压延辊表面面带黏附行为的研究

张学阁 ，贾 甲 ，李鸿印 ，赵光辉 ，汪瑞军 ，3

（1.中国农业机械化科学研究院，北京 100083；2.中国包装和食品机械有限公司，北京 100083；3.北京金轮坤天特种机械有限公司，北京 100083）

0 引言

鲜湿面、挂面等面食制品的工业化生产是食品加工装备的重要发展方向［1］。面团经压延辊逐级压延形成厚度均匀的面带是保证面食品质的关键工艺过程。但是，面带与压延辊黏附是制约增加面食加水量和面食品质提升的主要因素，也是发生面带“缠辊”造成生产中断的主要原因［2］。因此，防止面带黏附是提升面食制品品质，保证面食加工装备高效与高可靠性运行的关键技术。为此，针对面团粘性的产生机理和黏附行为引起了国内外研究人员的重视，并为此开展了深入的理论和应用研究。

本文对近年的研究工作进展和应用现状做了综述，为相关人员解决面食制品加工过程中的黏附问题提供借鉴。

1 面团粘性的关键问题

面团是一种天然植物型胶粘剂，具备将材料粘合在一起的能力［3］。面团具有粘滞特性，源于面团组织的交联作用和复杂的分子间作用力。流变学家Scott Blair［4］认为粘性是小麦面团的一种固有特性，是人手触碰面团产生的感觉。面粉和水的混合过程赋予了面团胶粘的能力，将面粉中的蛋白质、淀粉及其它营养物质粘连在一起形成一个具有可塑性、延展性的整体［5］。粘性为面团变形提供了迟滞力，同时也赋予了面团黏附能力。黄卫宁等［6］在综述中介绍面团的形成是个复杂的物化过程；直至今日，研究人员仍对面团的粘性问题存在多种不同认识。

1.1 面团粘性的产生机理

多数研究认为面筋网络的形成是面团粘性产生的主要原因。搅拌作用下面粉与水充分混合，其中高分子量谷蛋白亚基和低分子量醇溶蛋白亚基通过二硫键增大聚合体，相互粘接交联形成立体状的面筋网络结构，将淀粉颗粒和其它基质包裹在面筋网络结构之内，而形成粘弹性的面团［7-10］。此理论着重强调了面筋网络的数量和质量对面团粘性产生的影响，而忽略其他成分的作用。

近期的研究认为面团内次级键的形成能增强面团的粘性。面粉颗粒是一种亲水物质，蛋白质、淀粉及其它可溶性糖内包含众多极性基团，表现出极强的吸水能力。谷玉娟［11］采用X射线光电子能谱表面分析技术研究发现，小麦粉颗粒表面含有众多-COOH、-OH、-NH2基团。这些极性基团可与水以氢键结合，似乎可在面团内形成一种以氢键缔结的网络，将淀粉、蛋白质连接起来［12］。氢键是增强溶液粘度的主要次级键，次级键浓度增大面团内液体粘度增强，可增加面团的内聚力。逯蕾等［13］在研究小麦粉水溶物对面团和面制品的影响时发现，面团中水溶物（主要是糖类）的添加比例增加，面团的粘性增大，添加比例增加到20%时，馒头的咀嚼性最差。许真［14］发现增加面团内木聚糖酶的含量，可降低面团的粘性，减小面团的拉伸阻力，提高延展性。逯蕾和许真的研究分别是增加和减少了面团内糖的含量，带来的结果是粘性的增加和降低，这说明了糖类物质对面团粘性的影响作用。因为糖是一种多羟基类物质，一个糖分子可与多个水分子相结合增强水基羟基的浓度，进而增加溶液的粘性。面粉中淀粉、糖类都属于多羟基类物质，分析可知它们对面团的粘性有着不可忽略的作用。

持水能力调控面团体系的粘性。弛豫分析表明面团内存在三种形式的水，分别是深层结合水、弱结合水和自由水。深层结合水代表主要与面筋或淀粉颗粒紧密结合的水，弱结合水代表分布于淀粉、蛋白等大分子之间的水，其流动性大于深层结合水，小于自由水。马瑞杰［15］在研究面粉粒度对鲜湿面条加工适应性的过程中发现，鲜面条中主要是深层结合水和弱结合水，自由水的比例很小；并且发现面粉粒度减小，深层结合水的比例增加，而黏附性有减小趋势；这是因为面粉粒度减小，形成的湿面筋增多，这可能是面筋中硫基含量减小，低分子量的谷蛋白亚基通过二硫键交联形成高分子量的亚基，谷蛋白大聚合体含量增加，增强了面筋的持水能力。马瑞杰的研究也间接表明了弱结合水的比例增大将增加面团粘性。弱结合水应该主要是以氢键形式结合的水，其流动小于自由水。王崇崇［16］采用傅里叶红外光谱技术研究了淀粉粒度对淀粉分子结构的影响，发现粒度减小淀粉的吸水能力增强，而波数3 403 cm-1处淀粉结合水的强度却逐渐减弱，分析可能是淀粉断裂游离出了更多的羟基，增加了吸附水的数量；作者没有分析淀粉粘性的变化，但分析了面粉粒度对面条质构特性的影响，发现粒度减小，吸水能力增加，面条的黏附性整体呈下降趋势，硬度和弹性整体呈上升趋势；分析这可能是湿面筋和蛋白含量的变化增强了面团的网络结构和持水能力。目前看，面团的持水能力可以调控面团的粘性，面团内强结合水比例增大，面团粘性和黏附性减弱；反之，当面筋含量少，持水能力减弱，弱结合水的比例增加，面团粘性和黏附性将增强。

1.2 面团粘性的影响因素

面团粘性与面团成分和调制过程有关。水、蛋白质、淀粉和可溶性物质是面团的主要成分，也是影响面团粘性的主要因素。

水是面团粘性的诱因，面团粘性与水含量具有显著正相关性。Dorra Ghorbel、Dobraszczy［17］、胡云峰［18］，雷恒森［19］等的研究结果表明，调制时增大加水量，面团粘性增强；以面条加工为例，30%～35%的加水量获得的面团颗粒松散，团聚性差，需经后续压延工艺才能形成粘接紧密的面团组织，而50%～60%的加水量调制的面团无需压延过程，就能获得更加连续性的面团组织。以上现象的主要原因（不排除和面设备的影响）应该是：水量增多，面团内弱结合水的比例增加，蛋白、淀粉之间氢键连接的密度增大，导致面团的滑移阻力增强，内聚力变大。此外，水的硬度、温度、酸碱度、离子种类等参数和面团粘性也有一定关系，可能是这些因素增强或降低了面团内亲水基团的活性，影响水在面筋、淀粉表面的吸附能力，最终改变了强弱结合水的比例。

面筋蛋白的质量和数量影响面团粘性的变化趋势。这里主要是指面筋蛋白的影响，高分子谷蛋白和小分子醇溶蛋白的数量影响面团体系的粘弹性。面筋内高分子聚合体数量增大，面团弹性增强，伴随着粘性降低［20］。薛晓程［21］研发发现，挤压组织化蛋白产品的黏聚性与谷朊粉（面筋蛋白）的持水能力呈显著正相关，认为这是吸水后形成了更加强大的面筋网络。较宽的分子量分布赋予了面团压力敏感型胶粘剂的特性。面筋内大分子量的面筋蛋白增多，影响面团的弹性模量和储能模型，从而调整面团的粘弹性［22］。

淀粉和可溶性物质会影响弱结合水的比例，增强粘性。淀粉是面粉的主要成分之一，约占总质量的70%，是天然高分子化合物，具有良好的粘合性和成膜性能［23］。面团内添加淀粉后吸水量增大，制作的面团更加柔软，延展性增强。淀粉和可溶性物质都是极性分子，大量羟基与水作用产生氢键结合，增加面团内弱结合水（或吸附水）的比例，增强水粘合性能［24］。汪磊［25］等在研究馒头时介绍，当淀粉吸水量减少时面筋蛋白内水分可以向淀粉网络迁移。之前有关淀粉对面团粘性的认识不是很充分，多认为淀粉是单纯地被包裹在面筋网络内，很少将淀粉与面团粘性联系在一起。但是，调制时增加淀粉量确实可以增大吸水量，增加面团的粘性。可以认为面团内的淀粉粒子通过水分子缔结成淀粉网络，并与面筋网络交联，增强面团体系的持水能力，进而增加了面团变形的滑移阻力，粘性增强。

2 面团黏附特性的研究

黏附是指面团与表面（设备表面或者面团表面）接触产生彼此粘连的一种界面行为。黏附程度用黏附力或剥离能进行表征。面团的黏附力和内聚力存在一定的“消长”关系，即内聚力增强，黏附力有减弱趋势。从加工装备表面防粘性能方面讲，我们更关心面团的黏附行为和黏附能力。

2.1 面团的黏附形式

归纳起来，面团黏附主要有三种形式（如图1所示），分别是：“A”面团与面团黏附、“B”界面（非面团）黏附、“C”压应力作用下的界面黏附。

图1 面团黏附的三种形式Fig.1 Three types of the dough adhesion

形式“A”多发生在面团内部或者面团形成的过程中，可将小的颗粒和组织彼此粘连团聚成大的面团。此种形式的黏附对面食的形成过程有重要意义，赋予了小麦谷物塑形和包裹其它营养物质的能力。方式“B”是面团与界面接触后自发形成粘接的一种行为，黏附能力受界面特性、接触时间、自身重力、面团体系的影响，黏附力比方式“C”要小。随着时间增加，面团会渐渐失水固化，形成一定的骨架，其黏附能力逐渐增强而后趋于稳定；此种黏附形式是面食加工过程中产生污染、霉变异味的主要源头，不利于环境卫生和食品安全。发生界面黏附的面团内部存在大量的气体和空隙，同时，由于面团自身具有一定的弹性和刚度，在自身重力作用下浸润界面的能力有限；因此，面团组织内部、面团界面发生粘连及粘接密度也有限，湿面团形成的黏附力弱，强度不及形式“C”。形式“C”是面食加工装备中最具普遍性的黏附形式，在此过程中面团因受到外力的强烈作用而发生变形（尤其是塑性变形），面团与界面的真实接触面积增加，增强了面团与界面的黏附行为。面带的形成主要是受压辊径向和纵向挤压力（波纹压延）作用，辊压力、剪切力是面团发生变形的主要外力。压应力的变形作用可降低面团内部的孔隙率，使组织更加致密。挤压变形的同时，面团各部分组织之间的间距也将大大缩短，增加了面团内部组织各部分彼此粘连的能力，这也是低含水量颗粒松散的面团在压延作用下可以形成连续面带的原因。当分子间距离小于0.5 nm时分子间作用力将发生作用，距离小于0.255～0.275 nm时分子间氢键的键合作用增强，这将大大增强面团的内聚力和黏附力。针对压延黏附问题，比较关注第“C”种形式。经过分析，压延过程增强面带的黏附效果主要体现在以下三点：（1）提高了浸润能力，增加了面带与界面的实际接触面积，增强了热吸附作用；（2）压应力对面筋产生了弱化作用，使其持水能力减弱，面团体系内弱结合水和自由水的比例增加。（3）压力提高了内部水的流动性，增加了界面处水的水分。

Dobraszczyk以不锈钢为底物，测得面带的粘接能WA≈100 mJ/m2，表明面带与不锈钢底物的黏附是典型的次级键的能量值范围。而面团内与极性基质所形成的众多氢键是次级键的典型代表。以上分析可知，减弱接触界面与水的作用是实现面带防粘的关键因素。从材料表面与界面的角度分析，降低材料表面能、控制表面水的接触角是实现面带防粘的一个重要技术途径，这为解决面带黏附问题提供了指导方向。

2.2 黏附能力的测试方法

面团的黏附能力与界面特性和面团体系直接相关，黏附能力的量化分析是研究面团黏附行为的重要技术手段。经查阅相关文献，共发现两种结果重复性较理想的测量方法。

2.2.1 离心法

离心法原理（如图2所示）。测量装置主要由旋转装置、测量室、控制装置三部分组成。

图2 离心法测量原理图Fig.2 Schematic diagram of centrifugal method

测量室是透明密闭的空间，一方面可以观察面团的变形过程，另一方面起到面团保湿作用；测量室有A、B两个端面，用于安置面团黏附试样。首先将质量为m的湿面团放置在试样上，并安置在装置的B端，装置以一定的转速旋转使面团发生变形，增大面团与试样的接触面积；然后将B端试样调转安装到A端，并逐渐增加装置的旋转速度直至面团从A端的试样上脱落为止；记录面团脱落时装置的角速度ω，测量试样上面团的残余质量。面团的临界黏附力以离心力表示。

式中 FC——面团的临界黏附力；

m ——湿面团的质量；

r ——试样旋转半径（o到A的距离）；

ω ——临界角速度。

2.2.2 剥离法

目前，此类测量装置以物性分析仪（质构仪）为主要代表。探头以设定的速度向面团移动，与面团接触后探头将感应压力的变化，随后探头以设定的速度与面团分离，系统会记录压力随时间的变化曲线。文献［26-28］详细介绍了测试过程和参数，整个过程可获得最大剥离力和单位剥离能两个主要参数。Dorra Ghorbel的分析表明，单位面积的剥离能更具有显著性。

两种测试方法都能定量分析面团的黏附能力，使用时各有特点。离心法的测量范围较广，在测量半径r确定的情况下，可通过调整转速测量高速工况下的剥离情况（高速更能真实反映面带的黏附过程）；Richard-Sebastian Moller介绍了一种离心法测量仪器，半径r=110 mm，转速ω可从 500～4000 min-1之间变化（500、1 000、1 250、1 500、…、4 000）。但是，此方法存在两个不足：（1）面团的离心力会通过面团体系转移到接触表面而加速面团的脱落，无法有效地分离黏附力和内聚力；（2）面团脱落之前，转速是分梯度增加，那么就无法明确判定前期积累的离心效果对面团脱落的作用。以物性分析仪为代表的剥离法目前在食品、医药等行业应用广泛，能迅速表征面团的黏附能力。W.Z.Chen和R.C.Honseney开发的一套测量“小室”，能显著降低面团“颈缩”效应的影响，可将面团黏附力和内聚力有效地分离。多个研究结果表明，剥离速度是影响黏附能力的一个主要参数［29-33］，但是，质构仪的量程和剥离速度有限。目前，质构仪的剥离速度普遍在20～40 mm·s-1之间，这个数值和工业化面带生产的线速度还相差甚远（0.8 mm厚面带可达到750 mm·s-1）。

2.3 黏附失效模式

根据面团与底物的分离状态，黏附失效包含三种模式，分别是界面失效、内聚力失效、复合失效，如图3所示。

图3 三种失效模式Fig.3 Three failure modes

“界面失效”是指面团与底物在界面处发生分离，底物表面没有残留。“内聚力失效”是指断裂发生在面团内部，大量面团会残留在底物表面。“复合失效”是指面团与底物在界面处发生分离，但底物表面会有小部分残留，面团与底物分离不彻底。面团与底物的失效模式取决于界面黏附力（FA）和面团内聚力（FC）的大小关系。内聚力大于黏附力，则内聚力占主导作用，表现出“界面失效”；内聚力小于黏附力，黏附力占主导作用，表现出“内聚失效”；当内聚力与黏附力相当时，常发生“复合失效”。从应用角度考虑，面团防粘应追求“界面失效”模式，因为在此模式下，防粘的效果最理想，无需再为压延辊配备刮刀。增加面团内聚力，减小黏附力是实现“界面失效”模式的途径，两者的差值ΔE越大，越能接近理想的界面失效状态。

增加面团加水量、降低界面的热吸附作用是实现“界面失效”模式的重要手段。在面团调制过程中，虽然多加水增加了面团的黏附力，但这也同时提升了湿面筋的数量和质量，增强了面团的内聚力。多加水时黏附力和内聚力同步增加，并且黏附力的增加速率比粘聚力速率要大，所以表现出黏附能力增强的现象。而减小界面的表面能，降低界面的热吸附作用可以减小黏附力，增大ΔE，实现防黏附的目的。

3 疏水涂层在防黏附方面的应用

“疏水”是水滴在接触表面铺展的状态。根据接触角θ（0～180°），表面分亲水表面、疏水表面、超疏水表面三种，分类标准见表1。θ数值是表征亲-疏水性能的一个重要指标，从防粘角度考虑，要求θ大于90°。疏水涂层是一种表面改性涂层，通过物理或者化学的方法在金属材料或者非金属材料表面构筑一层具有特殊材料和组织结构的薄膜，使表面获得疏水的功能，进而实现自清洁、防黏附、减磨耐磨等目的。

有关疏水涂层的制备方法和性能，研究人员做了大量的理论研究和实践工作。史伟良等［34］分别采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积）和热喷涂技术制备了DLC、Teflon涂层，测得的疏水角θ分别为79.07°和106.05°，DLC涂层的疏水性能不及Teflon涂层，但DLC涂层与基体的结合力约是Teflon涂层的两倍。刘成龙等［35］在316L不锈钢上制备DLC薄膜，测得的薄膜表面能在40mN/m左右；这个数值比常规的金属材料要低两个数量基，这对减小黏附力，表面防黏附具有积极作用。Zhongzhen Wu等［36］介绍了一种负表面能材料，通过对AL2O3涂层表面进行羟基化处理，采用低能无机材料制备出了兼顾高机械强度和超疏水性能的表面；静态接触角为152°，滚动角不超过3°，达到了超疏水性能。Zhongzhen Wu等将疏水表面划分为三代，分别是 G1、G2、G3，各代性能见表2。

表1 疏水表面类别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，面食加工装备的表面目前还多是一般的机加工表面，靠表面光洁度减小黏附，这与防粘是两个不同的概念。因此，通过表面工程技术在压延辊表面制备疏水涂层，是解决面食加工装备压延黏附问题的一个重要途径。无机低能材料的运用兼顾了机械强度和防粘效果的综合需求，是在压延辊表面制备面带防粘涂层的重要方向。

4 结语

通过以上有关面团粘性机理、黏附形式等问题的综述分析，本文针对面团、面带的黏附问题给出以下结论：

（1）面团的持水能力是调控面团粘性的关系因素，面团内弱结合水的比例增加，面团体系的粘性增强。调制时适当增加水的比例，能增加面团颗粒的团聚能力（此过程内聚性和弹性都是增强的）。

（2）辊压力会缩小面团与压辊表面的距离，显著增加面带与界面的真实接触面积，增强面带的黏附能力。面团的塑性变形可能会降低（面筋弱化）面团的持水能力，增加界面处弱结合水的比例，增强黏附能力。

（3）通过表面改性技术，使用无机材料制备低表面能压延辊，减小面带在其表面的黏附程度，实现提高机制面加水量的目标，是本文提出的创新点。