中國(guó)科學(xué)院物理研究所 王立芬 編譯自 Hamish Johnston.Physics World，2025，(4)：23

本文選自《物理》2025年第5期

冰淇淋到底是什么？對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，它是美味的冷凍甜點(diǎn)，但對(duì)像Douglas Goff 這樣的食品科學(xué)家來(lái)說(shuō)，它也是物理和化學(xué)的奇跡。冰淇淋是復(fù)雜的多相材料，包含了乳液、泡沫、晶體、溶質(zhì)和溶劑。無(wú)論是在家庭廚房還是在商業(yè)規(guī)模化的生產(chǎn)中，冰淇淋都需要成分比例的精確調(diào)配，以及在混合、攪拌和冷凍過(guò)程中的精確控制。

Goff 是在加拿大圭爾夫大學(xué)的食品科學(xué)研究員，也是冰淇淋科學(xué)的專家。除了研究冰淇淋中的結(jié)構(gòu)和成分功能等課題外，Goff 還是圭爾夫大學(xué)年度冰淇淋課程的講師。該課程自1914年開授，是該大學(xué)歷史最悠久的課程。

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冰淇淋的材料性質(zhì)

冰淇淋是非常復(fù)雜的多相系統(tǒng)。它初始是一種乳液，其中脂肪微粒分散在含糖的水溶液中。接著，通過(guò)攪拌乳液引入了空氣相，這個(gè)過(guò)程被稱為發(fā)泡(圖1)。因此，在一個(gè)冰淇淋桶中，大約有一半體積來(lái)自于空氣的貢獻(xiàn)。這些空氣形成的細(xì)小氣泡均勻分散在發(fā)泡乳液中。

然后，部分凍結(jié)使得發(fā)泡乳液中至少一半的水轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑿〉谋ВＳ嗟奈磧鼋Y(jié)相是使冰淇淋保持柔軟、易舀取且可口的主因。并未被完全凍結(jié)的原因是溶解在乳液中的糖分降低了冰點(diǎn)。

這樣的流程下來(lái)，就得到了呈乳液狀的脂肪微粒、泡沫式的氣泡、部分結(jié)晶的冰晶溶劑，以及濃縮的糖溶液。

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冰淇淋中不同相的空間尺度是多少？

電子顯微技術(shù)顯示脂肪微粒的直徑約為一微米，而空氣泡的直徑通常在20—30 μm之間，冰晶的大小在10—20 μm的范圍內(nèi)。

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商業(yè)化制作與在家庭廚房制作的冰淇淋有哪些重大差異？

無(wú)論是在家庭廚房的冰淇淋機(jī)中，還是在工廠操作中，冷凍和攪拌是同時(shí)進(jìn)行的。廚房中制作的冰淇淋與商業(yè)化工廠中制作的冰淇淋之間最大的區(qū)別在于冰淇淋的結(jié)構(gòu)。自制的冰淇淋保存一兩天是可以的，但很快就會(huì)變得硬邦邦，而我們預(yù)期商業(yè)化制作的冰淇淋會(huì)有幾個(gè)月到一年的保質(zhì)期。這是由于冰相隨著時(shí)間的推移所經(jīng)歷的演變方式不同，即取決于不同的再結(jié)晶過(guò)程。如果溫度升高，冰淇淋會(huì)開始融化。當(dāng)溫度再次降低時(shí)，水會(huì)重新凍結(jié)成冰相，但不會(huì)產(chǎn)生新的冰晶，而是會(huì)在已有的冰晶上生長(zhǎng)。

這意味著，如果冰淇淋在儲(chǔ)存冰期間經(jīng)歷很大的溫度波動(dòng)，它會(huì)比在恒定溫度下儲(chǔ)存時(shí)更快降解并變成冰塊。溫度越高，再結(jié)晶的速度就越快。商業(yè)冷凍設(shè)備能夠產(chǎn)生比自制冰淇淋機(jī)更小的冰晶尺寸。低溫和恒定溫度的儲(chǔ)存是大家追求的目標(biāo)，因此在演變發(fā)生之前，溫度越低、越恒定，初始冰晶越小，冰淇淋的保質(zhì)期就越長(zhǎng)。

還有另外一個(gè)影響冰淇淋長(zhǎng)期儲(chǔ)存的結(jié)構(gòu)因素。當(dāng)未凍結(jié)的含糖溶劑相濃縮到足夠程度時(shí)，它可以經(jīng)歷玻璃化轉(zhuǎn)變(圖1)。玻璃態(tài)是一種非晶固體，因此如果這種情況發(fā)生，系統(tǒng)內(nèi)的水或溶質(zhì)將不會(huì)移動(dòng)，它可以保持多年不變。對(duì)于冰淇淋來(lái)說(shuō)，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為-28℃至-32℃，因此如果要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期儲(chǔ)存，就必須將溫度降低到低于這個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

圖1 冰淇淋中的不同相。乳液：有些液體是不互溶的，如油和水，將一種液體加入到另一種液體后無(wú)法混合。如果一種液體的許多液滴可以在另一種液體中穩(wěn)定存在而不發(fā)生聚結(jié)，那么所得到的混合物稱為乳液(左圖)。泡沫：泡沫與乳液類似，由兩個(gè)相組成，其中一種相分散在另一種相中。在泡沫的情況下，許多細(xì)小的氣泡被困在液體或固體中(右圖)。玻璃態(tài)：當(dāng)一種液體被冷卻到低于某一溫度時(shí)，它通常會(huì)發(fā)生一階相變，變成晶體。然而，如果一種液體可以在不結(jié)晶的情況下冷卻到其冰點(diǎn)以下(過(guò)冷)，例如，當(dāng)它被迅速冷卻時(shí)，它可能會(huì)形成玻璃態(tài)——一種具有無(wú)序液體狀結(jié)構(gòu)但具備固體機(jī)械性能的非晶體固體。玻璃態(tài)形成的溫度，其特征是材料粘度的快速增加，被稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

第三個(gè)因素是添加穩(wěn)定劑。這些穩(wěn)定劑包括洋槐豆膠、瓜爾膠或纖維素膠，還有一些新型的穩(wěn)定劑。它們的作用是增加未凍結(jié)相的粘度。這減緩了冰再結(jié)晶的速度，因?yàn)樗鼫p緩了水的擴(kuò)散和冰的生長(zhǎng)。

還有一些其他新型的添加劑可以防止冰轉(zhuǎn)變?yōu)榇缶w。其中一種叫做單硬脂酸丙二醇酯，它會(huì)吸附在冰晶的表面，防止其在溫度波動(dòng)時(shí)生長(zhǎng)。這種現(xiàn)象在自然界中也能看到，一些生活在寒冷環(huán)境中的昆蟲、魚類和植物物種，其血液和組織中含有可以控制冰生長(zhǎng)的蛋白質(zhì)。例如，許多魚類在體內(nèi)潛藏著微小的冰晶，但這些蛋白質(zhì)能夠防止晶體生長(zhǎng)到足以造成傷害的程度。

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添加香料如何改變冰淇淋的制造過(guò)程？

全球各地的冰淇淋有成百上千種不同的口味，一個(gè)重要的問(wèn)題是香料會(huì)不會(huì)影響溶液或乳液。

例如，巧克力豆是惰性的，它與其他成分完全不發(fā)生相互作用。而草莓則會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生很大影響，因?yàn)樗破分械奶欠趾亢芨摺Ｎ覀冃枰谒破分刑砑犹牵源_保它比冰淇淋本身更軟。但問(wèn)題是，其中的一些糖會(huì)擴(kuò)散到未凍結(jié)的水相中，從而降低其冰點(diǎn)。這意味著，由于額外添加的糖，即使配方完全相同，草莓冰淇淋會(huì)比香草冰淇淋更軟。

另一個(gè)例子是酒精口味，從朗姆酒到百利甜或法蘭杰利可酒，甚至紅酒和啤酒，這些都非常受歡迎。但酒精會(huì)降低冰點(diǎn)，因此如果添加足夠的酒精以獲得所需的風(fēng)味強(qiáng)度，產(chǎn)品就難以冷凍。在這種情況下，就需要減少酒精的用量，并多加一點(diǎn)去酒精化香料。

當(dāng)前可以嘗試用任何口味制作冰淇淋，但需要考慮這種口味的香料將對(duì)結(jié)構(gòu)、保質(zhì)期等方面產(chǎn)生的影響。

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素食冰淇淋與乳制品冰淇淋相比，其制備和成分有什么不同？

很多方面都是相似的。素食也有乳化的脂肪來(lái)源，通常是椰子油或棕櫚仁油，然后還有糖、穩(wěn)定劑等，這些在乳制品冰淇淋中也會(huì)存在，不同之處在于蛋白質(zhì)。牛奶蛋白既是一種非常好的泡沫劑，又是一種非常好的乳化劑(乳化劑和泡沫劑是能夠穩(wěn)定泡沫和乳液的分子，這些分子附著在液滴或氣泡的表面，防止它們彼此合并)。植物蛋白則很難做到這兩點(diǎn)，所以在腰果、杏仁或大豆基的產(chǎn)品中會(huì)發(fā)現(xiàn)額外的成分，以提供原本可以從牛奶蛋白中獲得的功能。

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用什么技術(shù)來(lái)研究冰淇淋？

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如何防止冰淇淋融化？

我們用于研究的儀器主要包括顆粒大小分析儀、電子顯微鏡和研究材料流動(dòng)和變形的流變儀(圖2)。首先是激光光散射技術(shù)，它能告訴我們關(guān)于脂肪小球和脂肪結(jié)構(gòu)所需的所有信息。我們也大量地使用光學(xué)顯微鏡。具體是將顯微鏡放置在冰箱或冷卻箱中，或者使用冷臺(tái)，將冰淇淋放在載玻片上，放置在用液氮冷卻的腔體內(nèi)。電子顯微鏡方面，冷凍掃描電子顯微鏡(SEM)實(shí)驗(yàn)自身有低溫裝置，可以研究冰淇淋中的物相。

圖2 冰淇淋中的物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)主要包括流變學(xué)、動(dòng)態(tài)光散射、電子顯微技術(shù)、臨界點(diǎn)干燥技術(shù)等

透射電子顯微鏡(TEM)實(shí)驗(yàn)方法稍有區(qū)別。TEM不在冷凍環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而是使用一種“固定”結(jié)構(gòu)的化學(xué)物質(zhì)，通常結(jié)合使用一種稱為“臨界點(diǎn)干燥”的技術(shù)對(duì)冰淇淋進(jìn)行干燥，然后將其切成薄樣本，并使用TEM進(jìn)行研究。

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經(jīng)過(guò)幾十年的冰淇淋研究，

你仍然對(duì)此感到興奮嗎？

當(dāng)然。我很幸運(yùn)地有機(jī)會(huì)去過(guò)很多有趣的國(guó)家，每到一處我都會(huì)觀察冰淇淋市場(chǎng)的情況。這不僅僅是出于專業(yè)考量，我也想了解世界各地的動(dòng)態(tài)，以便與他人分享。但當(dāng)然，冰淇淋怎么會(huì)有錯(cuò)呢？這種產(chǎn)品太有趣了，能夠與之關(guān)聯(lián)真是太好了。

本文選自《物理》2025年第5期