張學閣 ，賈 甲 ，李鴻印 ，趙光輝 ，汪瑞軍 ，3

（1.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院，北京 100083；2.中國包裝和食品機械有限公司，北京 100083；3.北京金輪坤天特種機械有限公司，北京 100083）

0 引言

鮮濕面、掛面等面食制品的工業(yè)化生產(chǎn)是食品加工裝備的重要發(fā)展方向［1］。面團經(jīng)壓延輥逐級壓延形成厚度均勻的面帶是保證面食品質(zhì)的關鍵工藝過程。但是，面帶與壓延輥黏附是制約增加面食加水量和面食品質(zhì)提升的主要因素，也是發(fā)生面帶“纏輥”造成生產(chǎn)中斷的主要原因［2］。因此，防止面帶黏附是提升面食制品品質(zhì)，保證面食加工裝備高效與高可靠性運行的關鍵技術。為此，針對面團粘性的產(chǎn)生機理和黏附行為引起了國內(nèi)外研究人員的重視，并為此開展了深入的理論和應用研究。

本文對近年的研究工作進展和應用現(xiàn)狀做了綜述，為相關人員解決面食制品加工過程中的黏附問題提供借鑒。

1 面團粘性的關鍵問題

面團是一種天然植物型膠粘劑，具備將材料粘合在一起的能力［3］。面團具有粘滯特性，源于面團組織的交聯(lián)作用和復雜的分子間作用力。流變學家Scott Blair［4］認為粘性是小麥面團的一種固有特性，是人手觸碰面團產(chǎn)生的感覺。面粉和水的混合過程賦予了面團膠粘的能力，將面粉中的蛋白質(zhì)、淀粉及其它營養(yǎng)物質(zhì)粘連在一起形成一個具有可塑性、延展性的整體［5］。粘性為面團變形提供了遲滯力，同時也賦予了面團黏附能力。黃衛(wèi)寧等［6］在綜述中介紹面團的形成是個復雜的物化過程；直至今日，研究人員仍對面團的粘性問題存在多種不同認識。

1.1 面團粘性的產(chǎn)生機理

多數(shù)研究認為面筋網(wǎng)絡的形成是面團粘性產(chǎn)生的主要原因。攪拌作用下面粉與水充分混合，其中高分子量谷蛋白亞基和低分子量醇溶蛋白亞基通過二硫鍵增大聚合體，相互粘接交聯(lián)形成立體狀的面筋網(wǎng)絡結(jié)構，將淀粉顆粒和其它基質(zhì)包裹在面筋網(wǎng)絡結(jié)構之內(nèi)，而形成粘彈性的面團［7-10］。此理論著重強調(diào)了面筋網(wǎng)絡的數(shù)量和質(zhì)量對面團粘性產(chǎn)生的影響，而忽略其他成分的作用。

近期的研究認為面團內(nèi)次級鍵的形成能增強面團的粘性。面粉顆粒是一種親水物質(zhì)，蛋白質(zhì)、淀粉及其它可溶性糖內(nèi)包含眾多極性基團，表現(xiàn)出極強的吸水能力。谷玉娟［11］采用X射線光電子能譜表面分析技術研究發(fā)現(xiàn)，小麥粉顆粒表面含有眾多-COOH、-OH、-NH2基團。這些極性基團可與水以氫鍵結(jié)合，似乎可在面團內(nèi)形成一種以氫鍵締結(jié)的網(wǎng)絡，將淀粉、蛋白質(zhì)連接起來［12］。氫鍵是增強溶液粘度的主要次級鍵，次級鍵濃度增大面團內(nèi)液體粘度增強，可增加面團的內(nèi)聚力。逯蕾等［13］在研究小麥粉水溶物對面團和面制品的影響時發(fā)現(xiàn)，面團中水溶物（主要是糖類）的添加比例增加，面團的粘性增大，添加比例增加到20%時，饅頭的咀嚼性最差。許真［14］發(fā)現(xiàn)增加面團內(nèi)木聚糖酶的含量，可降低面團的粘性，減小面團的拉伸阻力，提高延展性。逯蕾和許真的研究分別是增加和減少了面團內(nèi)糖的含量，帶來的結(jié)果是粘性的增加和降低，這說明了糖類物質(zhì)對面團粘性的影響作用。因為糖是一種多羥基類物質(zhì)，一個糖分子可與多個水分子相結(jié)合增強水基羥基的濃度，進而增加溶液的粘性。面粉中淀粉、糖類都屬于多羥基類物質(zhì)，分析可知它們對面團的粘性有著不可忽略的作用。

持水能力調(diào)控面團體系的粘性。弛豫分析表明面團內(nèi)存在三種形式的水，分別是深層結(jié)合水、弱結(jié)合水和自由水。深層結(jié)合水代表主要與面筋或淀粉顆粒緊密結(jié)合的水，弱結(jié)合水代表分布于淀粉、蛋白等大分子之間的水，其流動性大于深層結(jié)合水，小于自由水。馬瑞杰［15］在研究面粉粒度對鮮濕面條加工適應性的過程中發(fā)現(xiàn)，鮮面條中主要是深層結(jié)合水和弱結(jié)合水，自由水的比例很??；并且發(fā)現(xiàn)面粉粒度減小，深層結(jié)合水的比例增加，而黏附性有減小趨勢；這是因為面粉粒度減小，形成的濕面筋增多，這可能是面筋中硫基含量減小，低分子量的谷蛋白亞基通過二硫鍵交聯(lián)形成高分子量的亞基，谷蛋白大聚合體含量增加，增強了面筋的持水能力。馬瑞杰的研究也間接表明了弱結(jié)合水的比例增大將增加面團粘性。弱結(jié)合水應該主要是以氫鍵形式結(jié)合的水，其流動小于自由水。王崇崇［16］采用傅里葉紅外光譜技術研究了淀粉粒度對淀粉分子結(jié)構的影響，發(fā)現(xiàn)粒度減小淀粉的吸水能力增強，而波數(shù)3 403 cm-1處淀粉結(jié)合水的強度卻逐漸減弱，分析可能是淀粉斷裂游離出了更多的羥基，增加了吸附水的數(shù)量；作者沒有分析淀粉粘性的變化，但分析了面粉粒度對面條質(zhì)構特性的影響，發(fā)現(xiàn)粒度減小，吸水能力增加，面條的黏附性整體呈下降趨勢，硬度和彈性整體呈上升趨勢；分析這可能是濕面筋和蛋白含量的變化增強了面團的網(wǎng)絡結(jié)構和持水能力。目前看，面團的持水能力可以調(diào)控面團的粘性，面團內(nèi)強結(jié)合水比例增大，面團粘性和黏附性減弱；反之，當面筋含量少，持水能力減弱，弱結(jié)合水的比例增加，面團粘性和黏附性將增強。

1.2 面團粘性的影響因素

面團粘性與面團成分和調(diào)制過程有關。水、蛋白質(zhì)、淀粉和可溶性物質(zhì)是面團的主要成分，也是影響面團粘性的主要因素。

水是面團粘性的誘因，面團粘性與水含量具有顯著正相關性。Dorra Ghorbel、Dobraszczy［17］、胡云峰［18］，雷恒森［19］等的研究結(jié)果表明，調(diào)制時增大加水量，面團粘性增強；以面條加工為例，30%～35%的加水量獲得的面團顆粒松散，團聚性差，需經(jīng)后續(xù)壓延工藝才能形成粘接緊密的面團組織，而50%～60%的加水量調(diào)制的面團無需壓延過程，就能獲得更加連續(xù)性的面團組織。以上現(xiàn)象的主要原因（不排除和面設備的影響）應該是：水量增多，面團內(nèi)弱結(jié)合水的比例增加，蛋白、淀粉之間氫鍵連接的密度增大，導致面團的滑移阻力增強，內(nèi)聚力變大。此外，水的硬度、溫度、酸堿度、離子種類等參數(shù)和面團粘性也有一定關系，可能是這些因素增強或降低了面團內(nèi)親水基團的活性，影響水在面筋、淀粉表面的吸附能力，最終改變了強弱結(jié)合水的比例。

面筋蛋白的質(zhì)量和數(shù)量影響面團粘性的變化趨勢。這里主要是指面筋蛋白的影響，高分子谷蛋白和小分子醇溶蛋白的數(shù)量影響面團體系的粘彈性。面筋內(nèi)高分子聚合體數(shù)量增大，面團彈性增強，伴隨著粘性降低［20］。薛曉程［21］研發(fā)發(fā)現(xiàn)，擠壓組織化蛋白產(chǎn)品的黏聚性與谷朊粉（面筋蛋白）的持水能力呈顯著正相關，認為這是吸水后形成了更加強大的面筋網(wǎng)絡。較寬的分子量分布賦予了面團壓力敏感型膠粘劑的特性。面筋內(nèi)大分子量的面筋蛋白增多，影響面團的彈性模量和儲能模型，從而調(diào)整面團的粘彈性［22］。

淀粉和可溶性物質(zhì)會影響弱結(jié)合水的比例，增強粘性。淀粉是面粉的主要成分之一，約占總質(zhì)量的70%，是天然高分子化合物，具有良好的粘合性和成膜性能［23］。面團內(nèi)添加淀粉后吸水量增大，制作的面團更加柔軟，延展性增強。淀粉和可溶性物質(zhì)都是極性分子，大量羥基與水作用產(chǎn)生氫鍵結(jié)合，增加面團內(nèi)弱結(jié)合水（或吸附水）的比例，增強水粘合性能［24］。汪磊［25］等在研究饅頭時介紹，當?shù)矸畚繙p少時面筋蛋白內(nèi)水分可以向淀粉網(wǎng)絡遷移。之前有關淀粉對面團粘性的認識不是很充分，多認為淀粉是單純地被包裹在面筋網(wǎng)絡內(nèi)，很少將淀粉與面團粘性聯(lián)系在一起。但是，調(diào)制時增加淀粉量確實可以增大吸水量，增加面團的粘性?？梢哉J為面團內(nèi)的淀粉粒子通過水分子締結(jié)成淀粉網(wǎng)絡，并與面筋網(wǎng)絡交聯(lián)，增強面團體系的持水能力，進而增加了面團變形的滑移阻力，粘性增強。

2 面團黏附特性的研究

黏附是指面團與表面（設備表面或者面團表面）接觸產(chǎn)生彼此粘連的一種界面行為。黏附程度用黏附力或剝離能進行表征。面團的黏附力和內(nèi)聚力存在一定的“消長”關系，即內(nèi)聚力增強，黏附力有減弱趨勢。從加工裝備表面防粘性能方面講，我們更關心面團的黏附行為和黏附能力。

2.1 面團的黏附形式

歸納起來，面團黏附主要有三種形式（如圖1所示），分別是：“A”面團與面團黏附、“B”界面（非面團）黏附、“C”壓應力作用下的界面黏附。

圖1 面團黏附的三種形式Fig.1 Three types of the dough adhesion

形式“A”多發(fā)生在面團內(nèi)部或者面團形成的過程中，可將小的顆粒和組織彼此粘連團聚成大的面團。此種形式的黏附對面食的形成過程有重要意義，賦予了小麥谷物塑形和包裹其它營養(yǎng)物質(zhì)的能力。方式“B”是面團與界面接觸后自發(fā)形成粘接的一種行為，黏附能力受界面特性、接觸時間、自身重力、面團體系的影響，黏附力比方式“C”要小。隨著時間增加，面團會漸漸失水固化，形成一定的骨架，其黏附能力逐漸增強而后趨于穩(wěn)定；此種黏附形式是面食加工過程中產(chǎn)生污染、霉變異味的主要源頭，不利于環(huán)境衛(wèi)生和食品安全。發(fā)生界面黏附的面團內(nèi)部存在大量的氣體和空隙，同時，由于面團自身具有一定的彈性和剛度，在自身重力作用下浸潤界面的能力有限；因此，面團組織內(nèi)部、面團界面發(fā)生粘連及粘接密度也有限，濕面團形成的黏附力弱，強度不及形式“C”。形式“C”是面食加工裝備中最具普遍性的黏附形式，在此過程中面團因受到外力的強烈作用而發(fā)生變形（尤其是塑性變形），面團與界面的真實接觸面積增加，增強了面團與界面的黏附行為。面帶的形成主要是受壓輥徑向和縱向擠壓力（波紋壓延）作用，輥壓力、剪切力是面團發(fā)生變形的主要外力。壓應力的變形作用可降低面團內(nèi)部的孔隙率，使組織更加致密。擠壓變形的同時，面團各部分組織之間的間距也將大大縮短，增加了面團內(nèi)部組織各部分彼此粘連的能力，這也是低含水量顆粒松散的面團在壓延作用下可以形成連續(xù)面帶的原因。當分子間距離小于0.5 nm時分子間作用力將發(fā)生作用，距離小于0.255～0.275 nm時分子間氫鍵的鍵合作用增強，這將大大增強面團的內(nèi)聚力和黏附力。針對壓延黏附問題，比較關注第“C”種形式。經(jīng)過分析，壓延過程增強面帶的黏附效果主要體現(xiàn)在以下三點：（1）提高了浸潤能力，增加了面帶與界面的實際接觸面積，增強了熱吸附作用；（2）壓應力對面筋產(chǎn)生了弱化作用，使其持水能力減弱，面團體系內(nèi)弱結(jié)合水和自由水的比例增加。（3）壓力提高了內(nèi)部水的流動性，增加了界面處水的水分。

Dobraszczyk以不銹鋼為底物，測得面帶的粘接能WA≈100 mJ/m2，表明面帶與不銹鋼底物的黏附是典型的次級鍵的能量值范圍。而面團內(nèi)與極性基質(zhì)所形成的眾多氫鍵是次級鍵的典型代表。以上分析可知，減弱接觸界面與水的作用是實現(xiàn)面帶防粘的關鍵因素。從材料表面與界面的角度分析，降低材料表面能、控制表面水的接觸角是實現(xiàn)面帶防粘的一個重要技術途徑，這為解決面帶黏附問題提供了指導方向。

2.2 黏附能力的測試方法

面團的黏附能力與界面特性和面團體系直接相關，黏附能力的量化分析是研究面團黏附行為的重要技術手段。經(jīng)查閱相關文獻，共發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)果重復性較理想的測量方法。

2.2.1 離心法

離心法原理（如圖2所示）。測量裝置主要由旋轉(zhuǎn)裝置、測量室、控制裝置三部分組成。

圖2 離心法測量原理圖Fig.2 Schematic diagram of centrifugal method

測量室是透明密閉的空間，一方面可以觀察面團的變形過程，另一方面起到面團保濕作用；測量室有A、B兩個端面，用于安置面團黏附試樣。首先將質(zhì)量為m的濕面團放置在試樣上，并安置在裝置的B端，裝置以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)使面團發(fā)生變形，增大面團與試樣的接觸面積；然后將B端試樣調(diào)轉(zhuǎn)安裝到A端，并逐漸增加裝置的旋轉(zhuǎn)速度直至面團從A端的試樣上脫落為止；記錄面團脫落時裝置的角速度ω，測量試樣上面團的殘余質(zhì)量。面團的臨界黏附力以離心力表示。

式中 FC——面團的臨界黏附力；

m ——濕面團的質(zhì)量；

r ——試樣旋轉(zhuǎn)半徑（o到A的距離）；

ω ——臨界角速度。

2.2.2 剝離法

目前，此類測量裝置以物性分析儀（質(zhì)構儀）為主要代表。探頭以設定的速度向面團移動，與面團接觸后探頭將感應壓力的變化，隨后探頭以設定的速度與面團分離，系統(tǒng)會記錄壓力隨時間的變化曲線。文獻［26-28］詳細介紹了測試過程和參數(shù)，整個過程可獲得最大剝離力和單位剝離能兩個主要參數(shù)。Dorra Ghorbel的分析表明，單位面積的剝離能更具有顯著性。

兩種測試方法都能定量分析面團的黏附能力，使用時各有特點。離心法的測量范圍較廣，在測量半徑r確定的情況下，可通過調(diào)整轉(zhuǎn)速測量高速工況下的剝離情況（高速更能真實反映面帶的黏附過程）；Richard-Sebastian Moller介紹了一種離心法測量儀器，半徑r=110 mm，轉(zhuǎn)速ω可從 500～4000 min-1之間變化（500、1 000、1 250、1 500、…、4 000）。但是，此方法存在兩個不足：（1）面團的離心力會通過面團體系轉(zhuǎn)移到接觸表面而加速面團的脫落，無法有效地分離黏附力和內(nèi)聚力；（2）面團脫落之前，轉(zhuǎn)速是分梯度增加，那么就無法明確判定前期積累的離心效果對面團脫落的作用。以物性分析儀為代表的剝離法目前在食品、醫(yī)藥等行業(yè)應用廣泛，能迅速表征面團的黏附能力。W.Z.Chen和R.C.Honseney開發(fā)的一套測量“小室”，能顯著降低面團“頸縮”效應的影響，可將面團黏附力和內(nèi)聚力有效地分離。多個研究結(jié)果表明，剝離速度是影響?zhàn)じ侥芰Φ囊粋€主要參數(shù)［29-33］，但是，質(zhì)構儀的量程和剝離速度有限。目前，質(zhì)構儀的剝離速度普遍在20～40 mm·s-1之間，這個數(shù)值和工業(yè)化面帶生產(chǎn)的線速度還相差甚遠（0.8 mm厚面帶可達到750 mm·s-1）。

2.3 黏附失效模式

根據(jù)面團與底物的分離狀態(tài)，黏附失效包含三種模式，分別是界面失效、內(nèi)聚力失效、復合失效，如圖3所示。

圖3 三種失效模式Fig.3 Three failure modes

“界面失效”是指面團與底物在界面處發(fā)生分離，底物表面沒有殘留?！皟?nèi)聚力失效”是指斷裂發(fā)生在面團內(nèi)部，大量面團會殘留在底物表面。“復合失效”是指面團與底物在界面處發(fā)生分離，但底物表面會有小部分殘留，面團與底物分離不徹底。面團與底物的失效模式取決于界面黏附力（FA）和面團內(nèi)聚力（FC）的大小關系。內(nèi)聚力大于黏附力，則內(nèi)聚力占主導作用，表現(xiàn)出“界面失效”；內(nèi)聚力小于黏附力，黏附力占主導作用，表現(xiàn)出“內(nèi)聚失效”；當內(nèi)聚力與黏附力相當時，常發(fā)生“復合失效”。從應用角度考慮，面團防粘應追求“界面失效”模式，因為在此模式下，防粘的效果最理想，無需再為壓延輥配備刮刀。增加面團內(nèi)聚力，減小黏附力是實現(xiàn)“界面失效”模式的途徑，兩者的差值ΔE越大，越能接近理想的界面失效狀態(tài)。

增加面團加水量、降低界面的熱吸附作用是實現(xiàn)“界面失效”模式的重要手段。在面團調(diào)制過程中，雖然多加水增加了面團的黏附力，但這也同時提升了濕面筋的數(shù)量和質(zhì)量，增強了面團的內(nèi)聚力。多加水時黏附力和內(nèi)聚力同步增加，并且黏附力的增加速率比粘聚力速率要大，所以表現(xiàn)出黏附能力增強的現(xiàn)象。而減小界面的表面能，降低界面的熱吸附作用可以減小黏附力，增大ΔE，實現(xiàn)防黏附的目的。

3 疏水涂層在防黏附方面的應用

“疏水”是水滴在接觸表面鋪展的狀態(tài)。根據(jù)接觸角θ（0～180°），表面分親水表面、疏水表面、超疏水表面三種，分類標準見表1。θ數(shù)值是表征親-疏水性能的一個重要指標，從防粘角度考慮，要求θ大于90°。疏水涂層是一種表面改性涂層，通過物理或者化學的方法在金屬材料或者非金屬材料表面構筑一層具有特殊材料和組織結(jié)構的薄膜，使表面獲得疏水的功能，進而實現(xiàn)自清潔、防黏附、減磨耐磨等目的。

有關疏水涂層的制備方法和性能，研究人員做了大量的理論研究和實踐工作。史偉良等［34］分別采用PECVD（等離子體增強化學氣相沉積）和熱噴涂技術制備了DLC、Teflon涂層，測得的疏水角θ分別為79.07°和106.05°，DLC涂層的疏水性能不及Teflon涂層，但DLC涂層與基體的結(jié)合力約是Teflon涂層的兩倍。劉成龍等［35］在316L不銹鋼上制備DLC薄膜，測得的薄膜表面能在40mN/m左右；這個數(shù)值比常規(guī)的金屬材料要低兩個數(shù)量基，這對減小黏附力，表面防黏附具有積極作用。Zhongzhen Wu等［36］介紹了一種負表面能材料，通過對AL2O3涂層表面進行羥基化處理，采用低能無機材料制備出了兼顧高機械強度和超疏水性能的表面；靜態(tài)接觸角為152°，滾動角不超過3°，達到了超疏水性能。Zhongzhen Wu等將疏水表面劃分為三代，分別是 G1、G2、G3，各代性能見表2。

表1 疏水表面類別Tab1 type of hydrophobic surface

表2 各代疏水表面性能Tab2 Performance of hydrophobic surface

由于耐磨性的要求，面食加工裝備的表面目前還多是一般的機加工表面，靠表面光潔度減小黏附，這與防粘是兩個不同的概念。因此，通過表面工程技術在壓延輥表面制備疏水涂層，是解決面食加工裝備壓延黏附問題的一個重要途徑。無機低能材料的運用兼顧了機械強度和防粘效果的綜合需求，是在壓延輥表面制備面帶防粘涂層的重要方向。

4 結(jié)語

通過以上有關面團粘性機理、黏附形式等問題的綜述分析，本文針對面團、面帶的黏附問題給出以下結(jié)論：

（1）面團的持水能力是調(diào)控面團粘性的關系因素，面團內(nèi)弱結(jié)合水的比例增加，面團體系的粘性增強。調(diào)制時適當增加水的比例，能增加面團顆粒的團聚能力（此過程內(nèi)聚性和彈性都是增強的）。

（2）輥壓力會縮小面團與壓輥表面的距離，顯著增加面帶與界面的真實接觸面積，增強面帶的黏附能力。面團的塑性變形可能會降低（面筋弱化）面團的持水能力，增加界面處弱結(jié)合水的比例，增強黏附能力。

（3）通過表面改性技術，使用無機材料制備低表面能壓延輥，減小面帶在其表面的黏附程度，實現(xiàn)提高機制面加水量的目標，是本文提出的創(chuàng)新點。