整個宇宙存在于一只冰淇淋中？

制作冰淇淋的過程，充滿了不可思議的物理化學原理。

Wayne Thiebaud 畫作

作者｜苗園柯 科學史碩士

編輯｜陳天真

冰激凌是冰晶、奶油和空氣的奇妙組合，甜膩而清爽，軟糯又潤滑。雖然你的舌頭可能感覺不到，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，冰淇淋事實上是非常簡單的混合物。

但是，小小的冰淇淋為何能輕松俘獲我們的味蕾呢？因為其中蘊含著不可思議的物理化學原理！你能想象，冰淇淋的制作甚至和礦石的形成過程、動植物抗寒的原理、森林再生的規(guī)律，都有千絲萬縷的聯(lián)系嗎？

01、冰晶與礦石形成

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，就會像嚼冰碴兒一樣，再大的話冰淇淋更會直接變成冰沙，只有小到血細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)，會發(fā)現(xiàn)它和地球巖漿冷卻形成的一塊花崗巖沒有太大區(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

熾熱的巖漿來到地表時冷卻速度越快，巖石中礦物晶體的尺寸就越小，比如從火山直接噴發(fā)出來的熔巖會迅速形成火成巖，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，冰晶只能達到幾微米的量級，而用零下196度的液氮制造冰淇淋，內(nèi)部的冰晶可以達到幾納米級別。怪不得現(xiàn)在的冰淇淋越來越好吃了！也難怪家里的冰箱永遠做不出冰淇淋，只能凍出大塊的冰棍。

02、冰晶與森林再生

如果沒有液氮，就不能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的冰淇淋了嗎？當然不是，獲得微小冰晶的方法不止一種。

在冰淇淋的生產(chǎn)工藝中，第一個步驟叫動態(tài)冷凍，也就是邊攪拌邊冷凍。在這個過程中，冰晶會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，和其他冰淇淋攪拌到一起——兩次刮削的時間間隔非常短，只有0.1秒。如此迅速的操作可以防止冰晶一直生長，最后變成冰碴兒。

不僅如此，刮下來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出更多冰晶。這樣一來，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，大量的晶核競爭有限的水分子，結(jié)果就是，每一個晶核都沒有機會長大成冰碴兒了。

這個過程其實和森林再生的原理非常相似。當森林遭到外部力量侵襲，比如人類砍伐活動，一場大的野火，或者颶風等自然災害，很多樹木會消失不見，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，因為競爭壓力太大，一小片土地能夠提供的資源有限，這第二茬樹木的生長速度會非常慢，就像刮下來的冰晶很難長大一樣。

大概要經(jīng)歷長達幾十年時間，弱小的樹苗最終因為競爭壓力死去，強壯的樹苗才能重新長成大樹。對森林來說，緩慢的生長和參差的樹木往往造就一個健康的生態(tài)系統(tǒng)；而對冰激淋來說，競爭是產(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)過砍伐或自然災害形成的次生林，往往樹木矮小，粗細差不多。| TJ Watt

03、冰淇淋與耐寒動植物

我們小時候都有過這種經(jīng)驗，三伏天買來冰淇淋、雪糕，然后一路小跑回家放進冰箱，等再拿出來吃的時候，發(fā)現(xiàn)冰淇淋已經(jīng)融化又凝固，口感遠遠不如剛從超市買回來的好。

其實和所有的美味一樣，冰淇淋也非常講究新鮮，剛做出來的冰淇淋最好吃。把冰淇淋從超市搬運到家的過程中，其中的冰晶會受熱融化，然后再凝固形成更大的冰晶，結(jié)果就會像冰棍一樣硬邦邦。事實上，哪怕冰箱門打開讓溫度稍微波動，冰淇淋也會融化一點點，反復幾次之后口感也會下降。

所以，在生產(chǎn)、運輸、儲存、銷售的每一個環(huán)節(jié)，都有可能因為溫度變化，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動，使冰激凌長時間保持穩(wěn)定。不過這個問題還有另一種解決方案，那些生活在寒冷地帶的野生動植物早已找到。

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，它們體內(nèi)含有一種抗凍蛋白，可以吸附到冰核表面，阻止水分子聚過來，這樣冰晶就沒法繼續(xù)生長，生物體也得以避免低溫下細胞損傷甚至死亡的厄運。

抗凍蛋白最初是在極地冰水中的魚類身上發(fā)現(xiàn)的，后來人們可以在實驗室中用基因編輯酵母來合成。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，從而讓我們在超市的冰柜中也能買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的嚴酷溫度。｜Vejlenser

04、冰淇淋中的物理化學

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（很貴）的冰淇淋中，油脂的含量甚至可以達到15%-20%。

我們知道，油和水是無法相互溶解的，即使混到一起也會很快分層，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分層，恢復到更簡單、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，無論等待多久，始終可以保持混合狀態(tài)。這是因為牛奶中含有天然乳化蛋白，這些蛋白的分子結(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，將一個個小油滴包裹在里面，使它們難以聚集，結(jié)果看起來就是油溶在水里了。

不過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時間穩(wěn)定，一般來說，制作冰淇淋時還會額外加入卵磷脂、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?？蛇_25%-50%，這樣吃起來才會有蓬松的口感。

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，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就像一大群被冷凍起來的微小肥皂泡。

這也導致，冰淇淋可以存在的最高海拔是3000米。超過這個高度，由于大氣壓過低，冰淇淋中的氣泡就會膨脹破裂，最后整個冰淇淋就會坍縮到一半體積，成為堅硬的冷凍奶油加冰混合物。

Wayne Thiebaud 畫作

費曼在《費曼物理學講義》中曾寫道：整個宇宙存在于一杯葡萄酒中。他說：

“如果我們足夠細致地觀察一杯葡萄酒，確實可以見到整個宇宙。這里出現(xiàn)了一些物理學現(xiàn)象：彎曲的液面，它的蒸發(fā)取決于天氣和風；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——這個宇宙——分為幾個部分：物理學、生物學、地質(zhì)學、天文學、心理學，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吧！喝掉它，然后把它完全忘掉！”

或許，我們也可以說，整個宇宙存在于一只冰淇淋中。

參考資料

[1]https://www.smithsonianmag.com/blogs/national-museum-of-natural-history/2021/07/15/strangely-scientific-endeavor-making-ice-cream/

[2]中國科學院科普云平臺-礦物博物館http://www.kepu.net.cn/vmuseum/earth/mineral/index.html

[3]中國科學院地球環(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). 抗凍蛋白的研究進展及其在食品工業(yè)中的應用. 北京工商大學學報: 自然科學版, 29(4), 50-57.[7]《費曼物理學講義》第一卷。