冰淇淋中的化学

炎炎夏日即将到来，冰淇淋的存在为燥热的夏天提供了清凉与甜蜜。随着人民生活水平提高，冰饮市场从五毛一根的老冰棒进化出各式五花八门的甜筒和雪糕。“雪糕刺客”、“茅台冰淇淋”等相关社会热点话题也是层出不穷。但别因为冰淇淋接地气就小看了它的生产过程，事实上，每一份口感绵密，香甜顺滑的冰淇淋都要经过一系列的实验与筛选才能得出配方，投入市场。

从化学的角度看，冰淇淋是一种充气冷冻甜点，通常包括牛奶、脂肪、蔗糖或甜味剂、稳定剂、乳化剂和香精等成分，是包括固、液、气三相的复杂而又相对稳定的胶体体系。严格来说，冰淇淋的结构可以理解为脂肪球和小气泡共同分散在水、糖、冰晶的混合物中[1]。完全融化成液体后的冰淇淋是典型的乳液体系，但冰淇淋本身并不能简单的理解为凝固的乳液——因为少了空气。

回想一下生活中经历：你有一份拿出来太久没吃融化了的冰淇淋，放回冰箱重新冻好之后再拿出来享用时，发现它似乎不如原本松软可口。这是因为重新冷冻的冰淇淋液里失去了出厂时丰富的小气泡，这些微小气孔的存在是冰淇淋轻盈细腻口感的关键，失去它们后的糕体体积会减小，也更加坚硬。物质的结构会影响提供味道的分子在口腔里的扩散速度，进而影响味道。食品领域里还有很多利用小气泡来改善食物口感的例子，比如打发奶油、发面等等。一般冰淇淋中的气泡大小在0.1mm左右，占总体积的30%-50%，太少起不到蓬松作用，太多稀释了味道且会导致冰淇淋快速融化塌陷。

图1 冰淇淋结构示意图（图源参考文献[1]）

对于普通的液体，大量细小气泡的存在也就意味着大量气液界面和显著提高的表面能，这会导致体系的热力学不稳定，就好比一杯清水不管再怎么用力搅打，一旦停止搅拌气泡都会快速破裂。但生活经验告诉我们冰淇淋中的气泡并没有这么不稳定，这就要归功于冰淇淋中会自发吸附在气液界面的组分——脂肪颗粒。这是由于脂肪/空气界面的能量相比于脂肪/水更低，所以脂肪颗粒倾向于围绕空气腔排布，使得体系的吉布斯自由能最低。同时脂肪作为类固体颗粒的存在也间接增加了空气-水界面膜的强度，从而可以得到稳定的空气腔，使得冰淇淋保持在“蓬松的奶油状”。

除了留住小气泡，脂肪另一大主要作用是为冰淇淋提供风味和柔软的口感，冰淇淋中的脂肪一般都来自于牛奶（或者奶油），优质冰淇淋中的脂肪含量可高达20%，标注了“减脂”或“低脂”的商品中脂肪含量会低一些，但这会使得它们相对没那么好吃（而且生产成本也更低）。不管油多油少，如何使其均匀的分散在水作为连续相的体系中都是需要特别关注的问题。由于油水界面能的存在，分散的脂肪会趋向于聚并，导致冰淇淋分相或不均匀，无法保证商品的质量稳定性。很多食品生产过程中其实都有这个问题，比如沙拉酱、饮用奶制品、椰奶等等，它们的解决手段也都是一样——使用食品表面活性剂作为乳化剂。对于含牛奶量高的体系，牛奶中的蛋白质已经足够作为乳化剂，可以考虑不再额外添加。虽然牛奶蛋白并不符合传统上对表面活性剂的定义（长度大于八的碳链加极性头基），但因为蛋白同时具有极性和非极性的面，可以吸附在脂肪颗粒表面形成包覆层，所以实际上确实有不错的乳化能力。排布在脂肪颗粒表面的蛋白会自发疏水面向内，亲水基朝外，使得使得原本疏水的脂肪小球变成相对亲水的蛋白小球，从而稳定分散在水相中；同时蛋白膜阻碍脂肪滴直接互相接触，有很强的防聚并作用。

对于牛奶来说，这种抗聚结作用越强越好，但对冰淇淋则不尽然。毕竟脂肪颗粒需要围绕在气泡周围截留空气，所以仍需要保留一定的团聚能力。在冰淇淋制作过程中，一般通过加入别种乳化剂的方法来中和牛奶蛋白过强的抗聚结能力，其中最常用的是卵磷脂。卵磷脂的主要来源之一就是蛋黄，这也是为什么家庭自制冰淇淋总少不了牛奶和蛋黄这两大材料。卵磷脂的结构包括两个亲油长碳链和一个磷酸胆碱亲水头基，两根碳链分别插入不同脂肪颗粒就可以起到帮助团聚的作用，把气泡牢牢包裹在脂肪颗粒中，增加了冰淇淋的可塑性，防止垮塌。

除了上述几种，冰淇淋的最后一种主要结构组成部分是蔗糖。温度降低时人的味觉细胞会更不灵敏，所以冰淇淋需要添加更多的蔗糖以达到让人满意的甜度，这使得冰淇淋中的蔗糖含量可高达15%[2]。除了口味，糖也是冰淇淋固形物的重要组成部分，可以增加冰淇淋浆料中水相的黏度，减少脂肪颗粒的碰撞，帮助保持乳液稳定。同时，由于溶液依数性，高蔗糖浓度的水溶液的凝固点下降，使得冰淇淋在冻凝时形成的大量细小的冰晶颗粒，保证细腻的口感。正是因为蔗糖具有如此多种的作用，食品工业才一直很难找到一种完美的蔗糖替代品来取代其在冰淇淋中的地位，目前大部分减糖冰淇淋仍然有实际甜度不足、硬度较高、融化速率和黏度不理想等缺点[3]。所以虽然减糖减脂的健康口号一直喊的很响，但在冰淇淋领域其实并不很流行。毕竟冰淇淋是只在夏天出现的消遣食品，美味好吃也就足够了，认真想减肥还是控制主食更靠谱。

以小见大，见微知著，即使是生活中司空见惯的冰淇淋，其各组分之间的调配平衡也蕴含着复杂的化学知识。掌握这些知识虽然不能让超市里的冰淇淋降价，但至少面对商家花里胡哨的噱头宣传能明白是怎么回事，知道为什么掏钱，少交 “智商税”。

参考文献：

[1]Brian, Rohrig. Ice,Cream. and Chemistry[J]. ChemMatters, 2014, 32(1):6-9.

[2]高博洋,夏熠珣,钟芳.填充剂对减糖冰淇淋质构特性的影响[J].食品与生物技术学报,2023,42(03):64-73.

[3] Kijroongrojana K . Qualities and sensory characteristics of coconut milk ice cream containing different low glycemic index (GI) sweetener blends[J]. International medical journal: IMJ, 2015, 22(3).