【物化】你一定不知道：半品脱啤酒里竟然有这么多的泡泡
将啤酒倒入玻璃杯后，会出现小气泡并开始上升，在杯子顶部形成泡沫。当气泡破裂时，释放出二氧化碳气体，二氧化碳含量直接影响着啤酒的口感、风味及保质期。您是否想过一杯啤酒中有多少气泡？好吧，不要再奇怪了，因为科学家已经找到了答案。近日，法国兰斯大学的研究人员Gérard Liger-Belair和Clara Cilindre通过研究，计算出轻轻倒半品脱啤酒会产生20万到200万个气泡。相关研究成果以“How Many CO2 Bubbles in a Glass of Beer?”为题发表于ACS Omega（ACS Omega, 2021, 6, 9672-9679）。
在世界范围内，啤酒是最受欢迎的酒精饮料之一。淡味淡淡的啤酒通过凉爽的发酵过程生产，将麦芽谷物中的糖转化为酒精和二氧化碳。在商业包装过程中，可以添加更多的碳酸以获得期望的起泡水平。这就是为什么打开啤酒瓶和啤酒罐头时会发出嘶嘶声，倒入杯子时会释放出微米级气泡的原因。这些气泡是啤酒品尝时重要的感官元素，就像起泡酒一样，因为它们会传递味道和气味化合物。此前，Gérard Liger-Belair已经研究出一杯香槟大约有100万只气泡，这正是二氧化碳溶解伴随的现象。那啤酒变会产生多少气泡呢？法国科学家Gérard Liger-Belair和Clara Cilindre希望帮大家找出答案。
气相CO2在液相中的溶解度受亨利定律控制。该定律表明，液相中溶解的CO2的平衡浓度cL与气相CO2的分压成正比cL=kHPCO2，其中kH是液相中气相CO2的、在一定温度下的亨利常数，PCO2是气相中气相CO2的分压。Speers和MacIntosh等人已经大量报道了气相二氧化碳在纯水中的溶解度，而啤酒中二氧化碳溶解度的数据甚少。通常的理论CO2溶解度模型不能解决当今啤酒的复杂性和种类繁多的问题。作者选取啤酒样品，通过kH≈1.977(0.86-0.01a)(1-0.00144b)求出了气相CO2的亨利常数，其中a为样品中酒精的体积百分比，b为样品中糖的密度。气相CO2在液相中的溶解度与温度密切相关，液相温度越低，气相溶解度越高，因此亨利常数越高。可用van´t Hoff方程方便地表示为
，其中k293K是20 ℃时液相中气相CO2的亨利常数，ΔHdiss是气相CO2在液相中的溶解焓，R是理想气体常数，T是绝对温度。与纯水相比，混合物会改变气相CO2在液相中的溶解度和溶解焓，对于酒精含量低于10％的啤酒，CO2的亨利定律常数和溶解焓与纯水中的相比，没有显着差异。在实际品尝温度为6 ℃时，气相CO2溶解焓≈2.4 g L−1 bar−1。
图1
（来源：ACS Omega）
在密封的啤酒瓶中，盖下方顶部空间中的气相体积VG与啤酒的体积VL（即液相）共存。在密封瓶中，CO2的总摩尔数（表示为nT）是一个守恒量，在气相中分解为nG摩尔，在液相中分解为nL摩尔。因此nT = nG + nL。在啤酒瓶的实际压力范围内，可以安全地假设瓶盖下的气相体积受理想气体定律的支配。最后，溶解CO2和气相CO2遵循上面所描述的方程组，如图1所示。
图2
（来源：ACS Omega）
在一个密封的啤酒瓶中，CO2的溶解是通过瓶盖下方顶部空间几帕的气相CO2压力来实现的，如图2所示。当取下瓶盖并将啤酒分配到玻璃杯中时，溶解的和气相CO2的热力学平衡就被破坏了。空气中气相CO2的分压接近0.4 mbar。根据亨利定律在6 ℃下，新的稳定的溶解CO2浓度仅为1 mg L-1，因此，几乎所有保留在啤酒中的溶解CO2必须从液相中解吸（通过鼓泡和通过自由空气/液体界面扩散）。在溶解CO2的气体过饱和度很弱的液体中，气泡的形成必需克服成核能垒，而且空腔的曲率半径必须大到足以克服成核作用才能自由生长，CO2气泡需要浸入液相预先存在的气体腔，其曲率半径大于临界半径。该过程称为非经典异质气泡成核。根据拉普拉斯定律，气泡内外的压力差会和气泡半径成反比，气泡越小，内部的压力就越大。若低于某个临界半径，空腔内部的气体压力过大，便会阻止液体中溶解的CO2扩散到空气中。对分配在玻璃杯中的啤酒来说，实现非经典异质气泡成核（在6 ℃时）所需的临界半径约为0.7 μm。
图3
（来源：ACS Omega）
在标准的啤酒品尝条件下，作者研究了溶解的CO2的临界浓度。在通常的起泡饮料消费条件下（即在玻璃杯中），溶解的CO2浓度随时间连续降低在该临界浓度以下，玻璃中气泡成核在热力学上便不可能再发生。当一个气泡从成核点释放出来后，它会一边奔向表面，一边不断成长。气泡生成的动力学特性也取决于二氧化碳的溶解浓度。在品尝之初，香槟泡沫的体积约为啤酒泡沫体积的2.5倍，图3（a）是一杯啤酒中的气泡上升和增长的高速照片，图3（b）是一杯香槟酒中的气泡上升和增长的高速照片。
一杯啤酒中可能形成的气泡总数可以方便地表示为
（参数详见SI）。通过计算，研究人员估计，在半品脱的啤酒消散之前，可能会释放出20万至200万个气泡。但这个有趣的研究结果可能会有偏差，啤酒的气泡数量可能还会因啤酒的风格、盛放啤酒的玻璃种类等因素而有所不同。