Наука о мороженом

Кто не любит мороженое? Он сладкий, вкусный и освежающий. Замороженный, но сливочный. Неудивительно, что американцы потребляют более 20 литров (около 42 пинт) каждый год (!).

Я люблю мороженое. Я тот человек, который ест мороженое в любое время, независимо от погоды. Ты мог бы окунуть меня в замерзшее озеро, а потом спросить, не хочу ли я мороженого, и я бы, наверное, сказал да. Если мне суждено умереть от переохлаждения, я могу сделать это, поедая мороженое.

Но что такое мороженое? Из чего это сделано? И кто это придумал?

Краткая история мороженого.

Холодные напитки и мифы

Мы не совсем уверены, как и кем было изобретено мороженое. Самое раннее свидетельство о еде со льдом датируется пару тысяч лет назад: персы ели виноградный сок, смешанный со льдом. Лед хранился в специально построенных охлаждающих испарителях размером с небольшую постройку, называемую яхчалами.

Римляне также любили смешивать фруктовые соки со льдом, добытым в горах. Но чтобы перейти от предшественников современной граниты (или других напитков со льдом, таких как фраппучино) к настоящему мороженому, потребовалось более тысячи лет.

Существует несколько мифов о происхождении мороженого. Некоторые говорят, что Марко Поло был свидетелем приготовления мороженого во время одной из своих поездок в Китай, а затем познакомил с ним Италию. В одной из версий этого мифа монгольские всадники везли сливки в сумках из шкур животных. Зимой, при минусовой температуре степи, скачущие лошади взбивали сливки и превращали их в мороженое. Когда монголы завоевали Китай, это знание распространилось и было хорошо известно ко времени небольшой прогулки Марко Поло в Китае.

Другие рассказы рассказывают историю о поваре Карла I, который изобрел мороженое. Затем Чарльз предложил повару пожизненную пенсию в обмен на то, что он никогда не откажется от рецепта королевского угощения. Однако это всего лишь мифы. Нет никаких исторических свидетельств, подтверждающих их достоверность.

На самом деле, самый простой способ проследить историю мороженого — проследить за развитием холодильного оборудования. Как пишет Крис Кларк в своей книге «Наука о мороженом», историю мороженого можно разделить на 5 этапов:

1. Охлаждение еды и напитков путем смешивания их со снегом или льдом.

2. Открытие того, что растворение солей в воде приводит к охлаждению.

3. Открытие (и распространение знаний), что смешивание соли и снега или льда еще больше охлаждает.

4. Изобретение мороженицы в середине 19 века.

5. Развитие механического охлаждения в конце 19 - начале 20 веков.

Соль и лед

В приготовлении мороженого не участвуют химические реакции, но много физических. По своей сути мороженое — это то, что следует из названия: очень холодный молочный крем. Однако, если бы мы заморозили чистые сливки, они превратились бы в большой твердый блок замороженных молочных продуктов.

Чтобы этого избежать, в сливки добавляют сахар. Сахар снижает температуру плавления смеси. Понижая температуру плавления, можно получить раствор молока и льда с частично замороженной водой. Свободная жидкая вода вносит огромный вклад в кремовую текстуру мороженого.

Однако это вызывает проблему. Поскольку температура плавления смеси сливок и сахара ниже, чем у воды, мы не можем просто использовать лед, чтобы заморозить ее. Лед сам по себе застревает при температуре 0 градусов по Цельсию (32 по Фаренгейту). Смесь сливок и сахара должна быть охлаждена намного ниже этого уровня. Если бы мы поместили немного сливок и сахара в контейнер, а затем погрузили контейнер в простую ванну со льдом и водой, мороженое никогда не образовалось бы.

Это подводит нас к важному открытию в области охлаждения: есть способ сделать ледяную воду холоднее нуля градусов по Цельсию. С добавлением соли.

Любой, кто живет в холодном климате, вероятно, хорошо знаком с воздействием соли на лед. Соль используется для таяния снега или льда на тротуарах и дорогах.

Таким образом, если в ванну со льдом добавить соль, она понизит температуру плавления. Насыщенный раствор льда и соли достигает температуры-21,1 градуса по Цельсию (-6 F). Затем можно использовать эту соленую ледяную баню при минусовой температуре для замораживания сливок и сахара.

Подробное описание воздействия соли на лед содержится в арабском медицинском учебнике 1242 года. Примерно в тот же период была издана книга, содержащая рецепты щербетов.

Эти знания со временем распространились на Италию. В конце 16 века неаполитанский ученый по имени Джамбаттиста Делла Порта «открыл» охлаждающий эффект ванны с соленым льдом. Эти знания распространились по Европе, и к середине 17 века на банкетах нередко подавали замороженные ледяные десерты. Эти десерты были еще больше похожи на граниту, и в них не было сливок, давших название моему любимому угощению.

Вкладываем сливки в мороженое

Первые письменные упоминания о мороженом как о замороженных молочных продуктах появляются примерно в конце 17 века. Мороженое подавали на пиру в Виндзоре в 1671 году (правда, только за столом Карла II). Чтобы этого избежать, в сливки добавляют сахар. Сахар снижает температуру плавления смеси. Понижая температуру плавления, можно получить раствор молока и льда с частично замороженной водой. Свободная жидкая вода вносит огромный вклад в кремовую текстуру мороженого.

Однако это вызывает проблему. Поскольку температура плавления смеси сливок и сахара ниже, чем у воды, мы не можем просто использовать лед, чтобы заморозить ее. Лед сам по себе застревает при температуре 0 градусов по Цельсию (32 по Фаренгейту). Смесь сливок и сахара должна быть охлаждена намного ниже этого уровня. Если бы мы поместили немного сливок и сахара в контейнер, а затем погрузили контейнер в простую ванну со льдом и водой, мороженое никогда не образовалось бы.

Это подводит нас к важному открытию в области охлаждения: есть способ сделать ледяную воду холоднее нуля градусов по Цельсию. С добавлением соли.

Любой, кто живет в холодном климате, вероятно, хорошо знаком с воздействием соли на лед. Соль используется для таяния снега или льда на тротуарах и дорогах.

Таким образом, если в ванну со льдом добавить соль, она понизит температуру плавления. Насыщенный раствор льда и соли достигает температуры-21,1 градуса по Цельсию (-6 F). Затем можно использовать эту соленую ледяную баню при минусовой температуре для замораживания сливок и сахара.

Подробное описание воздействия соли на лед содержится в арабском медицинском учебнике 1242 года. Примерно в тот же период была издана книга, содержащая рецепты щербетов.

Эти знания со временем распространились на Италию. В конце 16 века неаполитанский ученый по имени Джамбаттиста Делла Порта «открыл» охлаждающий эффект ванны с соленым льдом. Эти знания распространились по Европе, и к середине 17 века на банкетах нередко подавали замороженные ледяные десерты. Эти десерты были еще больше похожи на граниту, и в них не было сливок, давших название моему любимому угощению.

Вкладываем сливки в мороженое

Первые письменные упоминания о мороженом как о замороженных молочных продуктах появляются примерно в конце 17 века. Мороженое подавали на пиру в Виндзоре в 1671 году (правда, только за столом Карла II).

Рецепты на боковой панели показывают развитие от простых смесей для льда и вкусовых добавок к более сложным, включающим молочные сливки. В другом рецепте того времени подробно описывался ультра-богатый glace au beurre — буквально замороженное масло — в котором участвовало 40 яичных желтков на литр сливок!

Еще одним важным достижением стало осознание того, что постоянное перемешивание смеси сахара и сливок уменьшит размер кристаллов льда. Как мы увидим позже, это основа сливочной текстуры мороженого.

Механизация и массовое производство

Следующий большой шаг связан с женщиной по имени Нэнси Джонсон, которая жила в Филадельфии в 19 веке.

В 1843 году она получила патент на первую механизированную мороженицу. До этого мороженое приходилось делать вручную и небольшими партиями. Это был утомительный, трудоемкий и неэффективный процесс.

Мороженица Джонсона состояла из ведра для соли и льда и герметичного цилиндра для смеси для мороженого. Смесь можно непрерывно перемешивать вращающимся шпателем с ручным приводом.

Позже эта конструкция была улучшена Уильямом Джонсоном из Балтимора, который добавил вращение запечатанного цилиндра в рассоле для улучшения охлаждения. Как выразился Гарольд МакГи: «Морозильник Johnson-Young позволил производить большое количество мороженого с помощью простого и стабильного механического воздействия».

Начало массового производства мороженого обычно приписывают Джейкобу Фасселу, торговцу молоком из Балтимора, который начал использовать свои сезонные излишки сливок для производства мороженого в больших масштабах, что позволило ему продавать его по гораздо более низкой цене. Он основал первую фабрику по производству мороженого в 1851 году в Балтиморе, а затем расширился до Нью-Йорка, Вашингтона и Бостона.

Появление современного холодильника увеличило массовую доступность мороженого.

На самом деле современные промышленные морозильники для мороженого мало чем отличаются от машины Джонсона-Янга. У них еще есть ствол с вращающимся скребком, заключенный в охлаждающую ванну. Однако используемые хладагенты имеют более низкую температуру, чем лед и соль (часто используемый жидкий аммиак имеет температуру-30 С, что почти на 10 градусов ниже, чем соленая ледяная баня) и бочка, в которой формируется мороженое. Теперь горизонтальный, а не вертикальный, и позволяет использовать его непрерывно. Смесь для мороженого закачивается с одного конца, а мороженое выкачивается с другого.

Поскольку скорость охлаждения зависит от разницы между температурой смеси и охлаждающей жидкости, более низкая температура охлаждающей жидкости обеспечивает более быстрое охлаждение. Это дает более мелкие кристаллы льда, которые улучшают текстуру. На самом деле, некоторые рестораны предлагают мороженое почти мгновенного приготовления, приготовленное прямо за вашим столом с помощью жидкого азота. Поскольку жидкий азот имеет смехотворно низкую температуру (точнее,-196 градусов по Цельсию), смесь для мороженого практически мгновенно превращается в мороженое. Мороженое кустарного производства, как и мороженое, которое можно найти во многих итальянских кафе-мороженых, по-прежнему производится партиями.

Индустриализация мороженого принесла несколько усовершенствований (хотя некоторые могут сказать, что не все из них были положительными). Чтобы добиться все большей гладкости текстуры, производители стали добавлять другие ингредиенты, такие как желатин или сухое молоко.

В Соединенном Королевстве во время Второй мировой войны использование молочных сливок для приготовления мороженого было запрещено в целях нормирования. Британские производители начали использовать растительное масло в качестве заменителя жира. Несмотря на то, что этот запрет был снят после войны, британская общественность привыкла к вкусу мороженого на растительном масле (брутто), который некоторые производители до сих пор используют. Конечно, помогает и то, что растительное масло дешевле. (Кроме того, британский шоколад также производится с использованием растительного масла, а не какао-масла. В некоторых странах действуют очень строгие требования к тому, что может продаваться как «шоколад». Шоколад, изготовленный с использованием растительного масла, не может продаваться как таковой в этих странах. Но это тема для отдельной статьи)

Производители стали добавлять в мороженое стабилизаторы для обеспечения минимального нарушения текстуры при транспортировке в домашних морозильных камерах, которые гораздо менее стабильны и надежны, чем промышленные. Другие современные добавки к мороженому включают эмульгаторы, ароматизаторы и красители. (Подробнее о стабилизаторах и эмульгаторах в следующем разделе, где мы рассмотрим структуру мороженого).

Одним из определенно положительных результатов индустриализации является широкое использование пастеризации, которая значительно снижает риск порчи и делает мороженое более безопасным продуктом.

Наука о мороженом

Мороженое, по своей сути, состоит из трех элементов: пузырьков воздуха, образующихся при смешивании и взбивании, кристаллов льда, состоящих из чистой воды, и концентрированных сливок, которые образуются, когда вода в сливках превращается в кристаллы. Это одновременно и эмульсия (смесь воды и жира), и пена. По сути, он содержит все три агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное.

Но сначала давайте посмотрим на основной ингредиент мороженого: сливки.

Сливки – это молоко, обогащенное жиром. Традиционно этот процесс происходит естественным образом под действием силы тяжести. Если молоко оставить на несколько дней, жировые шарики в молоке поднимутся и образуют слой наверху контейнера (жир легче воды). Затем этот слой можно снять и использовать в качестве крема или взбить для приготовления масла. В наши дни сливки отделяют от молока с помощью центрифуг.

По сравнению с молоком, в котором содержится примерно одинаковое количество белка и жира, сливки намного жирнее и богаче: в них примерно 10 частей жира на 1 часть белка. Жир в молоке и сливках суспендирован в виде шариков. Мембрана из фосфолипидов покрывает каждую глобулу.

Фосфолипиды являются эмульгаторами и позволяют жиру растворяться в воде, а также предотвращают слипание шариков друг с другом. Когда сливки взбиваются, эти мембраны разрушаются, и жир может скапливаться в большую массу: масло.

Вернемся к микроструктуре мороженого.

Кристаллы льда образуются из воды в сливках, когда смесь замерзает. Размер кристаллов определяет гладкость мороженого. Крупные кристаллы придадут мороженому грубую и зернистую текстуру. Около трех четвертей воды в смеси замерзает в кристаллы при температуре-18 C (0 F).

Остальная часть воды образует высоконасыщенный густой жидкий раствор с сахарами, молочными белками и стабилизаторами (если они используются). Этот раствор образует матрицу, в которой взвешены другие частицы.

Пузырьки воздуха попадают в мороженое путем смешивания и, в некоторых промышленных процессах, путем прямого нагнетания воздуха во время замораживания. Воздух имеет основополагающее значение, поскольку он разрушает матрицу, образованную кристаллами льда и сливками. Мороженое легче брать и откусывать. Увеличение объема из-за пузырьков воздуха называется забитостью и измеряется в процентах от исходного объема смеси. Очевидно, что чем выше взбилось, тем менее плотным будет мороженое. Мягкое мороженое, например, имеет взабитость до 100%. Домашнее мороженое, как правило, содержит гораздо меньше воздуха.

Наконец, шарики жира из концентрированных сливок обеспечивают устойчивость пузырьков воздуха и предотвращают их схлопывание, как это происходит во взбитых сливках. Они также обеспечивают много кремовости и вкуса. В смесь также могут быть добавлены другие эмульгаторы для улучшения стабильности мороженого. Яичный желток также иногда используется в качестве эмульгатора, а также для придания вкуса. Например, «base gialla» — это итальянская основа для мороженого, содержащая яйца.

Стабилизаторы представляют собой большие молекулы, повышающие вязкость мороженого. Это дает несколько полезных эффектов, в том числе увеличение воспринимаемой гладкости мороженого во рту, снижение скорости таяния, повышение стабильности пены, а также облегчение перекачивания мороженого в промышленных условиях. Слишком много стабилизатора, и мороженое будет слишком твердым и жевательным. Однако иногда это может быть желательно: жевательное турецкое мороженое производится с добавлением натуральных стабилизаторов.

Оттаивание и повторное замораживание мороженого приводит к увеличению размера кристаллов льда по мере их таяния, слияния и преобразования. Плохо хранящееся и транспортируемое мороженое будет иметь очень грубую и неприятную консистенцию. Всегда неприятно покупать мороженое в супермаркете и обнаруживать, что оно состоит из крупных хрустящих кристаллов. По своему опыту я обнаружил, что разные супермаркеты и магазины относятся к мороженому с разной степенью заботы, и я избегаю покупать его у тех, кому не доверяю.

Чтобы сделать хорошее мороженое, необходимо учитывать тонкий баланс всех ингредиентов и то, как они влияют на микроструктуру. Чем меньше воды в смеси, тем легче сделать более гладкое мороженое. Но если сахара слишком много, мороженое может стать сиропообразным, а также увеличить риск кристаллизации сахара (что дает неприятную текстуру). Слишком много жира и смешивание может привести к тому, что оно превратится в масло.

Промышленное мороженое производится путем предварительной подготовки смеси с желаемым балансом сухих веществ молока, жира, воды и добавок. Затем его замораживают в промышленном морозильнике, который часто также вводит пузырьки воздуха путем впрыскивания. По мере того, как смесь становится холоднее, снижается и ее вязкость. Наступает момент, когда количество тепла, поступающего от смесительных лопастей, равно количеству тепла, отводимому теплоносителем (около-5°С). На этом этапе мороженое больше не может охлаждаться морозильной камерой, и замерзает только половина воды.

Мороженое быстро выдавливается и затвердевает, часто обдувая его воздухом при-40°С. Во время этого процесса часть жидкой воды мигрирует к уже сформировавшимся кристаллам льда. Затем мороженое можно упаковать или сформировать в различные формы и кондитерские изделия.

Подача и хранение мороженого

Хранение мороженого в домашнем морозильнике в течение длительного времени может изменить его структуру и вкус. Домашние морозильники иногда не очень стабильны: их внутренняя температура может колебаться. Это может вызвать рост кристаллов льда. Также возможно, что жир в мороженом впитает неприятные запахи от других продуктов в морозильной камере и, если он высохнет на воздухе в морозильной камере, также может стать прогорклым.

Лучше всего хранить мороженое при температуре не ниже-18 C (0 F), что является типичной температурой для домашней морозильной камеры. В промышленных холодильных камерах обычно около-25 С.

При подаче мороженого лучше немного подождать. При более высокой температуре-13 C мороженое становится мягче (и его легче зачерпывать). При-18 C вкусовые рецепторы немеют из-за низкой температуры мороженого и могут воспринимать меньше вкуса. Таким образом, ожидание, пока мороженое немного оттает, может улучшить его вкус.