制作冰淇淋的过程，充满了不可思议的物理化学原理。
Wayne Thiebaud 画作
作者｜苗园柯 科学史硕士
编辑｜陈天真
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。
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-setä，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。
（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。
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。
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。
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。
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. Krebs & Alton J. Banks (2011) We Scream for Nano Ice Cream, Science Activities, 48:4,107-110, DOI: 10.1080/00368121.2010.535223
[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。
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