新知 | 一起来看冰淇淋里的微观世界
世界上有不爱吃冰淇淋的小朋友吗？肯定没有！就连不爱吃冰淇淋的大人可能都没有，小编预测这是一款永远不会过时，也许在一万年后还在地球流传的食物。
这么好吃的食物是怎么来的呢？可以说，这是人类几千年来对味蕾刺激的不断追求，最后阴差阳错发明出来的一个气液固三项共混复杂体系。
今天我们就来回顾一下冰淇淋的前世今生，探索冰淇淋里面的微观世界。
穿越古今的冰淇淋：从冰水混合物到冰奶共混物
冰淇淋最早的传说可追溯到公元前4世纪，当时亚历山大在远征埃及，因为天气炎热需要鼓舞士兵士气，就发明了一种用冰和水果混合的饮料。但是这其实还算不上冰淇淋的萌芽，因为没有牛奶也就是蛋白质的加入，没有形成冰淇淋中的基本元素——乳液胶体。
直到我国唐朝，出现了一种名叫“酥山”的食物。章怀太子墓出土的古画“仕女图”中曾展示过这款甜点，它由山羊奶或者牛奶发酵后冰冻而成，最底层为冰，上面覆盖奶油、酥油，然后插上花朵、树枝等装饰物。
图1. 出现在唐朝古画中的冰淇淋
你可能特别感慨唐朝的生活美学竟如此发达，在今天的网红甜品店里你几乎可以觅到同款美食，但是这款颜值很高的古代冰淇淋有个缺点，就是奶油和冰水分层，缺乏冰奶共混的醇香口感。
为使两者共混冻结，聪明的人类想到了分别在奶油中加糖以及在碎冰中加入食盐的办法，将两者凝固点调节一致，当冰的凝固点降低时，需要从周围环境也就是牛奶中吸收能量，从而把牛奶的温度降到冻结点，这样牛奶就和冰就可以冻融混合了。
据说大约在十六世纪末，一位意大利美食家将牛奶果汁加上水和糖，放入蜜饯和柠檬，然后放入冰冷的雪盐中冷冻，这样制作出欧洲“第一代冰淇淋”。但是这样制作出来的冰淇淋口感仍然很粗糙，因为冰块和牛奶中的脂肪颗粒都太大了。让大块的冰和牛奶颗粒变小，一直是很难解决的问题。
图2. 欧洲古典冰激凌口感粗糙
直到后来，美国费城的Nancy Johnson 发明了全新的冰淇淋制造机器，此机器能大大提高搅拌冰淇淋混合物的速度，降低奶油颗粒，让冰淇淋拥有了细腻的质感。冰淇淋工厂化生产也随之出现，从此开启了冰淇淋大规模生产并且从奢侈品走向平民化的时代。
图3. 冰淇淋搅拌机
冰淇淋的微观世界：气液固三相胶体
一个典型的冰淇淋大约包含30%的冰、50%的空气，5%的脂肪和15%的基质（糖溶液）组成。
图4. 冰淇淋的微观世界
从图4可以看到，它囊括了物质的气液固三相：固态的冰和脂肪、液态的糖溶液和气态的气泡。
走进冰淇淋的微观世界里，你可以看到密密麻麻分布着这些气泡和冰晶，气泡上附着有脂肪液滴，这些脂肪液滴同时还填充了气泡和冰晶之间的所有空隙，它们呈很粘的半固体状基质，由糖、高分子聚合物、香精和蛋白质等混合而成。
认识这个微观世界，我们首先需要获得物理化学这门魔法学科中的胶体学知识。胶体（Colloidal），是指分散在连续相中的尺寸在纳米到数十微米间的小颗粒。根据这些胶体颗粒呈现的气、液、固状态不同，我们给它们起了不同的名字，分别是泡沫（foam，气态胶体）、乳液（emulsion，液态胶体）、溶胶（sol，固态胶体）。
冰淇淋就是一个同时拥有乳液（由脂肪液滴组成）、溶胶（冰晶组成）和泡沫（气泡组成）三种胶体共存的冰冻体系。
制作冰淇淋总共分几步？
冰淇淋制作的第一步是制备水包油型的奶油乳液。这里的油主要指的是奶油，也就是脂肪颗粒。奶油脂肪是冰淇淋里最重要的原料，美国对于冰淇淋的规定是至少含有10%以上的奶油脂肪，好的冰淇淋有时可能高达16%。这么多的奶油不是很容易和水分层吗？
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，在很高的压力下把液体从小孔挤出，在高速喷射过程中，液滴在高压下产生强烈的剪切、撞击和空穴作用，从而使液态物质得到超微细化。奶油中脂肪颗粒很大，经过这一步，脂肪颗粒的大小可以从几微米减小到了零点几微米，这样就可以制作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降温稳定熟化。经过均质乳化后的脂肪颗粒的大小从几微米减小到了零点几微米，相应的脂肪和水的界面增加了十倍左右，脂肪表面的界面能徒增，形成了一个热力学不稳定体系。虽然奶油乳液中的蛋白质也可以稳定乳液，但是蛋白质太大，存在体积位阻，不足以吸附覆盖乳液滴表面。这时就要请出小个头乳化剂来帮忙了，如图6所示，乳化剂比蛋白质更加喜欢脂肪和水的界面，它们人小志气大，鸠占鹊巢，很快就把一部分表面蛋白质赶出了界面，奶油乳液的表面悄无声息地被乳化剂占领了许多。这样，乳化剂就形成了一层坚硬的盔甲，最终保证了脂肪颗粒在后续处理中能保持足够小并且稳定的状态。
图6. 乳化剂对乳液形成更强的稳定作用
冰淇淋制作的第三步是为上面稳定的奶油乳液增添第三相胶体，即气泡，以增加冰淇淋的蓬松感。
首先，需要把冰箱里休息够了的原料混合物送入冰淇淋机。冰淇淋机的核心部件是一个温度很低的表面，通常温度在零下二三十度，原料混合物被慢慢搅拌着，同时大量的空气被搅进去，他们被蛋白质、乳化剂以及形成的脂肪网络和冰粒固定下来。这样，就形成了气液固三相共存的冰淇淋结构。
引入空气后，冰淇淋的空气膨胀率最高限度可达100%，也就是一半冰淇淋一半空气，这样冰淇淋的成本可以下降一半。正是因为如此，空气越少的冰淇淋脂肪含量就越高，口味也更加醇厚，当然也就越昂贵。
自己可以DIY一款好吃的冰淇淋吗？
根据上面乳液的形成原理，你是否特别想发挥创意制作一款好吃的冰淇淋呢？
最初的冰淇淋就是家庭小作坊生产的，我们当然也可以在厨房里模拟冰淇淋的整个生产过程。
但是要提醒的是，由于缺少均质乳化机和大功率降温搅拌装置，在厨房里基本上无法获得商品冰淇淋的质感来。
你可能会想到，把买来的冰淇淋融化后，重新加入水果，制作一款新冰淇淋。但是我想说，这个理想很难实现。
根据乳液原理，冰淇淋的特有结构是均质乳化、低温储存然后低温搅拌形成的。如果冰淇淋已经融化了，那么首先冰粒就化成了水，而那些部分融合的脂肪颗粒也融合成了大颗粒。整个的体系失去了胶体结构，恢复到均质乳化之前的微观状态。所以仅仅放回冰箱，是不能恢复商品冰淇淋的结构的。
不过无需灰心，根据以上胶体化学原理，完美运用三步走，你还是可以创造出一款独特的只属于你自己的冰淇淋的。
来源：中国科学院科技创新发展中心(北京分院)
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