Плоские макароны закрутили при помощи поверхностных канавок

Скручивание макаронины в кипящей воде из-за текстуры, нанесенной на ее поверхность

Ye Tao et al. / Science Advances, 2021

Физики научились программировать форму готовой пасты, выдавливая канавки на поверхности плоского сырого изделия, и теоретически описали механизм трансформации таких макарон в воде. Результаты экспериментов и компьютерных симуляций могут помочь в пищевой промышленности: пресс-формы позволят получать большое разнообразие форм, а хранение изделий в плоском виде сэкономит около 60–90 процентов объема упаковок, который обычно заполнен воздухом. Статья опубликована в журнале Science Advances.

Пластик, используемый при упаковке пищи, составляет сегодня существенную долю отходов на свалках (например, в США — является основным источником отходов). В связи с этим важно оптимизировать способы хранения продуктов — в частности, стремиться разумно использовать объем упаковки, не производя лишнего пластика.

Один из типов пищевых продуктов, которые требуют такой оптимизации, — объемные формы пасты: упаковки этих изделий, как правило, более чем наполовину заполнены воздухом, а сами трехмерные макароны становятся более хрупкими по сравнению с плоскими формами и чаще ломаются при транспортировке.

Возможное решение состоит в том, чтобы «программировать» изделия так, чтобы при хранении паста оставалась плоской, а во время приготовления — самопроизвольно принимала нужную форму. Делать это можно по-разному — например, в 2017 году физики использовали для этого два слоя желатина, которые впитывали влагу с разной скоростью и заставляли пасту изгибаться в форму, определяемую расположением дополнительно нанесенных полосок целлюлозы.

Тем не менее, до недавнего времени в подобные исследования, как правило, проводились эмпирически и не предоставляли количественных моделей (которые нужны для проектирования формы изделий), а также ограничивались небольшим набором простых форм.

Физики из Китая, Сингапура и США под руководством Вэнь Ван (Wen Wang), Линин Яо (Lining Yao) из Университета Карнеги — Меллона и Тэн Чжан (Teng Zhang) из Сиракузского университета рассмотрели другой способ достичь самопроизвольной деформации пасты — вместо того, чтобы делать изделия многослойными, авторы создавали текстуру из небольших канавок на одной из сторон их поверхности.

Для экспериментов ученые изготовили тесто из манной муки и лепили из него плоские образцы сантиметровых размеров и двухмиллиметровой толщины. После этого исследователи вдавливали (как автоматически, так и вручную) в эти образцы заранее изготовленные на 3D-принтере пресс-формы, чтобы создать на поверхности изделий небольшие (порядка миллиметра в глубину и ширину) канавки. После этого образцы в течение 20 минут хранились на открытом воздухе, чтобы обеспечить стабильное протекание опытов.

При погружении в воду паста постепенно изгибалась ровной стороной наружу, поскольку из-за канавок диффузия протекала с разной скоростью в разных областях изделий, и те набухали неравномерно. Расположение канавок под углом друг к другу и краям образца позволяло регулировать итоговую форму пасты.

Чтобы детальнее изучить механизмы и закономерности, которые сопутствуют искривлению пасты, физики также использовали плоские полоски из полидиметилсилоксана (ПДМС) длиной и шириной порядка единиц–десятков сантиметров. Свойства этого полимера хорошо изучены, что позволило проводить численные симуляции процесса диффузии, а текстурой на поверхности такого материала можно управлять с большей точностью, чем для пищевого теста — благодаря этому ученые могли отслеживать зависимость искривления образцов от параметров канавок на их поверхностях.

В результате авторам удалось придать пасте и ПДМС около десятка различных форм, включая формы с ненулевой гауссовой кривизной. Оказалось, что на достижение целевой формы уходит порядка сотен секунд (в экспериментах с пастой — от трех до тринадцати минут), кривизна изделия обратно пропорциональна периоду нанесения канавок (то есть сумме ширины одной впадины и расстояния между соседними впадинами), а для спиралевидных форм расстояние между соседним витками увеличивается с уменьшением угла между полосками канавок и продольной границей образца. Кроме того, по оценкам ученых, представленные в работе текстуры позволят сохранить 59–86 процентов объема продуктовых упаковок.

Авторы отмечают, что прогнозы компьютерных симуляций качественно совпали с результатами реальных опытов, что может оказаться полезным для дальнейшего проектирования форм пасты в пищевой промышленности, однако для точных численных моделей требуется более тщательный анализ свойств пищевого материала — в частности, вязкопластичности, пороупругости и вязкоупругости.

За последнее время макаронные изделия не впервые привлекают внимание физиков — в 2018 году мы рассказывали о том, как они научились ломать спагетти пополам, а в 2020 — как разобрались в сгибании изделий во время приготовления.

Николай Мартыненко

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.