油条结构对“色香味”的影响机理分析与拓扑优化设计

油条结构对“色香味”的影响机理分析与拓扑优化设计

牛躺钝 a，b

a   北京航空航天大学，优秀毕业生

b  全球不正常人类研究中心，资深研究员

摘要：本文针对老百姓在食用油条过程中遇到的一些影响口感和食欲的问题，通过理论分析与有限元仿真相结合的手段，阐述了油条的反应机理，分析了结构形式对油条“色香味”的影响，并利用形状优化和拓扑优化等设计方法，改进了油条的结构形式，最后通过实验验证，证实了改进方案的合理性与可行性。结果表明，油条应该优化成圆形，厚度越薄越好，尤其是拓扑优化后的油条看起来金黄诱人，闻起来香气四溢，吃起来酥脆爽口，完美诠释了中华美食“色香味”俱全的真谛。

关键词：油条、结构、拓扑优化、色香味

一、引言

油条是一种古老的中华美食，口感松脆有韧劲，是中国传统的早点之一。传统的结构形式为长条形中空结构，这种结构最早可以追溯到宋代。据文献[1]记载，南宋高宗绍兴十一年，以秦桧为首的一伙卖国贼，用“莫须有”的罪名杀害了岳飞父子，南宋军民对此无不义愤填膺。当时在临安风波亭附近有个卖早点的摊贩，抓起面团，搓捏了形如秦桧和他夫人王氏的两个面人，绞在一起放入油锅里炸，并称之为“油炸桧”。人们为了发泄心中愤恨，纷纷争相购买，吃掉解恨，当时的场面请自行参考如今的网红奶茶店。于是，为了应付源源不断的需求，小商贩对油条的结构形式做了初步的优化，即把两个面人的结构形式简化为两个条状面团，然后放进锅中进行油炸。这种优化后的结构形式大大提高了生产效率，使网红小吃“油炸桧”迅速流传，风靡至今。

但是，自南宋以来的1000年中，油条的结构形式发展趋于停滞，几乎没有发生任何变化，并由此引发了诸多问题。比如，据二大爷[2]说有些油条没有炸透，吃起来软绵无味，影响口感；据三姑妈[3]说有些油条炸的太过，焦黑苦涩，影响健康；据四姨夫[4]说有些油条变形严重，歪七扭八，影响食欲。总之，现阶段的油条存在各种各样的问题，完全没有达到中华美食“色香味”俱全的精髓。

本研究针对老百姓在食用油条过程中遇到的现实问题，通过理论分析与有限元仿真相结合的手段，科学分析了结构形式对油条“色香味”的影响机理，并利用形状优化和拓扑优化等设计方法，改进了油条的结构形式，最后通过实验验证，证实了改进方案的合理性与可行性。

二、实验方案

材料：面粉500克、明矾14克、盐8克、碱粉10克、色拉油600克、清水180克。

实验过程：

1、将明矾和盐碾成粉末，碱粉用水溶化，一起倒入缸中，加入清水（冬天用温水），用手掏至缸底无粒屑、水起泡沫时，将面粉放入，用双手抄拌，使劲揉至酵面光滑不粘手，上面用清洁的湿布盖好，静置3小时左右再进行第二次搓揉，称为复酵。揉透后用刀切成几条，再分别揉紧成长条把它们排放在缸内，条与条之间涂上一些油防粘，上面仍用湿布盖好（天冷用棉絮），饧放4小时，继续让其发酵。

2、发酵好后，先在案板上撒一些粉，然后取一条酵面放上，用面棍顺长擀平再用双手捧住酵面两端，顺势拉成1厘米厚，7厘米宽的长条，随即用刀切成1厘米宽，7厘米长的小条（每条重35克）边切边将小面条翻转，使刀面朝上，切好后在上面撒一些干粉。取出两小条，将它们轻轻搓一下，用手将面条拍扁，然后将两根面条叠合，用筷子在上面嵌一凹槽，即成油条生坯。

3、将油温升至八成热，用双手捏住生坯两头，稍微拉长后绕成绞链形再拉至33厘米长，沿锅边轻轻放入，同时摘去两头。边炸边用筷子拨动，使之翻身，炸至金黄色并胀起时即可。

三、油条的反应机理与影响因素

在发酵过程中，由于酵母菌在面团里繁殖分泌酵素（主要是分泌糖化酶和酒化酶），使一小部分淀粉变成葡萄糖，又由葡萄糖变成乙醇，并产生二氧化碳气体。同时，发酵过程中还会产生一些有机酸类，这些有机酸与乙醇作用生成有香味的酯类。

反应产生的二氧化碳气体使面团产生许多小孔并且膨胀起来。有机酸的存在，就会使面团有酸味，加入纯碱，就是要把多余的有机酸中和掉，并能产生二氧化碳气体，使面团进一步膨胀起来；同时，纯碱溶于水发生水解；后经热油锅一炸；由于有二氧化碳生成，使炸出的油条更加疏松。

从上面的反应中，我们也许会担心，在炸油条时不是剩下了氢氧化钠吗？含有如此强碱的油条，吃起来怎能可口呢？然而其巧妙之处也就在这里。当面团里出现游离的氢氧化钠时，原料中的明矾就立即跟它发生了反应，使游离的氢氧化钠经成了氢氧化铝。氢氧化铝的凝胶液或干燥凝胶，在医疗上用作抗酸药，能中和胃酸、保护溃疡面，用于治疗胃酸过多症、胃溃疡和十二指肠溃疡等。常见的治胃病药“胃舒平”的主要成分就是氢氧化铝，因此，有的中医处方中谈到：油条对胃酸有抑制作用，并且对某些胃病的一定的疗效。

综上所述，油条是否能炸得又松、又脆、又黄、又香，影响因素是：（1）受热要均匀，使油条各个部位反应程度一致；（2）油温要控制的合适，便于反应温度处于最佳范围内；（3）炸的时间要把握好，不能过短，也不能过长。目前，关于温度和时间控制是研究人员比较关注的因素，新东方烹饪学校的研究人员已经发表了大量的文献[5]。但是，关于如何提高受热均匀程度，目前普遍的做法是边炸边用筷子快速拨动，不断使油条翻身。这种做法虽然在一定程度上解决了受热不均问题，但是并没有彻底解决问题的根本，并且十分累人。根据作者多年从事结构优化设计的经验，受热不均的根本原因是油条的结构形式不合理造成的，可惜这个问题还没有引起研究人员的注意，目前很少见到相关的论文。

四、油条的结构优化设计

4.1 油条结构的形状优化设计

通过理论分析，我们知道通过改进结构形式，到达提高受热均匀程度的目的，炸出又松、又脆、又黄、又香的油条，是一个非常值得研究的课题。但是，到底怎么样的结构形式才是最佳的方案呢？本人首先想到把油条的厚度擀薄。虽然从理论上来说应该是越薄越好，但是受厨艺所限，只能减薄至原来厚度的30%。并且，长期的工程经验告诉我，长条形薄片的4个边角处应力集中，极其容易翘曲，所以应该再将长条形优化成圆形，保证结构的边缘应力处处相等，减少变形量。形状优化后的油条如图所示。

通过对比我们发现，形状优化后的油条并没有达到我们预想的效果，发生了比较大的弯曲变形。并且由于油条变形，中间部分沉浸在热油中，边缘部分没有接触热油，造成了中间香脆可口，边缘软绵无味（或中间焦黑苦涩，边缘香脆可口）的结果。

对于这种现象，我们做了有限元仿真分析。根据仿真结果我们发现，油条变形的主要原因是热膨胀造成的，油条中间部分由于沿四周方向膨胀空间有限，所以只能沿上下方向膨胀，造成油条变形。

4.2 油条结构的拓扑优化设计

拓扑优化是指通过材料位置和数量的配置，以及材料布局与结点联结方式的优化，使结构满足应力、位移等约束条件，并将载荷传递到结构支撑位置，寻求结构的某种性能指标达到最优。翻译成大白话是：拓扑优化是一种材料重新分布的优化方法，有些地方堆加材料，有些地方去除材料，生成新的结构形式。

根据拓扑优化设计的指导思想，我们对油条的结构做了进一步优化，在中间位置增加了两条在膨胀过程中可以自由移动的边界，改变了结构的原有拓扑形式。通过有限元仿真分析，拓扑优化后的油条结构可以减少变形约40%。

试验结果表明，拓扑优化后的油条确实变形小了许多，油条受热更加均匀，吃起来更加香脆可口。

五、结论

本研究的结果表明，受热均匀程度对油条的“色香味”产生了很大影响，受热不均的根本原因是油条的结构形式不合理造成的；油条的结构应该优化成圆形，厚度应该越薄越好；拓扑优化的油条结构可以达到最好的结果，油条看起来金黄诱人，闻起来香气四溢，吃起来外脆里嫩，完美诠释了中华美食“色香味”俱全的真谛。

严正声明:

目前市场上出现了一批所谓“油饼”的产品，严重侵害了本人的知识产权，本人将保留一切追究法律责任的手段，与一切违反《中华人民共和国知识产权保护 法》的现象斗争到底。

参考文献

[1] 百度

[2] 二大爷

[3] 三姑妈

[4] 四姨夫

[5] 各大美食网站