パスタ・アラ・シミュラチオーネ: COMSOL® でパスタ製麺をシミュレーション

2022年 2月 14日

穀物を小麦粉に挽き, 水を加えて圧力をかけて生地を作り, それを切り分けて煮ます. パスタはかなり基本的なもののようです. それでも, それについての何かは, キッチンだけでなく, 創造性を刺激するようです. 私たちもそれについて話をするのが好きです. マルコポーロが13世紀の中国でパスタを発見し, それをイタリアに紹介したと聞いたことがありますか? 小麦ベースのパスタは古代ローマとギリシャですでに食べられていたため, これは真実ではありません (参考文献1).

これは, 私が子供の頃から聞いたことをすべて信じてはいけないという教訓です. 私の小学校の教師の一人によると, イタリアのママは, 鍋からパスタを取り出して壁に投げつけて, くっつくかどうかでパスタの出来具合をテストしていました. 本当に? 私の人生の9年間で, イタリア系アメリカ人の祖母が麺を1つも投げるのを見たことがありませんでした!

そのような滑稽な物語がそれほど根づいている理由は何でしょうか? 単純に, パスタは人間と同じように, 見た目よりも複雑なのでしょうか? 市販のパスタ押出機のチュートリアルモデルを参考にしながら, パスタ作りに関する事実を解き明かしましょう.

パスタレオロジのバランス

芸術と科学, 小麦粉と水, ペペロンチーノ. 麺を製造する場合でも, 夕食に使用する場合でも, 補完的な要素間の力のバランスを取る必要があります. パスタ粉の原料となる穀物には, デンプンとタンパク質の両方が含まれています. 生地を作るには, 小麦粉に水を加え, 手や道具でかき混ぜます. このプロセスの追加された水分と応力により, 湿ったパウダーが粘着性のある伸縮性のある塊に変わります.

パスタを作る2人の女性を示すイタリアのイラスト. 左の女性はパスタを吊るして乾かしており, 右の女性は生地を作っています.
外のカウンターでパスタ麺の輪を手で引っ張る男性.

左: イタリアの15世紀のイラストの中でパスタをつくる女性たち. 画像は Wikimedia Commons を通して公知. 右: 中国遼寧省大連市で麺を手で引く男性. CEphoto の Uwe Aranas 氏による写真. Wikimedia Commons におけるライセンス CC BY-SA 4.0 による.

生のパスタ生地は均一に見えるかもしれませんが, その構成要素であるデンプンとタンパク質は均等に分布していません. これらの多彩な分子は, パスタ生地のレオロジを定義するのに役立ちます. これは, 加えられた湿気, 機械的応力, および熱に応じてパスタ生地がどのように流れ, 変形するかを表します. 最終的にチャウファンまたはカンパネラになるかどうかにかかわらず, 生地のレオロジは, 製造のすべての段階でどのように処理されるかによって影響を受けます.

押出機が食材を麺に変える仕組み

パスタを一から作るときは, 見た目や感触に基づいて生地を調整できます. ここで水を少し加えてこねます. パスタが工業規模で作られる場合, そのような手作業によるレオロジ調整はもはや選択肢ではありません. 製麺工場では, エクストルーダーなどの機械を使用して, 生のパスタ生地を混ぜてこねます. 以下は, 典型的なパスタ押出機の設計例です:

中心棒の周りに螺旋状に金属の刃があり, 右端にノズルがあるパスタ押出機モデルの形状.
チュートリアルモデルでレンダリングされた, パスタ押出機内の部品図.

押出機の心臓部は押出スクリューまたはウォームです. これは, スクリューのようなブレードと組み合わされた回転シャフトです. (巨大なフジッリ麺のように見えます!) 水と小麦粉は, 写真の押出機の左側に供給されます. 押出ワームが回転すると, 材料が右に押し出されます. ワームの動きによって発生する熱, 動き, および圧力により, 混合物が生地に変換されます. 生地は, マシンの右側にある写真の出口ノズルの穴から押し出されます. 出口にアタッチメントを取り付けてさまざまな麺の形を作ることができ, 他の装置で最終製品を切断して乾燥させることができます.

押出プロセスの潜在的な問題

パスタは何百年もの間, 同様の機械で作られてきましたが, その技術はまだ完全ではありません. ナポリ大学の研究者による研究 (参考文献2) は, 押出プロセスが複雑な圧力と温度の組み合わせによって駆動される重合現象を伴うことを指摘しています. 押出機内で発生する可能性がある問題には, 次のものがあります:

  • 小麦粉と水の混合が不完全
  • 不均一な圧力分布と押出速度
  • 生地の循環が悪く, カビが発生しやすい

これらの問題は, 最終製品の見た目や味に影響を与えたり, 安全に食べられなくなることさえあります. このような問題を引き起こす可能性のある条件を予測するために, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアを使用してパスタ押出プロセスをモデル化できます.

熱と速度の不均一な分布のモデル化

COMSOL Multiphysics バージョン6.0で利用可能なチュートリアルモデルではパスタ押出機を通過する生地の非等温流をモデル化する方法を示しています. このモデルを使用して, 押出機内の条件が最終製品にどのように影響するかを予測できます.

機械的攪拌によって発生する温度上昇により, パスタ生地の粘度は, 押出機を通過するにつれて減少します.

注: 簡単にするために, モデルでは水分レベルは一定であると仮定されており, ここでは説明しません.

非等温流 (層流) インターフェースは, クリープ流れインターフェースと伝熱 (流体) インターフェースの間のカップリングを提供し, 粘度の散逸を説明します. 押出スクリューの動きは, 20 rpm の角速度で回転するドメイン内で捕獲されます. フローズンローター解析は, スクリューの動作と結果として生じる生地の流れ場のメモリ効率と時間効率の高い近似値を提供します.

押出機モデルのシミュレーション結果は, 生地に対する加熱とせん断応力の複合効果を示しています. 粘性加熱は, せん断速度が最大の場所で最大になります. これは, スクリューの表面が外壁に接する場所で発生します. 壁の近くで発生した熱は, 押出出口に向かってらせん状の経路で継続的に移流されます. せん断薄化生地のため, せん断速度が増すと粘度が低下します. 温度が上がると粘度も下がります. これらの不均一に分布した効果により, 粘度がほぼ1桁変化します. せん断速度が遅いブレードの中央に近い生地の部分は, ほぼ剛体のように回転します. これにより, 流れに対して垂直方向の混合が非常に不十分になり, 生地の品質が不均一になる可能性があります.

温度スケールの横にあるパスタ押出機のモデル. モデルの左端は濃い紫色で, 真ん中はピンク, 赤, オレンジのオンブルです. ノズルは黄色です.
見かけの粘度を虹色で示したパスタ押出機のモデル. モデルの左側は赤, 中央は濃い紫と青, ノズルは水色.

シミュレーションされたパスタ押出機モデル内の温度プロファイル (左) と見かけの粘度 (右).

また, 出口付近では生地の温度が不均一になります. これらのシミュレーション結果は, 押出機を断熱すると, スクリューセクションの出口でより均一な温度になり, 生地がノズルに到達する前により均一な生地特性が保証されることを示唆しています.

モデルの左端が濃い青であるレインボーカラーの速度プロファイルを示すパスタ押出機モデル. 真ん中は黄色, オレンジ, 青です. ノズルの首はライトブルーですが, ベースとエンドはダークブルー.
モデルの端が濃い緑色であるレインボーカラーのせん断速度を示すパスタ押出機モデル. 真ん中は黄, 緑, 青. ノズルは主に明るい, ほぼ透明な青色.

パスタ押出機モデル内のシミュレートされた速度プロファイル (左) とせん断速度 (右).

独自のパスタシミュレーションを提供する

私の祖母のパスタは試してみることができないかもしれませんが, 上記のパスタ押出機モデルは確かにあります. ダウンロードして, 以下のリンクから独自のシミュレーションを試してください. でも, このパスタの話でお腹がすいたら, スパゲッティを食べてからにしましょう!

食品科学にもっと飢えていますか?

食品の挙動についても言及している以下のブログをチェックしてください:

参考文献

  1. 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
  2. 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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