将谷物磨成面粉，加水加压揉成面团，然后再切块煮沸。意大利面看似是一种非常基本的厨房素材。然而，它的一些特点似乎激发了人们的创造力，而且不仅仅是发生在厨房里。你有没有听说过这样一个故事：马可波罗于 13 世纪在中国发现了意大利面并把它带到了意大利？这可能并不是真的，因为当时古罗马和希腊已经开始食用小麦制作的面食了（参考文献 1）。
我还听过一个值得怀疑的故事。小时候，我的一位小学老师告诉我们，意大利的妈妈们会从锅中取出一些正在煮的意大利面，将它们扔到墙上来看是否会掉落，来测试意大利面的成熟度。真的是这样吗？在我9年的生命中，我从未见过我的意大利裔美国祖母扔过一根面条！
是什么让这种传闻如此根深蒂固呢？难道仅仅是因为意大利面和人一样，比表面上看起来更复杂吗？欢迎查阅我们的意大利面挤出案例教程模型，了解意大利面制作的真实故事。
意大利面的流变学平衡行为
艺术与科学、面粉与水、橄榄油和大蒜，无论我们是生产面条还是把它们做成晚餐，我们都必须平衡互补元素之间的紧张关系。制作意大利面粉的谷物中含有淀粉和蛋白质。为了制作面团，我们在面粉中加水，然后用手或工具搅拌。这个过程中增加的水分和压力会将湿粉末变成黏且有弹性的圆球。
左图：15 世纪的意大利绘画中制作意大利面的妇女。图片来自Wikimedia Commons在公共领域中的图像。右图：中国辽宁大连的一名男子正在制作拉面。照片由CEphoto, Uwe Aranas拍摄，通过Wikimedia Commons获得许可（CC BY-SA 4.0）。
生意大利面面团可能看起来很均匀，但实际上，面团中的淀粉和蛋白质分子分布并不均匀。这些不同的分子可以帮助定义意大利面面团的流变性，用于描述当施加水分、机械应力和热量后面团如何发生流动和变形。无论这个面团最终是被制作成松饼还是花卷意面，面团的流变性都会受每个生产阶段处理方式的影响。
挤出机如何将原料变成面条
当我们从和面开始制作意大利面时，可以根据面团的外观和手感对其进行调整：这里加一点水，那里揉一揉。当工业级别生产意大利面时，这种用手调整面团的流变性就不再适合了。面条厂通常使用机器（例如挤出机）来混合和揉搓生意大利面面团。下图显示了一个典型的面食挤出机设计示例：
案例模型中的面食挤出机内的组件。
挤出机的核心是挤出螺杆或蜗杆，它是由一个螺旋状刀片和旋转轴组合而成。（它看起来像一个巨大的意大利螺旋面！）水和面粉被送进如图中设计的挤出机的左侧。当挤压蜗杆转动时，配料会被用力推向右移动。蜗杆运动产生的热量、运动和压力将混合物转化为面团，在将面团被推入图中右侧机器出口喷嘴中的孔。各种配件被安装在出口处，用于制作各种形状的面条，并使用其他设备切割和干燥最终产品。
挤出工艺的潜在问题
尽管使用这种机器制作意大利面已经有数百年的历史了，但这项技术仍然存在问题。University of Naples的一项研究（参考文献2）指出，挤压过程涉及复杂的“由压力和温度共同驱动的聚合现象”。挤出机内部可能出现的问题包括：
- 面粉和水混合不充分
- 压力分布和挤出速度不均匀
- 面团循环不良，容易形成霉菌
这些问题会影响最终产品的外观和味道，甚至无法安全食用。为了帮助预测可能导致这类问题的条件，我们可以使用 COMSOL Multiphysics®软件对意大利面挤压过程进行建模。
模拟热量和速度的不均匀分布
自 6.0 版本开始，COMSOL Multiphysics 案例库中新增了如何模拟面团通过面食挤出机时的非等温流动案例模型。该模型可用于预测挤出机内的条件如何影响最终产品。
由于机械搅拌产生的温度升高，面食面团的黏度会随着通过挤出机而降低。
注意：为简单起见，模型中假设水分含量为常数，此处不作说明。
非等温流动，层流接口提供了蠕变和流体传热接口之间的耦合，使我们能够计算这种黏度耗散。挤出螺杆在旋转域内以 20 转/分的角速度运动。使用冻结转子分析可以对螺杆作用和产生的面团流场进行有效的近似，节省了内存和时间。
挤出机模型的模拟结果显示了热和剪切应力对面团的综合影响。在螺杆表面与外壁相遇的地方，剪切速率最大，黏性热最大。壁附近产生的热量以螺旋形路沿径向连续对流离开挤出机口模。由于面团的剪切变稀效应，黏度随着剪切速率的增加而降低。黏度也会随着温度升高而降低。这些不均匀分布的影响导致了近一个数量级的黏度变化。靠近刀片中间的部分面团，剪切速率低，几乎像刚体一样旋转。这些效应使得垂直于流动方向的混合非常差，从而导致面团质量不均匀。
意大利面挤出机模型内的模拟温度曲线（左）和表观黏度（右）。
此外，靠近出口处的面团温度不均匀。这些仿真结果表明，对挤出机进行隔热将使螺杆部分出口处的温度更加均匀，从而确保面团在到达喷嘴之前具有更加均匀的面团特性。
意大利面挤出机模型内的模拟速度曲线（左）和剪切速率（右）。
尝试自己动手
虽然我没法让你尝尝我祖母制作的意大利面，但可以提供文中提到的的意大利面挤出机仿真模型。请点击下方按钮，下载案例教程，尝试自己动手模拟 —— 但是，说了这么多有关意大利面的话，你是不是感觉有点饿了，先吃点意大利面再开始吧！
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请查阅下面这些有关食物仿真的博客：
参考文献
- S. Marchetti, “Chinese Noodles Not The Inspiration for Pasta, Historians Say, Its Roots Are in Ancient Greece — And They Have The Texts to Prove It”,South China Morning Post, 23 Apr. 2020;https://www.scmp.com/lifestyle/food-drink/article/3080891/chinese-noodles-not-inspiration-pasta-historians-say-its-roots
- F. Sarghinia, A. Romano, and P. Masi, “Experimental Analysis and Numerical Simulation of Pasta Dough Extrusion Process”,Journal of Food Engineering, vol. 176, pp. 56–70, May 2016;https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2015.09.029
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