申明：此乃搞笑科普一篇，非學(xué)術(shù)論文。請(qǐng)各位看官輔以?shī)蕵?lè)心態(tài)看之，看過(guò)且過(guò)～

手搟面加工過(guò)程中的非線(xiàn)性力學(xué)及熱力學(xué)問(wèn)題

作者：張亞輝

Unité de Mécanique, ENSTA-Paristech, UniversitéParis-Saclay, 828 BD des Marechaux, 91120 Palaiseau

摘要

本文對(duì)手搟面加工過(guò)程中涉及的非線(xiàn)性力學(xué)及熱力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了分析，主要涉及：I.揉面過(guò)程的時(shí)效成形原理；II.搟面過(guò)程中的非線(xiàn)性變形機(jī)理；III.煮面過(guò)程中的火候控制問(wèn)題。結(jié)合分析結(jié)果，本文對(duì)如何做出一碗可口筋道的手搟面給出了可行性建議。

1.引言

面條作為人類(lèi)社會(huì)最主要的主食之一，自問(wèn)世以來(lái)廣為流傳，深受人們喜愛(ài)。其形態(tài)各異，或細(xì)如龍須，或?qū)捜缪潕В黄涑苑ò俅睿�或略施榨菜，或魚(yú)頭高湯。一碗面條下肚，生活便有了意義。我國(guó)勞動(dòng)人民在長(zhǎng)期的吃面實(shí)踐中，創(chuàng)造性地摸索出了紛繁復(fù)雜的面條加工方法。以刀削面為代表的切削成形法，面條口感筋道凌厲，然其技術(shù)要求過(guò)高，非常人居家所能及。以扯面拉面拉條子為代表的超塑性成形法風(fēng)靡全國(guó)，然其前處理過(guò)于復(fù)雜，多用于面館經(jīng)營(yíng)批量生產(chǎn)。以?huà)烀鏋榇�表的時(shí)效成形法，面條風(fēng)干耐儲(chǔ)藏，然其工序耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，只適用于商品化生產(chǎn)。與其他成形方法相比，手搟面以其耗時(shí)短、技術(shù)門(mén)檻低、面條樣式靈活多變的顯著優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛，尤其以作者所在的關(guān)中一帶，更是形成了家家戶(hù)戶(hù)把面搟的盛景奇觀(guān)。

然而搟面看似簡(jiǎn)單，背后卻蘊(yùn)藏了極為復(fù)雜的力學(xué)原理。作為一種典型的粘塑性材料，面團(tuán)在搟成面條的過(guò)程中呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線(xiàn)性力學(xué)行為，時(shí)至今日，相關(guān)研究仍然極為欠缺。為了彌補(bǔ)此項(xiàng)空白，本文對(duì)手搟面加工過(guò)程中的非線(xiàn)性力學(xué)及熱力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)及理論研究。各章安排如下：第二章介紹了實(shí)驗(yàn)部分，包括材料屬性及實(shí)驗(yàn)流程；第三章給出了理論分析，對(duì)“醒面”、搟面、煮面過(guò)程中涉及的非線(xiàn)性力學(xué)及熱力學(xué)知識(shí)進(jìn)行了詳盡分析。第四章對(duì)全文工作進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)未來(lái)工作做了展望。

2.實(shí)驗(yàn)

本文所用面粉為T(mén)45小麥粉，購(gòu)于A(yíng)uchan Villebon超市。和面用水為冷自來(lái)水，未加鹽，未加堿。水面混合比為目測(cè)，只可意會(huì)，不可量化。經(jīng)初步和面揉面，制成粗結(jié)構(gòu)面團(tuán)。靜置約10分鐘后（即“醒面”），將面團(tuán)揉至細(xì)光態(tài)（表面無(wú)可見(jiàn)雜質(zhì)），然后搟面、切面、煮面、吃面。實(shí)驗(yàn)照片由尼康D5200單反相機(jī)和榮耀6智能手機(jī)拍攝。另加工豬里脊肉及芹菜若干作為配菜，因?qū)Ρ疚难芯績(jī)?nèi)容無(wú)實(shí)質(zhì)影響，故不贅述。

3.理論分析

3.1 醒面過(guò)程中的時(shí)效成形原理

圖1給出了經(jīng)過(guò)初步和面、揉面得到的粗結(jié)構(gòu)面團(tuán)。粗結(jié)構(gòu)面團(tuán)遠(yuǎn)未達(dá)到搟面要求，且其精加工十分困難，具體表現(xiàn)在：I.揉面很費(fèi)力；II.遲遲無(wú)法達(dá)到細(xì)光態(tài)。經(jīng)過(guò)約10分鐘左右的時(shí)效成形（即“醒面”，以下統(tǒng)稱(chēng)時(shí)效），面團(tuán)塑性大幅度提升，揉面過(guò)程變得省時(shí)省力，面團(tuán)很快即達(dá)到細(xì)光態(tài)，如圖2。

圖1粗結(jié)構(gòu)面團(tuán)

圖2細(xì)光態(tài)面團(tuán)

圖3給出了面團(tuán)在時(shí)效成形過(guò)程中的微結(jié)構(gòu)演化過(guò)程。和面過(guò)程中，水和面粉混合，面粉中蛋白質(zhì)吸水形成面筋，在揉面過(guò)程中面筋相互粘連最終形成粗結(jié)構(gòu)面團(tuán)。然而，由于初始揉面過(guò)程中，水分并不是均勻分布的，所以實(shí)際形成的粗結(jié)構(gòu)面團(tuán)是一種各向異性材料，可近似為水分含量大的基體區(qū)夾雜著水分含量小的干燥硬質(zhì)區(qū)（微距實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)見(jiàn)圖4）。干燥硬質(zhì)區(qū)作為增強(qiáng)相會(huì)顯著降低面團(tuán)的塑性。在初步揉面過(guò)程中，不同的局部硬質(zhì)區(qū)的阻礙作用導(dǎo)致面團(tuán)塑性流動(dòng)性變差；加之蛋白質(zhì)大分子在外力作用下相互糾纏，亦會(huì)在面團(tuán)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，進(jìn)一步導(dǎo)致面團(tuán)的力學(xué)性能變差。

圖3時(shí)效成形過(guò)程示意圖

圖4粗結(jié)構(gòu)面團(tuán)的微距實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)

經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后，水分得以均勻擴(kuò)散，干燥硬質(zhì)區(qū)消失；由于不再有硬質(zhì)區(qū)的阻礙作用，加之蛋白質(zhì)大分子的松弛重構(gòu)，面團(tuán)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(dá)到細(xì)光態(tài)。

3.2 搟面過(guò)程中的非線(xiàn)性變形問(wèn)題

搟面有兩種形式：平面搟面法和卷積搟面法。下面予以分別討論。

3.2.1 平面搟面法

5平面搟面法

圖5給出了平面搟面法的剖面圖，其塑性流動(dòng)法則遵循體積不變假設(shè)。所謂體積不變，即材料在變形過(guò)程中不論形狀如何變化，其總體積認(rèn)為保持不變，所以厚度的減小必然意味著平面的擴(kuò)展。如圖5所示，面片在搟面杖的壓迫作用下，沿?fù){面方向延展，最終達(dá)到搟薄的目的。

3.2.2 卷積搟面法

圖6卷積搟面法

卷積搟面法的原理與平面搟面法類(lèi)似，但具體變形過(guò)程較為復(fù)雜。為簡(jiǎn)化分析，我們沿砧板法線(xiàn)方向?qū)υ谀骋粨{面時(shí)刻的卷積面片作以分割（如圖6紅色虛線(xiàn)），顯然，法線(xiàn)左側(cè)為已搟區(qū)，厚度較薄，法線(xiàn)右側(cè)為未搟區(qū)，厚度較厚；與平面搟面法類(lèi)似，未搟區(qū)在圖示法線(xiàn)方向接觸區(qū)域內(nèi)受壓迫變薄，根據(jù)體積不變條件，材料向前延展，從而達(dá)到搟薄目的。由于卷積搟面法具有多層次搟面、多周期循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)，其搟面效率大為提高。

3.2.3 搟面過(guò)程中的回彈問(wèn)題

以平面搟面法為例，圖7給出了搟面過(guò)程中回彈翹曲的產(chǎn)生機(jī)理。在搟面過(guò)程中，面片上表面在搟面杖作用下延展，延展后的上表面有彈性恢復(fù)的趨勢(shì)，故在上表面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)拉應(yīng)力。在面片邊緣區(qū)域，由于局部塑形流動(dòng)，上表面的材料會(huì)補(bǔ)償?shù)较卤砻妫瑥亩鴮?dǎo)致下表面彈性收縮趨勢(shì)遠(yuǎn)小于上表面。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(huì)進(jìn)一步阻礙下表面的彈性恢復(fù)。由于上表面的彈性恢復(fù)，搟面后面片會(huì)產(chǎn)生回彈現(xiàn)象，即表現(xiàn)為邊緣的翹曲，實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)結(jié)果在圖8中給出。顯然，面片越厚，上述效果越顯著。在實(shí)際搟面過(guò)程中，初始階段的平面搟面法回彈量大，中后期的卷積搟面法回彈量小，直至最后回彈完全消失。

圖7回彈示意圖

圖8回彈實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)結(jié)果

3.2.4 中心變薄問(wèn)題

在搟面過(guò)程中，面片中心最容易搟薄，這是搟面過(guò)程中材料塑性流動(dòng)的另一個(gè)必然結(jié)果。根據(jù)3.2.1節(jié)及3.2.2節(jié)的分析，面片沿?fù){面杖搟進(jìn)方向的塑性流動(dòng)最大，即搟面杖搟進(jìn)方向是面片的主變形方向。根據(jù)體積不變條件，延展越大，厚度減小越大。如圖9所示，以平面搟面法為例，不論搟面方向如何變化，面片中心區(qū)域一直處在主變形方向上。顯然，在同等的搟面條件下，面片中心厚度減小最大。為了改善這一現(xiàn)象，初始搟面過(guò)程中，往往遵循先邊緣、后中心的原則，以便在中心地帶形成高地，形似富士山，我們將其命名為“富士山搟面法”。在具體實(shí)踐中，富士山搟面法已得到廣泛應(yīng)用。

圖9 主變形方向及其在循環(huán)搟面過(guò)程中的變換

圖10給出了遵循“富士山搟面法”得到最終的面條形態(tài)，由圖可以看出，面條厚度十分均勻。

圖10 最終面條形態(tài)

4.煮面過(guò)程中的火候控制問(wèn)題

由于面條在水中浸泡過(guò)久會(huì)嚴(yán)重影響口感，所以煮面必須遵循旺火快煮的原則。在出現(xiàn)劇烈沸騰后，為了避免溢鍋，往往會(huì)添加少量冷水終止沸騰狀態(tài)。然而，在很多完全不會(huì)出現(xiàn)溢鍋的情況下（例如鍋大面少），沸騰后需不需要添加冷水呢？本章對(duì)這一問(wèn)題給出了解釋。

煮面的實(shí)質(zhì)是面條和環(huán)境介質(zhì)發(fā)生熱交換，從而使面條由生變熟，所以面條吸收熱量的快慢則成為煮面的關(guān)鍵。熱交換除了與溫度有關(guān)外，還與不同介質(zhì)間的傳熱效率有關(guān)。如圖11所示，處在劇烈沸騰態(tài)時(shí)，大量氣泡產(chǎn)生。圖12給出了面條與介質(zhì)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體（液體的熱量密度遠(yuǎn)高于氣體），劇烈沸騰狀態(tài)下面條與水氣混合介質(zhì)的傳熱效率反而會(huì)降低。所以，此時(shí)少量添加冷水減緩沸騰程度有利于將面條盡快煮熟。但也不應(yīng)該添加冷水過(guò)多，否則顯著降低水溫又會(huì)降低傳熱效率。

圖11 煮面過(guò)程中的劇烈沸騰態(tài)

圖12 煮面過(guò)程中熱交換介質(zhì)示意圖

綜上，正確的煮面方法應(yīng)該為：旺火快煮，劇烈沸騰時(shí)應(yīng)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(dāng)然在具體煮面實(shí)踐中，無(wú)需如此精確，盡快煮熟即可。

圖13給出了遵循本方法得到的煮面結(jié)果，經(jīng)過(guò)試吃評(píng)估效果，怎一個(gè)贊字了得。

圖13 手搟面最終效果

5.結(jié)論

本文研究了手搟面加工過(guò)程中非線(xiàn)性力學(xué)及熱力學(xué)問(wèn)題，主要結(jié)論可歸納為以下幾點(diǎn)：I.時(shí)效可顯著提高粗結(jié)構(gòu)面團(tuán)的力學(xué)性能；II.搟面過(guò)程的塑性流動(dòng)遵循體積不變條件；面片上表面的彈性恢復(fù)是導(dǎo)致面片邊緣回彈翹曲的主要原因；由于面片中心每次都處在主變形方向上，故最易搟薄；III.煮面過(guò)程中出現(xiàn)劇烈沸騰后適量添加冷水有助于加快煮面速度。

作為一種含糖量極高的碳水化合物，面條雖好，多吃易胖。如何在保持體型的過(guò)程中科學(xué)吃面，依然是亟待解決的重要問(wèn)題。這將在下一步工作中予以考慮。（來(lái)源：網(wǎng)易科技-亞輝）

致謝

本文未受任何項(xiàng)目或基金的資助，在此均不予以感謝。