整个宇宙存在于一只冰淇淋中?

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  制作冰淇淋的过程,充满了不可思议的物理化学原理。

  WayneThiebaud画作

  来源|十点科学

  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。

  WayneThiebaud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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