大熱天，少不了要吃幾口冰淇淋。你有沒有想過，為什么冰淇淋的口感會如此神奇？與普通的冰棍相比，冰淇淋顯然也更加美味。制作冰淇淋的過程，原來充滿了許多奇妙的物理、化學(xué)原理，甚至和礦石的形成過程、動植物抗寒的原理、森林再生的規(guī)律，都有千絲萬縷的聯(lián)系。

01 冰淇淋微觀結(jié)構(gòu)與花崗巖無異？

冰淇淋其實(shí)是由冰晶、奶油和空氣奇妙組合而成，它甜膩而清爽，軟糯又潤滑。其中水占據(jù)了冰淇淋總質(zhì)量的60%-72%，只不過它們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%只是空氣。

冰淇淋中冰晶的尺寸是決定冰淇淋順滑口感的關(guān)鍵因素。如果冰晶太大，吃起來就會像嚼冰碴兒一樣，再大一些，冰淇淋更變成了冰沙。只有小到細(xì)胞尺寸的小冰晶，才能產(chǎn)生絲滑的口感。

那么需要什么樣的條件，才能讓水凝固成如此之小的冰晶呢？

先來看一些巖石。巖石主要由石英（二氧化硅）等礦物質(zhì)組成，而冰和石英一樣都是晶體，所以如果在顯微鏡下觀察冰淇淋的微觀結(jié)構(gòu)，就會發(fā)現(xiàn)，它和地球巖漿冷卻后形成的一塊花崗巖結(jié)構(gòu)上沒有太大區(qū)別。

熾熱的巖漿來到地表時，冷卻速度越快，巖石中礦物晶體的尺寸就越小。比如，從火山直接噴發(fā)出來的熔巖會迅速形成火山巖，其中包含的礦物晶體往往非常小。所以，要得到微小冰晶，可以用快速冷卻的方法。

現(xiàn)在流行的液氮冰淇淋的原理，就是加快冷凍過程，讓冰晶尺寸盡可能小。傳統(tǒng)方法制作的冰淇淋，冰晶只能達(dá)到幾微米的量級，而用零下196℃的液氮制造冰淇淋，內(nèi)部的冰晶就可以達(dá)到幾納米的量級。

現(xiàn)在知道為什么我們用家里的冰箱永遠(yuǎn)做不出美味的冰淇淋，只能凍出一大塊冰了吧。

02 讓冰晶細(xì)滑的過程跟森林再生同理？

當(dāng)然，獲得微小冰晶的方法并不止快速冷卻這一種。

在冰淇淋的生產(chǎn)工藝中，第一個步驟叫動態(tài)冷凍，也就是邊攪拌邊冷凍。在這個過程中，冰晶會不停地聚集在攪拌器內(nèi)壁，攪拌器要迅速把內(nèi)壁的冰晶刮下來，和其他冰淇淋攪拌到一起——兩次刮削的時間間隔非常短，只有0.1秒。如此迅速的操作可以防止冰晶一直長大。

不僅如此，刮下來的冰晶被打散之后還可以成為新的晶核，供其他水分子附著在上面長出更多冰晶。這樣一來，冰淇淋中的晶核數(shù)量卻在不斷增加，水分子的數(shù)量會不斷減少，大量的晶核競爭有限的水分子，結(jié)果就是，晶核沒有機(jī)會長成冰碴兒了。

這個過程其實(shí)和森林再生的原理非常相似。

當(dāng)森林遭到外部力量侵襲，比如人類砍伐活動、一場大的野火或者颶風(fēng)等自然災(zāi)害，很多樹木會消失不見，森林中便會留下空缺位置，新小樹苗會長出來，但這一小片土地的能夠提供的資源有限，這一茬樹苗的生長速度就會非常慢，就像刮下來的冰晶一樣很難長大。只有強(qiáng)壯的樹苗才能重新長成大樹。

同理，制造“水分子競爭”令冰晶難以長大，就是令冰淇淋產(chǎn)生絲滑口感的關(guān)鍵。

03 冰淇淋用上了耐寒動植物的保命神器？

你有沒有試過，三伏天去買冰淇淋，運(yùn)輸過程中它們可能會融化，放進(jìn)冰箱后重新凝固，再拿出來吃的時候，口感會遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如剛買回來時的好。

其實(shí)冰淇淋也講究“新鮮”。在運(yùn)輸過程中，冰淇淋中的冰晶會受熱融化，然后再凝固形成更大的冰晶，結(jié)果冰淇淋就會像冰棍一樣硬邦邦的。

事實(shí)上，每一次打開冰箱門，冰箱里的冰淇淋都會融化一點(diǎn)點(diǎn)，反復(fù)幾次之后，它們的口感也會下降。為了保證它們的美味，人們便在制作冰淇淋時添加穩(wěn)定劑，減緩液態(tài)水分子在冰淇淋混合物中的運(yùn)動，使冰淇淋長時間保持穩(wěn)定。

而那些生活在寒冷的野生動植物早就在用這種“穩(wěn)定劑”了。

生活在溫度低于零攝氏度的極寒環(huán)境的動植物，為了保持體液不結(jié)冰，它們體內(nèi)通常含有一種抗凍蛋白，可以吸附到冰核表面，阻止水分子聚過來，這樣冰晶就沒法繼續(xù)生長，生物體也得以避免低溫下細(xì)胞損傷甚至死亡的厄運(yùn)。

抗凍蛋白最初是在極地冰水中的魚類身上發(fā)現(xiàn)的，后來人們發(fā)現(xiàn)，它也可以在實(shí)驗(yàn)室中用基因編輯酵母來合成。如今，抗凍蛋白作為食品添加劑已被應(yīng)用于冰淇淋。

04 物理、化學(xué)齊上陣

冰淇淋的主要成分除了水，還有奶油、牛奶中的油脂。但我們知道，油和水是無法相互溶解的，即使混到一起也會很快分層。但冰淇淋中的水和油脂為什么混合得如此完美？答案還是在冰淇淋的微觀結(jié)構(gòu)中。

拌沙拉常用的油醋汁，一般由三份油和一份醋組成。油和醋原本并不相溶，但只要放在一起瘋狂攪拌，油最終會分解成微小的球形油滴，均勻分散到醋中，形成乳濁液。乳濁液是兩種不相溶液體形成的均勻混合物，大多數(shù)都不穩(wěn)定，放置久了，兩種液體還是會分層。但也存在穩(wěn)定的乳濁液，比如牛奶和椰漿，無論等待多久，始終可以保持混合狀態(tài)。這是因?yàn)榕Ｄ讨泻刑烊蝗榛鞍?，這些蛋白的分子結(jié)構(gòu)一頭親水，一頭親油，可以降低油和水之間的表面張力，將一個個小油滴包裹在里面，使它們難以聚集，結(jié)果看起來就是油溶在水里了。

不過光靠牛奶中自帶的天然乳化蛋白，還不足以讓冰淇淋保持長時間穩(wěn)定。一般來說，制作冰淇淋時，還會額外加入卵磷脂、酪蛋白等乳化劑，幫助冰淇淋中的水和油脂更穩(wěn)定地保持乳濁液狀態(tài)。卵磷脂不光是優(yōu)秀的乳化劑，也是一種起泡劑。

冰淇淋中空氣的體積通?？蛇_(dá)25%-50%，這樣吃起來才會有更蓬松的口感。和乳化劑的原理類似，起泡劑也可以降低液體的表面張力，讓空氣更容易被液體包裹起來。所以，冰淇淋中的氣泡其實(shí)就像一大群被冷凍起來的微小肥皂泡。

有個有趣的“冷知識”：冰淇淋可以存在的最高海拔是3000米。因?yàn)槌^這個海拔高度，由于大氣壓過低，冰淇淋中的氣泡就會膨脹破裂，最后整個冰淇淋就會坍縮到一半體積，成為堅硬的冷凍奶油加冰混合物。

最后，借用費(fèi)曼在《費(fèi)曼物理學(xué)講義》中的一句話：整個宇宙存在于一杯葡萄酒中。他說：“如果我們足夠細(xì)致地觀察一杯葡萄酒，確實(shí)可以見到整個宇宙……它分為幾個部分：物理學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、天文學(xué)、心理學(xué)，等等，但大自然是不知道這一切的?！被蛟S，我們也可以說，一支冰淇淋中也存在著一個宇宙。（苗園柯）