冰激凌中存在著一個(gè)宇宙

苗園柯

熱天少不了要吃冰淇淋。但你有沒(méi)有想過(guò)，為什么冰淇淋的口感會(huì)如此神奇？制作冰淇淋的過(guò)程，充滿了許多奇妙的物理、化學(xué)原理。

冰晶尺寸是決定口感的關(guān)鍵

冰淇淋其實(shí)是由冰晶、奶油和空氣奇妙組合而成，其中水占據(jù)了冰淇淋總質(zhì)量的70%左右，只不過(guò)它們是以小冰晶的形式存在。除此之外，冰淇淋就只有10%左右是美味的油脂，另外20%左右是空氣。

冰淇淋中冰晶的尺寸是決定冰淇淋順滑口感的關(guān)鍵因素。如果冰晶太大，吃起來(lái)就會(huì)像嚼冰碴兒一樣。只有小到細(xì)胞尺寸的小冰晶，才能產(chǎn)生絲滑的口感。

冰和石英一樣都是晶體， 熾熱的巖漿來(lái)到地表時(shí)，冷卻速度越快，巖石中礦物晶體的尺寸就越小。所以，要得到微小冰晶，可以用快速冷卻的方法。現(xiàn)在流行的液氮冰淇淋的原理，就是加快冷凍過(guò)程，讓冰晶尺寸盡可能小。傳統(tǒng)方法制作的冰淇淋，冰晶只能達(dá)到幾微米的量級(jí)，而用零下196℃的液氮制造冰淇淋，內(nèi)部的冰晶就可以達(dá)到幾納米的量級(jí)。

當(dāng)然，獲得微小冰晶的方法并不止快速冷卻這一種。

在冰淇淋的生產(chǎn)工藝中，第一個(gè)步驟叫動(dòng)態(tài)冷凍，也就是邊攪拌邊冷凍。在這個(gè)過(guò)程中，冰晶會(huì)不停地聚集在攪拌器內(nèi)壁，攪拌器要迅速把內(nèi)壁的冰晶刮下來(lái)，和其他冰淇淋攪拌到一起——兩次刮削的時(shí)間間隔非常短，只有0.1秒。如此迅速的操作可以防止冰晶長(zhǎng)大。

刮下來(lái)的冰晶被打散之后還可以成為新的晶核，晶核數(shù)量不斷增加，水分子的數(shù)量不斷減少，晶核沒(méi)有機(jī)會(huì)長(zhǎng)成冰碴兒了。

這個(gè)過(guò)程其實(shí)和森林再生的原理非常相似。當(dāng)森林遭到外部力量侵襲，很多樹(shù)木會(huì)消失不見(jiàn)，森林中便會(huì)留下空缺位置，新小樹(shù)苗會(huì)長(zhǎng)出來(lái)，但這一小片土地能夠提供的資源有限，這一茬樹(shù)苗的生長(zhǎng)速度就會(huì)非常慢，就像刮下來(lái)的冰晶一樣很難長(zhǎng)大。

同理，制造“水分子競(jìng)爭(zhēng)”令冰晶難以長(zhǎng)大，就是令冰淇淋產(chǎn)生絲滑口感的關(guān)鍵。

冰淇淋的保命神器

三伏天去買(mǎi)冰淇淋，運(yùn)輸過(guò)程中它們可能會(huì)融化，放進(jìn)冰箱后重新凝固，再拿出來(lái)吃的時(shí)候，口感會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如剛買(mǎi)回來(lái)時(shí)的好。

在運(yùn)輸過(guò)程中，冰淇淋中的冰晶會(huì)受熱融化，然后再凝固形成更大的冰晶，結(jié)果冰淇淋就會(huì)硬邦邦的。為了保證它們的美味，人們便在制作冰淇淋時(shí)添加穩(wěn)定劑，減緩液態(tài)水分子在冰淇淋混合物中的運(yùn)動(dòng)，使冰淇淋長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。

而那些生活在寒冷環(huán)境的野生動(dòng)植物早就在用這種“穩(wěn)定劑”了。

生活在溫度低于零攝氏度的極寒環(huán)境的動(dòng)植物，為了保持體液不結(jié)冰，它們體內(nèi)通常含有一種抗凍蛋白，可以吸附到冰核表面，阻止水分子聚過(guò)來(lái)，生物體得以避免低溫下細(xì)胞損傷甚至死亡的厄運(yùn)。

抗凍蛋白最初是在極地冰水中的魚(yú)類身上發(fā)現(xiàn)的，后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，它也可以在實(shí)驗(yàn)室中用基因編輯酵母來(lái)合成。如今，抗凍蛋白作為食品添加劑已被應(yīng)用于冰淇淋。

有個(gè)有趣的“冷知識(shí)”：冰淇淋可以存在的最高海拔是3000米。因?yàn)槌^(guò)這個(gè)海拔高度，由于大氣壓過(guò)低，冰淇淋中的氣泡就會(huì)膨脹破裂，最后整個(gè)冰淇淋就會(huì)坍縮到一半體積，成為堅(jiān)硬的冷凍奶油加冰混合物。

最后，借用費(fèi)曼《費(fèi)曼物理學(xué)講義》中的一句話：整個(gè)宇宙存在于一杯葡萄酒中。他說(shuō)：“如果我們足夠細(xì)致地觀察一杯葡萄酒，確實(shí)可以見(jiàn)到整個(gè)宇宙……它分為幾個(gè)部分：物理學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、天文學(xué)、心理學(xué)等，但大自然是不知道這一切的。”或許，我們也可以說(shuō)，一支冰淇淋中也存在著一個(gè)宇宙。

之淼//摘自十點(diǎn)科學(xué)微信公眾號(hào)，本刊有刪節(jié)/