制作冰淇淋的过程 ， 充满了不可思议的物理化学原理 。
本文图片
Wayne Thiebaud 画作
炎炎夏日 ， 大概没有什么比吃一只冰淇淋更美妙了 。
冰激凌是冰晶、奶油和空气的奇妙组合 ， 甜腻而清爽 ， 软糯又润滑 。 虽然你的舌头可能感觉不到 ， 但是水占据了冰淇淋总质量的60%-72% ， 它们以小冰晶的形式存在 。 除此之外 ， 只有8%-10%是美味的油脂 ， 25%-50%则是空荡荡的空气 。 所以 ， 冰淇淋事实上是非常简单的混合物 。
但是 ， 小小的冰淇淋为何能轻松俘获我们的味蕾呢？因为其中蕴含着不可思议的物理化学原理！你能想象 ， 冰淇淋的制作甚至和矿石的形成过程、动植物抗寒的原理、森林再生的规律 ， 都有千丝万缕的联系吗？
01、冰晶与矿石形成
冰晶尺寸是决定冰激凌顺滑口感的关键因素 。 如果冰晶太大 ， 就会像嚼冰碴儿一样 ， 再大的话冰淇淋更会直接变成冰沙 ， 只有小到血细胞尺寸的几微米的小冰晶 ， 才能产生丝滑的口感 。
那么要如何让冰晶尽可能小呢？需要什么样的条件 ， 才能让水凝固成小冰晶？
我们知道 ， 岩石主要由石英（二氧化硅）等矿物质组成 ， 而冰和石英一样都是晶体 ， 所以如果在显微镜下观察冰激凌的微观结构 ， 会发现它和地球岩浆冷却形成的一块花岗岩没有太大区别 。
本文图片
在显微镜下可以看到 ， 岩石薄片有几种不同颜色的矿物晶体（左） ， 冰淇淋中的冰晶在偏振光下闪闪发光（右） 。 ｜左：Flickr user Leo-set? ， 右：Maxim Bilovitskiy
炽热的岩浆来到地表时冷却速度越快 ， 岩石中矿物晶体的尺寸就越小 ， 比如从火山直接喷发出来的熔岩会迅速形成火成岩 ， 其中包含的矿物晶体往往非常小 。 要得到微小的冰晶 ， 也可以用快速冷却的方法 。
现在流行的液氮冰淇淋的原理 ， 就是加快冷冻过程 ， 让冰晶尺寸尽可能小 。 传统方法制作的冰淇淋 ， 冰晶只能达到几微米的量级 ， 而用零下196度的液氮制造冰淇淋 ， 内部的冰晶可以达到几纳米级别 。 怪不得现在的冰淇淋越来越好吃了！也难怪家里的冰箱永远做不出冰淇淋 ， 只能冻出大块的冰棍 。
02、冰晶与森林再生
如果没有液氮 ， 就不能生产出优质的冰淇淋了吗？当然不是 ， 获得微小冰晶的方法不止一种 。
在冰淇淋的生产工艺中 ， 第一个步骤叫动态冷冻 ， 也就是边搅拌边冷冻 。 在这个过程中 ， 冰晶会不停地聚集在搅拌器内壁 ， 搅拌器要迅速把内壁的冰晶刮下来 ， 和其他冰淇淋搅拌到一起——两次刮削的时间间隔非常短 ， 只有0.1秒 。 如此迅速的操作可以防止冰晶一直生长 ， 最后变成冰碴儿 。
不仅如此 ， 刮下来的冰晶被打散之后还可以成为新的晶核 ， 供其他水分子附着在上面长出更多冰晶 。 这样一来 ， 冰淇淋中的晶核数量不断增加 ， 而水分子的数量不断减少 ， 大量的晶核竞争有限的水分子 ， 结果就是 ， 每一个晶核都没有机会长大成冰碴儿了 。
这个过程其实和森林再生的原理非常相似 。 当森林遭到外部力量侵袭 ， 比如人类砍伐活动 ， 一场大的野火 ， 或者飓风等自然灾害 ， 很多树木会消失不见 ， 留下空缺位置 。
在这些地方 ， 密密麻麻的小树苗如雨后春笋一般冒出来 ， 因为竞争压力太大 ， 一小片土地能够提供的资源有限 ， 这第二茬树木的生长速度会非常慢 ， 就像刮下来的冰晶很难长大一样 。
大概要经历长达几十年时间 ， 弱小的树苗最终因为竞争压力死去 ， 强壮的树苗才能重新长成大树 。 对森林来说 ， 缓慢的生长和参差的树木往往造就一个健康的生态系统；而对冰激淋来说 ， 竞争是产生丝滑口感的关键 。
本文图片
（左）古生林往往是大树和小树苗的混合 ， （右）经过砍伐或自然灾害形成的次生林 ， 往往树木矮小 ， 粗细差不多 。 | TJ Watt
03、冰淇淋与耐寒动植物
我们小时候都有过这种经验 ， 三伏天买来冰淇淋、雪糕 ， 然后一路小跑回家放进冰箱 ， 等再拿出来吃的时候 ， 发现冰淇淋已经融化又凝固 ， 口感远远不如刚从超市买回来的好 。
其实和所有的美味一样 ， 冰淇淋也非常讲究新鲜 ， 刚做出来的冰淇淋最好吃 。 把冰淇淋从超市搬运到家的过程中 ， 其中的冰晶会受热融化 ， 然后再凝固形成更大的冰晶 ， 结果就会像冰棍一样硬邦邦 。 事实上 ， 哪怕冰箱门打开让温度稍微波动 ， 冰淇淋也会融化一点点 ， 反复几次之后口感也会下降 。
所以 ， 在生产、运输、储存、销售的每一个环节 ， 都有可能因为温度变化 ， 让冰淇淋中的冰晶融化 ， 发生重结晶现象 。 人们向冰淇淋中添加稳定剂 ， 减缓液态水分子在冰淇淋混合物中的运动 ， 使冰激凌长时间保持稳定 。 不过这个问题还有另一种解决方案 ， 那些生活在寒冷地带的野生动植物早已找到 。
很多生活在两极和高海拔地区的鱼类、昆虫和植物 ， 可以生活在温度低于零摄氏度的极寒环境 ， 并保持体液不结冰 ， 这是怎么做到的呢？原来 ， 它们体内含有一种抗冻蛋白 ， 可以吸附到冰核表面 ， 阻止水分子聚过来 ， 这样冰晶就没法继续生长 ， 生物体也得以避免低温下细胞损伤甚至死亡的厄运 。
抗冻蛋白最初是在极地冰水中的鱼类身上发现的 ， 后来人们可以在实验室中用基因编辑酵母来合成 。 如今 ， 抗冻蛋白作为食品添加剂被放入冰淇淋中 ， 抑制冰淇淋的重结晶 ， 从而让我们在超市的冰柜中也能买到丝滑软糯的冰淇淋 。
本文图片
大洋鳕鱼生活在大西洋西北部的寒冷水域 ， 组织中含有抗冻蛋白 ， 帮助抵御接近或低于冰点的严酷温度 。 ｜Vejlenser
04、冰淇淋中的物理化学
冰淇淋的主要成分除了水 ， 还有奶油、牛奶中的油脂 ， 一般油脂含量为8%-10% ， 有些高级（很贵）的冰淇淋中 ， 油脂的含量甚至可以达到15%-20% 。
我们知道 ， 油和水是无法相互溶解的 ， 即使混到一起也会很快分层 ， 所以火锅的表面总是漂浮着一层厚厚的油脂 。 但冰淇淋中的水和油脂为什么混合得如此完美？答案在冰淇淋的微观结构中 。
大家可能都熟悉拌沙拉常用的油醋汁 ， 油醋汁一般由三份油和一份醋组成 ， 油和醋原本不相溶 ， 但放在一起疯狂搅拌 ， 油最终会分解成微小的球形油滴 ， 均匀分散到醋中 ， 形成乳浊液 。
乳浊液是两种不相溶液体形成的均匀混合物 ， 大多数都不稳定 ， 放置久了两种液体还是会分层 ， 恢复到更简单、更有组织的结构 。 但也存在稳定的乳浊液 ， 比如牛奶和椰浆 ， 无论等待多久 ， 始终可以保持混合状态 。 这是因为牛奶中含有天然乳化蛋白 ， 这些蛋白的分子结构一头亲水 ， 一头亲油 ， 可以降低油和水之间的表面张力 ， 将一个个小油滴包裹在里面 ， 使它们难以聚集 ， 结果看起来就是油溶在水里了 。
不过光靠牛奶中自带的天然乳化蛋白 ， 还不足以让冰淇淋保持长时间稳定 ， 一般来说 ， 制作冰淇淋时还会额外加入卵磷脂、酪蛋白等乳化剂 ， 帮助冰淇淋中的水和油脂更稳定地保持乳浊液状态 。
本文图片
如果让油和水均匀混合 ， 并加入乳化剂 ， 就可以形成稳定的乳浊液 ， 像在牛奶或冰淇淋中那样 。 ｜Pixabay
卵磷脂不光是优秀的乳化剂 ， 也是一种起泡剂 。 说到这里 ， 就要提到冰淇淋中的另一种主要成分——空气了 。 冰淇淋中空气的体积通常可达25%-50% ， 这样吃起来才会有蓬松的口感 。
和乳化剂的原理类似 ， 起泡剂也可以降低液体的表面张力 ， 让空气更容易被液体包裹起来 ， 就像加了肥皂水才能吹出肥皂泡一样 。 所以 ， 冰淇淋中的气泡其实就像一大群被冷冻起来的微小肥皂泡 。
这也导致 ， 冰淇淋可以存在的最高海拔是3000米 。 超过这个高度 ， 由于大气压过低 ， 冰淇淋中的气泡就会膨胀破裂 ， 最后整个冰淇淋就会坍缩到一半体积 ， 成为坚硬的冷冻奶油加冰混合物 。
本文图片
Wayne Thiebaud 画作
费曼在《费曼物理学讲义》中曾写道：整个宇宙存在于一杯葡萄酒中 。 他说：
“如果我们足够细致地观察一杯葡萄酒 ， 确实可以见到整个宇宙 。 这里出现了一些物理学现象：弯曲的液面 ， 它的蒸发取决于天气和风；玻璃上的反射；在我们的想象中又添加了原子 。 玻璃是地球上岩石的净化产物 ， 在它的成分中 ， 我们可以发现地球的年龄和星体演化的秘密 。
……
如果我们微不足道的有限智力为了某种方便将这杯葡萄酒——这个宇宙——分为几个部分：物理学、生物学、地质学、天文学、心理学 ， 等等 ， 那么要记住 ， 大自然是不知道这一切的 。 所以让我们把所有这些仍旧归并在一起 ， 并且不要忘记这杯酒最终是干什么用的 。 让它最后再给我们一次快乐吧！喝掉它 ， 然后把它完全忘掉！”
或许 ， 我们也可以说 ， 整个宇宙存在于一只冰淇淋中 。
作者｜苗园柯 科学史硕士
参考资料
[1]https://www.smithsonianmag.com/blogs/national-museum-of-natural-history/2021/07/15/strangely-scientific-endeavor-making-ice-cream/
[2]中国科学院科普云平台-矿物博物馆
http://www.kepu.net.cn/vmuseum/earth/mineral/index.html
[3]中国科学院地球环境研究所
http://www.ieexa.cas.cn/kxcb/kpwz/201801/t20180119_4936168.html
[4]M. Gail Jones, Denise L. KrebsAlton J. Banks (2011) We Scream for Nano Ice Cream, Science Activities, 48:4,107-110.
[5]Clarke, C. (2015). The science of ice cream. Royal Society of Chemistry.
[6]汪少芸, 赵珺, 吴金鸿,陈琳. (2011). 抗冻蛋白的研究进展及其在食品工业中的应用. 北京工商大学学报: 自然科学版, 29(4), 50-57.
[7]《费曼物理学讲义》第一卷 。
来源：十点科学
【冰淇淋|整个宇宙存在于一只冰淇淋中？】编辑：Eric
推荐阅读
- 历史|科普：詹姆斯·韦布空间望远镜——探索宇宙历史的“深空巨镜”
- 空间|（科技）科普：詹姆斯·韦布空间望远镜——探索宇宙历史的“深空巨镜”
- 视点·观察|科技巨头纷纷发力元宇宙：这是否是所有人的未来？
- 虚拟|比尔·盖茨关于2022年的五项预言之二：元宇宙成有用的工具
- 视点·观察|科技行业都在谈论“元宇宙”，可是它还不存在
- 虚拟|美新婚夫妇在“元宇宙”办虚拟婚礼
- 概念股|孙佳山、张泰旗：警惕元宇宙可能带来的金融泡沫
- 果君|华为Mate X2 典藏版竟逼疯整个摄制组？拯救手滑的神器终于来了(视频)
- Baidu|百度抢跑元宇宙 却默认“输给”字节？
- 器件|6G、量子计算、元宇宙…上海市“十四五”聚焦这些前沿领域