粘弹性食品系统与加工表面之间的接触面积与粘附行为之间的关系——流变学和接触时间的影响

《Applied Food Research》：Relation between contact area and adhesion behaviour between viscoelastic food systems and processing surfaces – influence of rheology and contact time

　　面团流变学与结构表面接触面积对粘附行为的影响研究表明，粘附参数（最大粘附力、粘附距离、粘附功）与接触面积呈显著线性关系（r=0.939-0.996），且随接触时间（1-60分钟）和面团零剪切粘度（5.3-22.5×10? Pa·s）变化。通过3D打印制备的规则结构表面能有效减少粘附，其中waffle结构因开放多孔结构促进最大接触面积（超过光滑面），而ridged和nope结构因几何约束显著降低接触面积和粘附量。研究证实表面结构与流变学特性协同影响粘附机制，为食品加工表面设计提供量化依据。

　　在食品加工过程中，粘弹性材料与固体表面之间的粘附行为是一个复杂而关键的因素，它不仅影响产品的质量，还对生产效率和清洁成本产生重要影响。本研究探讨了小麦面团在不同结构的加工表面上的粘附行为，以及接触时间与面团流变特性如何共同作用，影响粘附程度。通过结合流变学分析和表面接触行为实验，研究团队揭示了粘附行为与实际接触面积之间的强相关性，并进一步探讨了如何通过调整表面结构来控制这种粘附行为。

粘附行为受到多种因素的影响，包括材料的流变特性、接触时间以及表面结构的物理特性。粘弹性材料，如小麦面团，具有同时表现出粘性和弹性响应的特性，这意味着它们在与固体表面接触时，既能够发生塑性变形，又具有一定的回弹能力。这种双重特性决定了面团与表面之间的粘附机制，同时也使得粘附行为随时间发生变化。在本研究中，通过实验发现，随着接触时间的延长，粘附力、粘附距离以及粘附功均呈现显著上升趋势，表明粘附行为具有时间依赖性。此外，实际接触面积的增加进一步强化了这种粘附效应，尤其是在具有特定结构的表面中更为明显。

为了更系统地分析这些关系，研究团队采用了两种实验方法：一种是基于之前开发的接触时间测量（CTM）方法，用于评估粘附行为；另一种是基于动态压印法，用于测量实际接触面积的变化。这两种方法的结合为研究粘附行为提供了更全面的视角。研究中使用的表面结构包括光滑表面、波浪状表面、无结构表面以及格栅状表面，这些表面的几何特征在粘附行为中发挥了重要作用。例如，格栅状表面因其机械约束效应，能够有效限制面团的流入，从而降低粘附程度；而波浪状表面则由于其开放的结构特征，允许面团更容易流入表面凹槽，导致更大的实际接触面积和更强的粘附行为。

研究结果表明，粘附行为与实际接触面积之间存在显著的线性关系，且这种关系在不同的接触时间和面团流变特性下保持一致。例如，在接触时间为1至60分钟的范围内，实际接触面积的增加与粘附力、粘附距离和粘附功的增加之间呈现出高度的正相关性，相关系数分别达到0.939、0.946和0.966。这表明，实际接触面积是粘附行为的主要决定因素之一，而粘附力的大小则取决于面团的流变特性。对于低粘度面团，尽管其实际接触面积较大，但粘附力却相对较低，这可能是由于其较低的内聚力所致。相反，高粘度面团由于更强的内聚力，能够在较短时间内形成较高的粘附力，但其粘附距离和粘附功则相对较小。

此外，研究还发现，不同表面结构对粘附行为的影响存在显著差异。例如，波浪状表面和无结构表面能够显著促进面团的流入，从而增加实际接触面积，但这种效应在不同接触时间下表现不一。而格栅状表面则表现出较强的约束效应，即使在较长的接触时间内，其实际接触面积的增加也受到限制。这些发现对于优化食品加工设备的设计具有重要意义，因为它们表明，通过调整表面结构可以有效控制粘附行为，从而减少清洁需求，提高生产效率，并增强卫生性能。

流变学分析进一步揭示了面团的粘度对其粘附行为的影响。研究团队发现，随着面团中水分含量的增加，其零剪切粘度显著降低，这导致了面团更容易发生变形和流入表面结构。然而，这种粘度的变化并未直接转化为更高的粘附力，而是影响了粘附行为的其他方面，如粘附距离和粘附功。对于低粘度面团，尽管其粘附力较低，但其能够更广泛地覆盖表面结构，从而增加粘附距离和粘附功。这种现象可能与低粘度面团的较低内聚力有关，使其在接触过程中更容易发生塑性变形和流动，从而形成更大的接触面积。

研究还强调了粘弹性材料在接触过程中的动态响应。随着时间的推移，面团会经历应力松弛和蠕变过程，这些过程使得面团能够更好地适应表面结构，从而增加实际接触面积。然而，这种适应能力受到表面几何特征的限制。例如，格栅状和无结构表面由于其机械约束效应，限制了面团的流入，从而减少了实际接触面积。而波浪状表面则允许面团更自由地流入凹槽，导致实际接触面积的显著增加。这些发现表明，表面结构的设计应考虑面团的流变特性，以实现最佳的粘附控制。

从实际应用的角度来看，这些研究成果为食品加工设备的表面设计提供了重要的指导。通过优化表面结构的几何特征，可以有效减少面团与表面之间的粘附，从而降低清洁成本和生产中断的风险。此外，研究还表明，粘附行为并非仅仅由几何接触决定，而是受到粘弹性材料的流变特性和表面结构的共同影响。因此，在设计加工表面时，必须综合考虑这些因素，以确保设备的高效运行和良好的卫生性能。

研究还指出，尽管实际接触面积与粘附行为之间存在强相关性，但粘附力的大小更多地受到面团内聚力的影响。这意味着，仅凭接触面积的变化无法准确预测粘附力的大小，必须结合面团的流变特性进行综合分析。因此，在实际应用中，需要根据面团的流变特性调整表面结构，以实现最佳的粘附控制效果。

此外，研究团队还探讨了粘附行为与表面结构之间的相互作用机制。例如，对于低粘度面团，其更易流入开放的结构表面，从而形成更大的实际接触面积，但这种流入过程并未显著提高粘附力。相反，高粘度面团由于较强的内聚力，能够在接触过程中形成更稳定的粘附力，但其实际接触面积较小。这种现象表明，粘附行为是一个由多种因素共同决定的复杂过程，不能简单地归因于单一因素。

总体而言，本研究通过系统地分析接触时间、面团流变特性以及表面结构对粘附行为的影响，为食品加工设备的表面设计提供了新的视角。这些发现不仅有助于理解粘附行为的物理机制，还为优化加工过程提供了科学依据。通过合理设计表面结构，可以有效控制粘附行为，提高生产效率，减少清洁成本，并增强设备的卫生性能。这些结果对于食品工业中的表面设计和工艺优化具有重要的实际意义。