飲み物を十分に冷やすと、液体の中に氷が生じます。ところが、すべての飲み物が同じ温度で凍り始めるわけではありません。水に近い飲み物は0℃付近で凍りやすい一方、砂糖、塩、酸、アルコールなどを多く含む飲み物は、0℃より低くならないと氷ができ始めないことがあります。
さらに、凝固点より低い温度になっても、すぐに氷が生じず、しばらく液体のままでいることがあります。これは「過冷却」と呼ばれる現象です。氷ができるには、水分子が規則正しく並び始める「核生成」というきっかけが必要だからです。
つまり、飲み物の中で氷が生じるかどうかは、単に温度が0℃を下回ったかだけでは決まりません。飲み物の成分、冷え方、容器の状態、振動や不純物の有無などが、氷の生じ方に関わっています。
水はなぜ冷やすと氷になるの？
液体の水では、水分子は絶えず動きながら互いに位置を変えています。温度が下がると分子の運動は小さくなり、一定の条件になると水分子が規則的に並んだ結晶構造をつくる方が安定になります。
この固体の結晶が氷です。純粋な水では、1気圧付近で液体の水と氷が平衡になる温度は0℃です。
ただし、0℃になった瞬間に、液体全体が一斉に氷へ変わるわけではありません。実際の凍結では、最初にごく小さな氷の結晶が生じ、その結晶を起点に周囲の水分子が次々と並び、氷結晶が成長していきます。
氷ができる最初のきっかけは何？
まず「氷の核」ができる必要がある
液体から結晶が生まれる最初の段階を「核生成」といいます。
水分子が偶然集まり、氷と同じような規則的な並び方をした小さな集団ができても、それがあまりに小さいと再びばらばらになります。ある程度以上の大きさまで成長すると安定した氷核となり、そこから氷結晶が成長し始めます。
食品凍結の研究でも、凍結は核生成とその後の結晶成長によって進むことが基本とされています。どの温度で核生成が起こるかは、氷結晶の数や大きさにも影響します。
容器表面や微粒子が核生成を助けることがある
完全に純粋な水では、水分子だけで氷核をつくる「均一核生成」は起こりにくく、かなり低い温度まで過冷却することがあります。
実際の飲み物には、糖や酸、ミネラル、果肉、微粒子などが含まれ、容器表面にも微細な傷や凹凸があります。こうした異物や界面が、水分子が並び始める足場となり、氷核形成を助ける場合があります。
そのため、同じ温度まで冷やしても、飲み物の種類や容器の状態によって、凍り始めるタイミングが少し変わることがあります。
なぜ0℃より低くても凍らないことがあるの？
過冷却になることがあるから
水や飲み物が、平衡上の凝固点より低い温度になっても液体のままでいる状態を「過冷却」といいます。
これは、温度としては氷が安定になる条件でも、まだ安定した氷核ができていないためです。
食品凍結に関する日本の研究では、過冷却が解消する温度によって、その後にできる氷結晶の大きさや形が変化することが示されています。過冷却が深い状態から一気に核生成すると、多数の氷核が生じ、細かな氷結晶になりやすい場合があります。
過冷却した飲み物を振ったり、容器に衝撃を与えたりすると、急に氷が広がることがあります。これは振動が「冷やしたから新しく氷を作った」のではなく、すでに凍結可能な状態だった液体で核生成のきっかけが生じたためです。
なぜ甘い飲み物は0℃で凍らないことがあるの？
糖などの溶質が凝固点を下げるから
水に砂糖や塩などが溶けると、水だけのときより凍り始める温度が低くなります。これを「凝固点降下」といいます。
食品溶液の研究でも、糖や酸などの溶質濃度が高くなるほど、凝固点が低下することが確認されています。
これは、溶けている物質が水の液体状態の安定性に影響し、氷と液体が平衡になる温度を下げるためです。
したがって、砂糖を多く含むジュースやシロップは、純水と同じ0℃では完全には凍りません。さらに温度を下げて初めて氷が生じ始めます。
塩やアルコールでも凍りにくくなるの？
はい。塩やアルコールも、飲み物中に溶けていると凝固点を下げます。
食塩水が0℃より低い温度でも液体でいられることや、アルコール度数の高い飲料が家庭用冷凍庫でも完全には凍りにくいことは、この凝固点降下と関係しています。
ただし、どの物質がどれだけ凝固点を下げるかは、物質の種類や濃度によって異なります。
また、実際の飲み物には糖、酸、塩、アルコールなど複数の成分が同時に含まれるため、凍り始める温度は単純な水溶液より複雑になります。
飲み物が凍ると中身は均一に氷になるの？
多くの場合、そうではありません。
飲み物が凍り始めると、最初にできる氷結晶には主として水分子が取り込まれます。糖、塩、酸などの溶質は氷結晶に入りにくいため、まだ凍っていない液体側に残ります。
その結果、凍結が進むほど未凍結部分の糖や酸などの濃度が高くなります。この現象は「凍結濃縮」と呼ばれます。
凍結食品に関する研究でも、食品中では氷結晶と、糖などが濃縮された未凍結相が共存することが示されています。
そのため、凍りかけのジュースでは、氷の部分と液体部分で甘さが同じとは限りません。液体側の方が甘味や酸味を強く感じることがあります。
なぜ全部の水が一度に凍らないの？
飲み物に溶質が含まれていると、氷ができるにつれて残りの液体が濃くなり、その液体の凝固点はさらに低下します。
つまり、最初に一部の水が氷になると、残った液体はより凍りにくくなります。
このため、温度を少し下げただけでは一部分だけが氷になり、さらに低温にすると氷の割合が増えていきます。
凍結した食品や飲料が「氷結晶だけ」ではなく、氷と濃縮された液体が混ざった状態になるのはこのためです。
凍る速さで氷の大きさは変わるの？
変わります。
一般に、急速に冷やして多数の氷核ができると、1個あたりの氷結晶は小さくなりやすくなります。反対に、ゆっくり凍らせて氷核の数が少ないと、少数の結晶が長く成長し、大きな氷結晶になりやすくなります。
食品科学では、氷結晶の大きさや分布が、解凍後の食感や水分保持に大きく影響することが知られています。
飲料でも、シャーベットやフローズンドリンクでは氷結晶の大きさが口当たりに直結します。細かな氷結晶が多いと滑らかに感じやすく、大きな結晶が多いと粗い食感になりやすくなります。
炭酸飲料を凍らせると何が起こる？
炭酸飲料には糖などの溶質に加えて二酸化炭素が溶けています。
凍結すると、水が氷になる一方、糖や二酸化炭素などは残った液体側へ濃縮されます。容器が密閉されている場合は、凍結による体積変化や気体の圧力変化が加わるため、容器に大きな負担がかかることがあります。
そのため、缶やガラスびんなど密閉容器に入った炭酸飲料を凍らせるのは危険です。容器が変形したり、破裂したりする可能性があります。
アルコール飲料は家庭用冷凍庫で凍るの？
アルコール濃度によって異なります。
ビールや低アルコール飲料のように水分が多いものは、家庭用冷凍庫でも一部が凍ることがあります。一方、アルコール度数の高い蒸留酒は凝固点が低いため、一般的な家庭用冷凍庫の温度では完全には凍りにくいものがあります。
ただし、飲料には糖やその他の成分も含まれているため、実際の凍結挙動はアルコール濃度だけでは決まりません。
なぜ一度凍った飲み物は溶かすと味が変わることがあるの？
凍結中には、氷と未凍結液体の間で成分が偏ります。解凍すると再び混ざりますが、完全に均一になるまで時間がかかることがあります。
果汁飲料などでは、果肉や微粒子が沈んだり、乳成分を含む飲料では乳化状態が変わったりすることもあります。
さらに、大きな氷結晶ができた場合には、食品成分の構造や分散状態が変わり、解凍後の口当たりが元と同じにならないことがあります。
そのため、「凍って溶ければ完全に元どおり」とは限りません。
家庭で飲み物を凍らせるときの注意点
飲み物を凍らせる場合は、容器に十分な余裕を持たせることが大切です。水は凍ると体積が増えるため、満杯の容器では膨張によって変形や破損が起こることがあります。
特にガラスびんや炭酸飲料の密閉容器は、凍結による体積増加や圧力変化で破損する危険があるため、そのまま冷凍しない方が安全です。
また、凍結を想定していない乳飲料、果汁飲料、乳化飲料などでは、解凍後に分離や食感変化が生じることがあります。製品表示で冷凍可否を確認することが基本です。
まとめ
飲み物で氷が生じるのは、温度が下がって水の液体状態より氷の結晶状態の方が安定になり、氷核ができて結晶成長が始まるからです。
ただし、実際の飲み物は純水ではありません。糖、塩、酸、アルコールなどの溶質が含まれると凝固点が下がり、0℃より低い温度にならないと凍り始めないことがあります。また、凝固点を下回っても氷核ができるまでは過冷却の液体状態が続く場合があります。
凍結が始まると、水が優先的に氷結晶へ入り、溶質は未凍結部分へ濃縮されます。そのため、凍結は「飲み物全体が同時に固まる現象」ではなく、氷結晶の生成と成長、凍結濃縮が同時に進む過程です。
飲み物の氷は、温度だけでなく、成分、核生成、冷却速度、容器や微粒子など複数の条件が組み合わさって生じるのです。
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参考資料
- 村田敏・田中史彦・松岡孝尚「食品溶液の凝固点降下の測定」日本冷凍空調学会論文集
- 小林りかほか「食品凍結時の過冷却現象が氷結晶の形態およびドリップロスに及ぼす影響」日本冷凍空調学会論文集
- Basic Theory of Ice Crystallization Based on Water Molecular Structure and Ice Structure
- Glass Transition and Re-Crystallization Phenomena of Frozen Materials and Their Effect on Frozen Food Quality
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