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香槟泡泡的金色魔力
到底香槟泡泡是如何形成？
它如何在上浮、迸裂的过程中带动香气？
撰文╱李杰–贝拉（Gerard Liger-Belair），法国蓝斯香槟阿丹尼大学副教授，研究碳酸饮料的物理化学，也担任酩悦香槟酒厂研究部门的顾问。
翻译／陈义裕，美国加州理工学院物理博士，台湾大学物理系教授
气泡品质兹事体大
开瓶香槟，为自己倒上一杯，然后啜饮一口吧！那翻腾的气泡上浮、迸裂，在液面发出优雅的嘶嘶声，把上千个金色泡泡抛入空中，同时也释放出酒中那撩人鼻息、鼓动味蕾的香醇。伴随那满口芳香、清凉沁透脾胃却又暖人心窝的酒气，微小金色泡泡谱出了节奏轻快的交响曲。而这，正是法国东北香槟区典型气泡酒的迷人之处，也是世界各地庆典中不可或缺的一员。
沿着玻璃杯壁一列列缓缓上升的气泡，就像是许多迷你的热气球一样，这是一瓶好香槟的众多特质之一。在满盈香槟的笛形杯里，气泡升至酒液平面之后，就会形成一个项圈般的环（collerette）。虽然没有任何科学证据显示香槟的质量和气泡的大小有什么连带关系，人们还是把两者联想在一起。由于确保香槟能有气泡翻腾的传统特色是一件攸关生意的大事，因此对于香槟酿酒厂来说，制造出极致完美的小泡泡就至为重要了。有鉴于此，数年前我和法国蓝斯香槟阿丹尼大学以及「酩悦香槟」（Moet & Chandon）酒厂的几位研究伙伴，便决定来研究碳酸饮料中气泡的行为。整个气泡生命史里包含许多因素，我们的目标是要决定、描述并进一步了解这些因素各自扮演的角色。在玻璃杯中斟满了气泡酒、啤酒或汽水，然后进行这种简单却仔细的观察，竟在视觉上展现出它从未被发掘的迷人现象。我们最初的研究结果专注在气泡生命史中的三个主要阶段∶气泡的生成、上浮，以及迸裂。
气泡的生成
在香槟、气泡酒以及啤酒中的气泡，主要是由二氧化碳所形成，这是由于糖在经过酵母菌发酵后，会转换成酒精及二氧化碳分子。但是汽水之类的饮料之所以会发出嘶嘶声，则是工厂将之碳酸化的结果。在装瓶或装罐后，溶解在液体中的二氧化碳会依循亨利定律（Henry's law），与软木塞、瓶盖或拉环下的气体达到平衡；这个定律说明，在平衡时，气体溶解于液体中的数量，会和气体的压力成正比。
打开一个瓶罐，液面上二氧化碳气体的压力就会急遽下降，破坏了原先已达到的热力学平衡；如此一来，液体中的二氧化碳分子便呈现过饱和状态（supersaturation）。为了要与大气压力重新取得平衡，二氧化碳分子就必须从这个呈过饱和状态的液体逃逸。而当我们把饮料倒入杯中时，有两个机制会让溶解的二氧化碳逃离：从液体的表面扩散出去，或是形成气泡。
但是，若要群聚这些溶解的二氧化碳，使气泡诞生，这些气体分子就必须挤开周围那些受到凡得瓦力（van der Waals force，一种偶极吸引力）强力牵系在一起的液态分子，因此气泡的形成会受到这个能量障碍的牵制。然而，要克服能量障碍所需达到的过饱和比例，根本就超过气体溶解于碳酸饮料中的量。
这样一来，要在只稍稍过饱和的液体中（包括香槟、气泡酒、啤酒及汽水皆是如此）形成气泡，就必需要有事先存在的气体空腔，而且空腔的曲率半径必须大到足以克服这个成核作用（nucleation）的能量障碍，气泡才可以自由地成长。之所以会如此，完全是因为气泡表面的曲率会影响到它内部气体的压力，而根据拉普拉斯定律（Laplace's law），气泡内外的压力差会和气泡半径成反比，也就是说，气泡越小，里面的压力就越大。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二氧化碳扩散到空腔里。对新开瓶的香槟来说，这个临界半径约略是0.2微米。
为了要仔细观测气泡产生的位置（或称为「气泡温床」），我们把装有显微镜头的高速摄影机对准数百串气泡的底部。和一般想法相反的是，这些成核点（nucleation site）并非坐落于玻璃杯表面不规则的坑洞里，因为它们的宽度远低于气泡形成所需要的临界曲率半径。其实啊，这些气泡温床根本就是附着在玻璃壁上的杂质，大部份是中空且呈圆柱状的纤维，它们是从空气中掉落，或者是在擦拭玻璃杯的过程中遗留下来的。由于这些外来粒子的几何形状无法被饮料完全沾湿，所以在杯子斟满时就可以包住一些气袋（见右图）。
在气泡的形成过程中，溶解的二氧化碳分子会跑进这些微小的气袋中，最后就长成一个肉眼可见的气泡。气泡受到毛细力的拉扯，起初一直停留在成核点，随后这个气泡所受的浮力会不断增大，最后从成核点分离出来，而这也提供了让另一个新泡泡形成的契机。同样的过程会不断重复，直到溶解的二氧化碳都用尽，气泡也就不会再继续产生了。
在每个成核点上产生气泡的循环过程，其特性就由「发泡频率」（也就是每秒钟能产生几个气泡）来界定，这个频率可以利用频闪仪（stroboscope）来观测。当频闪仪的闪光频率与气泡的产生频率相等时，这一串气泡看起来就像冻结住一样。
由于气泡生成的动力学特性也取决于二氧化碳的溶解浓度，因此，不同的碳酸饮料就有不同的气泡生成频率。例如香槟，它的二氧化碳气体含量大约是啤酒的三倍，所以在最活跃的成核点，每秒钟冒出来的气泡可以高达30个。相对的，在啤酒的气泡温床处，每秒钟顶多只产生10个气泡。
气泡慢慢上浮
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（见中图）。在气泡上升的过程中，溶解的二氧化碳会不断自气泡表面扩散到气泡里头去，因此气泡会不断变大。一旦气泡扩大，浮力也跟着增加，使得它们在上升过程中不断加速，气泡彼此之间的间距也就越来越大了 。
啤酒与气泡酒并不是纯液体。除了酒精与溶解的二氧化碳之外，还包含了其它许多的有机化合物，会和肥皂分子一样展现出表面活性。这些表面活性剂（surfactant）泰半是由蛋白质与醣蛋白所组成，同时具有水溶性与非水溶性的部份。因此，表面活性剂不会乖乖溶解在液体中，反而是喜欢群聚在气泡表面，让疏水端对准气体，而亲水端则一头栽入液体中。
一旦浮力不断增强，便会导致气袋与气泡温床分离，驱使气泡在液体分子间破浪前行，此时，周围的表面活性剂对于气泡会展现何种行为就非常重要了。附着在气泡上的表面活性分子会在表面形成一个防护罩，强化气泡的结构。根据流体力学理论，在流体中上升的球形刚体，其所遭受的阻力会比表面不含表面活性剂的弹性球体要大，而且在上升过程中所碰到的表面活性分子，还会逐渐在气泡表面累积，这使它不易变形的面积更加扩大。因此，一个半径固定的气泡，在上升时所受到的流体力学阻力会逐渐增加，当这个液–气态界面完全被表面活性分子覆盖而「污染」后，气泡的速度也将降到最低。严格来说，在气泡表面完全被「污染」之前，气泡的边界就已经完全硬化了，这个现象最近才由法国斯特拉斯堡市路易巴斯德大学的团队所证实。
可是，一边上升、一边扩大的气泡，其行为远比半径固定的气泡还来得复杂。对于前者而言，气泡在过饱和溶液中上升时，体积膨胀会导致表面积增加，这就使表面活性剂有更大的空间可以附着其上，所以膨胀中的气泡会被互相抗衡的效应所影响。如果气泡膨胀的速率超过表面活性剂使气泡表面硬化的速度，气泡就会不断「清洁」它的界面，这是因为表面活性剂所覆盖的表面积与不含活性剂的表面积之比值一路下降。如果这个比值增加，气泡的表面就会遭受表面活性剂单层分子膜的无情污染，并开始硬化。
测量香槟与啤酒气泡一路上升到表面的阻力系数，然后再和气泡动力学科学文献中的数据相比较之后，我们获致的结论是：啤酒气泡的表现就像是个球形刚体。相形之下，香槟、气泡酒与汽水中的气泡在上升过程中，界面就比较容易变形。这结果当然不会让人太意外，因为啤酒所含的表面活性剂巨分子数量（每公升约有数百毫克）比香槟多了许多（每公升只有数毫克），而且由于啤酒的气体含量比较低，啤酒气泡的成长速率也会比香槟气泡来得慢。正因如此，啤酒气泡因膨胀所导致的清洁效应或许太弱，以致无法避免气–液体界面的硬化。而在香槟、气泡酒与汽水中，气泡因为长得太快，界面活性剂分子的数量还不足以使它们变硬。
给我泡泡，其余免谈
根据酒类专家的说法，喝香槟最好是使用杯身较长的「笛形香槟杯」（champagne flute，其形状有如郁金香或圆锥体，如右图，容量多达180 cc左右），如左页图所示。这种狭长形的设计可以延伸并凸显气泡浮升至顶端的流畅性，而向内收敛的杯口则会汇聚气泡所携带的香气，并使它们迸裂时释放出来的芳香得以集中。它狭窄的杯身则会延长饮品的冰凉，使它持续冒泡。
笛形香槟杯比所谓的「碟形香槟杯」（champagne coupe，过去相当流行的一种杯身短、开口如碟状的玻璃杯，如左图）更适合用来喝气泡酒。传说中，这种碟形杯是根据18世纪末法国玛丽皇后（Marie Antoinette）那对出名的胸部塑造而成的。时至今日它虽然仍很流行，但是根据品酒专家的说法，这种碟形杯的设计从来都不是用来喝香槟的，所以也无法让品尝的人得以充份享受香槟的特质。由于碟形杯的杯身浅、杯缘宽，会比较站不稳、容易泼洒出来，也不能像笛形杯一样，能够长时间保持酒的冰凉。更何况，碟形杯也无法以最佳的方式呈现出一串串气泡的优雅姿态。
要打开一瓶香槟，你应该让瓶口以45度倾斜向上，不要让软木塞对准自己或任何人。手握软木塞，并朝同一个方向轻轻旋转瓶身。你应该让软木塞轻喟一声跳出来，而不是砰一声让它弹射出去。砰一大声只会徒然浪费泡沫；正如俗话所说的：「爽了耳朵，亏了舌头。」
气泡在砰声中遽逝
一个香槟气泡几乎在它从饮料表面探头而出的那一瞬间，就开始迸裂了（见右图连续图）。第二张图中，构成一个气泡突出部份的液体薄膜刚刚破裂。在这个极为短暂的事件中，将近一公厘大小的气泡，形状仍然保持不变。空腔的迸裂会形成一股高速的液体喷束迸飞出表面（第三图），由于它本身速度的关系，喷束并不稳定，还会形成表面张力波，把喷流裂解成许多小水滴。自你倒酒进去后，每秒钟都会有数百个泡沫迸裂，所以液体表面会充斥着许多圆锥状结构，只可惜它们持续的时间太短，所以肉眼看不到。
泡沫花丛：由于表面泡沫的迸裂非常迅速（少于100微秒），很少有照片能够捕捉到这个过程。当邻近的一个泡沫迸裂时，它所造成的吸力会使群聚在一起的泡沫变形，形成赏心悦目的花朵状结构（见左图）。中心没有泡沫的区域，会把它近邻的泡盖（气泡露出液面的部份）拉扯至新形成的空腔处。意犹未尽吗？欲阅读完整全文，请参阅2003年2月号「金色泡泡的无边魔力」一文。
延伸阅读
你可知道，就只有产自法国香槟区（位于法国北部，距巴黎约一个多小时车程）的气泡酒可以称为「香槟」，其它地方出产的只能称为气泡酒？想了解关于香槟酒的更多秘密吗？你可以造访香槟酒的官方网站，感受那股清新芬芳的法国浪漫气息！ 本文作者为法国酩悦香槟（Moet & Chandon）酒厂的顾问。这是一家拥有260年酿酒传统的法国知名酒厂，曾因拿破仑的喜爱而赢得「Imperial，皇室香槟」的美誉，为法国最具国际知名度的香槟酒商之一。酩悦香槟成立于1743年，到今年适逢260周年，来看看他们的网站吧！ Through a Beer Glass Darkly. Neil Shafer and Richard Zare in Physics Today, Vol. 44, pages 48-52; 1991. Beauty of Another Order: Photography in Science. Ann Thomas. Yale University Press, 1997. The Secrets of Fizz in Champagne Wines: A Phenomenological Study. Gérard Liger-Belair et al. in American Journal of Enology and Viticulture, Vol. 52, pages 88-92; 2001. Kinetics of Gas Discharging in a Glass of Champagne: The Role of Nucleation Sites. Gérard Liger-Belair et al. in Langmuir, Vol. 18, pages 1294-1301; 2002. Physicochemical Approach to the Effervescence in Champagne Wines. Gérard Liger-Belair in Annales de Physique, Vol. 27, No. 4, pages 1-106; 2002.调味品网wWw.tiaoweiwang.Com行业招商批发平台,提供食品,干货,香辛料,火锅底料,食品添加剂,复合调味品,酱油,醋,糖,香油,鸡精,调料,味精,番茄酱,芝麻酱等市场行情。