手擀面加工过程中的非线性力学及热力学问题
手擀面加工过程中的非线性力学及热力学问题
张亚辉
Unité de Mécanique, ENSTA-Paristech, UniversitéParis-Saclay, 828 BD des Marechaux, 91120 Palaiseau
摘要
本文对手擀面加工过程中涉及的非线性力学及热力学问题进行了分析，主要涉及：I.揉面过程的时效成形原理；II.擀面过程中的非线性变形机理；III.煮面过程中的火候控制问题。结合分析结果，本文对如何做出一碗可口筋道的手擀面给出了可行性建议。
1.引言
面条作为人类社会最主要的主食之一，自问世以来广为流传，深受人们喜爱。其形态各异，或细如龙须，或宽如裤带；其吃法百搭，或略施榨菜，或鱼头高汤。一碗面条下肚，生活便有了意义。我国劳动人民在长期的吃面实践中，创造性地摸索出了纷繁复杂的面条加工方法。以刀削面为代表的切削成形法，面条口感筋道凌厉，然其技术要求过高，非常人居家所能及。以扯面拉面拉条子为代表的超塑性成形法风靡全国，然其前处理过于复杂，多用于面馆经营批量生产。以挂面为代表的时效成形法，面条风干耐储藏，然其工序耗时过长，只适用于商品化生产。与其他成形方法相比，手擀面以其耗时短、技术门槛低、面条样式灵活多变的显著优点，应用最为广泛，尤其以作者所在的关中一带，更是形成了家家户户把面擀的盛景奇观。
然而擀面看似简单，背后却蕴藏了极为复杂的力学原理。作为一种典型的粘塑性材料，面团在擀成面条的过程中呈现出复杂的非线性力学行为，时至今日，相关研究仍然极为欠缺。为了弥补此项空白，本文对手擀面加工过程中的非线性力学及热力学问题进行了系统的实验及理论研究。各章安排如下：第二章介绍了实验部分，包括材料属性及实验流程；第三章给出了理论分析，对“醒面”、擀面、煮面过程中涉及的非线性力学及热力学知识进行了详尽分析。第四章对全文工作进行了总结，并对未来工作做了展望。
2.实验
本文所用面粉为T45小麦粉，购于Auchan Villebon超市。和面用水为冷自来水，未加盐，未加碱。水面混合比为目测，只可意会，不可量化。经初步和面揉面，制成粗结构面团。静置约10分钟后（即“醒面”），将面团揉至细光态（表面无可见杂质），然后擀面、切面、煮面、吃面。实验照片由尼康D5200单反相机和荣耀6智能手机拍摄。另加工猪里脊肉及芹菜若干作为配菜，因对本文研究内容无实质影响，故不赘述。
3.理论分析
3.1 醒面过程中的时效成形原理
图1给出了经过初步和面、揉面得到的粗结构面团。粗结构面团远未达到擀面要求，且其精加工十分困难，具体表现在：I.揉面很费力；II. 迟迟无法达到细光态。经过约10分钟左右的时效成形（即“醒面”，以下统称时效），面团塑性大幅度提升，揉面过程变得省时省力，面团很快即达到细光态，如图2。
图1 粗结构面团
图2 细光态面团
图3给出了面团在时效成形过程中的微结构演化过程。和面过程中，水和面粉混合，面粉中蛋白质吸水形成面筋，在揉面过程中面筋相互粘连最终形成粗结构面团。然而，由于初始揉面过程中，水分并不是均匀分布的，所以实际形成的粗结构面团是一种各向异性材料，可近似为水分含量大的基体区夹杂着水分含量小的干燥硬质区（微距实验观测见图4）。干燥硬质区作为增强相会显著降低面团的塑性。在初步揉面过程中，不同的局部硬质区的阻碍作用导致面团塑性流动性变差；加之蛋白质大分子在外力作用下相互纠缠，亦会在面团内部会产生残余应力，进一步导致面团的力学性能变差。
图3 时效成形过程示意图
图4 粗结构面团的微距实验观测
经过时效处理后，水分得以均匀扩散，干燥硬质区消失；由于不再有硬质区的阻碍作用，加之蛋白质大分子的松弛重构，面团可视为各向同性材料，其塑性性能大幅度提升，从而使揉面变得十分容易，很快达到细光态。
3.2 擀面过程中的非线性变形问题
擀面有两种形式：平面擀面法和卷积擀面法。下面予以分别讨论。
3.2.1 平面擀面法
5 平面擀面法
图5给出了平面擀面法的剖面图，其塑性流动法则遵循体积不变假设。所谓体积不变，即材料在变形过程中不论形状如何变化，其总体积认为保持不变，所以厚度的减小必然意味着平面的扩展。如图5所示，面片在擀面杖的压迫作用下，沿擀面方向延展，最终达到擀薄的目的。
3.2.2 卷积擀面法
图6 卷积擀面法
卷积擀面法的原理与平面擀面法类似，但具体变形过程较为复杂。为简化分析，我们沿砧板法线方向对在某一擀面时刻的卷积面片作以分割（如图6红色虚线），显然，法线左侧为已擀区，厚度较薄，法线右侧为未擀区，厚度较厚；与平面擀面法类似，未擀区在图示法线方向接触区域内受压迫变薄，根据体积不变条件，材料向前延展，从而达到擀薄目的。由于卷积擀面法具有多层次擀面、多周期循环的优点，其擀面效率大为提高。
3.2.3 擀面过程中的回弹问题
以平面擀面法为例，图7给出了擀面过程中回弹翘曲的产生机理。在擀面过程中，面片上表面在擀面杖作用下延展，延展后的上表面有弹性恢复的趋势，故在上表面会产生一个拉应力。在面片边缘区域，由于局部塑形流动，上表面的材料会补偿到下表面，从而导致下表面弹性收缩趋势远小于上表面。另外，上表面是自由面，下表面与砧板接触，面片与砧板间的摩擦力会进一步阻碍下表面的弹性恢复。由于上表面的弹性恢复，擀面后面片会产生回弹现象，即表现为边缘的翘曲，实验观测结果在图8中给出。显然，面片越厚，上述效果越显著。在实际擀面过程中，初始阶段的平面擀面法回弹量大，中后期的卷积擀面法回弹量小，直至最后回弹完全消失。
图7 回弹示意图
图8 回弹实验观测结果
3.2.4 中心变薄问题
在擀面过程中，面片中心最容易擀薄，这是擀面过程中材料塑性流动的另一个必然结果。根据3.2.1节及3.2.2节的分析，面片沿擀面杖擀进方向的塑性流动最大，即擀面杖擀进方向是面片的主变形方向。根据体积不变条件，延展越大，厚度减小越大。如图9所示，以平面擀面法为例，不论擀面方向如何变化，面片中心区域一直处在主变形方向上。显然，在同等的擀面条件下，面片中心厚度减小最大。为了改善这一现象，初始擀面过程中，往往遵循先边缘、后中心的原则，以便在中心地带形成高地，形似富士山，我们将其命名为“富士山擀面法”。在具体实践中，富士山擀面法已得到广泛应用。
图9 主变形方向及其在循环擀面过程中的变换
图10给出了遵循“富士山擀面法”得到最终的面条形态，由图可以看出，面条厚度十分均匀。
图10 最终面条形态
4. 煮面过程中的火候控制问题
由于面条在水中浸泡过久会严重影响口感，所以煮面必须遵循旺火快煮的原则。在出现剧烈沸腾后，为了避免溢锅，往往会添加少量冷水终止沸腾状态。然而，在很多完全不会出现溢锅的情况下（例如锅大面少），沸腾后需不需要添加冷水呢？本章对这一问题给出了解释。
煮面的实质是面条和环境介质发生热交换，从而使面条由生变熟，所以面条吸收热量的快慢则成为煮面的关键。热交换除了与温度有关外，还与不同介质间的传热效率有关。如图11所示，处在剧烈沸腾态时，大量气泡产生。图12给出了面条与介质的热交换示意图，沸水与气泡温度一致，然而，液体的传热效率远远大于气体（液体的热量密度远高于气体），剧烈沸腾状态下面条与水气混合介质的传热效率反而会降低。所以，此时少量添加冷水减缓沸腾程度有利于将面条尽快煮熟。但也不应该添加冷水过多，否则显著降低水温又会降低传热效率。
图11 煮面过程中的剧烈沸腾态
图 12 煮面过程中热交换介质示意图
综上，正确的煮面方法应该为：旺火快煮，剧烈沸腾时应添加少量冷水，加水量以恰好减缓沸腾又不降低水温为宜。当然在具体煮面实践中，无需如此精确，尽快煮熟即可。
图13给出了遵循本方法得到的煮面结果，经过试吃评估效果，怎一个赞字了得。
图13 手擀面最终效果
5. 结论
本文研究了手擀面加工过程中非线性力学及热力学问题，主要结论可归纳为以下几点：I.时效可显著提高粗结构面团的力学性能；II.擀面过程的塑性流动遵循体积不变条件；面片上表面的弹性恢复是导致面片边缘回弹翘曲的主要原因；由于面片中心每次都处在主变形方向上，故最易擀薄；III.煮面过程中出现剧烈沸腾后适量添加冷水有助于加快煮面速度。
作为一种含糖量极高的碳水化合物，面条虽好，多吃易胖。如何在保持体型的过程中科学吃面，依然是亟待解决的重要问题。这将在下一步工作中予以考虑。
致谢
本文未受任何项目或基金的资助，在此均不予以感谢。
参考文献
本文所用知识可在任何一本非线性力学书籍中获得，故不再详述。