提起香槟，你脑子里会想到什么？喷出的瓶塞？还是酒杯里满满的气泡？
在品尝香槟的时候，除了味道，二氧化碳含量也是影响口感的因素之一。然而，不同的酒瓶尺寸，储存时间等都会影响酒中CO2的含量，那么如何才能买到口感良好的香槟呢？科学家告诉你选酒方法！
近日，来自法国兰斯大学的Gérard Liger-Belair教授及其团队对13种连续年份的香槟进行了溶解CO2浓度的测量，基于第一菲克定律，提出了香槟陈酿过程中溶解CO2理论浓度随时间变化的多变量指数衰减型模型。此外，研究人员结合相关参数（包括酒瓶尺寸）提出一个公式来估算长时间陈化后瓶装酒的保质期。该研究以“Losses of Yeast-Fermented Carbon Dioxide during Prolonged Champagne Aging: Yes, the Bottle Size Does Matter!”为题目发表在期刊“ACS Omega”上。
香槟中的CO2可不是“打”进去的
喝香槟最酸爽的一瞬间，莫过于气泡在杯中和嘴里“跳舞”的时候。那么你知道香槟酒里的气泡是怎么来的吗？
香槟又叫起泡葡萄酒，不同于一般的葡萄酒的是，香槟酒是经过两次发酵酿造的。当第一次发酵完成以后，酿酒师会在酒瓶中放入糖分和酵母的混合营养液，之后酵母便“吃”进去糖分，排出酒精和二氧化碳（CO2），随着酿造的进行，酒瓶中便会充满CO2。
然而，由于瓶塞的木头材质不能百分之百密封气体，所以随着时间的推移，瓶中CO2浓度会缓慢降低。此外，香槟中溶解的CO2会直接导致酒的气泡数量和大小的减少，这会直接影响品尝的口感。
因此，科学家们提出了一个问题：香槟酒到底可以保存多久？
热力学平衡来解题
为弄清上述问题，研究人员对陈酿时间不同的13种酒进行研究，其中酒瓶均采用75毫升标准瓶和150毫升大酒瓶，陈酿时间为25-47年（即1996年、1995年、1993年、1992年、1989年、1987年、1986年、1985年、1982年、1981年、1979年、1976年和1974年）。
由亨利定律可知，CO2在瓶中存在热力学平衡，在平衡状态下，一种物质在气相中的分压Pi与其在液相中的浓度Ci之间存在比例关系。该研究中测试结果表明，香槟中CO2的平均亨利常数为kH≈1.59±0.14 g L−1 bar−1。亨利常数是描述化合物在气液两相中分配能力的物理常数。
图|打开瓶盖后香槟中溶解的二氧化碳浓度与打开瓶盖前密封瓶(蓝色)和大瓶(红色)中测量的气相二氧化碳压力的函数关系（来源：该论文）
在这组陈酿25年至47年之间的老葡萄酒中，通过对其溶解的CO2浓度和CO2压力的相应测量得出的CO2的平均亨利常数最终非常接近于对含12.5%体积乙醇的无糖葡萄酒的预期值。研究人员表示，CO2在一系列香槟酒中的溶解度之前从未被研究过。
CO2在酒中的溶解度主要取决于温度，但也取决于其他几个因素，如酒精度和糖含量。因此，根据葡萄酒的温度、乙醇和糖含量推断酒中CO2的亨利常数可能为以下关系：
然而，随着陈酿的进行，CO2会通过木制冠帽逐渐消失，这发生在糖被代谢完全之后。其中，研究人员认为，CO2在酒瓶顶部的空间中由理想气体定律支配。此外，在密封瓶中，酵母在糖发酵过程中产生的CO2的总摩尔数守恒，因此，可以得到溶解CO2浓度和随后的气相CO2压力与各参数集合的关系，关系如下：
因此，根据每种瓶子类型的固有体积比XV，无论瓶子的大小和系统的温度如何，前面的方程组都可以精确地确定溶解CO2的初始浓度和在获得糖分后达到的气相CO2的压力。
研究结果表明，瓶子中的体积比XV越高，溶解的CO2浓度和随后的CO2压力就越高。
此外，CO2的含有量与酒瓶的大小也有关系。研究发现，在47年的陈酿过程中，瓶子初始CO2含量的近80%通过冠帽逃逸。在150ml的大酒瓶中也观察到CO2溶解逐渐减少的总体趋势，但这种下降不如在标准75毫升的瓶子中陈酿的连续年份明显。
显然，用大酒瓶酿造的葡萄酒在长时间的陈酿过程中比用标准瓶酿造的葡萄酒更有效地保留了溶解的CO2。
图|在13个连续的年份中，溶解的二氧化碳浓度从25年(1996年份)到47年(1974年份)不等;在t = 0时，在慕斯结束时瓶中和瓶中达到的初始溶解二氧化碳浓度也会出现。
综上可知，一个长时间序列数据集首次表明，香槟在陈酿期间，瓶子大小对溶解二氧化碳的逐渐衰减起着至关重要的作用。为了更好地理解实验观察结果，研究人员提出了溶解CO2衰变的多变量模型。
在本研究的13个年份的葡萄酒中，无论是在瓶子中还是在大酒瓶中，气相CO2的分压都达到了接近6巴。这是因为，酵母发酵的CO2将通过穿过冠帽逐渐从内瓶逃逸到环境空气中。
因此，在密封容器中的长时间香槟陈化过程中，通过考虑CO2经由冠帽的转移，研究人员重新审视了溶解和气相CO2的热力学平衡。分子扩散确实是气相CO2通过冠帽转移的机制。
因而研究人员使用基于第一菲克定律的简单模型（该模型规定气体通过非密封封闭系统的流量与其梯度浓度（因此其分压梯度）成比例）提出气相CO2通过用于密封各种瓶子和磁控管的冠盖的传质系数K的合理范围：
根据每个时间序列数据集的各种瓶子、葡萄酒和瓶颈参数，包括指数衰减型模型的时间尺度和通过用于密封各种酒的封闭系统的气相CO2的传质系数最终得出，通过带软木盘的冠帽的CO2传质系数的全球平均值为K≈7.1±1.3×10−13 m3 s−1。
图|对于第二次瓶内发酵，通常使用24 g L−1蔗糖，指数衰减型模型预测了在酒糟长时间陈酿过程中溶解的二氧化碳浓度的下降（来源：该论文）
此外，研究人员对溶解的CO2的损失通过冠帽与软木圆盘用于密封本研究的各种年份进行了比较。从不同的时间序列数据记录中可以观察到，通过优质软木塞(颈直径为26mm)的CO2传质系数略小于通过带有软木圆盘的冠盖(颈直径为29mm)的CO2传质系数。
此外，瓶子容量也将影响瓶中酒的保质期。研究结果表明，与75ml的酒瓶相比，300ml的酒瓶使得酒陈酿的可持续时间增加了三倍。
你会选酒了吗？
从上述的研究中我们可以知道，基于第一菲克定律，并考虑到在整个陈化期间通过冠盖的恒定CO2传质系数，提出了香槟陈化过程中密封瓶中溶解CO2的理论时间依赖浓度和随后的CO2压力的多变量指数衰减型模型。
此外，用大酒瓶酿造的葡萄酒在长时间陈酿过程中比用标准瓶酿造的葡萄酒更有效地保留其溶解的二氧化碳。
研究人员还表示，该论文中开发的模型具有普遍性。也就是说，如果我们可以得知每个封闭系统的CO2传质系数K，我们便能预测该条件下香槟的保质期。
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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