中國科學院物理研究所 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？對大多數人來說，它是美味的冷凍甜點，但對像Douglas Goff 這樣的食品科學家來說，它也是物理和化學的奇跡。冰淇淋是復雜的多相材料，包含了乳液、泡沫、晶體、溶質和溶劑。無論是在家庭廚房還是在商業規模化的生產中，冰淇淋都需要成分比例的精確調配，以及在混合、攪拌和冷凍過程中的精確控制。

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

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冰淇淋的材料性質

冰淇淋是非常復雜的多相系統。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，通過攪拌乳液引入了空氣相，這個過程被稱為發泡(圖1)。因此，在一個冰淇淋桶中，大約有一半體積來自于空氣的貢獻。這些空氣形成的細小氣泡均勻分散在發泡乳液中。

然后，部分凍結使得發泡乳液中至少一半的水轉變為微小的冰晶，而剩余的未凍結相是使冰淇淋保持柔軟、易舀取且可口的主因。并未被完全凍結的原因是溶解在乳液中的糖分降低了冰點。

這樣的流程下來，就得到了呈乳液狀的脂肪微粒、泡沫式的氣泡、部分結晶的冰晶溶劑，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。

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商業化制作與在家庭廚房制作的冰淇淋有哪些重大差異？

無論是在家庭廚房的冰淇淋機中，還是在工廠操作中，冷凍和攪拌是同時進行的。廚房中制作的冰淇淋與商業化工廠中制作的冰淇淋之間最大的區別在于冰淇淋的結構。自制的冰淇淋保存一兩天是可以的，但很快就會變得硬邦邦，而我們預期商業化制作的冰淇淋會有幾個月到一年的保質期。這是由于冰相隨著時間的推移所經歷的演變方式不同，即取決于不同的再結晶過程。如果溫度升高，冰淇淋會開始融化。當溫度再次降低時，水會重新凍結成冰相，但不會產生新的冰晶，而是會在已有的冰晶上生長。

這意味著，如果冰淇淋在儲存冰期間經歷很大的溫度波動，它會比在恒定溫度下儲存時更快降解并變成冰塊。溫度越高，再結晶的速度就越快。商業冷凍設備能夠產生比自制冰淇淋機更小的冰晶尺寸。低溫和恒定溫度的儲存是大家追求的目標，因此在演變發生之前，溫度越低、越恒定，初始冰晶越小，冰淇淋的保質期就越長。

還有另外一個影響冰淇淋長期儲存的結構因素。當未凍結的含糖溶劑相濃縮到足夠程度時，它可以經歷玻璃化轉變(圖1)。玻璃態是一種非晶固體，因此如果這種情況發生，系統內的水或溶質將不會移動，它可以保持多年不變。對于冰淇淋來說，玻璃化轉變溫度約為-28℃至-32℃，因此如果要實現長期儲存，就必須將溫度降低到低于這個玻璃化轉變溫度。

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法混合。如果一種液體的許多液滴可以在另一種液體中穩定存在而不發生聚結，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，許多細小的氣泡被困在液體或固體中(右圖)。玻璃態：當一種液體被冷卻到低于某一溫度時，它通常會發生一階相變，變成晶體。然而，如果一種液體可以在不結晶的情況下冷卻到其冰點以下(過冷)，例如，當它被迅速冷卻時，它可能會形成玻璃態——一種具有無序液體狀結構但具備固體機械性能的非晶體固體。玻璃態形成的溫度，其特征是材料粘度的快速增加，被稱為玻璃化轉變溫度

第三個因素是添加穩定劑。這些穩定劑包括洋槐豆膠、瓜爾膠或纖維素膠，還有一些新型的穩定劑。它們的作用是增加未凍結相的粘度。這減緩了冰再結晶的速度，因為它減緩了水的擴散和冰的生長。

還有一些其他新型的添加劑可以防止冰轉變為大晶體。其中一種叫做單硬脂酸丙二醇酯，它會吸附在冰晶的表面，防止其在溫度波動時生長。這種現象在自然界中也能看到，一些生活在寒冷環境中的昆蟲、魚類和植物物種，其血液和組織中含有可以控制冰生長的蛋白質。例如，許多魚類在體內潛藏著微小的冰晶，但這些蛋白質能夠防止晶體生長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程？

全球各地的冰淇淋有成百上千種不同的口味，一個重要的問題是香料會不會影響溶液或乳液。

例如，巧克力豆是惰性的，它與其他成分完全不發生相互作用。而草莓則會對系統產生很大影響，因為水果制品中的糖分含量很高。我們需要在水果制品中添加糖，以確保它比冰淇淋本身更軟。但問題是，其中的一些糖會擴散到未凍結的水相中，從而降低其冰點。這意味著，由于額外添加的糖，即使配方完全相同，草莓冰淇淋會比香草冰淇淋更軟。

另一個例子是酒精口味，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。但酒精會降低冰點，因此如果添加足夠的酒精以獲得所需的風味強度，產品就難以冷凍。在這種情況下，就需要減少酒精的用量，并多加一點去酒精化香料。

當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結構、保質期等方面產生的影響。

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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源，通常是椰子油或棕櫚仁油，然后還有糖、穩定劑等，這些在乳制品冰淇淋中也會存在，不同之處在于蛋白質。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，所以在腰果、杏仁或大豆基的產品中會發現額外的成分，以提供原本可以從牛奶蛋白中獲得的功能。

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用什么技術來研究冰淇淋？

在實驗過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和變形的流變儀(圖2)。首先是激光光散射技術，它能告訴我們關于脂肪小球和脂肪結構所需的所有信息。我們也大量地使用光學顯微鏡。具體是將顯微鏡放置在冰箱或冷卻箱中，或者使用冷臺，將冰淇淋放在載玻片上，放置在用液氮冷卻的腔體內。電子顯微鏡方面，冷凍掃描電子顯微鏡(SEM)實驗自身有低溫裝置，可以研究冰淇淋中的物相。

圖2 冰淇淋中的物理實驗技術主要包括流變學、動態光散射、電子顯微技術、臨界點干燥技術等

透射電子顯微鏡(TEM)實驗方法稍有區別。TEM不在冷凍環境中進行實驗，而是使用一種“固定”結構的化學物質，通常結合使用一種稱為“臨界點干燥”的技術對冰淇淋進行干燥，然后將其切成薄樣本，并使用TEM進行研究。

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經過幾十年的冰淇淋研究，

你仍然對此感到興奮嗎？

當然。我很幸運地有機會去過很多有趣的國家，每到一處我都會觀察冰淇淋市場的情況。這不僅僅是出于專業考量，我也想了解世界各地的動態，以便與他人分享。但當然，冰淇淋怎么會有錯呢？這種產品太有趣了，能夠與之關聯真是太好了。

本文選自《物理》2025年第5期