Tại sao kem và sữa chua mua về để tủ lạnh, không ăn ngay lại bị giòn giòn, sồn sột?

Đừng bao giờ bỏ thừa một hộp kem hoặc là sữa chua đang ăn dở: Bởi khi bạn đưa chúng trở lại ngăn đông tủ lạnh, bạn nghĩ rằng thời gian sẽ đảo ngược được nó ư?

Không! Hộp kem đang tan chảy sẽ đông lại, nhưng nó không bao giờ có lại được sự mềm mại và hương vị như ban đầu.

Đó là bởi một phần nước đã lẻn được vào phần kem đó, đông lại thành các tinh thể đá. Lần sau khi bỏ kem ra ăn, bạn sẽ thấy nó trở nên giòn giòn, sồn sột và nhạt đi đánh kể. Thật là đáng ghét!

Một phần nước trong kem đông lại thành các tinh thể đá.

Nhưng đừng lo, một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Tennessee bây giờ đã tìm ra cách để chống lại hiện tượng kết tinh nước trong kem. Họ đã tự hỏi tại sao nhiều loài cá sống trong điều kiện nước biển dưới 0 độ C lại không bị đóng băng.

Và hóa ra bí quyết nằm trong một protein có khả năng dính trên bề mặt tinh thể đá, khiến nó không kết tụ lại được. Protein này cũng có trong một số loài thực vật, nên các nhà khoa học đã dùng nó để chế tạo ra một loại kem mềm vĩnh cửu.

Dưới đây là câu chuyện về khám phá thú vị ấy.

Những tinh thể phá đám

Có thể bạn chưa biết nhưng các nhà khoa học nghiên cứu về kem nhiều như cách họ nghiên cứu tính chất của nước lỏng, chất rắn hay không khí – bởi bên trong kem có tất cả các thành phần này.

Các sinh viên vật lý đôi khi còn chơi đùa với kem trong phòng thí nghiệm, dùng nitơ lỏng để làm ra chúng. Và bạn cũng có thể tự làm kem tại nhà, không khó lắm. Chỉ cần đun nóng sữa, kem và đường cho đến khi đường tan hết; làm nguội hỗn hợp; và thêm bất kỳ hương liệu nào vào là được.

Sau đó, từ từ khuấy hỗn hợp đó để nó đông lại. Quá trình khuấy sẽ trộn thêm không khí vào hỗn hợp, làm tăng thể tích của kem (hiệu ứng gọi là overrun). Nhưng để kem ngon thì bạn phải khống chế lượng không khí, với tỷ lệ overrun thấp hơn 25%.

Ngược lại, một số loại kem thương mại giá rẻ có thể overrun lên tới 100% nhằm tiết kiệm nguyên liệu. Nghĩa là cứ một cây kem bạn mua thì có một nửa của nó thực ra chỉ là không khí.

Điều này làm cho kem tan nhanh hơn, và nó cũng bẫy nhiều hơi nước trong không khí hơn, làm cho quá trình đông tạo ra băng. Kem giá rẻ vì vậy ăn sẽ sồn sột và kém ngon.

Nhưng không phải các loại kem đắt tiền thì không thể đông đá, quá trình ấy sẽ xảy ra nếu bạn để kem tan chảy và đặt chúng trở lại tủ lạnh. Trong một quá trình được gọi là tái kết tinh, nếu các tinh thể đá tái đông lớn hơn 50 micromet, kem của bạn sẽ trở nên giòn và mất kết cấu.

Để đảm bảo kem giữ được sự mềm mịn lâu nhất có thể, các nhà sản xuất thường thêm vào các chất nhũ hóa như lecithin và chất ổn định như guar gum, locust bean gum, carrageenan và pectin.

Các chất ổn định này giúp kem giữ được độ ẩm trong quá trình bảo quản và làm chậm sự phát triển của các tinh thể đá. Tuy nhiên, theo Tao Wu, một nhà khoa học thực phẩm chuyên về hóa học carbohydrate cho biết: "Những chất ổn định này không hiệu quả lắm".

"Hiệu suất của chúng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ và thời gian bảo quản, thành phần và nồng độ của các thành phần khác. Điều này có nghĩa là chúng đôi khi hiệu quả trong một sản phẩm kem này nhưng lại không có tác dụng với một sản phẩm kem khác loại".

Vì vậy, Wu và nhóm nghiên cứu của mình tại Đại học Tennessee muốn tìm ra một lựa chọn thay thế tốt hơn.

Không phải các loại kem đắt tiền thì không thể đông đá.

Làm sao để chống lại sự kết tinh?

"Khoa học thực phẩm không phải là nấu ăn", Wu nói. "Đó là một lĩnh vực liên ngành của hóa học, sinh học và kỹ thuật, nhắm vào việc giải quyết các vấn đề trong thế giới thực, cụ thể là đối với quá trình sản xuất thực phẩm. Ví dụ, để sản xuất được kem chất lượng cao, chúng ta phải sử dụng đến những kiến thức hóa học rất chuyên sâu".

Wu cùng nhóm của mình ban đầu có một ý tưởng. Họ để ý đến những protein có cấu trúc và chức năng đặc biệt giúp một số loài cá không bị đông cứng trong nước biển dưới 0 độ C. Các protein này cũng được tìm thấy trong côn trùng và một số loài thực vật.

Chúng làm điều này bằng cách dính vào bên ngoài bề mặt của các tinh thể băng khi mới hình thành, ngăn chặn tinh thể phát triển thành tinh thể lớn. Nhưng vấn đề là nguồn cung các loại protein này rất hạn chế, khiến giá của chúng rất đắt và không thể được sử dụng cho mục đích thương mại.

Nghiên cứu trước đây cho rằng khả năng chống đóng băng của các protein như vậy xuất phát từ một tính chất: Chúng có cấu trúc amphiphilic, nghĩa là cùng một lúc sở hữu hai bề mặt ưa nước và kỵ nước. Bề mặt ưa nước thì luôn hút các phân tử H₂O về phía mình, trong khi bề mặt kỵ nước thì ngược lại, đẩy H₂O ra xa.

Protein có cấu trúc amphiphilic giúp một số loài cá không bị đông cứng trong nước biển dưới 0 độ C.

Ở thực vật, cấu trúc amphiphilic xuất hiện là nhờ cellulose dạng tinh thể nano. Cellulose là hợp chất hữu cơ có công thức C₆H₁₀O₅ liên kết với nhau thành chuỗi và cấu tạo nên thành tế bào thực vật.

Wu và nhóm của mình nghĩ rằng cellulose nano có thể ức chế sự phát triển của các tinh thể băng. Và không giống như các protein chống đông và chất ổn định thương mại khác, đây là một thành phần rất dồi dào, có thể trồng ra được mà không quá tốn kém.

Min Li, một nhà khoa học trong nhóm Wu cho biết họ đã tiến hành các thí nghiệm pha cellulose dạng nano với một cốc kem. Ban đầu, các tinh thể cellulose nano được thêm vào không ảnh hưởng gì đến các tinh thể đá.

Nhưng chỉ sau vài giờ, các tinh thể nano này đã ngăn chặn hoàn toàn sự phát triển của các tinh thể băng. Hơn nữa, các tinh thể cellulose dạng nano còn hoạt động tốt hơn cả các chất ổn định thương mại, trong bối cảnh kem tiếp xúc với nhiệt độ dao động.

Về cơ chế cơ bản, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng sự hấp phụ bề mặt dường như là bí quyết để các tinh thể cellulose nano ngăn chặn sự kết tinh của băng - giống như các protein chống đông. "Điều này hoàn toàn mâu thuẫn với niềm tin hiện có, rằng chất ổn định ức chế sự kết tinh lại của nước đá bằng cách tăng độ nhớt, vốn được cho là làm chậm sự khuếch tán của các phân tử nước", Li nói.

 Bổ sung các tinh thể cellulose dạng nano có thể làm cho kem giữ được độ mềm.

Việc bổ sung các tinh thể cellulose dạng nano sẽ ngăn chặn sự phát triển của các tinh thể đá nhỏ (dưới cùng bên trái) thành các tinh thể lớn (trên cùng bên trái) có thể làm cho kem (bên phải) giữ được độ mềm ngon khó cưỡng.

Với phát hiện mới này, Wu cho biết cellulose dạng nano hoàn toàn có thể trở thành một hợp chất ổn định mới để tạo ra các sản phẩm kem mềm vĩnh cửu, an toàn và được Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm phê duyệt.

Tuy nhiên, ứng dụng của chúng không chỉ dừng lại ở đó. Cellulose dạng nano cũng sẽ hữu ích cho quá trình bảo quản lạnh các tế bào, mô và cơ quan sinh học, vốn cũng dễ bị phá hủy bởi tinh thể băng.

"Ví dụ, trong công nghệ sinh học và y sinh, tế bào thường được lưu trữ trong nitơ lỏng. Suốt quá trình bảo quản, quá trình kết tinh nước đá có thể dẫn đến tổn thương hoặc giết chết tế bào", Wu nói.

"Bây giờ, với các chất ức chế kết tinh mới, thêm chúng vào trong quá trình bảo quản lạnh có thể ngăn tinh thể băng hình thành và giúp tăng khả năng sống của những tế bào đó".

Nghiên cứu mới của họ đã được trình bày tại Hội nghị của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.

• Vì sao thị vệ không phải tịnh thân như thái giám?
• Vì sao nổ lốp trên cao tốc có thể gây lật xe?
• Vì sao người xưa kiêng ngồi 6 người 1 bàn?