新知|一起来看冰淇淋里的微观世界

世界上有不喜欢冰淇淋的孩子吗？肯定不是！即使是不爱吃冰淇淋的成年人也不一定有。边肖预言，这是一种永远不会过时的食物，一万年后可能还会在地球上流传。

这么好吃的东西是怎么来的？可以说，这是人类千百年来对味蕾刺激的不断追求，最终误发明了一个气液固相交融的复杂体系。

今天我们就来回顾一下冰淇淋的前世，探索一下冰淇淋中的微观世界。

古往今来的冰淇淋:从冰水混合物到冰牛奶混合物

冰淇淋最早的传说可以追溯到公元前4世纪，当时亚历山大正在远征埃及。由于天气炎热，他发明了一种混合了冰和水果的饮料。但是，这其实并不是冰淇淋的萌芽，因为没有牛奶的加入，也就是蛋白质，冰淇淋的基本元素——乳化胶体就没有形成。

直到中国唐代，出现了一种名叫“酥山”的食物。这种甜点曾在怀王墓出土的古画《仕女图》中展示过。它是由羊奶或牛奶发酵冷冻而成的。底层是冰，上面覆盖奶油和酥油，再用花、树枝等装饰。

1.唐代古画中出现的冰淇淋。

你可能会特别印象深刻，唐朝的生活审美如此发达，以至于你在今天的网络名人甜品店都能找到几乎同一种食物。但这种高颜值的古代雪糕有个缺点，就是奶油和冰水分层，缺少冰和牛奶交融的醇厚口感。

为了通过混合使它们冻结，聪明的人类想到了分别在奶油中加入糖，在碎冰中加入盐，并将它们的冰点调整到一致。当冰的冰点降低时，就需要从周围环境即牛奶中吸收能量，使牛奶的温度降低到冰点，使牛奶和冰冻结混合。

据说，16世纪末，一位意大利美食家在牛奶汁中加入水和糖，放入蜜饯和柠檬中，再放入冷雪盐中冷冻，从而制成了欧洲的“第一代冰淇淋”。但是这样做出来的冰淇淋口感还是比较粗糙，因为冰块和牛奶中的脂肪颗粒太大了。让大块的冰块和牛奶颗粒变小一直是个难题。

2.欧洲古典冰淇淋口感粗糙。

直到那时，美国费城的南希·约翰逊(Nancy Johnson)发明了一种全新的冰淇淋制作机，可以大大提高搅拌冰淇淋混合物的速度，减少奶油颗粒，赋予冰淇淋细腻的质感。冰淇淋的工厂化生产也随之出现，开启了冰淇淋大规模生产的时代，从奢侈品走向平民。

图3。冰淇淋搅拌机

冰淇淋的微观世界:气液固三相胶体

一个典型的冰淇淋含有大约30%的冰，50% 空气体，5%的脂肪和15%的基质(糖溶液)。

图4。冰淇淋的微观世界

从图4可以看出，它包括三相物质:固体冰和脂肪、液体糖溶液和气泡。

走进冰淇淋的微观世界，可以看到这些气泡和冰晶密集分布，气泡上附着脂肪滴。这些脂肪滴还填充了气泡和冰晶之间的所有空间隙。它们是粘稠的半固态基质，由糖、聚合物、香精、蛋白质组成。

要了解这个微观世界，首先需要获取物理化学这门神奇学科中的胶体知识。胶体是指分散在连续相中的尺寸从纳米到几十微米的小颗粒。根据这些胶体颗粒的气体、液体、固体的不同状态，我们给它们起了不同的名字，分别是泡沫(气态胶体)、乳液(液态胶体)、溶胶(固态胶体)。

冰淇淋是一种冷冻体系，有乳液(由脂肪滴组成)、溶胶(由冰晶组成)、泡沫(由气泡组成)。

制作冰淇淋有几个步骤？

制作冰淇淋的第一步是制备水包油型奶油乳液。这里的油主要是指奶油，也就是脂肪颗粒。奶油脂肪是冰淇淋中最重要的原料。美国对冰淇淋的规定是至少含有10%的奶油脂肪，有时候一个好的冰淇淋可能高达16%。这么多面霜不是容易分层带水分吗？

好在现代工业发明了一种制备乳液的神器:高压均质机。高压均质机的原理是液体在高压下从小孔中挤出。在高速喷射的过程中，液滴在高压下产生强烈的剪切、冲击和空空化，使液体物质超细。奶油里的脂肪颗粒很大。经过这一步，脂肪颗粒的大小可以从几微米减小到十分之几微米，这样就可以做出后期冰淇淋的细腻质感。

图5。高压均质机

冰淇淋制作的第二步是乳液冷却和稳定固化。经过均质乳化后，脂肪颗粒的大小从几微米减小到十分之几微米，相应的脂肪与水的界面增加了十倍左右，脂肪表面的界面能只增不减，形成了一个热力学不稳定的体系。奶油乳液中的蛋白质虽然也能起到稳定乳液的作用，但是蛋白质太大，有空间位阻，不足以吸附和覆盖乳液液滴表面。这时请小乳化剂帮忙。如图6所示，相比蛋白质，乳化剂更喜欢脂肪和水之间的界面。他们心胸狭窄，占据了一窝喜鹊，很快就把表面的一部分蛋白质赶出了界面，奶油乳液的表面就被乳化剂悄悄占领了。这样乳化剂就形成了一层坚硬的装甲，最终保证了脂肪颗粒在后续的处理中能够保持足够的小和稳定。

图6。乳化剂对乳状液的形成有较强的稳定作用。

制作冰淇淋的第三步是在其上稳定的奶油乳液中加入第三相胶体，即气泡，增加冰淇淋的蓬松感。

首先，你需要把冰箱里已经休息够的原料混合物送入冰淇淋机。冰淇淋机的核心部分是一个温度非常低的表面，通常在零下二三十度。缓慢搅拌原料混合物，同时搅拌入大量空气体。它们由蛋白质、乳化剂、脂肪网络和冰粒固定。这样就形成了气、液、固共存的冰淇淋结构。

引入空气体后空雪糕的最大充气率可达100%，即一半雪糕一半空气体，这样雪糕的成本可降低一半。正因为如此，口味越低空的冰淇淋脂肪含量越高，口感越醇厚，当然也就越贵。

你能自己DIY一个美味的冰淇淋吗？

根据以上乳液的形成原理，你是不是特别想发挥创意，做出一款好吃的冰淇淋？

最初的冰淇淋是在一个家庭小作坊里生产的。当然，我们也可以在厨房模拟冰淇淋的整个制作过程。

但需要提醒的是，由于缺少均质机和大功率冷却搅拌装置，在厨房里很难获得商用冰淇淋的质感。

你可能会想，把买的冰淇淋融化后，再加入水果，做一个新的冰淇淋。但我想说，这个理想很难实现。

根据乳化原理，通过均质乳化，低温储存，然后低温搅拌，形成冰淇淋独特的结构。如果冰淇淋已经融化，那么首先冰粒会变成水，那些部分融合的脂肪颗粒也会融合成大颗粒。整个体系失去了胶体结构，回到了均匀乳化前的微观状态。所以仅仅把它放回冰箱并不能恢复商业冰淇淋的结构。

然而，不要灰心。根据以上胶体化学原理，完美应用三个步骤，你依然可以打造出只属于你的独特冰淇淋。

资料来源:中国科学院科技创新发展中心(北京分中心)