Химики посчитали пузырьки в бокале пива


Химики посчитали пузырьки в бокале пива

Gérard Liger-Belair & Clara Cilindre / ACS Omega, 2021

Химики теоретически и экспериментально проанализировали образование пузырьков углекислого газа в пиве при параметрах, типичных для коммерческих марок напитка. Оказалось, что в бокале, который заполнен 250 миллилитрами лагера с пятипроцентным содержанием спирта, охлажденного до шести градусов Цельсия, образуется порядка сотен тысяч пузырьков CO2 при уровне жидкости около 10 сантиметров. Статья опубликована в журнале ASC Omega.

На сегодняшний день лагер (пиво низового брожения) — наиболее доступный и широко потребляемый вид пива. Как правило, бутылочные и баночные напитки такого типа находятся под давлением газообразного CO2, а значит (за счет обмена молекулами между жидкой и газообразной фазой) содержат и некое количество этого вещества, растворенного в самой жидкости.

Присутствие CO2 влияет на темпы образования и роста пузырьков газа в жидкости, а вместе с этим — на вкусовые и ароматические качества пива. За последние годы ученые уже исследовали подобные эффекты для других напитков — например, оценивали число пузырьков в бокале шампанского, выясняли, как они помогают раскрыть аромат последнего, и определяли минимальную концентрацию CO2, при которой еще можно различить его привкус в игристом вине. Тем не менее, детали поведения углекислого газа в пиве до недавнего времени оставались неизученными.

Жерар Лигер-Белер (Gérard Liger-Belair) и Клара Цилиндре (Clara Cilindre) из Университета Шампань — Арденны теоретически связали количество пузырьков в коммерческом бутылочном пиве с параметрами напитка, а затем оценили эту величину, используя экспериментальные измерения.

Авторы воспользовались тем, что в закрытой бутылке коммерческого пива углекислый газ сосредоточен в сравнительно небольшом объеме (около пяти миллилитров по сравнению с 250 миллилитрами самого пива) и может быть описан уравнением состояния идеального газа, а равновесная концентрация растворенного CO2 в напитке прямо пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью в соответствии с законом Генри. Выяснилось, что при температуре в 0–20 градусов Цельсия равновесное парциальное давление в закрытой бутылке составляет около 2–3 бар, в то время как при снятии крышки оно (вместе с равновесной концентрацией) падает почти в десять тысяч раз — до типичных атмосферных значений (около 0,4 миллибар).

Резкое изменение равновесной концентрации приводит к тому, что растворенный CO2 стремится покинуть напиток — он диффундирует через поверхность раздела с воздухом, а в объеме жидкости образуются пузырьки. При этом реальная концентрация стремится к равновесной с запозданием — образование пузырьков подавлено энергетическим барьером. Чтобы преодолеть этот барьер, в жидкой фазе должны заранее существовать газовые полости (например, у стенок сосуда) с радиусом кривизны больше критического значения, которое растет с падением концентрации CO2 в жидкости. Из-за этого со временем пузырькам становится тяжелее сформироваться, и процесс ослабевает до тех пор, пока образование пузырьков окончательно не перестанет быть термодинамически возможным.

Химики посчитали пузырьки в бокале пива

Изображение микроскопических неровностей на поверхности стекла, которые помогают в формировании пузырьков. Длина масштабного отрезка — 100 микрометров

Gérard Liger-Belair & Clara Cilindre / ACS Omega, 2021

Связав концентрацию, при которой заканчивается образование пузырьков, с поверхностным натяжением на границе между жидкостью и газом, давлением окружающей среды и константой Генри, ученые выразили полное число образующихся пузырьков (за все время падения содержания растворенного CO2) через характеристики напитка (вязкость, плотность, объем, уровень поверхности жидкости в стакане и начальную концентрацию раствора), а также температуру и давление, при которых проводится опыт.

Для измерений исследователи использовали коммерческий лагер в бутылках объемом 250 миллилитров с пятипроцентным содержанием спирта и концентрацией CO2 около 5,5 граммов на литр. Перед опытами напиток не менее двух суток хранили в холодильнике при температуре 6 градусов Цельсия.

В ходе опытов авторы осторожно (не допуская излишней турбулентности и чрезмерного вспенивания, которые не учитывались в теоретической модели) переливали содержимое бутылок в четыре одинаковых полулитровых стакана, предварительно промытых дистиллированной водой и высушенных при температуре в 60 градусов Цельсия. Ученые проводили измерения по четыре раза (для разных бутылок пива) и усредняли результаты, а плотность и вязкость определяли лишь после дегазации напитка.

Оказалось, что при уровне жидкости в 8,9 сантиметров и критическом радиусе кривизны газовых полостей в 1–10 микрометров в стакане лагера образуется от двухсот тысяч до миллиона пузырьков CO2.

Химики посчитали пузырьки в бокале пива

Сравнение теоретических оценок полного числа пузырьков углекислого газа в пиве (синяя кривая) и шампанском (красная кривая) при схожих условиях в зависимости от критического радиуса кривизны газовых полостей.

Gérard Liger-Belair & Clara Cilindre / ACS Omega, 2021

Отмечается, что примерно такое же количество пузырьков возникает в бокале с 100 миллилитрами шампанского при схожих температуре и уровне жидкости (10 градусов Цельсия и 7,4 сантиметра). В пиве, однако, наблюдается более резкая зависимость от критического радиуса кривизны газовых полостей — при радиусе в 1 микрометр в нем образуется примерно вдвое меньше пузырьков, чем в шампанском, а при 10 микрометрах — уже вдвое больше.

За последнее время пиво становилось предметом исследования и в других областях науки. Так, в мае прошлого года археологи предложили выявлять следы производства пива по микроструктуре зерен злаков, в 2018 ученые спрогнозировали рост цен на напиток из-за глобального потепления, а в 2016 — обнаружили, что субъективное восприятие вкуса пива можно улучшить при помощи музыки.

Николай Мартыненко

Источник: nplus1.ru



Логотип Labuda.blog
Авторизоваться с помощью: 
Яндекс.Метрика