У мороженого простой список ингредиентов — только сливки и сахар, но, как знает каждый, кто пытался его приготовить, этот замороженный десерт может легко превратиться в липкую, ледяную кашу. Пищевик Дуглас Гофф объясняет, как уроки материаловедения могут научить нас делать идеальное лакомство.

Что такое мороженое? Для большинства из нас это вкусный замороженный десерт, но для учёных-пищевиков, таких как Дуглас Гофф, это ещё и чудо физики и химии. Мороженое — это сложный многофазный материал, содержащий эмульсию, пену, кристаллы, растворители и сольвент. Как на домашней кухне, так и в промышленных масштабах, мороженое требует тонкого соотношения ингредиентов и точного контроля при смешивании, взбивании и замораживании.

Гофф — исследователь в области пищевых наук в Университете Гельфа в Канаде и эксперт в области мороженого. Помимо исследований, посвящённых, в частности, структуре и функциональности ингредиентов в мороженом, Гофф также является преподавателем ежегодного курса по мороженому в Университете Гельфа, который ведётся с 1914 года и является самым продолжительным в университете.

В беседе с Хэмишем Джонстоном из Physics World Гофф рассказал о науке мороженого, о том, почему так сложно сделать веганское мороженое и как его команда проводит эксперименты по электронной микроскопии, при этом образцы не плавятся.

Как бы вы описали физику свойства мороженого?

Мороженое — это невероятно сложная многофазная система. Вначале оно представляет собой эмульсию, где капельки жира распределены в водном растворе с сахаром. Затем мы взбиваем эмульсию, чтобы добавить в неё воздушную фазу — это называется вспениванием (см. «Фазы в мороженом»). В замороженном мороженом около половины объёма составляет воздух. Этот воздух присутствует в виде крошечных пузырьков, которые распределены по всему продукту.

Затем мы частично замораживаем водную фазу, превращая по крайней мере половину воды в микроскопически маленькие кристаллы льда. Оставшаяся незамороженная фаза — это то, что делает мороженое мягким, удобным для зачерпывания и жевания. Она остаётся незамерзшей благодаря растворённому в ней сахару, который понижает точку замерзания.

Таким образом, в итоге вы получаете капельки жира в виде эмульсии, пузырьки воздуха в виде пены, частично кристаллический растворитель в виде кристаллов льда и концентрированный раствор сахара.

Фазы в мороженом

Эмульсия: Некоторые жидкости, такие как масло и вода, не смешиваются, если каплю одной из них добавить в другую — их называют несмешивающимися. Если многие капли одной жидкости могут стабилизироваться в другой, не сливаясь друг с другом, полученная смесь называется эмульсией (изображение слева).

Пена: Пена, как и эмульсия, состоит из двух фаз, одна из которых распределена в другой. В случае с пеной множество крошечных пузырьков газа находятся в ловушке в жидкости или твёрдом теле (правое изображение).

Стекло: Когда жидкость охлаждается ниже определённой температуры, она обычно претерпевает фазовый переход первого порядка в твёрдый кристалл. Однако если жидкость можно охладить ниже точки замерзания без кристаллизации (переохлаждения) — например, если её охладить очень быстро, — она может образовать стекло — аморфное твёрдое вещество с неупорядоченной структурой, похожей на жидкость, но механическими свойствами, подобными твёрдому телу. Температура, при которой образуется стекло, характеризующаяся быстрым увеличением вязкости материала, называется температурой стеклования.

Каковы масштабы различных фаз в мороженом?

В моей лаборатории мы провели множество исследований с помощью электронной микроскопии. На самом деле, наши исследования были одними из первых, в которых использовались методы электронной микроскопии для изучения структуры мороженого. Капельки жира имеют диаметр около одного микрона, а пузырьки воздуха, в зависимости от используемого оборудования, — от 20 до 30 микрон в диаметре. Кристаллы льда имеют размер от 10 до 20 микрон.

Под электронным микроскопом эта субстанция выглядит довольно красиво, в зависимости от используемой техники:

Изображение мороженого крупным планом, полученное с помощью электронного микроскопа. На снимке видны пузырьки воздуха, кристаллы льда и капельки жира, окружённые слоем сахарного растворителя. (Любезно предоставлено: Дуглас Гофф)

В чём существенные различия между мороженым, приготовленным в коммерческих условиях и на домашней кухне?

Замораживание и взбивание происходят одновременно, будь то мороженица на кухне или коммерческое предприятие. Самая большая разница между тем, что вы делаете на кухне, и тем, что собираются делать на фабрике, заключается в структуре мороженого. Домашнее мороженое можно хранить день или два, но оно быстро смерзается, в то время как при промышленном производстве срок хранения мороженого составляет от нескольких месяцев до года.

Это связано с тем, как ледяная фаза изменяется со временем — процесс называется рекристаллизацией. Если мороженое нагревается, оно начинает таять. Когда температура снова понижается, вода снова вмерзает в ледяную фазу, но она не создаёт новых кристаллов льда, а просто прирастает к уже существующим кристаллам льда.

Это означает, что если во время хранения мороженое подвергается большим колебаниям температуры, оно испортится и станет ледяным гораздо быстрее, чем если бы оно хранилось при постоянной температуре. Чем выше температура, тем выше скорость рекристаллизации. Коммерческое оборудование для заморозки даст вам гораздо меньший размер кристаллов льда, чем домашние мороженицы. Низкая и постоянная температура хранения — это то, к чему все стремятся, поэтому чем ниже температура и чем она постояннее, а также чем меньше кристаллы льда, тем больше срок хранения до начала изменений.

Есть и ещё один структурный элемент, который важен для длительного хранения мороженого. Когда незамерзшая фаза сахарного растворителя становится достаточно концентрированной, она может подвергнуться витрификации (стеклованию) (см. «Фазы в мороженом»). Стекло — это аморфное твёрдое вещество, поэтому в этом случае в системе не происходит движения воды или растворителя, и она может оставаться неизменной в течение многих лет. Для мороженого температура витрификации составляет примерно от -28 до -32 °С, поэтому, если вы хотите обеспечить длительное хранение, вам нужно опуститься ниже этой температуры.

Третья вещь — добавление стабилизаторов. Это такие вещества, как камедь саранки, гуаровая камедь или целлюлозная камедь, а также некоторые новые. Они увеличивают вязкость незамерзшей фазы. Это замедляет скорость рекристаллизации льда, поскольку замедляет диффузию воды и рост льда.

Существуют и другие новые вещества, которые могут предотвратить перекристаллизацию льда в крупные кристаллы. Один из них называется моностеарат пропиленгликоля, он впитывается в поверхность кристалла льда и не даёт ему расти при колебаниях температуры. Подобное мы наблюдаем и в природе. Некоторые виды насекомых, рыб и растений, живущих в холодной среде, имеют белки, контролирующие рост льда в их крови и тканях. Например, многие рыбы плавают с мельчайшими кристаллами льда в своём теле, но белки не дают им вырасти настолько, чтобы причинить вред.

Особые белки, препятствующие образованию крупных кристаллов льда, позволяют некоторым животным, таким как арктическая треска, изображённая на фото выше, жить в условиях минусовых температур. (Любезно предоставлено: Элизабет Калверт Сиддон

Как добавление ароматизаторов в мороженое меняет процесс производства?

Если вспомнить о мороженом, то во всём мире существуют сотни различных вкусов. Важный вопрос — повлияет ли ароматизатор на раствор или эмульсию.

Например, шоколадная крошка будет инертной, она не будет взаимодействовать с остальной частью матрицы. С другой стороны, клубника сильно влияет на систему из-за высокого содержания сахара во фруктовой массе. Нам нужно добавить сахар в плоды, чтобы сделать их более мягкими, чем само мороженое — вы же не хотите откусить от мороженого и обнаружить твёрдую, замороженную ягоду. Проблема в том, что часть сахара перейдёт в незамороженную фазу и понизит её температуру замерзания. Это означает, что если ничего не менять в рецептуре, клубничное мороженое будет мягче, чем ванильное, из-за добавленного сахара.

Другой пример — ароматизаторы на основе спирта, от рома до Baileys Irish Cream или Frangelico, или даже вина и пива. Они очень популярны, но спирт снижает температуру замерзания, поэтому если вы добавите достаточное количество спирта для получения желаемой интенсивности вкуса, ваш продукт не замёрзнет. В таком случае, возможно, вам нужно добавить меньше алкоголя и немного больше безалкогольного ароматизатора.

Вы можете попробовать сделать мороженое практически с любым вкусом, но при этом обязательно нужно учитывать, как этот ароматизатор повлияет на структуру, срок хранения и т. д.

От перца халапеньо до голубого сыра — мороженое имеет практически любой вкус, который только можно себе представить. Однако дополнительные ингредиенты могут изменить стабильность и температуру замерзания, поэтому создание новых вкусов требует тщательного изучения физики и химии. (Shutterstock/Radoxist studio)

Сегодня можно купить и веганское мороженое. Чем отличается приготовление и ингредиенты по сравнению с молочными продуктами?

Многое будет похоже. У нас будет источник эмульгированного жира, обычно это кокосовое или пальмовое масло, а также сахар, стабилизаторы и прочее, что есть в молочном мороженом.

Разница заключается в белке. Молочный белок — это и очень хороший пенообразователь, и очень хороший эмульгатор. [Эмульгаторы и пенообразователи — это молекулы, которые стабилизируют пену и эмульсии. Молекулы прикрепляются к поверхности капель жидкости или пузырьков воздуха и не дают им слипаться друг с другом]. Растительные белки не очень хорошо справляются и с тем, и с другим. Если вы посмотрите на продукты на основе кешью, миндаля или сои, то обнаружите в них дополнительные ингредиенты, обеспечивающие функциональность, которую в противном случае мы получили бы от молочного белка.

Какие методы вы используете для изучения мороженого? И как не дать мороженому растаять во время эксперимента?

Рабочими лошадками инструментария для исследований являются гранулометрический анализ, электронная микроскопия и реология (см. «Экспериментальные методики»).

Сначала мы используем лазерное рассеяние света, которое говорит нам всё, что нужно знать о жировых глобулах и структуре жира (см. «Экспериментальные методики»). Затем мы используем оптическую микроскопию. Для этого нужно либо поместить микроскоп в морозильную камеру или холодильную камеру, либо использовать холодную сцену, где мороженое находится на предметном стекле в камере, охлаждаемой жидким азотом. Что касается электронной микроскопии (см. «Экспериментальные методики»), то мы много занимались криосканирующей электронной микроскопией (КЭМ), используя низкотемпературную установку.

Мы также проводили много просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), в которой обычно используется другой подход. Вместо того чтобы проводить эксперимент в холодных условиях, мы используем химическое вещество, которое «фиксирует» структуру на месте, а затем высушиваем её, обычно используя технику, называемую «сушкой в критической точке» (см. «Экспериментальные методики»). Затем она нарезается на тонкие образцы и изучается с помощью ПЭМ.

Экспериментальные методики

Научный сотрудник Дуглас Гофф (справа) в лаборатории мороженого в Университете Гельфа. (Любезно предоставлено: Дуглас Гофф)

Реология: Реология — это изучение течения и деформации материалов. Реометр — это прибор, используемый для измерения реакции различных материалов на приложенные силы.

Динамическое рассеяние света (ДРС): Лазерный метод, используемый для измерения распределения дисперсных частиц по размерам. Дисперсные частицы, такие как жировые глобулы в мороженом, демонстрируют броуновское движение, причём мелкие частицы движутся быстрее, чем крупные. Интерференция лазерного света, рассеянного от частиц, используется для расчёта характерного временного масштаба броуновского движения и распределения частиц по размерам.

Электронная микроскопия: Техника получения изображений, в которой для получения изображения образца используется пучок электронов, а не фотонов. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) и просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) — два распространённых примера. В СЭМ используются отражённые электроны для изучения поверхности образца, а в ПЭМ — электроны, проходящие через образец, чтобы понять его внутреннюю структуру.

Сушка в критической точке: Когда образец высушивается для подготовки к микроскопическим экспериментам, эффект поверхностного натяжения между водой в образце и окружающим воздухом может повредить образец. В критической точке жидкая и газовая фазы неразличимы. Если вода в образце находится в критической точке во время обезвоживания, то между водой и паром нет границы, и это защищает структуру образца.

После десятилетий изучения мороженого вас всё ещё интересует эта тема?

Безусловно. Мне посчастливилось побывать во многих, многих интересных странах, и я всегда вижу, как выглядит рынок мороженого, когда бываю там. Это не только профессиональное занятие. Мне также нравится знать, что происходит в мире, чтобы делиться этим с людьми.

Руководство по мороженому от физика: сложная наука, стоящая за одним из самых популярных десертов в мире