Das gesamte Universum existiert in einer Eistüte?

Der Prozess der Eisherstellung ist voller unglaublicher physikalischer und chemischer Prinzipien.

Gemälde von Wayne Thiebaud

Autorin: Miao Yuanke, Master of Science Geschichte

Herausgeber｜Chen Tianzhen

Speiseeis ist eine wunderbare Kombination aus Eiskristallen, Sahne und Luft. Es ist süß und erfrischend, weich und geschmeidig. Auch wenn Sie es auf der Zunge vielleicht nicht spüren, macht Wasser in Form winziger Eiskristalle 60 bis 72 % der Gesamtmasse von Speiseeis aus. Ansonsten sind nur 8–10 % leckeres Fett und 25–50 % leere Luft. Eiscreme ist also eigentlich eine sehr einfache Mischung.

Aber warum kann ein kleines Stück Eis unsere Geschmacksknospen so leicht erobern? Weil es unglaubliche physikalische und chemische Prinzipien enthält! Können Sie sich vorstellen, dass die Herstellung von Speiseeis auch nur annähernd mit dem Entstehungsprozess von Mineralien, den Prinzipien der Kälteresistenz von Tieren und Pflanzen und den Gesetzen der Waldverjüngung zusammenhängt?

01. Eiskristalle und Erzbildung

Die Größe der Eiskristalle ist ein entscheidender Faktor für den cremigen Geschmack von Speiseeis. Wenn die Eiskristalle zu groß sind, fühlt es sich an, als würde man Eissplitter kauen. Sind sie größer, wird aus dem Eis direkt ein Smoothie. Nur Eiskristalle mit einer Größe von wenigen Mikrometern, also der Größe von Blutzellen, können einen seidigen Geschmack erzeugen.
Wie können wir also Eiskristalle so klein wie möglich machen? Welche Bedingungen sind notwendig, damit Wasser zu kleinen Eiskristallen gefriert?

Wir wissen, dass Gesteine ​​hauptsächlich aus Mineralien wie Quarz (Siliziumdioxid) bestehen und dass Eis, wie Quarz, ein Kristall ist. Wenn Sie also die Mikrostruktur von Speiseeis unter dem Mikroskop betrachten, werden Sie feststellen, dass es sich nicht sehr von einem Stück Granit unterscheidet, das durch die Abkühlung von Magma auf der Erde entstanden ist.

Unter dem Mikroskop sind auf einer dünnen Gesteinsscheibe Mineralkristalle in verschiedenen Farben zu sehen (links), und Eiskristalle in Eiscreme funkeln unter polarisiertem Licht (rechts). ｜Links: Flickr-Benutzer Leo-setä, rechts: Maxim Bilovitskiy

Je schneller das heiße Magma abkühlt, wenn es die Oberfläche erreicht, desto kleiner sind die Mineralkristalle im Gestein. Beispielsweise bildet Lava, die direkt aus einem Vulkan ausbricht, schnell magmatisches Gestein, das oft sehr kleine Mineralkristalle enthält. Um winzige Eiskristalle zu erhalten, kann auch eine schnelle Abkühlung verwendet werden.

Das Prinzip des beliebten Flüssigstickstoff-Eis besteht darin, den Gefriervorgang zu beschleunigen und die Eiskristallgröße so klein wie möglich zu machen. Die Eiskristalle von Speiseeis, das mit herkömmlichen Methoden hergestellt wird, können nur eine Größenordnung von wenigen Mikrometern erreichen. Wenn Speiseeis jedoch mit flüssigem Stickstoff bei minus 196 Grad Celsius hergestellt wird, können die darin enthaltenen Eiskristalle eine Größenordnung von wenigen Nanometern erreichen. Kein Wunder, dass Eis heutzutage immer leckerer wird! Kein Wunder, dass der Kühlschrank zu Hause nie Eiscreme herstellen kann und nur große Eis am Stiel einfrieren kann.

02. Eiskristalle und Waldregeneration

Ist es unmöglich, qualitativ hochwertiges Speiseeis ohne flüssigen Stickstoff herzustellen? Natürlich nicht, es gibt mehr als einen Weg, winzige Eiskristalle zu erhalten.

Der erste Schritt im Herstellungsprozess von Speiseeis wird dynamisches Gefrieren genannt, also das Gefrieren unter Rühren. Während dieses Vorgangs sammeln sich weiterhin Eiskristalle an der Innenwand des Mixers. Der Mixer muss die Eiskristalle an der Innenwand schnell abkratzen und mit anderem Eis vermischen – das Zeitintervall zwischen den beiden Abschabungen ist sehr kurz, nur 0,1 Sekunden. Durch einen derart schnellen Vorgang kann verhindert werden, dass die Eiskristalle weiter wachsen und sich schließlich in Eissplitter verwandeln.

Darüber hinaus können die abgekratzten Eiskristalle nach dem Aufbrechen zu neuen Kristallkeimen werden, an die sich andere Wassermoleküle anlagern und weitere Eiskristalle bilden können. Auf diese Weise nimmt die Zahl der Kristallkeime im Speiseeis immer weiter zu, während die Zahl der Wassermoleküle immer weiter abnimmt. Eine große Zahl von Kristallkeimen konkurrieren um die wenigen Wassermoleküle. Dadurch hat jeder Kristallkeim keine Chance, zu Eissplittern heranzuwachsen.

Dieser Vorgang ist dem Prinzip der Waldverjüngung tatsächlich sehr ähnlich. Wenn ein Wald durch äußere Einflüsse wie Abholzung, einen großen Waldbrand oder eine Naturkatastrophe wie einen Hurrikan zerstört wird, können viele Bäume verschwinden und leere Stellen hinterlassen.

An diesen Stellen sprießen dicht gedrängt junge Bäume wie Bambussprossen nach einem Frühlingsregen aus dem Boden. Aufgrund des großen Wettbewerbsdrucks und der begrenzten Ressourcen, die ein kleines Stück Land bieten kann, wird die Wachstumsrate der zweiten Baumernte sehr langsam sein, genau wie die abgekratzten Eiskristalle nur schwer wachsen können.

Es dürfte mehrere Jahrzehnte dauern, bis die schwachen Setzlinge aufgrund des Konkurrenzdrucks endgültig absterben und erst dann die kräftigen Setzlinge wieder zu großen Bäumen heranwachsen können. In einem Wald führen langsames Wachstum und ungleichmäßige Bäume oft zu einem gesunden Ökosystem. Bei Eiscreme ist der Wettbewerb der Schlüssel zu einer geschmeidigen Konsistenz.

(Links) Paläogene Wälder bestehen oft aus einer Mischung großer Bäume und junger Bäume. (Rechts) Sekundärwälder, die nach Abholzung oder Naturkatastrophen entstanden sind, weisen oft kleine Bäume ähnlicher Dicke auf. | TJ Watt

03. Eiscreme und kälteresistente Pflanzen und Tiere

Wir alle haben diese Erfahrung gemacht, als wir jung waren. Wir kauften in den Hundstagen des Sommers Eis und Eis am Stiel und rannten dann den ganzen Weg nach Hause, um sie in den Kühlschrank zu legen. Als wir sie zum Essen herausnahmen, stellten wir fest, dass das Eis geschmolzen und fest geworden war und dass es viel schlechter schmeckte, als wenn wir es direkt im Supermarkt gekauft hätten.

Tatsächlich muss Eiscreme, wie alle leckeren Lebensmittel, frisch sein, und frisch zubereitete Eiscreme schmeckt am besten. Während das Speiseeis vom Supermarkt zu Ihnen nach Hause transportiert wird, schmelzen die Eiskristalle durch die Hitze und erstarren dann zu größeren Kristallen, wodurch das Eis so hart wird wie ein Eis am Stiel. Tatsächlich schmilzt das Eis sogar dann ein wenig, wenn die Kühlschranktür geöffnet wird und die Temperatur leicht schwankt, und der Geschmack verschlechtert sich nach mehrmaligem Wiederholen dieses Vorgangs.

Daher können die Eiskristalle im Speiseeis in jedem Stadium der Produktion, des Transports, der Lagerung und des Verkaufs aufgrund von Temperaturschwankungen schmelzen und neu kristallisieren. Um die Bewegung der flüssigen Wassermoleküle in der Eismischung zu verlangsamen und das Eis dadurch für lange Zeit stabil zu machen, werden Eiscremes Stabilisatoren zugesetzt. Doch es gibt eine andere Lösung für dieses Problem, und sie wurde bereits von Wildtieren und Pflanzen in kalten Regionen gefunden.

Viele Fische, Insekten und Pflanzen, die an den Polen und in großen Höhen leben, können in extrem kalten Umgebungen mit Temperaturen unter null Grad Celsius überleben und verhindern, dass ihre Körperflüssigkeiten gefrieren. Wie machen sie das? Es stellte sich heraus, dass ihr Körper ein Frostschutzprotein enthält, das an der Oberfläche von Eiskeimen adsorbieren und die Ansammlung von Wassermolekülen verhindern kann. Auf diese Weise können Eiskristalle nicht weiter wachsen und Organismen können Zellschäden oder sogar den Tod durch niedrige Temperaturen vermeiden.

Frostschutzproteine ​​wurden ursprünglich in Fischen in polaren Eisgewässern entdeckt und später im Labor mithilfe geneditierter Hefe synthetisiert. Heutzutage werden Eiscremes als Lebensmittelzusatzstoffe Frostschutzproteine ​​zugesetzt, um die Rekristallisation der Eiscreme zu verhindern, sodass wir in den Tiefkühltruhen der Supermärkte seidiges und weiches Eis kaufen können.

Kabeljau lebt in den kalten Gewässern des nordwestlichen Atlantiks und sein Gewebe enthält Frostschutzproteine, die ihm helfen, extremen Temperaturen nahe oder unter dem Gefrierpunkt standzuhalten. ｜Vejlenser

04. Physikalische Chemie in Speiseeis

Zu den Hauptzutaten von Speiseeis zählen neben Wasser auch Fette aus Sahne und Milch. Der allgemeine Fettgehalt beträgt 8–10 %. Bei einigen hochwertigen (sehr teuren) Eissorten kann der Fettgehalt sogar 15–20 % erreichen.

Wir wissen, dass Öl und Wasser sich nicht ineinander auflösen können. Auch wenn sie vermischt werden, trennen sie sich schnell in Schichten, sodass immer eine dicke Fettschicht auf der Oberfläche des heißen Topfes schwimmt. Aber wie vermischen sich Wasser und Fett in Eiscreme so perfekt? Die Antwort liegt in der Mikrostruktur des Speiseeises.

Jeder kennt wahrscheinlich die Vinaigrette, die üblicherweise für Salate verwendet wird. Vinaigrette besteht im Allgemeinen aus drei Teilen Öl und einem Teil Essig. Öl und Essig sind ursprünglich nicht mischbar, aber wenn sie heftig miteinander verrührt werden, zerfällt das Öl schließlich in winzige kugelförmige Tröpfchen und verteilt sich gleichmäßig im Essig, sodass eine Emulsion entsteht.

Eine Emulsion ist eine homogene Mischung aus zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten. Die meisten sind instabil und trennen sich mit der Zeit, wobei sie zu einer einfacheren, besser organisierten Struktur zurückkehren. Es gibt aber auch stabile Emulsionen wie Milch und Kokosmilch, die auch nach längerem Warten noch gut vermischt bleiben. Dies liegt daran, dass Milch natürliche emulgierende Proteine ​​enthält. Die Molekülstruktur dieser Proteine ​​ist an einem Ende hydrophil und am anderen lipophil. Sie können die Oberflächenspannung zwischen Öl und Wasser verringern, indem sie kleine Öltröpfchen einhüllen und es ihnen so erschweren, sich anzusammeln. Dadurch sieht es so aus, als ob Öl in Wasser gelöst wäre.

Allerdings reicht das natürliche Emulgierprotein der Milch nicht aus, um das Eis über längere Zeit stabil zu halten. Im Allgemeinen werden bei der Herstellung von Eiscreme Emulgatoren wie Lecithin und Kasein hinzugefügt, um dem Wasser und Fett in der Eiscreme zu helfen, einen stabileren Emulsionszustand aufrechtzuerhalten.

Werden Öl und Wasser gleichmäßig vermischt und ein Emulgator hinzugefügt, kann eine stabile Emulsion entstehen, wie sie beispielsweise bei Milch oder Eiscreme vorkommt. ｜Pixabay

Lecithin ist nicht nur ein hervorragender Emulgator, sondern auch ein Schaumbildner. Apropos, wir müssen eine weitere Hauptzutat von Speiseeis erwähnen: Luft. Der Luftanteil in Eiscreme beträgt üblicherweise 25–50 %, wodurch sie beim Verzehr locker und fluffig wird.

Ähnlich dem Prinzip von Emulgatoren können auch Schaumbildner die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten verringern, wodurch Luft leichter von Flüssigkeiten umhüllt werden kann, ähnlich wie Seifenlauge zum Aufblasen von Seifenblasen verwendet wird. Die Bläschen im Eis sind also eigentlich wie eine große Gruppe winziger Seifenblasen, die gefroren sind.

Dies bedeutet auch, dass die höchste Höhe, in der Eiscreme existieren kann, 3.000 Meter beträgt. Oberhalb dieser Höhe dehnen sich die Luftblasen im Eis aus und platzen aufgrund des niedrigen Luftdrucks, und das gesamte Eis schrumpft auf die Hälfte seines Volumens und wird zu einer hartgefrorenen Sahne-Eis-Mischung.

Gemälde von Wayne Thiebaud

Feynman schrieb einmal in seinen Feynman-Vorlesungen über Physik: Das gesamte Universum existiert in einem Glas Wein. Er sagte:

Wenn wir ein Glas Wein genau genug betrachten, können wir tatsächlich das gesamte Universum sehen. Dabei wirken physikalische Phänomene: die Krümmung der Flüssigkeitsoberfläche, ihre Verdunstung je nach Wetter und Wind, die Reflexionen im Glas und die Hinzufügung von Atomen zu unserer Vorstellungskraft. Das Glas ist ein gereinigtes Produkt des Gesteins der Erde, und seine Zusammensetzung verrät uns das Alter der Erde und die Geheimnisse der Sternenentwicklung.

…

Wenn unsere winzige, begrenzte Intelligenz aus Bequemlichkeit dieses Glas Wein – dieses Universum – in mehrere Teile aufteilt: Physik, Biologie, Geologie, Astronomie, Psychologie und so weiter, dann denken Sie daran, dass die Natur nichts davon weiß. Lassen Sie uns also all dies zusammenfassen und nicht vergessen, wozu dieses Getränk letztendlich dient. Möge es uns ein letztes Mal Freude bereiten! Trinken Sie es und vergessen Sie es völlig! „

Vielleicht können wir auch sagen, dass das gesamte Universum in einer Eistüte existiert.

Verweise

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

[2] Populärwissenschaftliche Cloud-Plattform der Chinesischen Akademie der Wissenschaften – Mineralienmuseum http://www.kepu.net.cn/vmuseum/earth/mineral/index.html

[3] Institut für Erdumwelt, Chinesische Akademie der Wissenschaften http://www.ieexa.cas.cn/kxcb/kpwz/201801/t20180119_4936168.html

[4]M. Gail Jones, Denise L. Krebs & Alton J. Banks (2011) Wir schreien nach Nano-Eiscreme, Science Activities, 48:4,107-110, DOI: 10.1080/00368121.2010.535223

[5]Clarke, C. (2015). Die Wissenschaft des Speiseeises. Königliche Gesellschaft für Chemie.

[6] Wang Shaoyun, Zhao Jun, Wu Jinhong und Chen Lin. (2011). Forschungsfortschritt bei Frostschutzproteinen und deren Anwendung in der Lebensmittelindustrie. Journal der Beijing Technology and Business University: Naturwissenschaftliche Ausgabe, 29(4), 50-57. [7] Feynman Lectures on Physics, Bd. 1.