Наука о мороженом

Изобрела аппарат Нэнси Джонсон из Филадельфии для приготовления мороженого в домашних условиях, но конструктивно и технологически он ничем не отличался от современных фабричных фризеров для промышленного производства мороженого. И хотя технология его производства значительно усовершенствовалась, на вкус и по консистенции мороженое миссис Джонсон было таким же, как сейчас.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Только в самое последнее время в науке о мороженом началась настоящая революция, в результате которой мы рискуем остаться без старого доброго мороженого, которое нам заменит другой продукт, более полезный для здоровья и экологии окружающей среды.

Мороженое и Эйнштейн

Со времен миссис Джонсон наука о мороженом ушла далеко вперед. Сегодня она рассматривает мороженое как коллоидно-дисперсную систему, подчиняющуюся фундаментальным законам физической химии. Основными ингредиентами мороженого являются вода, молочные белок и жир, сахар, ароматизаторы (например, ваниль) и воздух. Но если просто их смешать и положить в морозилку, то мороженого не получится. Под электронным сканером видно, что у мороженого довольно сложная микроструктура из кристаллов льда (около 30% по объему) и пузырьков воздуха (50%), удерживаемых вместе вязким раствором сахара (15%), а на поверхности пузырьков воздуха рассыпаны крошечные капельки жира (5%). Физическая текстура, которую мы ощущаем, когда едим мороженое, зависит от размера кристаллов льда и пузырьков воздуха: чем мельче микроструктура мороженого, тем оно вкуснее.

При производстве мороженого ингредиенты смешиваются в нужных пропорциях, эта смесь пастеризуется и затем гомогенизируется, в результате чего жировые шарики распадаются на эмульсию из мелких капель (<1 мкм). Чтобы капли жира оставались мелкими, необходимо стабилизировать эмульсию поверхностно-активным веществом. В мороженом есть два типа поверхностно-активных веществ: молочные белки (например, казеин) и эмульгаторы (например, монодиглицериды или лецитин из яичных желтков или соевых бобов). Затем смесь охлаждают примерно до 5°C, что ниже температуры плавления жира, который начинает кристаллизоваться. Так создается один из компонентов микроструктуры мороженого — капельки жира. Зачем нужны маленькие, частично кристаллические капельки жира, становится очевидным на следующем этапе производства, когда смесь путем аэрации и замораживания превращается в мороженое.

Первые аппараты для приготовления мороженого, которые появились в XIX веке, представляли собой небольшой бочонок с ручкой в верхней крышке. Ее крутили, взбивая смесь внутри бочонка. А сам бочонок охлаждался снаружи смесью льда и соли, смешав которые в правильных пропорциях (23,3% соли), можно достичь температуры до –21,1°C (точки эвтектики, как говорят физики). Морозильные камеры на современных производствах мороженого работают точно так же. Это цилиндры с мешалкой внутри, которая оснащена скребковыми лезвиями. Когда смесь соприкасается со стенкой цилиндра, в ней мгновенно образуется лед, который быстро соскабливается вращающимися лезвиями скребка. Мелкие кристаллы льда рассеиваются в смеси, и ее температура падает. Словом, все идет в полном соответствии с законом Ньютона—Рихмана.

Одновременно с замораживанием мороженого в него вдувается воздух, образуя крупные пузырьки, которые разбиваются на множество более мелких при взбивании. Капли жира и молочные белки адсорбируются на поверхности пузырьков воздуха и помогают стабилизировать их таким же образом, как молочный белок и эмульгаторы стабилизируют капли жира. Поскольку капли жира частично кристаллические, они образуют прочное, жесткое покрытие, которое предотвращает схлопывание пузырьков воздуха.

Вязкость мороженого увеличивается по двум причинам. Во-первых, вязкость жидкости (0) увеличивается по мере того, как она становится холоднее. Во-вторых, вязкость суспензии твердых частиц () увеличивается по мере увеличения объемной доли () твердого вещества (в данном случае льда). Объяснение этому позаботился дать в свое время Эйнштейн, описав этот процесс уравнением = 0(1+2,5). В результате увеличения вязкости смесь становится труднее взбивать, и мощность, необходимая для вращения миксера, увеличивается. Эта дополнительная энергия рассеивается в мороженом в виде тепла. В конечном счете, когда температура мороженого достигает примерно –5°C, энергия, поступающая через устройство для измельчения, равна энергии, отводимой хладагентом в виде тепла. Дальнейшее охлаждение мороженого становится невозможным: процесс становится самоограничивающимся.

Для производства так называемого мягкого мороженого температуры –5°C достаточно. Но обычное мороженое при такой температуре слишком мягкое для дальнейшей обработки — например, для покрытия его шоколадом,— и его микроструктура становится нестабильной. Поэтому мороженое «закаливают»: быстро охлаждают, обдувая его воздухом при температуре около –40°C в закрытой камере. После застывания мороженое упаковывают и везут в магазин.

Мороженое очень чувствительно к температуре, оно быстро тает. С точки зрения физики этот трюизм гораздо глубже по смыслу, чем кажется. Качество мороженого может ухудшиться даже при температурах ниже точки плавления из-за изменений в его микроструктуре. Микроструктура кинетически стабилизирована в конце изготовления путем «закаливания». Однако термодинамически она остается нестабильной. Каждый раз, когда мы достаем мороженое из морозильника, а потом кладем его туда назад, часть льда тает. Когда мы кладем мороженое обратно в морозилку, оно снова остывает, а растаявший лед снова замораживается. Однако он может застыть только на тех кристаллах, которые сохранились. В итоге общее количество кристаллов уменьшается, а их средний размер увеличивается, в то время как объемная доля льда остается неизменной. Если это происходит несколько раз, то кристаллы льда становятся очень крупными (100 мкм) и их можно почувствовать во рту. Этот процесс известен как перекристаллизация, или созревание по Оствальду.

Но и на этом физика мороженого не заканчивается. Ученые, совершенствуя его микроструктуру и текстуру, обычно замеряют модуль Юнга, характеризующий способность материала сопротивляться растяжению—сжатию при упругой деформации. Уменьшение объемной доли воздуха в мороженом делает его тверже. В идеале хорошо бы было создать такую микроструктуру мороженого, в которой воздушные пузырьки сообщались бы между собой, как, например, в губке для мытья посуды, но технически это пока чересчур сложно.

Мороженое и Нерон

История производства мороженого изобилует множеством апокрифов. Обычно ее начинают с Нерона и «Естественной истории» Плиния-старшего. Этот энциклопедический труд прямо-таки неисчерпаемый кладезь для историков любого большого бизнеса, они непременно найдут там истоки курируемой ими отрасли. В данном случае Нерон, отдыхая от своих бесчинств, ел шербет из фруктов и снега, доставленного ему рабами с гор. Сюда же примыкает история про монголов, которые брали в походы кобылье молоко в бурдюках из кишок животных, которое в результате тряски взбивалось, и в зимнее время они ели из бурдюка мороженое, только не сладкое. Ну и, разумеется, свою лепту в историю мороженого внес Марко Поло, который из Китая привез рецепт мороженого в родную Венецию.

Абсолютной уверенности в том, кто именно изобрел мороженое и где и когда это случилось, нет и быть не может. Однако, зная физику процесса, вполне можно допустить, что и во времена Нерона, и до него умельцы делали именно мороженое, а не шербеты со льдом и снегом. А уж в эпоху Возрождения точно ели мороженое, тому есть документальные свидетельства. Все ингредиенты для мороженого имелись; хранилищам льда даже в субтропических странах, как выяснили археологи, не менее 4 тыс. лет, а эндотермический процесс, хоть и считаем достижением науки XIX века, был знаком неученому народу по меньшей мере лет за триста до н. э. Во всяком случае, к поваренной соли именно тогда добавились квасцы, нашатырь и селитра, и с помощью всех этих солей температуру воды, льда и снега можно было понизить до –12°C. Остальное было делом даже не техники, а рук: мороженое тогда можно было приготовить точно так же, как это делают домохозяйки и пытливые юные химики сегодня.

В XIX веке мороженое перестало быть диковинкой. Знали о нем и в нашем отечестве. Иван Гончаров в романе «Фрегат “Паллада”» рассказывает, как он попробовал мороженое в Маниле и не стал его есть, потому что любой, кто был в Европе и ел там мороженое, не станет «глотать снег с сахаром», который в Маниле едят тагалы (филиппинцы). В Старом и Новом Свете мороженое уже перекочевало с императорских столов на обеденные столы среднего класса и на столики общепита.

Любопытно почитать американский патент №3254, выданный Нэнси М. Джонсон из Филадельфии 9 сентября 1843 года на «Искусственный морозильник» (он свободно доступен в интернете). Его даже читать не надо, достаточно взглянуть на рисунок аппарата: точно так же устроены современные мороженицы для приготовления домашнего мороженого. При этом патент был выдан не на изобретение мороженицы, а на ее усовершенствования (improvement), то есть аппараты для приготовления мороженого уже были.

К мешалке своего аппарата Нэнси Джонсон лишь приделала шпатели с дырочками, которые соскребали кристаллики льда с холодных стенок мороженицы, а дырки в лопатках-шпателях снижали сопротивление и позволяли без натуги и быстрее крутить рукоятку мороженицы, придавая смеси внутри нее более однородную текстуру. Вторым усовершенствованием миссис Джонсон было толстое шерстяное одеяло, в которое она заворачивала свою мороженицу, что «заметно снижало расход материалов (соли и льда.— “Ъ-Наука”) для поддержания низкой температуры».

Ближе к концу XIX века появились холодильные машины, работающие на сжиженном аммиаке (температура кипения –30°C) и пропане (–42°C). А с недавних пор для производства мороженого приспособили жидкий азот (–196°C).

В первые десятилетия ХХ века производство мороженого становится промышленным. В Европе в годы Второй мировой войны оно снизилось практически до нуля, а когда после ее окончания возобновилось, в Англии, где нормирование на продукты еще долго действовало, мороженое начали производить на растительных жирах и сухом молоке. В итоге, когда в 1953 году нормирование было отменено, британская публика настолько привыкла к «маргариновому» мороженому, что там до сих пор производится его значительное количество.

Советское эскимо

В нашей стране промышленное производство мороженого началось в 1932 году в Москве на хладокомбинате №2. Весь его ассортимент состоял из четырех видов мороженого: молочное, сливочное, пломбир и фруктово-ягодное. Во всех сахара было 15%, а жира в молочном было 3,5%, в сливочном почти в три раза больше и 15% жира в пломбире. Первый ГОСТ на мороженое был утвержден в 1941 году, а к 1970-м годам выпускалось уже около полусотни разновидностей мороженого.

Процесс начинался с подготовки исходных продуктов — фруктов, ягод, сахара, молока, сливок, яиц, сливочного масла высшего сорта. Каждая партия сырья проходила выборочный бактериологический, химический и органолептический анализ. Затем по рецептуре данного вида мороженого сырье загружалось в ванны, где механические мешалки готовили из него однородную жидкую массу, а точнее, эмульсию, так как сливочное масло, которое входило в состав почти всех видов молочного, сливочного мороженого и пломбиров, «смешивали» с водой. Например, пломбир имел такой состав: цельное молоко, 40-процентные сливки, цельное сгущенное молоко с сахаром, молоко сухое обезжиренное, сахар, ванилин, вода.

В состав смеси добавляли стабилизаторы (пищевой желатин, картофельный крахмал, пшеничную муку высшего сорта, агар-агар), чтобы полученная после смешивания производственная масса не расслаивалась и мороженое оставалось однородным и после замораживания. Стабилизаторы вводили на стадии пастеризации, при которой смесь определенное время выдерживали при температуре +70–80°C. Из пастеризатора горячая масса под давлением 90–150 атмосфер через фильтры поступала в гомогенизатор.

Далее следовала стадия взбивания массы во фризере, то есть насыщение ее пузырьками воздуха. Мешалки фризеров вращались со скоростью 370 оборотов в минуту и выдавали 150 кг мороженого в час с температурой –5°C. Это было мягкое мороженое, которое долго не хранится и транспортировать которое проблематично. Поэтому после расфасовки мороженого в брикеты, стаканчики, коробки его выдерживали в морозильнике при температуре –30°C. Лишняя вода из него при этом вымораживается, и при температуре –12–14°C такое мороженое можно хранить месяцами.

При производстве эскимо добавлялась еще одна стадия. Мягкое мороженое выдавливается из фризера в цилиндрические или прямоугольные формочки, туда же вставляются деревянные палочки. Формы проходят через замораживающий рассол, мороженое затвердевает. Затем формочки быстро нагреваются, мороженое у стенок форм подтаивает, эскимо на палочке автоматически вынимается из форм и окунается в расплав шоколада. Шоколадная «обертка» быстро застывает, так как температура замороженного эскимо много ниже температуры плавления шоколада. Остается обернуть эскимо фольгой, что и делают упаковочные автоматы.

Что дальше

Сегодня Россия находится на седьмом месте в мире по производству мороженого. По сравнению с советскими временами в дополнение к молочному, сливочному и пломбиру появилось еще два вида мороженого — кисломолочное (простоквашное, ацидофильное, йогуртное) мороженое и с заменителем молочного жира. Это общемировая практика. И отечественная наука о мороженом сегодня развивается в русле общемировых тенденций.

Во-первых, это разработка новых разновидностей продукта с невысокой массовой долей жира и пониженным содержанием сахара. Во-вторых, снижение содержания или полный отказ от лактозы. В-третьих, замена молочного жира растительным. В-четвертых, обогащение мороженого про- и пребиотиками, пищевыми волокнами и т. п. В-пятых, создание рецептурных составов с экстравагантными вкусами. Есть и в-шестых, и в-седьмых, и так далее. Но общая тенденция и так понятна.

Ведь что такое классическое мороженое? Это масло со сливками, обильно приправленное сахаром, то есть продукт совершенно нетерпимый с точки зрения современной диетологии и канонов здорового образа жизни, неприемлемый для целых категорий людей с ожирением, диабетом, непереносимостью молочного сахара. Для них ученые стараются создавать такие рецептуры и такие технологии производства мороженого, чтобы оно по текстуре и вкусу не отличалось от обычного. На сегодня, по разным оценкам, доля диетического мороженого в целом по стране занимает от 3% до10%, то есть рынок близок к насыщению.

Иное дело, когда речь идет о заменителях молочного жира в обычном, не диетическом мороженом, использование которых заметно удешевляет его производство. В нашей стране законом запрещено использовать пальмовое масло в чистом виде в молокосодержащей продукции. Но в законе ничего не сказано про твердые триглицериды и другие фракции тропических масел (кокосового, пальмового и пальмоядрового), которые используются как сырье для получения олеина — основы заменителя молочного жира, лишь бы они соответствовали требованиям национальных стандартов РФ.

В одной недавней публикации в научном журнале с интригующим заголовком «Мороженое с заменителем молоченого жира — польза или вред для здоровья?» ученые приходят к выводу, что «по сравнению с животными жирами заменители молочного жира обладают рядом преимуществ: они не содержат холестерин, являются важным источником витаминов и содержат ненасыщенные жирные кислоты, которые способствуют выведению холестерина из организма». В статье «отдельно рассматривается пальмовое масло, вокруг которого в последнее время развернулась оживленная дискуссия и которое очень часто становится предметом дезинформации. Однако наличие сильных антиоксидантов и сам состав пальмового масла делают его продуктом с повышенной устойчивостью к окислению и порче, следовательно, более технологичным, чем привычные для нас растительные масла (льняное, хлопковое, подсолнечное, оливковое и др.)».

Результат ожидаемый, тут даже не надо быть ученым. С чего вдруг растительное масло, пусть оно даже пальмовое, будет вредным для здоровья? Только грустно становится. Приучить неученый народ к мороженому на растительном масле проще простого, тому свидетельство пример англичан, которые до сих пор едят свое «маргариновое» мороженое и облизываются. Но это цветочки, а ягодки еще впереди.

На мировом рынке сегодня присутствует масса сортов мороженого с различными экстравагантными вкусовыми композициями рецептурного состава — со вкусами восточного щитомордника (да-да, ядовитой змеи, которую едят японцы и китайцы), попкорна, бекона, джин-тоника, морского ежа, итальянского перца эспелет, чизбургера, копченого лосося, дуриана и т. п. Это мороженое, как пишут наши ученые, значительно отличается по вкусу от фруктово-ягодных ароматизированных добавок и наполнителей, применяемых производителями российского мороженого, и потому «с учетом мирового подхода к формированию ассортимента мороженого» ученые сейчас трудятся над созданием новой линейки мороженого.

В его рецептуре предусмотрено использование «вторичных продуктов переработки морепродуктов для обогащения мороженого ценными пищевыми компонентами, а также для придания нетрадиционного вкуса и снижения экологической нагрузки за счет их комплексной переработки». Речь идет о варочных водах, которые остаются после обработки морского гребешка, мидий и водоросли ламинарии. «Варочные воды гидробионтов не изменили внешний вид молочной смеси. Присутствует оттенок запаха гидробионтов при замене воды варочными водами гребешка на 100%, мидии — на 30% и ламинарии — на 50%»,— пишут ученые.

Сегодня наука о мороженом на подъеме. Объем мирового рынка мороженого приближается к $100 млрд. Только у одного из лидеров этого рынка — компании Unilever PLC — в шести научно-исследовательских подразделениях в разных странах мира трудится 5 тыс. ученых, у других флагманов отрасли их, надо думать, не меньше. В нашей стране не такие масштабы науки о мороженом, но мы всегда компенсировали это талантом и смекалкой, примером чему служит приведенный выше пример мороженого с ароматом варочных вод мидий.

В общем, если так пойдет и дальше, то недалек тот час, когда мы с вами, точнее, те из нас, кому нравится вкус традиционного мороженого и позволяет здоровье его есть, с большим вниманием начнем изучать чертежи мороженицы миссис Нэнси Джонсон, чтобы сделать такую же для домашнего производства молочного, сливочного мороженого и пломбира по рецептам советского хладокомбината №2, то есть без пре- и пробиотиков, пищевых волокон и замены на эрзацы всех исходных компонентов.

Ася Петухова