为什么烈火阿拉斯加蛋糕内的冰淇淋不会融化?

Magnus Ringh 2016年 11月 18日

烈火阿拉斯加(baked Alaska)是一款能让晚宴宾客啧啧称奇的甜品。制作这款经典的待客甜品时,首先将冰淇淋铺到海绵蛋糕上,然后在冰淇淋上盖满蛋白糖霜。为了使蛋白糖霜焦糖化,甜点要放入热烤箱烘烤,但内部的冰淇淋会令人惊奇地保持冻结状态。在本文中,我们将利用 COMSOL Multiphysics® 软件的传热仿真功能,探寻烈火阿拉斯加的奥秘。

烈火阿拉斯加:甜点中的冰与火之歌

制作奢华的烈火阿拉斯加蛋糕时,先将冰淇淋放入蛋糕盘中,或者放入碗中以制成经典的圆顶形状。然后用海绵蛋糕片盖住冰淇淋,组成甜点的底部。接下来将冰淇淋和海绵蛋糕倒过来放到浅盘中,并用蛋白糖霜(将蛋白和砂糖搅打至硬性发泡)盖住冰淇淋,就像在用霜覆盖蛋糕。将整个甜点放入烤箱中,加热足够长的时间使蛋白糖霜焦糖化,但时间也不要过长,以免冰淇淋融化。

烈火阿拉斯加蛋糕的图片。
经典的圆顶型烈火阿拉斯加,冰淇淋四周覆盖了一层焦糖化的蛋白糖霜。

据说,“烈火阿拉斯加”的名字首次出现在 1867 年美国纽约市的 Delmonico 餐馆中,是为了庆祝从俄罗斯帝国购得阿拉斯加而起的。不过,烈火阿拉斯加的真实起源仍然存在争议。

烈火阿拉斯加背后的物理原理

即使放置在散发热量的烤箱中,烈火阿拉斯加中的冰淇淋也能冻结不化,这利用了泡沫成分(蛋白糖霜和海绵蛋糕)的蜂窝结构内滞留空气的绝缘性能。包围冰淇淋的蛋白糖霜和海绵蛋糕的导热性能很差,这使得烤箱内的剧烈的热量不能传递给冰淇淋。

冰淇淋大约在 -3°C 时开始融化,所以必须在冰淇淋内的温度接近融点前将蛋白糖霜焦糖化。下列因素对冰淇淋内温度产生主导影响:

  • 烈火阿拉斯加成分的初始温度
  • 烤箱温度
  • 在烤箱内的时间
  • 蛋白糖霜层的厚度

在 COMSOL Multiphysics 中,上述因素都可以在烈火阿拉斯加模型中进行模拟。这种仿真可以洞察每个因素的量化影响,保证甜点每次都能惊艳地亮相在餐桌上。

利用 COMSOL Multiphysics® 分析烈火阿拉斯加中的传热现象

对于烈火阿拉斯加模型的几何结构,我们采用半球体来表示甜品中常见的圆顶。几何结构包含底部的海绵蛋糕层、圆顶状冰淇淋,以及覆盖在冰淇淋上的一层蛋白糖霜。我们将蛋白糖霜层的厚度添加为一个参数,以便灵活调整。初始厚度设置为 2 cm。

同理,将烤箱温度添加为一个参数,初始值设置为 250°C。有些食谱要求烤箱温度约 220°C,烹饪时间约 8~10 分钟。其他一些食谱建议使用 250°C 左右的更高温度,仅需在烤箱内加热数分钟。我们的仿真将证实这两种情况是否能烘焙出期望中的甜点。

我们使用 COMSOL Multiphysics 的固体传热 接口建立了瞬态传热仿真。然后,我们需要提供冰淇淋、蛋白糖霜和海绵蛋糕的密度、热导率和热容量作为仿真输入。在仿真中使用的数据摘自 Vega 等人编著的书籍:把厨房当作实验室:对食物和烹饪科学的思考(The Kitchen as Laboratory: Reflections on the Science of Food and Cooking)

材料 属性被添加到了三个材料 节点中,并被指派给几何结构中的不同域,这些域分别代表冰淇淋、蛋白糖霜和海绵蛋糕。数据显示,蛋白糖霜和海绵蛋糕的导热性能都很差,这意味着二者为覆盖在底层的冰淇淋提供了充分的热绝缘。

为了模拟传热,固体传热 接口使用了三种材料各自的属性。

对于初始温度,将冰淇淋设为 -18°C(冰箱的典型温度),蛋白糖霜设为 8°C(冰箱内储存的鸡蛋的典型温度),海绵蛋糕设为 20°C(室温)。

对于边界条件,我们采用一个传热系数很大的热通量来表示烤箱内影响烈火阿拉斯加温度的对流热通量。

我们可以建立一个瞬态研究来模拟烈火阿拉斯加内的温度,时间从放入烤箱中的那一刻开始,之后停留 12 分钟,这比大部分食谱要求的时间略长。此外,添加一个全参数扫描来分析不断变化的蛋白糖霜层和烤箱温度带来的影响。下图展示了如何任意组合两个参数与时间,并选择绘制相应的温度分布。

烈火阿拉斯加模型的设置窗口显示了多个参数解的值。
选择蛋白糖霜层、烤箱温度和时间的参数值,将其应用于全参数瞬态仿真。

仿真的初步结果——烈火阿拉斯加内的完整温度分布可以通过下方的体图显示。

COMSOL Multiphysics® 绘图显示了烘焙后的烈火阿拉斯加的温度场。
4 分钟后烈火阿拉斯加内的温度场(摄氏度),蛋白糖霜层厚度为 2 cm,烤箱内温度为 250°C。

接下来,我们要利用横截面温度曲线来执行更为量化的分析。之后,我们还会对模型进行扩展,举例说明如何通过改变其中一个初始温度来分析如果在放进烤箱之前将烈火阿拉斯加解冻一会儿的话,将会发生何种情况。

烈火阿拉斯加中的冰淇淋会融化吗?

根据仿真中的各种参数值组合,我们分析了以下两种情况:

  • 蛋白糖霜层的厚度为 1 cm;烤箱的最低温度为 200°C;在烤箱内加热 4、8、12 分钟
  • 蛋白糖霜层的厚度为 2 cm;烤箱的最低温度为 250°C;在烤箱内加热 4、8、12 分钟

冰淇淋保持不融化的条件是:靠近蛋白糖霜或海绵蛋糕的冰淇淋温度保持在 -3°C 或以下。

蛋白糖霜薄层和较低温度

下图显示了当蛋白糖霜层厚度为 1 cm,烤箱的顶部和底部温度均为 200°C,在加热了 4、8 和 12 分钟后,烈火阿拉斯加中心的温度。下文中的绘图使用了三维截线 数据集来计算从底部至顶部沿中心线的温度。温度绘图采用了“一维绘图组”中的线图。

图表绘制了当蛋白糖霜为 1 cm厚,烤箱温度为 200°C 时,烘焙后的烈火阿拉斯加的温度分布。
4 分钟(蓝色)、8 分钟(绿色)和 12 分钟(红色)后,烈火阿拉斯加内从底部到顶部的温度分布。

在下方的特写图中,附加的水平和垂直线分别表示冰淇淋的融点和蛋白糖霜-冰淇淋的边界。我们在同一绘图组中新添加一个线绘图 节点,然后使用两个参数来定义上述的数值水平,由此创建了这两条线。

图表绘制了当蛋白糖霜为 1 cm厚,烤箱温度为 200°C 时,烘焙后的烈火阿拉斯加的顶部温度分布。
4 分钟(蓝色)、8 分钟(绿色)和 12 分钟(红色)后,朝向烈火阿拉斯加顶部的温度情况。黑色虚线表示冰淇淋的融点,垂直的品红色线表示蛋白糖霜和冰淇淋之间的边界。8 分钟后冰淇淋的外部开始融化。

仿真表明,4 分钟后冰淇淋仍然是完整的,8 分钟后由于 1 cm 的蛋白糖霜层太薄,冰淇淋外部开始融化。如有必要,可以将蛋白糖霜层厚度改为 2 cm,烈火阿拉斯加就能在烤箱内保持 12 分钟。

厚层蛋白糖霜和较高温度

让我们改用另一个参数方案,看一看如果把蛋白糖霜的厚度增加到 2 cm,烤箱的温度增加到 250°C 后会发生什么情况。下图显示了朝向烈火阿拉斯加顶部的温度分布结果。

图表绘制了当蛋白糖霜为 2 cm 厚,烤箱温度为 250°C 时,烘焙后的烈火阿拉斯加的温度分布。
4 分钟(蓝色)、8 分钟(绿色)和 12 分钟(红色)后,朝向烈火阿拉斯加顶部的温度情况。尽管烤箱内温度增加,但是 8 分钟后冰淇淋的外部仍处于冻结状态,这是因为蛋白糖霜层变厚了。

仿真表明,8 分钟后冰淇淋仍然没有融化,这是因为将冰淇淋与高温隔离开的蛋白糖霜层变厚了。多版烈火阿拉斯加的食谱都要求烤箱温度设定为 250°C,烘烤时间设定为 4~5 分钟。COMSOL Multiphysics 仿真证实了在蛋白糖霜层厚度为 2 cm 的条件下,经历了以上温度和烘烤时间的冰淇淋应该能够保持完整无缺。

使用稍微融化的冰淇淋

现在我们考虑一下将冰淇淋从冷冻箱中取出并放置一段时间的情况,现实中一些面点师希望利用这种方式使冰淇淋更容易形成圆顶状。我们再次回到仿真中,将蛋白糖霜层的厚度设为 2 cm,烤箱温度设为 250°C,不过冰淇淋的初始温度被改为 -10°C,而不是 -18°C,由此计算出下方的结果。

烈火阿拉斯加仿真的温度绘图,冰淇淋开始融化。
2 分钟(蓝色)、4 分钟(绿色)和 8 分钟(红色)后,朝向烈火阿拉斯加顶部的温度。4 分钟后冰淇淋已经开始融化了。

不出所料,冰淇淋的温度越高,达到融点的速度就越快,因此务必保持冰淇淋的温度尽可能地低。在最后一种情况中,大约 3 分钟后冰淇淋就变得易融化,如果不尽快处理烈火阿拉斯加,等到放到餐桌上时可能稍微有些融化了。

准备好开动了吗?

简而言之,以上仿真表明了如果蛋白糖霜层足够厚,烘烤时间适当并较短,而且冰淇淋温度尽可能地低,成品甜点的外部就会呈现出完美焦糖化的蛋白糖霜,内部包裹着美味的冰冻冰淇淋。接下来,端出这道“表面上”违反热力学定律的甜点,给客人留下深刻的印象。

利用 COMSOL Multiphysics,我们可以确定发挥热绝缘作用的蛋白糖霜层和海绵蛋糕能够阻止烤箱内强烈的热量将冰淇淋融化,你可以充满信心地制作出一道完美的烈火阿拉斯加。祝你有个好胃口!

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技术资料 食品科学
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