冰淇淋的美味，全靠科学来帮忙

大热天，少不了要吃几口冰淇淋。你有没有想过，为什么冰淇淋的口感会如此神奇？与普通的冰棍相比，冰淇淋显然也更加美味。制作冰淇淋的过程，原来充满了许多奇妙的物理、化学原理，甚至和矿石的形成过程、动植物抗寒的原理、森林再生的规律，都有千丝万缕的联系。

01 冰淇淋微观结构与花岗岩无异？

冰淇淋其实是由冰晶、奶油和空气奇妙组合而成，它甜腻而清爽，软糯又润滑。其中水占据了冰淇淋总质量的60%-72%，只不过它们是以小冰晶的形式存在。除此之外，冰淇淋就只有8%-10%是美味的油脂，另外25%-50%只是空气。

冰淇淋中冰晶的尺寸是决定冰淇淋顺滑口感的关键因素。如果冰晶太大，吃起来就会像嚼冰碴儿一样，再大一些，冰淇淋更变成了冰沙。只有小到细胞尺寸的小冰晶，才能产生丝滑的口感。

那么需要什么样的条件，才能让水凝固成如此之小的冰晶呢？

先来看一些岩石。岩石主要由石英（二氧化硅）等矿物质组成，而冰和石英一样都是晶体，所以如果在显微镜下观察冰淇淋的微观结构，就会发现，它和地球岩浆冷却后形成的一块花岗岩结构上没有太大区别。

炽热的岩浆来到地表时，冷却速度越快，岩石中矿物晶体的尺寸就越小。比如，从火山直接喷发出来的熔岩会迅速形成火山岩，其中包含的矿物晶体往往非常小。所以，要得到微小冰晶，可以用快速冷却的方法。

现在流行的液氮冰淇淋的原理，就是加快冷冻过程，让冰晶尺寸尽可能小。传统方法制作的冰淇淋，冰晶只能达到几微米的量级，而用零下196℃的液氮制造冰淇淋，内部的冰晶就可以达到几纳米的量级。

现在知道为什么我们用家里的冰箱永远做不出美味的冰淇淋，只能冻出一大块冰了吧。

02 让冰晶细滑的过程跟森林再生同理？

当然，获得微小冰晶的方法并不止快速冷却这一种。

在冰淇淋的生产工艺中，第一个步骤叫动态冷冻，也就是边搅拌边冷冻。在这个过程中，冰晶会不停地聚集在搅拌器内壁，搅拌器要迅速把内壁的冰晶刮下来，和其他冰淇淋搅拌到一起——两次刮削的时间间隔非常短，只有0.1秒。如此迅速的操作可以防止冰晶一直长大。

不仅如此，刮下来的冰晶被打散之后还可以成为新的晶核，供其他水分子附着在上面长出更多冰晶。这样一来，冰淇淋中的晶核数量却在不断增加，水分子的数量会不断减少，大量的晶核竞争有限的水分子，结果就是，晶核没有机会长成冰碴儿了。

这个过程其实和森林再生的原理非常相似。

当森林遭到外部力量侵袭，比如人类砍伐活动、一场大的野火或者飓风等自然灾害，很多树木会消失不见，森林中便会留下空缺位置，新小树苗会长出来，但这一小片土地的能够提供的资源有限，这一茬树苗的生长速度就会非常慢，就像刮下来的冰晶一样很难长大。只有强壮的树苗才能重新长成大树。

同理，制造“水分子竞争”令冰晶难以长大，就是令冰淇淋产生丝滑口感的关键。

03 冰淇淋用上了耐寒动植物的保命神器？

你有没有试过，三伏天去买冰淇淋，运输过程中它们可能会融化，放进冰箱后重新凝固，再拿出来吃的时候，口感会远远不如刚买回来时的好。

其实冰淇淋也讲究“新鲜”。在运输过程中，冰淇淋中的冰晶会受热融化，然后再凝固形成更大的冰晶，结果冰淇淋就会像冰棍一样硬邦邦的。

事实上，每一次打开冰箱门，冰箱里的冰淇淋都会融化一点点，反复几次之后，它们的口感也会下降。为了保证它们的美味，人们便在制作冰淇淋时添加稳定剂，减缓液态水分子在冰淇淋混合物中的运动，使冰淇淋长时间保持稳定。

而那些生活在寒冷的野生动植物早就在用这种“稳定剂”了。

生活在温度低于零摄氏度的极寒环境的动植物，为了保持体液不结冰，它们体内通常含有一种抗冻蛋白，可以吸附到冰核表面，阻止水分子聚过来，这样冰晶就没法继续生长，生物体也得以避免低温下细胞损伤甚至死亡的厄运。

抗冻蛋白最初是在极地冰水中的鱼类身上发现的，后来人们发现，它也可以在实验室中用基因编辑酵母来合成。如今，抗冻蛋白作为食品添加剂已被应用于冰淇淋。

04 物理、化学齐上阵

冰淇淋的主要成分除了水，还有奶油、牛奶中的油脂。但我们知道，油和水是无法相互溶解的，即使混到一起也会很快分层。但冰淇淋中的水和油脂为什么混合得如此完美？答案还是在冰淇淋的微观结构中。

拌沙拉常用的油醋汁，一般由三份油和一份醋组成。油和醋原本并不相溶，但只要放在一起疯狂搅拌，油最终会分解成微小的球形油滴，均匀分散到醋中，形成乳浊液。乳浊液是两种不相溶液体形成的均匀混合物，大多数都不稳定，放置久了，两种液体还是会分层。但也存在稳定的乳浊液，比如牛奶和椰浆，无论等待多久，始终可以保持混合状态。这是因为牛奶中含有天然乳化蛋白，这些蛋白的分子结构一头亲水，一头亲油，可以降低油和水之间的表面张力，将一个个小油滴包裹在里面，使它们难以聚集，结果看起来就是油溶在水里了。

不过光靠牛奶中自带的天然乳化蛋白，还不足以让冰淇淋保持长时间稳定。一般来说，制作冰淇淋时，还会额外加入卵磷脂、酪蛋白等乳化剂，帮助冰淇淋中的水和油脂更稳定地保持乳浊液状态。卵磷脂不光是优秀的乳化剂，也是一种起泡剂。

冰淇淋中空气的体积通常可达25%-50%，这样吃起来才会有更蓬松的口感。和乳化剂的原理类似，起泡剂也可以降低液体的表面张力，让空气更容易被液体包裹起来。所以，冰淇淋中的气泡其实就像一大群被冷冻起来的微小肥皂泡。

有个有趣的“冷知识”：冰淇淋可以存在的最高海拔是3000米。因为超过这个海拔高度，由于大气压过低，冰淇淋中的气泡就会膨胀破裂，最后整个冰淇淋就会坍缩到一半体积，成为坚硬的冷冻奶油加冰混合物。

最后，借用费曼在《费曼物理学讲义》中的一句话：整个宇宙存在于一杯葡萄酒中。他说：“如果我们足够细致地观察一杯葡萄酒，确实可以见到整个宇宙……它分为几个部分：物理学、生物学、地质学、天文学、心理学，等等，但大自然是不知道这一切的。”或许，我们也可以说，一支冰淇淋中也存在着一个宇宙。