鐘後（即「餳面」），將麵團揉至細光態（表面無可見雜質），然後擀麵、切面、煮麵、吃麵。實驗照片由尼康D5200單眼相機和榮耀6智慧型手機拍攝。另加工豬裡脊肉及芹菜若干作為配菜，因對本文研究內容無實質影響，故不贅述。
3.理論分析
3.1 餳面過程中的時效成形原理
圖1給出了經過初步和面、揉面得到的粗結構麵團。粗結構麵團遠未達到擀麵要求，且其精加工十分困難，具體表現在：I.揉面很費力；II. 遲遲無法達到細光態。經過約10分鐘左右的時效成形（即「餳面」，以下統稱時效），麵團塑性大幅度提升，揉面過程變得省時省力，麵團很快即達到細光態，如圖2。
圖1 粗結構麵團
圖2 細光態麵團
圖3給出了麵團在時效成形過程中的微結構演化過程。和面過程中，水和麵粉混合，麵粉中蛋白質吸水形成麵筋，在揉面過程中麵筋相互粘連最終形成粗結構麵團。然而，由於初始揉面過程中，水分並不是均勻分布的，所以實際形成的粗結構麵團是一種各向異性材料，可近似為水分含量大的基體區夾雜著水分含量小的乾燥硬質區（微距實驗觀測見圖4）。乾燥硬質區作為增強相會顯著降低麵團的塑性。在初步揉面過程中，不同的局部硬質區的阻礙作用導致麵團塑性流動性變差；加之蛋白質大分子在外力作用下相互糾纏，亦會在麵團內部會產生殘餘應力，進一步導致麵團的力學性能變差。
圖3 時效成形過程示意圖
圖4 粗結構麵團的微距實驗觀測
經過時效處理後，水分得以均勻擴散，乾燥硬質區消失；由於不再有硬質區的阻礙作用，加之蛋白質大分子的鬆弛重構，麵團可視為各向同性材料，其塑性性能大幅度提升，從而使揉面變得十分容易，很快達到細光態。
3.2 擀麵過程中的非線性變形問題
擀麵有兩種形式：平面擀麵法和卷積擀麵法。下面予以分別討論。
3.2.1 平面擀麵法
圖5 平面擀麵法
圖5給出了平面擀麵法的剖面圖，其塑性流動法則遵循體積不變假設。所謂體積不變，即材料在變形過程中不論形狀如何變化，其總體積認為保持不變，所以厚度的減小必然意味著平面的擴展。如圖5所示，面片在擀麵杖的壓迫作用下，沿擀麵方向延展，最終達到擀薄的目的。
3.2.2 卷積擀麵法
圖6 卷積擀麵法
卷積擀麵法的原理與平面擀麵法類似，但具體變形過程較為複雜。為簡化分析，我們沿砧板法線方向對在某一擀麵時刻的卷積面片作以分割（如圖6紅色虛線），顯然，法線左側為已擀區，厚度較薄，法線右側為未擀區，厚度較厚；與平面擀麵法類似，未擀區在圖示法線方向接觸區域內受壓迫變薄，根據體積不變條件，材料向前延展，從而達到擀薄目的。由於卷積擀麵法具有多層次擀麵、多周期循環的優點，其擀麵效率大為提高。
3.2.3 擀麵過程中的回彈問題
以平面擀麵法為例，圖7給出了擀麵過程中回彈翹曲的產生機理。在擀麵過程中，面片上表面在擀麵杖作用下延展，延展後的上表面有彈性恢復的趨勢，故在上表面會產生一個拉應力。在面片邊緣區域，由於局部塑形流動，上表面的材料會補償到下表面，從而導致下表面彈性收縮趨勢遠小於上表面。另外，上表面是自由面，下表面與砧板接觸，面片與砧板間的摩擦力會進一步阻礙下表面的彈性恢復。由於上表面的彈性恢復，擀麵後面片會產生回彈現象，即表現為邊緣的翹曲，實驗觀測結果在圖8中給出。顯然，面片越厚，上述效果越顯著。在實際擀麵過程中，初始階段的平面擀麵法回彈量大，中後期的卷積擀麵法回彈量小，直至最後回彈完全消失。
圖7 回彈示意圖
圖8 回彈實驗觀測結果
3.2.4 中心變薄問題
在擀麵過程中，面片中心最容易擀薄，這是擀麵過程中材料塑性流動的另一個必然結果。根據3.2.1節及3.2.2節的分析，面片沿擀麵杖擀進方向的塑性流動最大，即擀麵杖擀進方向是面片的主變形方向。根據體積不變條件，延展越大，厚度減小越大。如圖9所示，以平面擀麵法為例，不論擀麵方向如何變化，面片中心區域一直處在主變形方向上。顯然，在同等的擀麵條件下，面片中心厚度減小最大。為了改善這一現象，初始擀麵過程中，往往遵循先邊緣、後中心的原則，以便在中心地帶形成高地，形似富士山，我們將其命名為「富士山擀麵法」。在具體實踐中，富士山擀麵法已得到廣泛應用。
圖9 主變形方向及其在循環擀麵過程中的變換
圖10給出了遵循「富士山擀麵法」得到最終的麵條形態，由圖可以看出，麵條厚度十分均勻。
圖10 最終麵條形態
4. 煮麵過程中的火候控制問題
由於麵條在水中浸泡過久會嚴重影響口感，所以煮麵必須遵循旺火快煮的原則。在出現劇烈沸騰後，為了避免溢鍋，往往會添加少量冷水終止沸騰狀態。然而，在很多完全不會出現溢鍋的情況下（例如鍋大面少），沸騰後需不需要添加冷水呢？本章對這一問題給出了解釋。
煮麵的實質是麵條和環境介質發生熱交換，從而使麵條由生變熟，所以麵條吸收熱量的快慢則成為煮麵的關鍵。熱交換除了與溫度有關外，還與不同介質間的傳熱效率有關。如圖11所示，處在劇烈沸騰態時，大量氣泡產生。圖12給出了麵條與介質的熱交換示意圖，沸水與氣泡溫度一致，然而，液體的傳熱效率遠遠大於氣體（液體的熱量密度遠高於氣體），劇烈沸騰狀態下麵條與水氣混合介質的傳熱效率反而會降低。所以，此時少量添加冷水減緩沸騰程度有利於將麵條儘快煮熟。但也不應該添加冷水過多，否則顯著降低水溫又會降低傳熱效率。
圖11 煮麵過程中的劇烈沸騰態
圖 12 煮麵過程中熱交換介質示意圖
綜上，正確的煮麵方法應該為：旺火快煮，劇烈沸騰時應添加少量冷水，加水量以恰好減緩沸騰又不降低水溫為宜。當然在具體煮麵實踐中，無需如此精確，儘快煮熟即可。
圖13給出了遵循本方法得到的煮麵結果，經過試吃評估效果，怎一個贊字了得。
圖13 手擀麵最終效果
5. 結論
本文研究了手擀麵加工過程中非線性力學及熱力學問題，主要結論可歸納為以下幾點：I.時效可顯著提高粗結構麵團的力學性能；II.擀麵過程的塑性流動遵循體積不變條件；面片上表面的彈性恢復是導致面片邊緣回彈翹曲的主要原因；由於面片中心每次都處在主變形方向上，故最易擀薄；III.煮麵過程中出現劇烈沸騰後適量添加冷水有助於加快煮麵速度。
作為一種含糖量極高的碳水化合物，麵條雖好，多吃易胖。如何在保持體型的過程中科學吃麵，依然是亟待解決的重要問題。這將在下一步工作中予以考慮。
致謝
本文未受任何項目或基金的資助，在此均不予以感謝。
參考文獻
本文所用知識可在任何一本非線性力學書籍中獲得，故不再詳述。
來源：亞輝
編輯：重光