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制作冰淇淋的過(guò)程，充滿了不可思議的物理化學(xué)原理。 
Wayne Thiebaud 畫作 炎炎夏日，大概沒(méi)有什么比吃一只冰淇淋更美妙了。
冰激凌是冰晶、奶油和空氣的奇妙組合，甜膩而清爽，軟糯又潤(rùn)滑。雖然你的舌頭可能感覺(jué)不到，但是水占據(jù)了冰淇淋總質(zhì)量的60%-72%，它們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%則是空蕩蕩的空氣。所以，冰淇淋事實(shí)上是非常簡(jiǎn)單的混合物。但是，小小的冰淇淋為何能輕松俘獲我們的味蕾呢？因?yàn)槠渲刑N(yùn)含著不可思議的物理化學(xué)原理！你能想象，冰淇淋的制作甚至和礦石的形成過(guò)程、動(dòng)植物抗寒的原理、森林再生的規(guī)律，都有千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系嗎？冰晶尺寸是決定冰激凌順滑口感的關(guān)鍵因素。如果冰晶太大，就會(huì)像嚼冰碴兒一樣，再大的話冰淇淋更會(huì)直接變成冰沙，只有小到血細(xì)胞尺寸的幾微米的小冰晶，才能產(chǎn)生絲滑的口感。那么要如何讓冰晶盡可能小呢？需要什么樣的條件，才能讓水凝固成小冰晶？我們知道，巖石主要由石英（二氧化硅）等礦物質(zhì)組成，而冰和石英一樣都是晶體，所以如果在顯微鏡下觀察冰激凌的微觀結(jié)構(gòu)，會(huì)發(fā)現(xiàn)它和地球巖漿冷卻形成的一塊花崗巖沒(méi)有太大區(qū)別。在顯微鏡下可以看到，巖石薄片有幾種不同顏色的礦物晶體（左），冰淇淋中的冰晶在偏振光下閃閃發(fā)光（右）。｜左：Flickr user Leo-set?，右：Maxim Bilovitskiy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，比如從火山直接噴發(fā)出來(lái)的熔巖會(huì)迅速形成火成巖，其中包含的礦物晶體往往非常小。要得到微小的冰晶，也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度的液氮制造冰淇淋，內(nèi)部的冰晶可以達(dá)到幾納米級(jí)別。怪不得現(xiàn)在的冰淇淋越來(lái)越好吃了！也難怪家里的冰箱永遠(yuǎn)做不出冰淇淋，只能凍出大塊的冰棍。如果沒(méi)有液氮，就不能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的冰淇淋了嗎？當(dāng)然不是，獲得微小冰晶的方法不止一種。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一直生長(zhǎng)，最后變成冰碴兒。不僅如此，刮下來(lái)的冰晶被打散之后還可以成為新的晶核，供其他水分子附著在上面長(zhǎng)出更多冰晶。這樣一來(lái)，冰淇淋中的晶核數(shù)量不斷增加，而水分子的數(shù)量不斷減少，大量的晶核競(jìng)爭(zhēng)有限的水分子，結(jié)果就是，每一個(gè)晶核都沒(méi)有機(jī)會(huì)長(zhǎng)大成冰碴兒了。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，比如人類砍伐活動(dòng)，一場(chǎng)大的野火，或者颶風(fēng)等自然災(zāi)害，很多樹木會(huì)消失不見，留下空缺位置。在這些地方，密密麻麻的小樹苗如雨后春筍一般冒出來(lái)，因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)壓力太大，一小片土地能夠提供的資源有限，這第二茬樹木的生長(zhǎng)速度會(huì)非常慢，就像刮下來(lái)的冰晶很難長(zhǎng)大一樣。大概要經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá)幾十年時(shí)間，弱小的樹苗最終因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)壓力死去，強(qiáng)壯的樹苗才能重新長(zhǎng)成大樹。對(duì)森林來(lái)說(shuō)，緩慢的生長(zhǎng)和參差的樹木往往造就一個(gè)健康的生態(tài)系統(tǒng)；而對(duì)冰激淋來(lái)說(shuō)，競(jìng)爭(zhēng)是產(chǎn)生絲滑口感的關(guān)鍵。（左）古生林往往是大樹和小樹苗的混合，（右）經(jīng)過(guò)砍伐或自然災(zāi)害形成的次生林，往往樹木矮小，粗細(xì)差不多。| TJ Watt我們小時(shí)候都有過(guò)這種經(jīng)驗(yàn)，三伏天買來(lái)冰淇淋、雪糕，然后一路小跑回家放進(jìn)冰箱，等再拿出來(lái)吃的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)冰淇淋已經(jīng)融化又凝固，口感遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如剛從超市買回來(lái)的好。其實(shí)和所有的美味一樣，冰淇淋也非常講究新鮮，剛做出來(lái)的冰淇淋最好吃。把冰淇淋從超市搬運(yùn)到家的過(guò)程中，其中的冰晶會(huì)受熱融化，然后再凝固形成更大的冰晶，結(jié)果就會(huì)像冰棍一樣硬邦邦。事實(shí)上，哪怕冰箱門打開讓溫度稍微波動(dòng)，冰淇淋也會(huì)融化一點(diǎn)點(diǎn)，反復(fù)幾次之后口感也會(huì)下降。所以，在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、銷售的每一個(gè)環(huán)節(jié)，都有可能因?yàn)闇囟茸兓?，讓冰淇淋中的冰晶融化，發(fā)生重結(jié)晶現(xiàn)象。人們向冰淇淋中添加穩(wěn)定劑，減緩液態(tài)水分子在冰淇淋混合物中的運(yùn)動(dòng)，使冰激凌長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。不過(guò)這個(gè)問(wèn)題還有另一種解決方案，那些生活在寒冷地帶的野生動(dòng)植物早已找到。很多生活在兩極和高海拔地區(qū)的魚類、昆蟲和植物，可以生活在溫度低于零攝氏度的極寒環(huán)境，并保持體液不結(jié)冰，這是怎么做到的呢？原來(lái)，它們體內(nèi)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)，這樣冰晶就沒(méi)法繼續(xù)生長(zhǎng)，生物體也得以避免低溫下細(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類身上發(fā)現(xiàn)的，后來(lái)人們可以在實(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被放入冰淇淋中，抑制冰淇淋的重結(jié)晶，從而讓我們?cè)诔械谋裰幸材苜I到絲滑軟糯的冰淇淋。大洋鱈魚生活在大西洋西北部的寒冷水域，組織中含有抗凍蛋白，幫助抵御接近或低于冰點(diǎn)的嚴(yán)酷溫度。｜Vejlenser冰淇淋的主要成分除了水，還有奶油、牛奶中的油脂，一般油脂含量為8%-10%，有些高級(jí)（很貴）的冰淇淋中，油脂的含量甚至可以達(dá)到15%-20%。我們知道，油和水是無(wú)法相互溶解的，即使混到一起也會(huì)很快分層，所以火鍋的表面總是漂浮著一層厚厚的油脂。但冰淇淋中的水和油脂為什么混合得如此完美？答案在冰淇淋的微觀結(jié)構(gòu)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組成，油和醋原本不相溶，但放在一起瘋狂攪拌，油最終會(huì)分解成微小的球形油滴，均勻分散到醋中，形成乳濁液。乳濁液是兩種不相溶液體形成的均勻混合物，大多數(shù)都不穩(wěn)定，放置久了兩種液體還是會(huì)分層，恢復(fù)到更簡(jiǎn)單、更有組織的結(jié)構(gòu)。但也存在穩(wěn)定的乳濁液，比如牛奶和椰漿，無(wú)論等待多久，始終可以保持混合狀態(tài)。這是因?yàn)榕Ｄ讨泻刑烊蝗榛鞍祝@些蛋白的分子結(jié)構(gòu)一頭親水，一頭親油，可以降低油和水之間的表面張力，將一個(gè)個(gè)小油滴包裹在里面，使它們難以聚集，結(jié)果看起來(lái)就是油溶在水里了。不過(guò)光靠牛奶中自帶的天然乳化蛋白，還不足以讓冰淇淋保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定，一般來(lái)說(shuō)，制作冰淇淋時(shí)還會(huì)額外加入卵磷脂、酪蛋白等乳化劑，幫助冰淇淋中的水和油脂更穩(wěn)定地保持乳濁液狀態(tài)。如果讓油和水均勻混合，并加入乳化劑，就可以形成穩(wěn)定的乳濁液，像在牛奶或冰淇淋中那樣。｜Pixabay卵磷脂不光是優(yōu)秀的乳化劑，也是一種起泡劑。說(shuō)到這里，就要提到冰淇淋中的另一種主要成分——空氣了。冰淇淋中空氣的體積通常可達(dá)25%-50%，這樣吃起來(lái)才會(huì)有蓬松的口感。和乳化劑的原理類似，起泡劑也可以降低液體的表面張力，讓空氣更容易被液體包裹起來(lái)，就像加了肥皂水才能吹出肥皂泡一樣。所以，冰淇淋中的氣泡其實(shí)就像一大群被冷凍起來(lái)的微小肥皂泡。這也導(dǎo)致，冰淇淋可以存在的最高海拔是3000米。超過(guò)這個(gè)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。費(fèi)曼在《費(fèi)曼物理學(xué)講義》中曾寫道：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)可以見到整個(gè)宇宙。這里出現(xiàn)了一些物理學(xué)現(xiàn)象：彎曲的液面，它的蒸發(fā)取決于天氣和風(fēng)；玻璃上的反射；在我們的想象中又添加了原子。玻璃是地球上巖石的凈化產(chǎn)物，在它的成分中，我們可以發(fā)現(xiàn)地球的年齡和星體演化的秘密。 …… 如果我們微不足道的有限智力為了某種方便將這杯葡萄酒——這個(gè)宇宙——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)，等等，那么要記住，大自然是不知道這一切的。所以讓我們把所有這些仍舊歸并在一起，并且不要忘記這杯酒最終是干什么用的。讓它最后再給我們一次快樂(lè)吧！喝掉它，然后把它完全忘掉！”
或許，我們也可以說(shuō)，整個(gè)宇宙存在于一只冰淇淋中。[1]https://www./blogs/national-museum-of-natural-history/2021/07/15/strangely-scientific-endeavor-making-ice-cream/[2]中國(guó)科學(xué)院科普云平臺(tái)-礦物博物館http://www./vmuseum/earth/mineral/index.html[3]中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)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]汪少蕓, 趙珺, 吳金鴻, & 陳琳. (2011). 抗凍蛋白的研究進(jìn)展及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用. 北京工商大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 29(4), 50-57.[7]《費(fèi)曼物理學(xué)講義》第一卷。
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