每天喝可乐，你知道碳酸饮料背后的气泡科学吗

打开酒瓶，举起酒杯，为物理和化学以及美好的事物而干杯。

在法国葡萄酒之乡的一个实验室里，一群研究人员小心翼翼地安装着一台超高速相机。像许多优秀的科学家一样，他们致力于解开宇宙的秘密，寻求用数学、物理学和化学的语言来描述物质世界。他们的研究对象是：香槟酒中的气泡。

化学物理学家热拉尔・利吉尔・贝莱尔（Gérard Liger-Belair）是兰斯大学"泡沫与香槟"八人小组的负责人，他可能比地球上其他任何人都更了解香槟的泡沫。从 2001 年他的博士论文开始，利吉尔・贝莱尔就开始专注于研究杯子内部和上方的起泡现象。他已经写了 100 多篇关于这个主题的论文，包括 2021 年在《分析化学年度评论》中对香槟和起泡酒的深入研究，以及一本畅销书《开瓶：香槟的科学》。

利吉尔・贝莱尔回忆说："当我还是个孩子的时候，我就着迷于吹肥皂泡和看肥皂泡。这种迷恋一直持续着，支撑我做了很多实际工作。气泡有很多吸引人的地方，不仅仅是气泡酒的乐趣。"利吉尔・贝莱尔展示了由海雾中微小气泡破裂之后升入天空形成的气溶胶，并说明了海洋是怎么借此影响云层形成以及气候变化的。他甚至帮助天文学家确定了土星卫星土卫六的雷达扫描图中的一些神秘亮点可能是其极地海洋表面爆出的几厘米大小的氮气泡。

利吉尔・贝莱尔很高兴在过去 20 年里，将工作重点放在香槟和包括可乐和啤酒在内的其他发泡饮料的气泡上。他的实验室研究了所有影响气泡的因素，从软木塞的类型到酒的成分，再到饮料的倾倒方式。他们研究二氧化碳气泡是如何影响口感的，包括气泡的大小和数量以及挥发到杯子上方空气中的芳香族化合物。

为了寻求答案，他们转向了气相色谱法和其他分析技术。并且，在这一过程中，他们拍摄了一些引人注目的照片。世界各地的其他人也将目光投向了气泡，甚至发明了机器人来稳定地倒酒，并开始关注我们享受气泡时的心理学。

从葡萄到玻璃杯的香槟

传说，当年法国香槟区一家修道院酒窖主人，修士唐・皮耶尔・培里侬（Dom Pierre Pérignon）喝下了有史以来第一支偶然产生的起泡酒，并感叹道："我在喝星星！" 事实证明，这可能是虚构的。最早的起泡酒可能来自法国另一个修道院，而关于发泡问题的第一篇科学论文来自英国人克里斯托弗・梅雷特（Christopher Merret），他在 1662 年向新成立的伦敦皇家学会提出了这个想法，这比培里侬当酒窖主人还要早几年。

生产香槟的传统方法包括对葡萄进行第一次发酵以生产基酒，再加入甘蔗或甜菜糖和酵母，让其进行第二次发酵。然后，二次发酵的葡萄酒至少放置 15 个月（有时是几十年），期间死亡的酵母细胞会改变葡萄酒的味道。死掉的酵母被冷冻到瓶颈的一个塞子里，然后拔掉塞子，去掉这些酵母。这中间会散失饮料中的一些气体。

葡萄酒会被重新装瓶，有时会加入额外的糖分，瓶子中空气层和液体层之间建立了新的平衡，并决定了最终的二氧化碳溶解量。(对于那些想看数学题的人来说，有方程式来描述每个阶段的气体含量）。

科学家们发现，一个由带有大量粘合剂的小颗粒制成的优质软木塞，可以让气体在瓶子里保持至少 70 年。

当然，最终产品的味道在很大程度上取决于原材料。肯尼・麦克马洪（Kenny McMahon）说："葡萄是葡萄酒质量的核心。"他是一名食品科学家，在创办自己的酒厂之前，曾在华盛顿州立大学研究起泡酒。酒的味道很大程度上也取决于在最后阶段加入多少糖，麦克马洪说："在'咆哮的二十年代'（1920 年代），美国的香槟酒真的很甜。现代人的口味改变很多，而且因国家而异。"

但气泡也是非常重要的：葡萄酒中的蛋白质，包括来自酵母细胞的蛋白质，可以固定较小的气泡，使香槟酒杯顶部出现理想的"慕斯"泡沫，在口中发出更清晰的爆裂声。根据墨尔本大学西格弗雷多・富恩特斯（Sigfredo Fuentes）的说法：一个普通消费者对起泡酒的大部分印象来自于对气泡的无意识评估。

研究数字农业、食品和葡萄酒科学的富恩特斯说："你基本上可以通过视觉上的第一反应来判断喜不喜欢一款香槟。这个效应很强大，以致于人们会很喜欢一种倒酒之前临时用声波激发气泡的廉价无气葡萄酒，人们甚至愿意为这种葡萄酒支付更多的钱，"他笑着说："对于这种真正的劣质酒，它也可以卖到 50 美元。"

通常情况下，为使饮料具有理想的泡沫爆裂口感和碳酸口味，饮料中每升液体至少需要包含 1.2 克二氧化碳。但过多的二氧化碳也不合适，杯中空气中超过 35.5% 的二氧化碳会刺激饮酒者的鼻子，产生令人不快的刺痛感。在香槟笛（译注：一种醒酒器）处的刺激性可能更大，因为香槟笛中液体上方的二氧化碳浓度几乎是宽口的蝶形杯的两倍。如果从冰镇的瓶子中倒出，那么刺激性则低于温热的瓶子。

利吉尔・贝莱尔的团队发现，一个好的软木塞（由用大量粘合剂粘在一起的小颗粒组成）可以将气体保持在瓶子里至少 70 年。在那之后，饮料变得平淡。2010 年考古人员在一艘沉船上发现的一瓶沉睡水下 170 多年的香槟就是一个例证。

利吉尔・贝莱尔和他的同事克拉拉・西林德勒（Clara Cilindre）收到了几毫升这种珍贵的"灵药"来研究。在 2015 年，他们和同事说，这些葡萄酒有一些有趣的特性，包括异常高的铁和铜的比例（可能来自用于陈酿的木桶中的钉子，或者甚至来自葡萄上的杀虫剂）。它们还有大量的糖分，但酒精含量却出奇的低，这也许是因为在比平时更低的温度下进行了晚期发酵。虽然利吉尔・贝莱尔和西林德勒很遗憾没有机会品尝他们的样品，但其他品尝到的人用"俗气"等词语来描述它。

对于更常见的一瓶普通香槟，甚至倒酒的方法也会对气泡产生影响。如果将 100 毫升的香槟直接倒入垂直的香槟笛中，利吉尔・贝莱尔计算出杯子里有大约一百万个气泡。但是，从酒杯侧面轻轻倒下的 "啤酒式倒法" 会使其增加数万个气泡。他说，"如果操作不当，溶解的二氧化碳会有巨大损失。"玻璃内部的粗糙点也可以帮助形成气泡，一些玻璃制造商在玻璃内部蚀刻形状以帮助这一过程。麦克马洪说，为了避免引入产生气泡的表面活性剂，有些人甚至不会用肥皂来清洗他们的杯子。

香槟口味测试

富恩特斯正在追求另一个角度的商业应用。他的团队创造了 FIZZeyeRobot-- 一个简单的机器人设备（原型由乐高积木制成），可以进行稳定的倒酒。机器人使用摄像头测量玻璃顶部泡沫的体积和寿命，并有金属氧化物传感器来检测玻璃上方空气中的二氧化碳、酒精、甲烷等物质的浓度水平。该团队正在使用基于人工智能的软件，利用这些因素来预测饮料本身的芳香化合物，重要的是，它可以预测酒的味道。(这项研究大部分是针对啤酒进行的，因为啤酒的制造成本更低、速度更快，但它也适用于香槟酒）。

富恩特斯说："我们可以预测不同消费者对气泡酒的接受程度，他们是否会喜欢它，以及他们为什么会喜欢它。"这种预测是基于该团队自己的品尝者偏好数据集，以及包括体温、心率和面部表情在内的生物识别技术。他说，使用这一信息可以确定任何起泡酒与死酵母一起放置的最佳时间，以便最大限度制造出好喝的饮品。他预计该系统将在 2022 年投入商业使用。

当然，人类的味觉是不同的，也是可以被欺骗的。许多研究表明，品酒体验深受由酒的外观或环境决定的心理预期影响，包括从陪伴的人到房间的灯光和音乐。然而，利吉尔・贝莱尔通过几十年的经验，形成了个人对陈年香槟的偏好（陈年酒往往含有较少的二氧化碳），在接近 12 摄氏度的温度下，轻轻地倒入一个大的郁金香型玻璃杯（更传统地用于白葡萄酒），并且不要倒太满。

他说："自从我成为一名科学家后，许多人告诉我，我似乎找到了所有物理学中最好的工作，因为我的职业生涯是围绕着泡沫展开的，我在一个备有顶级香槟的实验室里工作。""我同意这个说法"，但他真正的职业乐趣，他补充说，"自于我仍然像小时候一样对泡沫有着孩子般的迷恋，这种对泡沫的热爱还没有破灭。"

作者： Nicola Jones

翻译：Nuor

审校：藏痴

原文链接：Champagne bubbles: the science

本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Nicola Jones