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Allbet:整个宇宙存在于一只冰淇淋中?

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制作冰淇淋的历程,充满了不能思议的物理化学原理。

Wayne Thiebaud 画作

炎炎夏日,也许没有什么比吃一只冰淇淋更美妙了。

冰激凌是冰晶、奶油和空气的巧妙组合,甜腻而清新,软糯又润滑。虽然你的舌头可能感受不到,然则水占有了冰淇淋总质量的60%-72%,它们以小冰晶的形式存在。除此之外,只有8%-10%是鲜味的油脂,25%-50%则是空荡荡的空气。以是,冰淇淋事实上是异常简朴的夹杂物。

然则,小小的冰淇淋为何能轻松俘获我们的味蕾呢?由于其中蕴含着不能思议的物理化学原理!你能想象,冰淇淋的制作甚至和矿石的形成历程、动植物抗寒的原理、森林再生的纪律,都有千丝万缕的联系吗?

01、冰晶与矿石形成

冰晶尺寸是决议冰激凌顺滑口感的要害因素。若是冰晶太大,就会像嚼冰碴儿一样,再大的话冰淇淋更会直接酿成冰沙,只有小到血细胞尺寸的几微米的小冰晶,才气发生丝滑的口感。

那么要若何让冰晶尽可能小呢?需要什么样的条件,才气让水凝固成小冰晶?

我们知道,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,以是若是在显微镜下考察冰激凌的微观结构,会发现它和地球岩浆冷却形成的一块花岗岩没有太大区别。

在显微镜下可以看到,岩石薄片有几种差异颜色的矿物晶体(左),冰淇淋中的冰晶在偏振光下闪闪发光(右)。|左:Flickr user Leo-set ,右:Maxim Bilovitskiy

炽热的岩浆来到地表时冷却速率越快,岩石中矿物晶体的尺寸就越小,好比从火山直接喷发出来的熔岩会迅速形成火成岩,其中包罗的矿物晶体往往异常小。要获得细小的冰晶,也可以用快速冷却的方式。

现在盛行的液氮冰淇淋的原理,就是加速冷冻历程,让冰晶尺寸尽可能小。传统方式制作的冰淇淋,冰晶只能到达几微米的量级,而用零下196度的液氮制造冰淇淋,内部的冰晶可以到达几纳米级别。怪不得现在的冰淇淋越来越好吃了!也难怪家里的冰箱永远做不出冰淇淋,只能冻出大块的冰棍。

02、冰晶与森林再生

若是没有液氮,就不能生产出优质的冰淇淋了吗?固然不是,获得细小冰晶的方式不止一种。

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。在这个历程中,冰晶会一直地群集在搅拌器内壁,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――两次刮削的时间距离异常短,只有0.1秒。云云迅速的操作可以防止冰晶一直生长,最后酿成冰碴儿。

不仅云云,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,冰淇淋中的晶核数目不停增添,而水分子的数目不停削减,大量的晶核竞争有限的水分子,效果就是,每一个晶核都没有时机长大成冰碴儿了。

这个历程实在和森林再生的原理异常相似。当森林遭到外部气力侵袭,好比人类砍伐流动,一场大的野火,或者飓风等自然灾难,许多树木会消逝不见,留下空缺位置。

在这些地方,密密麻麻的小树苗如雨后春笋一样平常冒出来,由于竞争压力太大,一小片土地能够提供的资源有限,这第二茬树木的生长速率会异常慢,就像刮下来的冰晶很难长大一样。

大提要履历长达几十年时间,弱小的树苗最终由于竞争压力死去,强壮的树苗才气重新长成大树。对森林来说,缓慢的生长和参差的树木往往作育一个康健的生态系统;而对冰激淋来说,竞争是发生丝滑口感的要害。

(左)古生林往往是大树和小树苗的夹杂,(右)经由砍伐或自然灾难形成的次生林,往往树木矮小,粗细差不多。| TJ Watt

03、冰淇淋与耐寒动植物

我们小时刻都有过这种履历,三伏天买来冰淇淋、雪糕,然后一起小跑回家放进冰箱,等再拿出来吃的时刻,发现冰淇淋已经融化又凝固,口感远远不如刚从超市买回来的好。

实在和所有的鲜味一样,冰淇淋也异常考究新鲜,刚做出来的冰淇淋最好吃。把冰淇淋从超市搬运抵家的历程中,其中的冰晶会受热融化,然后再凝固形成更大的冰晶,效果就会像冰棍一样硬邦邦。事实上,哪怕冰箱门打开让温度稍微颠簸,冰淇淋也会融化一点点,频频几回之后口感也会下降。

以是,在生产、运输、储存、销售的每一个环节,都有可能由于温度转变,让冰淇淋中的冰晶融化,发生重结晶征象。人们向冰淇淋中添加稳固剂,减缓液态水分子在冰淇淋夹杂物中的运动,使冰激凌长时间保持稳固。不外这个问题另有另一种解决方案,那些生涯在严寒地带的野生动植物早已找到。

许多生涯在南北极和高海拔区域的鱼类、昆虫和植物,可以生涯在温度低于零摄氏度的极寒环境,并保持体液不结冰,这是怎么做到的呢?原来,它们体内含有一种抗冻卵白,可以吸附到冰核外面,阻止水分子聚过来,这样冰晶就没法继续生长,生物体也得以阻止低温下细胞损伤甚至殒命的厄运。

抗冻卵白最初是在极地冰水中的鱼类身上发现的,厥后人们可以在实验室中用基因编辑酵母来合成。现在,抗冻卵白作为食物添加剂被放入冰淇淋中,抑制冰淇淋的重结晶,从而让我们在超市的冰柜中也能买到丝滑软糯的冰淇淋。

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大洋鳕鱼生涯在大西洋西北部的严寒水域,组织中含有抗冻卵白,辅助抵御靠近或低于冰点的严酷温度。|Vejlenser

04、冰淇淋中的物理化学

冰淇淋的主要因素除了水,另有奶油、牛奶中的油脂,一样平常油脂含量为8%-10%,有些高级(很贵)的冰淇淋中,油脂的含量甚至可以到达15%-20%。

我们知道,油和水是无法相互消融的,纵然混到一起也会很快分层,以是暖锅的外面总是漂浮着一层厚厚的油脂。但冰淇淋中的水和油脂为什么夹杂得云云完善?谜底在冰淇淋的微观结构中。

人人可能都熟悉拌沙拉常用的油醋汁,油醋汁一样平常由三份油和一份醋组成,油和醋原本不相溶,但放在一起疯狂搅拌,油最终会剖析成细小的球形油滴,平均涣散到醋中,形成乳浊液

乳浊液是两种不相溶液体形成的平均夹杂物,大多数都不稳固,放置久了两种液体照样会分层,恢复到更简朴、更有组织的结构。但也存在稳固的乳浊液,好比牛奶和椰浆,无论守候多久,始终可以保持夹杂状态。这是由于牛奶中含有自然乳化卵白,这些卵白的分子结构一头亲水,一头亲油,可以降低油和水之间的外面张力,将一个个小油滴包裹在内里,使它们难以群集,效果看起来就是油溶在水里了。

不外光靠牛奶中自带的自然乳化卵白,还不足以让冰淇淋保持长时间稳固,一样平常来说,制作冰淇淋时还会分外加入卵磷脂、酪卵白等乳化剂,辅助冰淇淋中的水和油脂更稳固地保持乳浊液状态。

若是让油和水平均夹杂,并加入乳化剂,就可以形成稳固的乳浊液,像在牛奶或冰淇淋中那样。|Pixabay

卵磷脂不光是优异的乳化剂,也是一种起泡剂。说到这里,就要提到冰淇淋中的另一种主要因素――空气了。冰淇淋中空气的体积通常可达25%-50%,这样吃起来才会有蓬松的口感

和乳化剂的原理类似,起泡剂也可以降低液体的外面张力,让空气更容易被液体包裹起来,就像加了肥皂水才气吹出肥皂泡一样。以是,冰淇淋中的气泡实在就像一大群被冷冻起来的细小肥皂泡。

这也导致,冰淇淋可以存在的最高海拔是3000米。跨越这个高度,由于大气压过低,冰淇淋中的气泡就会膨胀破碎,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夹杂物。

Wayne Thiebaud 画作

费曼在《费曼物理学课本》中曾写道:整个宇宙存在于一杯葡萄酒中。他说:

“若是我们足够仔细地考察一杯葡萄酒,确实可以见到整个宇宙。这里泛起了一些物理学征象:弯曲的液面,它的蒸发取决于天气和风;玻璃上的反射;在我们的想象中又添加了原子。玻璃是地球上岩石的净化产物,在它的因素中,我们可以发现地球的岁数和星体演化的隐秘。

……

若是我们微不足道的有限智力为了某种利便将这杯葡萄酒――这个宇宙――分为几个部门:物理学、生物学、地质学、天文学、心理学,等等,那么要记着,大自然是不知道这一切的。以是让我们把所有这些依旧合并在一起,而且不要遗忘这杯酒最终是干什么用的。让它最后再给我们一次快乐吧!喝掉它,然后把它完全忘记!”

或许,我们也可以说,整个宇宙存在于一只冰淇淋中。

作者|苗园柯 科学史硕士

参考资料

[1]https://www.smithsonianmag.com/blogs/national-museum-of-natural-history/2021/07/15/strangely-scientific-endeavor-making-ice-cream/

[2]中国科学院科普云平台-矿物博物馆

http://www.kepu.net.cn/vmuseum/earth/mineral/index.html

[3]中国科学院地球环境研究所

http://www.ieexa.cas.cn/kxcb/kpwz/201801/t20180119_4936168.html

[4]M. Gail Jones, Denise L. Krebs & Alton J. Banks (2011) We Scream for Nano Ice Cream, Science Activities, 48:4,107-110.

[5]Clarke, C. (2015). The science of ice cream. Royal Society of Chemistry.

[6]汪少芸, 赵�, 吴金鸿, & 陈琳. (2011). 抗冻卵白的研究希望及其在食物工业中的应用. 北京工商大学学报: 自然科学版, 29(4), 50-57.

[7]《费曼物理学课本》第一卷。

泉源:十点科学

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