宇宙全体がアイスクリームコーンの中に存在する？

アイスクリームを作るプロセスには、驚くべき物理的、化学的原理が満ち溢れています。

ウェイン・ティーボーの絵画

著者: ミャオ・ユアンケ、理学史修士

編集者｜陳天珍

アイスクリームは氷の結晶、クリーム、空気の素晴らしい組み合わせです。甘くて爽やか、柔らかくて滑らかです。舌で感じることはできないかもしれませんが、アイスクリームの総質量の 60% ～ 72% は、小さな氷の結晶の形で水で構成されています。それ以外の8%～10%だけがおいしい脂肪で、25%～50%は空気です。つまり、アイスクリームは実は非常にシンプルな混合物なのです。

しかし、なぜ小さなアイスクリームが私たちの味覚を簡単に魅了できるのでしょうか?驚くべき物理的・化学的原理が含まれているからです。アイスクリームの製造が、鉱物の形成過程、動物や植物の耐寒性の原理、森林再生の法則と密接に関係していると想像できますか?

01. 氷結晶と鉱石の形成

氷の結晶の大きさは、アイスクリームの滑らかな味を決める重要な要素です。氷の結晶が大きすぎると、氷のかけらを噛んでいるような感覚になります。もっと大きければ、アイスクリームがそのままスムージーになってしまいます。数ミクロン、つまり血球ほどの大きさの氷の結晶だけが、絹のような味わいを生み出すことができます。
では、氷の結晶をできるだけ小さくするにはどうすればよいでしょうか?水が凍って小さな氷の結晶になるにはどのような条件が必要ですか?

岩石は主に石英（二酸化ケイ素）などの鉱物で構成されており、氷も石英と同様に結晶であることはわかっています。そのため、顕微鏡でアイスクリームの微細構造を観察すると、地球のマグマが冷えて形成された花崗岩の破片とあまり変わらないことがわかります。

顕微鏡で見ると、岩石の薄片の中にさまざまな色の鉱物結晶が見られます (左)。また、アイスクリームの氷の結晶は偏光の下で輝きます (右)。 ｜左：FlickrユーザーLeo-setä、右：Maxim Bilovitskiy

高温のマグマが地表に到達したときに冷却される速度が速いほど、岩石内の鉱物結晶のサイズは小さくなります。たとえば、火山から直接噴出する溶岩はすぐに火成岩を形成しますが、火成岩には非常に小さな鉱物の結晶が含まれていることがよくあります。小さな氷結晶を得るために、急速冷却も使用できます。

人気の液体窒素アイスクリームの原理は、凍結プロセスを高速化し、氷の結晶のサイズをできるだけ小さくすることです。従来の製法で作られたアイスクリームの氷結晶は数ミクロンのオーダーにしか達しませんが、マイナス196度の液体窒素でアイスクリームを作ると、内部の氷結晶は数ナノメートルのオーダーに達することができます。最近アイスクリームが美味しくなるのも不思議ではありません！家の冷蔵庫ではアイスクリームは作れず、大きなアイスキャンディーしか凍らせられないのも不思議ではありません。

02. 氷の結晶と森林再生

液体窒素なしで良質のアイスクリームを作るのは不可能ですか？もちろん、小さな氷の結晶を得る方法は複数あります。

アイスクリームの製造工程では、最初の工程を「ダイナミック凍結」と呼び、かき混ぜながら凍結させます。このプロセスの間、氷の結晶はブレンダーの内壁に集まり続けます。ブレンダーは内壁の氷の結晶を素早く削り取り、他のアイスクリームと混ぜる必要があります。2 回の削り取りの間隔は非常に短く、わずか 0.1 秒です。このような素早い操作により、氷の結晶が成長し続け、最終的に氷片に変わるのを防ぐことができます。

それだけでなく、削り取られた氷の結晶は分解された後に新たな結晶核となり、他の水分子が付着してさらに氷の結晶を成長させることもできます。このようにして、アイスクリーム中の結晶核の数は増え続け、水分子の数は減り続けます。多数の結晶核が限られた水分子をめぐって競争します。その結果、すべての結晶核が氷片に成長する機会がなくなります。

このプロセスは、実際には森林再生の原理と非常によく似ています。森林が、人間による伐採、大規模な山火事、ハリケーンなどの自然災害などの外部からの攻撃を受けると、多くの木々が消え、空き地が残ってしまうことがあります。

これらの場所では、春の雨の後の竹の子のように、密集した苗木が生えてきます。競争圧力が強く、小さな土地から得られる資源も限られているため、削り取られた氷の結晶が成長しにくいのと同じように、2 番目の木の成長速度は非常に遅くなります。

おそらく、弱い苗木が競争の圧力によって最終的に枯れるまでには数十年かかり、その後に初めて強い苗木が再び大きな木に成長できるでしょう。森林では、成長が遅く、木々が不均一であることが、健全な生態系につながることが多いです。アイスクリームでは、競争が滑らかな食感の鍵となります。

（左）古第三紀の森林は、多くの場合、大きな木と若木が混在しています。 （右）伐採や自然災害後に形成された二次林には、太さが揃った短い木が多く見られます。 | TJワット

03. アイスクリームと耐寒性植物・動物

私たちは皆、若い頃にこのような経験をしたことがあります。私たちは真夏の暑い時期にアイスクリームとアイスキャンディーを買って、それを冷蔵庫に入れるために家まで走って帰りました。食べに出かけてみると、アイスクリームが溶けて固まっていて、スーパーで買ったときよりも味が落ちていました。

実際、すべてのおいしい食べ物と同様に、アイスクリームにも新鮮さが必要であり、作りたてのアイスクリームが最もおいしいのです。アイスクリームがスーパーマーケットからあなたの家に運ばれると、氷の結晶は熱で溶け、その後、より大きな結晶に固まり、アイスキャンデーのように硬くなります。実は、冷蔵庫のドアを開けて少し温度が変動しただけでも、アイスクリームは少し溶けてしまい、これを何回か繰り返すと味が落ちてしまいます。

そのため、製造、輸送、保管、販売のあらゆる過程において、アイスクリーム内の氷結晶は温度変化により溶けて再結晶化する可能性があります。アイスクリームに安定剤を加えると、アイスクリーム混合物中の液体の水分子の動きが遅くなり、アイスクリームが長期間安定します。しかし、この問題には別の解決策があり、それは寒冷地に生息する野生動物や植物によってすでに発見されています。

極地や高地に生息する多くの魚、昆虫、植物は、気温が摂氏0度以下の極寒の環境でも生息でき、体液が凍らないようにすることができます。彼らはどうやってこれを実現するのでしょうか?彼らの体内には、氷核の表面に吸着して水分子が集まるのを防ぐことができる不凍タンパク質が含まれていることが判明しました。こうすることで、氷の結晶は成長し続けることができず、生物は低温による細胞の損傷や死さえも回避することができます。

不凍タンパク質はもともと極地の氷水中の魚類で発見され、その後、遺伝子編集された酵母を使って研究室で合成されました。現在では、アイスクリームの再結晶化を抑制するために不凍タンパク質が食品添加物としてアイスクリームに添加されており、スーパーマーケットの冷凍庫では滑らかで柔らかいアイスクリームが購入できるようになっています。

タラは北西大西洋の冷たい海域に生息し、組織内に不凍タンパク質を含んでおり、氷点下または氷点近くの厳しい温度に耐えることができます。 ｜ヴェイレンサー

04. アイスクリームの物理化学

アイスクリームの主な成分には、水のほかに、クリームや牛乳の脂肪も含まれます。一般的な脂肪含有量は8%～10%です。高級（非常に高価）アイスクリームの中には、脂肪含有量が 15% ～ 20% に達するものもあります。

油と水は互いに溶け合わないことはわかっています。混ぜてもすぐに層に分離してしまうので、鍋の表面には必ず脂の層が浮かんでいます。しかし、アイスクリームの中で水と脂肪がどうして完璧に混ざるのでしょうか?その答えはアイスクリームの微細構造にあります。

サラダによく使われるビネグレットソースは、皆さんもよくご存知でしょう。ビネグレットソースは通常、油 3 部と酢 1 部で構成されます。油と酢は本来混ざりませんが、激しくかき混ぜると、油は最終的に小さな球状の液滴に分解され、酢の中に均一に分散して乳化液を形成します。

エマルジョンは、混ざり合わない 2 つの液体の均質な混合物です。ほとんどは不安定で、時間の経過とともに分離し、より単純で組織化された構造に戻ります。しかし、牛乳やココナッツミルクなど、どれだけ待っても混ざったままになる安定した乳化物もあります。これは牛乳に天然の乳化タンパク質が含まれているためです。これらのタンパク質の分子構造は、一方の端が親水性で、もう一方の端が親油性です。油と水の間の表面張力を低下させ、小さな油滴を内部に包み込み、凝集しにくくします。その結果、油が水に溶けているように見えます。

しかし、牛乳に含まれる天然の乳化タンパク質だけでは、アイスクリームを長期間安定に保つには不十分です。一般的に、アイスクリームを作るときには、アイスクリームの中の水分と脂肪がより安定した乳化状態を保つために、レシチンやカゼインなどの乳化剤が添加されます。

油と水を均一に混ぜて乳化剤を加えると、牛乳やアイスクリームのように安定した乳化液が形成されます。 ｜ピクサベイ

レシチンは優れた乳化剤であるだけでなく、発泡剤でもあります。これについて言えば、アイスクリームのもう一つの主成分である空気についても触れなければなりません。アイスクリームに含まれる空気の量は、通常25%～50%で、食べるとふわふわした食感になります。

乳化剤の原理と同様に、発泡剤も液体の表面張力を低下させ、空気が液体に包まれやすくします。これは、石鹸水を加えてシャボン玉を吹き出すのと同じです。つまり、アイスクリームの中の泡は、実際には凍った小さなシャボン玉の大きな集まりのようなものです。

これは、アイスクリームが存在できる最高高度が 3,000 メートルであることを意味します。この高さを超えると、低気圧によりアイスクリーム内の気泡が膨張して破裂し、アイスクリーム全体が半分の体積に潰れ、固く凍ったクリームと氷の混合物になります。

ウェイン・ティーボーの絵画

ファインマンはかつて『ファインマン物理学講義』の中でこう書いています。「宇宙全体が一杯のワインの中に存在する。」彼はこう言った。

「グラス一杯のワインをじっくりと観察すると、宇宙全体が見えます。そこには、液体の表面の湾曲、天候や風による蒸発、グラスの反射、そして私たちの想像力に原子が加わるといった物理現象が働いています。グラスは地球の岩石から精製された産物であり、その組成から地球の年齢や星の進化の秘密を知ることができます。」

…

もし私たちの小さくて限られた知性が、何らかの便宜のためにこのグラス一杯のワイン、つまりこの宇宙を物理学、生物学、地質学、天文学、心理学などのいくつかの部分に分割するのであれば、自然はそれについて何も知らないということを思い出しなさい。では、これらすべてをまとめて、この飲み物の最終的な目的を忘れないようにしましょう。最後にもう一度幸せを与えてください！飲んで完全に忘れてください! ”

おそらく、宇宙全体がアイスクリームコーンの中に存在しているとも言えるでしょう。

参考文献

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

[2] 中国科学院科学普及クラウドプラットフォーム - 鉱物博物館 http://www.kepu.net.cn/vmuseum/earth/mineral/index.html

[3] 中国科学院地球環境研究所 http://www.ieexa.cas.cn/kxcb/kpwz/201801/t20180119_4936168.html

[4]M.ゲイル・ジョーンズ、デニス・L・クレブス、アルトン・J・バンクス (2011)「ナノアイスクリームを求めて叫ぶ」、サイエンス・アクティビティ、48:4,107-110、DOI: 10.1080/00368121.2010.535223

[5]クラーク、C.（2015）。アイスクリームの科学。王立化学協会。

[6] ワン・シャオユン、チャオ・ジュン、ウー・ジンホン、チェン・リン。 （2011年）。不凍タンパク質の研究の進歩と食品産業におけるその応用。北京理工大学ジャーナル：自然科学版、29(4)、50-57。 [7] ファインマン物理学講義、第1巻。 1.