喝香槟 品科学——香槟的六大秘密
砰的一声打开一瓶香槟是生活中一大乐趣。这背后的科学你了解多少？本文揭示香槟的六大秘密。了解一点香槟美酒的科学，下次你享用香槟时，你会感受到更多乐趣。
1. 香槟砰地打开，伴随而生的雾到底是什么？
享用香槟之前，当然要开瓶倒酒。你可以一点一点用起子把瓶塞取出，但是大部分情况下，我们是砰的一声，猛然打开一瓶香槟，见图1连续图片。你会注意到，随着瓶塞飞出，瓶口周围形成一团雾。这个美丽的现象是如何形成的？提示一下，香槟是水和乙醇的混合物，并溶有过饱和的二氧化碳(CO2)。
图1 香槟砰地打开
香槟酒酿造第一阶段是，法国香槟区收获的葡萄在开口的大桶里发酵。第二次发酵阶段在密闭的瓶里进行，二氧化碳生成，当然还会继续产生乙醇。香槟具有特殊的芳香，来自葡萄和酵母产生的挥发性化合物。这些化合物在酒的陈化过程中缓慢氧化，产生新的分子，这些分子也给香槟带来香味。
二氧化碳在香槟中溶解的量由亨利定律决定。亨利定律内容是溶液中溶解的气体的平衡浓度与气相中该气体的分压成正比。分压是指假设气体混合物中某种气体单独存在并占有与混合气体相同体积时所具有的压强。对于香槟这种起泡的酒来说，亨利定律意味着要在液体中溶解更多的二氧化碳，就需要在酒和瓶塞之间的顶隙上加高压。这就是香槟酒瓶需要不易碎的玻璃和紧实的塞子。
但是二氧化碳的溶解量还依赖于温度，随着液体冷却，气体溶解性越来越改善。在香槟理想饮用温度8–10 °C，酒里二氧化碳的浓度为11.5 g/L，瓶中的气压接近5巴。此时打开酒瓶，顶隙中的二氧化碳的气压从5巴急剧降到常压1巴。可以认为二氧化碳气体绝热膨胀，其温度急剧降了难以置信的80–85 °C，可以使水蒸气和乙醇蒸汽凝聚成液滴，这些液滴形成我们看到的雾。(2013 J. Food Eng. 116 78)
另外，酒瓶一旦打开，二氧化碳的热力学平衡态就被破坏，酒里溶解的二氧化碳连续逸出，因为气相中的二氧化碳的分压降至约0.0004巴，即大气中的二氧化碳的分压。从热力学上说来，所有溶解的二氧化碳都会从香槟里逸出，幸运的是，这种情况不会瞬时完成，你需要等几十个小时之后，香槟才会完全挥发干净。希望你不会犯傻，将开瓶的酒放置这么久而白白浪费。
2. 如何倒香槟酒？
你已经把香槟酒打开了。现在你要把酒倒入酒杯，怎样倒才能尽可能长时间的保持气泡？兰斯大学研究了两种倒酒方法，如图2所示。第一种方法是，将酒直下倒入竖直立着的酒杯。第二种方法是，将酒倒在倾斜的酒杯的壁上。
图2 酒杯竖直还是倾斜？
研究发现，倾斜的酒杯中的酒中的二氧化碳浓度比竖直酒杯中的二氧化碳的浓度更高。这是因为将酒倒在倾斜的酒杯的壁上，可以使香槟柔和地流下，而将酒直下倒入竖直的酒杯，会造成湍流，并使酒中包住一些空气泡。这两种效应都会加剧二氧化碳的逸出。
这些发现与红外成像结果相符。红外成像可以显现倒酒过程中逸出的二氧化碳，如图2所示。二氧化碳强烈吸收波长约为4.2 μm的红外线，红外像上越亮，表示逸出的二氧化碳越多。从图2可以看出，酒直下倒入竖直的酒杯时，逸出的二氧化碳较多。香槟冰镇之后，二氧化碳逸出也少，因为酒的粘度增大了。酒的温度越高，倒酒时湍流和紊乱现象越显著，造成二氧化碳逸出增快。
3. 笛形杯还是碟形杯？
香槟爱好者在酒吧、饭店和专业葡萄酒杂志上一直争议一个问题：喝香槟应该用笛形杯还是碟形杯？我们从科学寻求答案。有一件事情是无疑义的：当你品尝香槟的时候，气体二氧化碳和挥发性芳香化合物逐渐进入酒杯的顶空，慢慢改变你对酒的气味的感受。
图3 笛形杯还是碟形杯？
要搞清楚酒杯的形状对酒的气味的影响，科学家用气象色谱测量了酒杯上方二氧化碳和乙醇的量，发现笛形杯上方二氧化碳的浓度是碟形杯上方二氧化碳浓度的2倍(2012 PLOS ONE 7 e30628)。笛形杯上方二氧化碳的浓度更高，这个结果与红外成像结果一致，如图3所示。
这一发现与品酒师对香槟和其他气泡酒的感官分析一致，品酒师也一般认为笛形杯比碟形杯的香槟气味更浓，尤其是刚倒入杯中的时候。小心不要吸气不要太猛，因为高浓度二氧化碳会伤到你的鼻子，尤其是你用笛形杯的时候。有初步研究认为，郁金香杯比传统笛形杯略短，顶部略向内弯曲，可能同时保持高浓度二氧化碳和香气的最佳的酒杯，
4. 一杯香槟里有多少气泡？
香槟酒杯里可能会产生多少二氧化碳气泡，这不仅是调酒师、葡萄酒记者和品酒师面对的问题，也是使物理学家感到有趣的问题。从热力学上讲，气泡形成需要克服一定的势垒（即挤开液体 分子——译者注）。在弱过饱和液体里，如香槟酒和其他碳酸饮料，气泡不是无中生有的，而是要从已经存在的气体空腔成核生长，要能够成核生长，气体空腔的曲率半径还要超过一个临界大小（约零点几微米）。
图4 小心实验
科学家利用高速摄像机研究了香槟酒，发现气泡成核位点主要位于酒杯壁上圆柱形中空的纤维素纤维所限住的气体空腔。这些纤维有两个主要来源，一是酒杯清洁布，二是沾在酒杯壁上的空气中的漂浮物。重要的是，这些纤维顶端有几微米大小的孔——超过气泡生长的临界半径。
发展数学模型，把气泡上升动力学与传质方程结合起来，研究杯中会产生多少气泡。(2014 J. Phys. Chem. B 118 3156)不出所料，气泡数目与酒和酒杯都有关系。气泡数目随酒的温度的升高和气压的增大而增多。但是气泡数目随着香槟的高度的增大而减小，即要想泡泡多，酒不要倒太多。
粗略地讲，如果你往竖直的笛形杯里直下倒入100 ml香槟，会产生100万气泡——如果你能忍住一直不喝。如果将香槟沿倾斜的笛形杯壁倒入，会多产生数万气泡。
5. 香槟流动模式如何影响其香味？
气泡形成后，会向香槟表面上式，同时吸附溶解在酒里的二氧化碳而连续增大。这些上升的气泡会排开周围的液体，这些液体反过来又扰动流体层，拖曳着流体粒子一起上升。香槟一直在运动，表面时时在变化，挥发性芳香物质可以相对容易地逸出，给人莫大的享受。等香槟不再冒泡，就会静止在杯中。如果你不摇动，你的香槟酒很快就会失去香味。
图5 香槟中的运动
兰斯大学的物理化学家和流体力学家合作，用激光层析术香槟酒内揭示了肉眼所看不到的运动。研究人员先往杯内放入大小10–100 μm之间的丽绚（耐纶11型聚酰胺纤维）粒子，然后往杯中倒入香槟。这些塑料粒子与酒的密度相同，因此可以悬浮其中。丽绚粒子反射激光，可以显现出刚倒入杯内的香槟酒内的流动模式，如图5所示。
在实验中，研究人员用了两种酒杯，一种酒杯用蚁酸清洗过，确保杯壁上无纤维附着，避免气泡成核，另一种杯子是没有用蚁酸清洗过的酒杯。将香槟酒倒入用蚁酸清洗过的酒杯，酒内无气泡，非常平静，丽绚粒子一动不动。但是，在未被蚁酸清洗过的酒杯中，酒内有气泡产生，并形成多个气泡串。这些气泡串使酒向上流动，带动丽绚粒子向上运动，我们因此看到竖直取向的光条纹。
图6 特写
上升的气泡驱动的流动模式不仅仅看起来很漂亮，它们还是给香槟品酒师的美好的礼物，大大增加了酒面之上的芳香分子的扩散。换言之，无需晃动酒杯即可享受香槟的芳香和风味。
6. 气泡破裂为何使香槟的香味更浓郁？
刚倒入香槟的笛形杯的上方是探索气泡破裂物理的绝佳场所。单个气泡上升到液体表面，会在液面上漂浮片刻，像一座小冰山，只有一小部分在液面之上。但是当新出现的膜破裂时，会发生复杂的流体力学过程，使气泡在液面以下的部分消失。法国兰斯大学和巴黎皮埃尔与玛丽-居里大学的研究人员利用高速照相机和数值模拟方法研究了相关过程。
图7 破裂
研究发现，当液面上的各个气泡破裂的时候，各个气泡会喷射出高速液流，这些高速液流立刻裂成许多小液滴，如图7所示。事实上，无数上升的气泡破裂，并在液面上喷射出大量液滴，形成非常好看气溶胶，如图8所示。这种香槟泡泡释放的气味是从不气泡的酒里所品味不到的。
海洋学家早就注意到，海水里的空气泡带有表面活性剂，当气泡上升到海面破裂，把这些表面活性剂释放出来。香槟气溶胶里是否也有高浓度的表面活性剂？法国兰斯大学和德国亥姆霍兹慕尼黑研究中心的科学家利用超高分辨质谱分析了香槟液滴的化学组成(2009 Proc. Natl Acad. Sci. 106 16545)。
图8 泡泡科学
研究发现，破裂的气泡产生的液体里有数百种不同的表面活性剂分子。这些分子进入香槟气溶胶，使香槟气溶胶带上与香槟本体显著不同的化学指纹。另外，香槟气溶胶里几十种表面活性剂分子是芳香物质的化学前体。对比香槟气泡和海水气泡，研究发现破裂的气泡和香味提升确有关系。每一杯香槟酒里，破裂的气泡起到芳香物质的“电梯”的作用。
完美香槟
现在你就知道如何科学地享用香槟了。香槟先冰镇，享用的时候，酒的温度在8–10 °C之间。将酒沿着倾斜的杯壁倒入酒杯（不要直下倒入竖直的酒杯）。酒杯最好选郁金香形杯，这样可使散发如你鼻孔的芳香物质和二氧化碳有理想的平衡。不要把酒杯清洗的过于干净，否则上升的气泡串不够多，这样气泡带出的香味就不够。记着，不必晃动酒杯，气泡串会自动扰动液体，使芳香物质逸出。深吸气（但不要过深），享受香槟的酒香，然后饮下这杯中尤物。
致以节日的问候！
关于作者
Gérard Liger-Belair，法国兰斯大学教授，研究碳酸饮料气泡的物理化学，多家香槟酒庄的顾问。著有Uncorked: the Science of Champagne。
