冰淇淋的每一口丝滑里，承载着多少奇怪的科学智慧

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冰淇淋的每一口丝滑里，承载着多少奇怪的科学智慧

冰淇淋的缤纷口味和丝滑口感令人陶醉，而其独特美味的质地背后的物理化学过程更是奇妙得令人心醉——如果用科学眼光审视它，你会发现冰淇淋拥有与森林恢复、岩石形成或动物在低温环境下生存等现象类似的理化本质。

在你准备享用冰淇淋前，下面这五组有趣的聚类分析绝对值得你读一读。

越快冷冻，越小冰晶，越享丝滑

左边是一块薄薄的岩石，外加几种矿物晶体，在显微镜下呈现不同的颜色;右边是冰淇淋的特写，冰晶在偏振光下闪闪发光

水是冰淇淋的主要成分之一，大多以微观冰晶形式存在。这些晶体的尺寸对冰淇淋的品质有重要影响。大晶体会造成颗粒状的质地，而较小的晶体(与血细胞一般大)则可带来天鹅绒般光滑的成品。

那么冰淇淋制造商如何防止小的冰晶长成直径十几微米以上的大家伙呢?

冰是一种矿物质，就像石英和石墨那样的矿物质，因此在某些方面，它的行为也呈现出矿物的特点。史密森尼国家博物馆的宝石和矿物策展人杰弗里·波斯特(JeffreyPost)表示：

在显微镜下观察冰淇淋与观察花岗岩或其他由岩浆冷却形成的岩石并没有什么不同。当岩浆凝固为矿物时，矿物内的晶体部分可提供有关它们形成条件的某些线索——浓厚粘稠的岩浆在地下缓慢冷却，使晶体得以充分生长;而地表处的稀薄熔岩冷却和硬化的速度要快得多，最后形成了晶体较小的岩石。

甜味剂和稳定剂会让冰淇淋变浓稠进而放缓晶体生长的速度;与此相对的，加快冷冻过程可使晶体保持在较小的尺寸。

多年来，越来越多人选择通过添加液氮的方式来冷冻冰淇淋，因为液氮凭借其极低的温度可在短短几分钟内帮助人们制作出丝滑的冰淇淋。

平均主义：造林之毒药，造冰淇淋之蜜糖

成熟的森林系统(左)里，树木的年龄结构很有层次;如果要灾后重建森林资源(右图)，小树苗之间会彼此竞争资源，这不利于整体恢复

另一种延阻晶体生长的方法是它们开始在搅拌容器中形成时将其切碎：

冰淇淋制作的第一阶段被称为动态冷冻(dynamicfreezing)，在此期间，搅拌器会不断从桶壁上刮下新形成的晶体，把它们搅至混合物中。这不仅会阻止内壁上的晶体变厚，还能产生更多晶核——而晶核又会吸引液态水分子在其上冻结成冰。

用波斯特的话说：“所有这些较小的晶体现在都在相互竞争剩余的水分子，因此它们都难以长得很大。”

这个过程与树林恢复过程非常相似。如果有一大片树木被砍伐、烧毁或吹倒，那么它们的树苗会以均匀的速度在原地密集生长。那些较弱的个体可能需要几十年的时间才会死光，并为更强大的个体腾出空间和资源;与此同时，由于过度密集的树木争夺有限资源，森林的“二次生长”会受阻。

就森林来说，生长缓慢和大小各异的生态系统往往才更健康;但对于冰淇淋，各方实力均一的竞争式生长才是制造丝滑质地的关键。

从动物中寻找“抗冻蛋白”

美洲绵鳚(Zoarcesa mericanus)生活在美国东北部新英格兰以及加拿大附近的低温水域中。美洲绵鳚的身体组织内含有抗冻蛋白，用以帮助它承受接近或低于冰点的温度

冰淇淋制作完成后，最好一口气吃完。假若没法一口闷，就必须把它们储存起来，有时储存时间长达数周或数月。在此期间，冰淇淋的温度可能会随着冷冻柜门的打开和关闭而波动——如果它融化了一点点，冰就会重新结晶，并随着时间推移产生更大的晶体，而其结果则是冰淇淋冰块感极强。(遭遇冰箱“抗议”的你才可能收获这笑中带泪的体验。)

增稠剂和稳定剂可以减缓冰淇淋混合物中液态水分子的运动，令其长时间保持平稳运行。要是这还不够，冰淇淋制造商可能会向野生动物寻求帮助。

某些种类的青蛙、昆虫和植物体内存在抗冻蛋白，这帮助它们得以在寒冷条件下生存：

这些蛋白质一旦形成，就会包围冰晶并与其结合，如此一来，便可阻止液态水分子与刚开始发展的晶体结合。抗冻蛋白能帮助生物体避免细胞损伤甚至死亡。

抗冻蛋白最初在冷水鱼类体内发现。之后研究人员在实验室中通过转基因酵母合成了它。现在，冰淇淋制造商将抗冻蛋白应用到了美食领域，用以抑制冰的重结晶。

冰乳交融的冰淇淋不分层，乳化蛋白立大功

当油脂遇到水时，它们通常会形成液滴并停留在水滴表面。如果两种液体充分混合，并涂上了乳化剂(如卵磷脂或其他蛋白质)，它们看起来就会像是一体的

油和水互相排斥。那么为什么冰淇淋——主要是冰和乳脂的混合物——不会分成两层?答案可以从它的微观结构中找到。

当你摇晃一个装有油和醋的瓶子，里头的油会分解成小的球形液滴，如果不受干扰，油滴最终会在表面聚结成一层。但要是通过剧烈摇晃快速混合这两种液体，它们似乎会合二为一变成乳浊液，即由两种不相溶的液体所组成的分散系——一种液体以小液滴的形式分散在另外一种液体之中。

大多数不相溶的混合物在热力学上不稳定，这意味着它们最终会回归到一种更简单、更有组织的结构：一种液体位于另一种液体之上。但稳定的乳浊液(例如稳定的椰子水或均质牛奶)其实有所不同，不管你等多久，油脂都不会升至上方。

这些水包油物质之所以能保持均匀分散，部分原因在于它们含有天然乳化蛋白，后者的作用与防冻蛋白相似。乳化蛋白并不与冰结合，而是缠住脂肪液滴，并降低两种液体之间的张力，防止脂肪聚集成层。

乳蛋白能使整个冰淇淋体系保持相对稳定。不过通常来说，冰淇淋还需要额外的乳化剂，例如卵磷脂或酪蛋白，来帮助另一主要成分留在混合物中，那便是空气。

微小的气泡可令冰淇淋更易于舀取和保持形状(软冰淇淋)，当然前提是它们始终维持微小的尺寸且均匀分布于脂肪和冰块中。

湿润大雪花，干燥小冰晶

从板状和棱柱状到树枝状和柱状，雪片的形状由其形成时的温度和湿度决定

自然形成的冰有多种多样的形状和尺寸，从空心柱状或针状到薄片状和“子弹玫瑰形”——无论它们形貌如何，其主要决定因素都是晶体在形成过程中周围的湿度和温度，较高的湿度会带来更大且更精细的雪片。

“子弹玫瑰形”的冰晶

上述这些类型晶体的生长成形大多都需要足够的时间、空间以及潮湿空气，而冰淇淋搅拌器无法提供这些，所以冰淇淋晶体更像是在非常寒冷干燥的条件下形成的简单棱柱状或薄片状晶体;此外，搅拌器的持续运动就像海洋磨损沙粒一般磨损晶体，进而产生微小的不规则颗粒。

无论是冰淇淋的制作、地球内部的岩石形成还是天气的变化，地球上所有自然过程本质都由相同的物理和化学过程控制。我们如果了解物理和化学，就能理解这个世界——也可以创造出更棒的冰淇淋。

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