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面包机进行了广泛的物理改造

字号+ 作者:admin 来源:小丑鱼-分享科普知识 2019-11-28 18:06

物理学可以帮助我们做更好的面包吗?是的,德国慕尼黑工业大学的研究人员说。他们的发现-基于工业捏合机中面团捏合的3D模拟-显示径向混合技术比垂直混合效果更好,并且具有高度弯曲的螺旋臂或两个模拟手工捏合的螺旋臂的设备可以使面团透气性好,吸收水好并且有弹性。 面包面团包含四种主要成

  物理学可以帮助我们做更好的面包吗?是的,德国慕尼黑工业大学的研究人员说。他们的发现-基于工业捏合机中面团捏合的3D模拟-显示径向混合技术比垂直混合效果更好,并且具有高度弯曲的螺旋臂或两个模拟手工捏合的螺旋臂的设备可以使面团透气性好,吸收水好并且有弹性。

面包机进行了广泛的物理改造

  面包面团包含四种主要成分:面粉,水,盐和发酵剂(例如酵母)。揉捏形成面团的面筋网络,并产生一种在变形时表现为介于粘性液体和弹性固体之间的材料。捏合还将空气混入面团中,这对于使其在烤箱中升起很重要。

  正如Physics World的普通读者会回想的那样,无论是专业还是熟练的业余面包师(无论是否是物理学家)都知道,面包面团必须在适当的时间内以特定的方式进行揉捏,以产生所需的质地。过度捏合会产生致密而紧密的面团,该面团吸收水的能力会降低,并且不会在烤箱中上升。揉捏同样会带来灾难性的后果,这会降低面团保持这些宝贵气泡的能力。

  尽管人类已经制作面包已有8000年的历史了,但是仍然缺乏关于捏合过程中发生的变化及其对面团质量影响的精确信息。但是,现在,由纳塔莉·德耳曼(Natalie Germann)领导的研究人员已经对面包面团进行了3D计算机模拟,同时考虑了其粘性和弹性,同时还考虑了在工业中进行揉捏时空气和面团之间形成的自由表面3D螺旋捏合机。

  模型成分

  为了模拟面团的粘度,Germann及其同事使用了单模White-Metzner模型,该模型很好地预测了粘弹性材料在高剪切速率和所有尺寸下的流变(流动)行为。他们将此模型与改进的Bird-Carreau模型结合在一起,该模型描述了在宽剪切速率范围内的生面团。后一个模型根据面团的粘度以及松弛所需的时间来模拟面团如何变形。

  为了使模型的预测尽可能地切合实际,该团队根据实际工业捏合机的尺寸和结构将其应用于计算机化的几何形状。他们还进行了旨在为模型生成实际输入参数并测试其预测的实验。

  这些实验是使用工业捏合机进行的,该捏合机由旋转的螺旋臂和固定的杆组成。研究人员通过在Diosna SP12螺旋混合器中混合500克550型小麦面粉,296克脱钙水和9克盐来制备面包面团。他们将面团以25 Hz的速度预混合60秒,然后以50 Hz的速度混合300秒。捏合臂沿与碗相同的方向移动,但旋转速度提高了6.5倍。为了防止水分流失和蒸发,在完成流变学和张力测定之前,将完成的面团用塑料膜覆盖并静置20分钟。

  尽管Germann及其同事能够使用商用流变仪(Anton Paar MCR 502)来测量其面团在24°C下的流动方式,但事实证明,测量面团的表面张力更加困难。由于必须有液-气界面,因此无法直接进行此类测量。为了克服这个问题,研究人员在面团的表面放置了一层液态盐溶液,并测量了溶液扩散到面团液相中的表面张力。

  迁移和爬杆行为

  所得的模拟结果为面团内部及其表面上发生的过程提供了宝贵的见解,例如空气进入面团的方式以及“面团袋”(或团块)如何形成和分解。该模型还再现了团队在实验中观察到的一些宏观面团行为。例如,面团的弹性使其能够克服捏合过程中的重力和离心力,这意味着面团在爬上之前会朝着旋转的棒“迁移”。慕尼黑团队的模型很好地描述了这种爬杆现象。

  作为最后一步,该团队将模拟结果与高速摄像机的屏幕截图进行了比较,该摄像机记录了实验室中的面团揉捏过程。在这些镜头中,他们观察到由于外部圆柱形碗的旋转,面团在内部固定杆周围对流。他们还观察到了位于固定杆和碗之间的螺旋捏合臂产生的螺旋流动模式。

  在发表于《流体物理学》上的论文中,研究人员报告说,他们的模型准确地预测了这些螺旋流动模式的自由表面曲率的实验观察值。他们还报告能够使用其数值方法来预测面团袋的形成,扩展和破裂。

  径向混合更好

  研究人员说,他们的工作代表了先前研究的一项进步,该研究仅考虑了面包面团的纯粘性特性。Germann解释说,早期的工作也将其模拟限制在简化的几何形状上,例如同心圆柱体设置。这些简化意味着由于没有考虑材料的弹性,因此没有引起杆爬升现象的法向应力效应。

  “我们的计算机仿真表明,在我们工作中考虑的螺旋捏合机中,垂直混合不如径向混合好,” Germann说。“将来,可以通过使用弯曲程度更高的螺旋臂或两个类似于手动捏合的螺旋臂来增强混合性能。”

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