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May 16, 2023

パン焼き機はたくさんの利益を得る

Può la fisica aiutarci a produrre un pane migliore? Sì, affermano i ricercatori dell’Institute of Technology.

物理学はより良いパンを作るのに役立つでしょうか? そうです、ドイツのミュンヘン工科大学の研究者たちは言います。 工業用混練機での生地混練の 3D シミュレーションに基づく彼らの研究結果は、放射状混合技術が垂直混合よりも効果的であること、および手での混練を模倣する高度に湾曲したスパイラル アームまたは 2 本のスパイラル アームを備えた装置により、次のような生地を製造できることを明らかにしました。通気性が良く、吸水性が良く、弾力性に優れています。

パン生地には、小麦粉、水、塩、イーストなどの膨張剤の 4 つの主成分が含まれています。 混練により生地のグルテンネットワークが発達し、変形したときに粘性液体と弾性固体の間のような挙動を示す材料が生成されます。 こねることで生地に空気も取り込まれますが、これはオーブンに入れた後に生地を膨らませるために重要です。

『Physics World』の定期読者なら思い出していただけると思いますが、物理学者であろうとなかろうと、プロのパン屋も熟練したアマチュアのパン屋も、望ましい食感を生み出すためには、パン生地を適切な時間、特定の方法でこねる必要があることを知っています。 練りすぎると、生地が緻密で締まり、吸水性が低下し、オーブンで膨らみません。 混練不足も同様に致命的であり、貴重な気泡を保持する生地の能力を低下させます。

人間は8000年前からパンを作り続けてきましたが、混練中に起こる変化とそれが生地の品質に与える影響についての正確な情報はまだ不足しています。 しかし今回、ナタリー・ジャーマン率いる研究者らは、パン生地の粘性と弾性特性の両方を考慮したパン生地の 3D コンピューター シミュレーションを実行し、同時にパン生地を工業用機械で混練する際に空気と生地の間に形成される自由表面も考慮に入れました。 3Dスパイラルニーダー。

生地の粘度をシミュレーションするために、Germann らはシングルモードの White-Metzner モデルを使用しました。このモデルは、高せん断速度下での粘弾性材料のレオロジー (流動) 挙動をあらゆる次元で予測するのに適しています。 彼らは、このモデルを、広範囲のせん断速度にわたる生地を記述する修正バード・カロー・モデルと組み合わせました。 この後者のモデルは、生地の粘度や生地が緩むまでの時間に応じて生地がどのように変形するかをシミュレートします。

モデルの予測を可能な限り現実的なものにするために、チームは、現実世界の工業用混練機の寸法と構造に基づいて、コンピューター化された形状にそれを適用しました。 また、モデルの現実的な入力パラメータを生成し、その予測をテストすることを目的とした実験も実施しました。

これらの実験は、回転スパイラル アームと固定ロッドで構成される工業用ニーダーを使用して実行されました。 研究者らは、タイプ 550 小麦粉 500 g、脱灰水 296 g、塩 9 g を Diosna SP12 スパイラル ミキサーで混合してパン生地を調製しました。 彼らは生地を 25 Hz の速度で 60 秒間予備混合した後、50 Hz で 300 秒間混合しました。 こねアームはボウルと同じ方向に、6.5倍の回転速度で動きました。 水分の損失と蒸発を防ぐために、完成した生地をプラスチックフィルムで覆い、レオロジーと張力測定を実行する前に20分間放置しました。

Germann らは市販のレオメーター (Anton Paar MCR 502) を使用して 24 °C で生地がどのように流動するかを測定することができましたが、生地の表面張力を測定することはより困難であることが判明しました。 液体と空気の界面が必要であるため、このような測定は直接行うことはできません。 この問題を解決するために、研究者らは生地の表面に液体の塩溶液の層を置き、この溶液が生地の液相に拡散するときの表面張力を測定した。

結果として得られたシミュレーションにより、空気が生地に取り込まれる仕組みや、「生地ポケット」つまり塊がどのように形成され分解されるかなど、生地の内部と表面で発生するプロセスに関する貴重な洞察が得られました。 このモデルは、チームが実験で観察したいくつかの巨視的な生地の挙動も再現しました。 たとえば、生地の弾力性により、生地は混練中に重力と遠心力に打ち勝つことができます。これは、生地が回転ロッドを登る前に回転ロッドに向かって「移動」することを意味します。 このロッドクライミング現象は、ミュンヘンチームのモデルによってよく説明されています。

パンの物理学

最終ステップとして、チームはシミュレーションの結果を、実験室で生地をこねるプロセスを記録した高速ビデオカメラのスクリーンショットと比較しました。 これらのショットでは、外側の円筒形ボウルの回転により、内側の固定ロッドの周りで生地が対流する様子が観察されました。 彼らはまた、固定ロッドとボウルの間に配置されたスパイラル混練アームによって作成されるスパイラルフローパターンも観察しました。

Physics of Fluidsに掲載された論文の中で、研究者らは、彼らのモデルがこれらの螺旋流パターンの自由表面の曲率について実験的に観察された値を正確に予測していると報告している。 彼らはまた、数値的アプローチを使用して生地ポケットの形成、拡張、および破壊を予測できることも報告しています。

研究者らは、自分たちの研究はパン生地の純粋に粘性特性のみを考慮していたこれまでの研究を進歩させるものであると述べている。 また、以前の研究では、シミュレーションが同心の円柱セットアップなどの単純化されたジオメトリに制限されていたとジャーマン氏は説明します。 これらの単純化は、材料の弾性が考慮されていないため、ロッドクライミング現象の原因となる垂直応力の影響が存在しないことを意味します。

「私たちのコンピューターシミュレーションでは、垂直方向の混合は、私たちが研究で検討したスパイラルニーダーでの放射状の混合ほど良くないことがわかりました」とジャーマン氏は言います。 「将来的には、より高度に湾曲したスパイラル アーム、または手で混練するのと同様の 2 本のスパイラル アームを使用することで、混合性能が向上する可能性があります。」