Liger-Belair, O bąbelkach naukowo (2003).pdf

Obàbel

W GÓR¢, WCIÑ˚ W GÓR¢: Krótka, lecz spektakularna

w´drówka bàbelków w kieliszku szampana, obejmujàca

szereg z∏o˝onych procesów fizykochemicznych,

nie tylko zapewnia nam pe∏ni´ organoleptycznych wra˝eƒ,

ale sama w sobie jest fascynujàcym procesem.

Gérard Liger-Belair

kach

bin´. Delikatne szczypanie w j´zyk i dra˝nienie nozdrzy to efekt dzia∏ania

tysiàca wybitych z powierzchni cieczy z∏ocistych p´cherzyków, które na-

dajà temu trunkowi wykwintny smak i aromat. Delektowaniu si´ orzeêwia-

jàcym dzi´ki obecnoÊci rozpuszczonego dwutlenku w´gla, a zarazem przyjemnie roz-

grzewajàcym ze wzgl´du na zawartoÊç alkoholu, trunkiem towarzyszy perkusyjny

akompaniament p´kajàcych bàbelków. I w tym w∏aÊnie tkwi sekret nieodpartego uro-

ku s∏ynnego musujàcego wina, pochodzàcego z Szampanii, regionu w pó∏nocno-

-wschodniej Francji, którego picie sta∏o si´ nieodzownym elementem Êwi´towania

przeró˝nych uroczystych okazji na ca∏ym Êwiecie.

Charakterystycznà cechà dobrego szampana sà ciàgi p´cherzyków dwutlenku w´-

gla, unoszàce si´ przy Êciankach kieliszka niczym sznureczki miniaturowych baloni-

ków wype∏nionych ciep∏ym powietrzem. Dotar∏szy do powierzchni cieczy, tworzà one

na niej pierÊcieƒ, tzw. kryz´. Jakkolwiek nie ma dowodów naukowych na to, ˝e ja-

koÊç szampana zale˝y od rozmiarów jego bàbelków, wielu ludzi uwa˝a, ˝e im sà one

drobniejsze, tym szampan ma lepszy smak. Wytwarzanie win szampaƒskich jest nie-

zwykle dochodowe, nic zatem dziwnego, ˝e producentom szampana zale˝y na tym, by

te bàbelki mia∏y w∏aÊciwà wielkoÊç. Dlatego przed kilku laty wraz z kilkoma wspó∏-

pracownikami z Université de Reims Champagne-Ardenne oraz firmy winiarskiej

Moët & Chandon podjà∏em badania nad zachowaniem si´ p´cherzyków dwutlenku w´-

gla w napojach musujàcych. PostanowiliÊmy ustaliç i opisaç rol´ poszczególnych pa-

rametrów w tym procesie, a tym samym lepiej go zrozumieç. Ju˝ w wyniku prostych,

acz wnikliwych obserwacji szklanego naczynia wype∏nionego musujàcym winem, pi-

wem lub bezalkoholowym napojem gazowanym okaza∏o si´, ˝e mamy do czynienia

z nieznanym dotàd, niezwykle atrakcyjnym wizualnie zjawiskiem. Przede wszystkim

zaj´liÊmy si´ trzema zasadniczymi fazami ˝ycia p´cherzyków gazowych – ich powsta-

waniem, unoszeniem si´ ku powierzchni i rozpadem.

Narodziny bàbelków

B Ñ BELKI W SZAMPANIE , w innych winach musujàcych czy te˝ piwie to p´cherzyki dwu-

tlenku w´gla, powsta∏ego w procesie fermentacji, podczas którego dro˝d˝e przera-

biajà cukier na czàsteczki alkoholu i dwutlenku w´gla. Natomiast w przypadku napo-

jów bezalkoholowych by uzyskaç efekt musowania, trzeba wprowadzaç dwutlenek

Szampan

od wieków cieszy

smakoszy. Ostatnio

tym królewskim

napojem

zainteresowali si´

tak˝e fizycy

naukowo

O twórzcie butelk´ szampana, nalejcie sobie kieliszek i upijcie z niego odro-

w´gla. Po rozlaniu do butelek lub puszek ustala si´ stan rów-

nowagi pomi´dzy dwutlenkiem w´gla rozpuszczonym w cie-

czy a gazem zawartym w przestrzeni pod korkiem lub

wieczkiem, zgodnie z prawem Henry’ego, które g∏osi, ˝e w wa-

runkach równowagi termodynamicznej masa gazu rozpusz-

czonego w cieczy jest wprost proporcjonalna do ciÊnienia

czàstkowego gazu nad roztworem.

Gdy otworzymy butelk´ lub puszk´, ciÊnienie dwutlenku w´-

gla (w postaci gazowej) nad powierzchnià cieczy gwa∏townie

spada, naruszajàc ustalonà równowag´, w wyniku czego ciecz

z zawartym w niej dwutlenkiem w´gla staje si´ roztworem prze-

syconym. Aby zosta∏a przywrócona równowaga termodyna-

miczna odpowiadajàca panujàcemu ciÊnieniu atmosferycznemu,

czàsteczki dwutlenku w´gla muszà opuÊciç ciecz. Po nalaniu

napoju do kieliszka dwutlenek w´gla wydostaje si´ z przesyco-

nego roztworu na dwa sposoby – dyfundujàc przez powierzch-

ni´ swobodnà cieczy oraz tworzàc ulatujàce p´cherzyki.

Aby zbiç si´ w mikrop´cherzyki, czàsteczki dwutlenku w´-

gla muszà si´ przemieÊciç, rozpychajàc g´sto upakowane czà-

steczki cieczy, które przyciàgajà si´ wzajemnie si∏ami van der

Waalsa (oddzia∏ywania dipolowe). Zatem proces tworzenia

si´ p´cherzyków wymaga pokonania wyznaczonej przez te

oddzia∏ywania bariery energetycznej, co nie jest mo˝liwe

przy s∏abym stopniu przesycenia roztworu, z jakim mamy

do czynienia w napojach musujàcych.

W przypadku lekko przesyconych wodnych roztworów dwu-

tlenku w´gla, jak szampan, wina musujàce, piwo i napoje ga-

zowane, p´cherzyki powstajà jedynie dlatego, ˝e wyst´pujà

w nich zarodkowe przestrzenie wype∏nione gazem, których

promieƒ krzywizny Êcianek jest wystarczajàco du˝y, by umo˝-

liwiç im swobodny wzrost po przezwyci´˝eniu poczàtkowej

bariery energetycznej. Dzieje si´ tak, poniewa˝ krzywizna Êcia-

nek p´cherzyka zwi´ksza ciÊnienie zawartego w nim gazu,

przy czym zgodnie z prawem Laplace’a, wielkoÊç tego wzro-

stu jest odwrotnie proporcjonalna do promienia tej krzywi-

zny. Zatem im mniejszy p´cherzyk, tym wy˝sze ciÊnienie ga-

zu w jego wn´trzu. Poni˝ej pewnej krytycznej wartoÊci

promienia ciÊnienie to jest tak wysokie, i˝ nie dopuszcza, by gaz

dyfundowa∏ z roztworu do wn´trza p´cherzyka. W przypadku

szampana w dopiero co otwartej butelce promieƒ krytyczny jest

rz´du 0.2

Do precyzyjnej obserwacji miejsc, w których dochodzi do po-

wstawania p´cherzyków gazu („êróde∏ek bàbelków”), zasto-

sowaliÊmy superszybkà kamer´ wideo z mikroskopowym obiek-

tywem, kierujàc go ku podstawom setek sznurów w´drujàcych

ku górze p´cherzyków. Wbrew rozpowszechnionemu przeko-

naniu okazuje si´, ˝e oÊrodkami formacji p´cherzyków nie sà

nierównoÊci powierzchni szk∏a, których rozmiary sà znacz-

nie mniejsze od promienia krytycznego, lecz ró˝nego rodzaju

zanieczyszczenia przyczepione do powierzchni naczynia. Zwy-

kle sà to puste w Êrodku i o cylindrycznym kszta∏cie w∏ókien-

ka celulozy, które osiad∏y z powietrza lub pozosta∏y po wycie-

raniu szk∏a. Ze wzgl´du na swój kszta∏t te pochodzàce

z zewnàtrz czàstki nie sà w pe∏ni zwil˝ane przez ciecz, a zatem

podczas nape∏niania kieliszka mogà w ich wn´trzu zachowaç

si´ mikroskopijne puste przestrzenie wype∏nione gazem [ Êrod-

kowa ilustracja na nast´pnej stronie ].

Czàsteczki rozpuszczonego w cieczy dwutlenku w´gla prze-

nikajà do wn´trza tych mikroskopijnych przestrzeni, co pro-

wadzi do uformowania si´ makroskopowego p´cherzyka, któ-

44 ÂWIAT NAUKI STYCZE¡ 2003

SZAMPA¡SKIE BÑBELKI

ry poczàtkowo utrzymywany jest w miejscu powstania przez

si∏y van der Waalsa. Ostatecznie jednak narastajàca si∏a wypo-

ru odrywa go i robi si´ miejsce dla kolejnego p´cherzyka. Ca-

∏y proces powtarza si´ od nowa, dopóki starczy rozpuszczone-

go w cieczy dwutlenku w´gla.

Cykliczne tworzenie si´ p´cherzyków w pojedynczym oÊrod-

ku charakteryzuje si´ parametrem zwanym cz´stoÊcià bàbel-

kowania, b´dàcym liczbà p´cherzyków powstajàcych w cià-

gu sekundy. Najlepiej to widaç, gdy oÊwietli si´ naczynie

z cieczà lampà stroboskopowà. W chwili zrównania cz´sto-

Êci stroboskopu z cz´stoÊcià bàbelkowania, pionowy sznur p´-

cherzyków wyglàda jak zamro˝ony.

Poniewa˝ kinetyka procesu wzrostu p´cherzyków zale˝y

równie˝ od st´˝enia rozpuszczonego dwutlenku w´gla, cz´-

stoÊç bàbelkowania dla ró˝nych napojów musujàcych jest ró˝-

na. Na przyk∏ad w szampanie, który ma trzykrotnie wy˝szà

zawartoÊç dwutlenku w´gla ni˝ piwo, w najbardziej aktyw-

nych oÊrodkach powstaje nawet 30 p´cherzyków na sekund´,

podczas gdy w piwie nie wi´cej ni˝ 10.

CYKL ˚YCIOWY BÑBELKÓW: Krótki

˝ywot p´cherzyka gazowego

rozpoczyna si´ na drobniutkim

k∏aczku celulozy pozosta∏ym

na Êciance kieliszka po jego

wytarciu ( na dole ). Po nape∏nieniu

kieliszka winem musujàcym

na takim w∏ókienku tworzy si´

wype∏niona gazem przestrzeƒ

o Êrednicy poni˝ej mikrometra.

Rozpuszczony w cieczy dwutlenek

w´gla dyfundujàc pod ciÊnieniem

do tego protop´cherzyka, rozdyma go,

a˝ si∏a wyporu odrywa go od miejsca,

w którym powsta∏. Podczas w´drówki

ku powierzchni p´cherzyk nadal

powi´ksza si´ w miar´, jak coraz

wi´cej dwutlenku w´gla przedostaje

si´ do jego Êrodka ( poÊrodku ).

JednoczeÊnie czàsteczki zawartych

w napoju zwiàzków aromatycznych

kumulujà si´ na Êciankach

p´cherzyka, co zwi´ksza opór

hydrodynamiczny p´cherzyka,

spowalniajàc jego ruch. Dotar∏szy

na powierzchni´, taka aromatyczna

kapsu∏ka p´ka, wyrzucajàc cienkà

stru˝k´ otaczajàcego jà p∏ynu

w powietrze, co intensyfikuje

wra˝enia smakowe i w´chowe

towarzyszàce piciu szampana ( na górze ).

W´drujàce bàbelki

PO ODERWANIU SI ¢ od miejsca narodzin p´cherzyk w miar´ uno-

szenia si´ ku powierzchni cieczy stale si´ powi´ksza [ ilustracja

z lewej ], a to wskutek dyfundowania rozpuszczonego dwutlen-

ku w´gla przez jego Êcianki. Zwiàzany z tym wzrost si∏y wy-

poru powoduje nieustanne przyÊpieszanie p´cherzyka, co pro-

wadzi do zwi´kszenia odleg∏oÊci mi´dzy kolejnymi bàbelkami.

Piwo i wina musujàce nie sà czystymi cieczami. Oprócz al-

koholu i rozpuszczonego dwutlenku w´gla zawierajà ró˝ne-

go rodzaju zwiàzki organiczne, z których cz´Êç wykazuje ak-

tywnoÊç powierzchniowà, podobnie jak czàsteczki myd∏a. Te

powierzchniowo czynne substancje, g∏ównie bia∏ka i gliko-

proteiny, sà cz´Êciowo rozpuszczalne, a cz´Êciowo nierozpusz-

czalne w wodzie. Wskutek tego, zamiast jednolicie rozk∏adaç

si´ w ca∏ej obj´toÊci cieczy, wykazujà tendencj´ do gromadze-

nia si´ na powierzchni p´cherzyków w taki sposób, ˝e ich nie-

rozpuszczalne fragmenty wystajà do Êrodka p´cherzyka, a roz-

puszczalne tkwià w cieczy.

Otoczka zwiàzków powierzchniowo czynnych wokó∏ p´che-

rzyka zaczyna odgrywaç decydujàcà rol´, gdy narastajàca si∏a

wyporu odrywa go od miejsca powstania i przepycha pomi´dzy

czàsteczkami cieczy. Czàsteczki powierzchniowo czynne usztyw-

niajà Êcianki p´cherzyka, tworzàc swego rodzaju pancerz na je-

go powierzchni. Zgodnie z prawami hydrodynamiki, sztywna

sfera poruszajàca si´ w cieczy napotyka wi´kszy opór ni˝ sfe-

ra o Êciankach elastycznych. Ponadto czàsteczki zwiàzków po-

wierzchniowo czynnych zagarniane podczas wznoszenia si´

p´cherzyka stopniowo gromadzà si´ na jego powierzchni, po-

wi´kszajàc obszar jej usztywnienia. Dlatego opór hydrodyna-

miczny napotykany przez unoszàcy si´ bàbelek o okreÊlonym

promieniu sukcesywnie wzrasta; jego pr´dkoÊç zmniejsza si´

do minimalnej, gdy powierzchnia graniczna mi´dzy gazem

i cieczà zostaje ca∏kiem pokryta substancjami powierzchnio-

wo czynnymi. Mówiàc ÊciÊle, jak wykaza∏ ostatnio zespó∏ fran-

cuskich badaczy z Université Louis Pasteur w Strasbourgu,

maksymalne usztywnienie Êcianek p´cherzyka nast´puje jesz-

cze przed ca∏kowitym pokryciem jego powierzchni.

Zachowanie si´ p´cherzyków, których promieƒ roÊnie w mia-

r´ wznoszenia, jest jeszcze bardziej skomplikowane. Taki p´che-

rzyk zwi´ksza pole swojej powierzchni, tym samym udost´pnia-

PO BÑBELKACH ICH POZNACIE: Zdaniem enologów, szampana

najlepiej podawaç w tzw. fletach – smuk∏ych kieliszkach z d∏ugà nó˝kà

i czarkà w kszta∏cie tulipana lub sto˝ka, mieszczàcà co najmniej 17 cm 3

wina. Wysmuk∏y kszta∏t wyd∏u˝a i eksponuje w´drówk´ bàbelków

ku wieƒcowi kieliszka, gdzie na niewielkiej powierzchni nast´puje

koncentracja przenoszonych przez bàbelki, a nast´pnie uwolnionych

substancji aromatycznych. Kszta∏t ten zapewnia tak˝e d∏u˝sze zachowanie

szampana w stanie sch∏odzonym i przed∏u˝a jego musowanie.

Kieliszki takie znacznie lepiej nadajà si´ do picia wina musujàcego

ni˝ popularne „szampanki”, kieliszki z p∏askimi czarkami na d∏ugiej

nó˝ce [ wstawka na dole nast´pnej strony ]. Anegdota g∏osi, ˝e za model

tych kieliszków pos∏u˝y∏y s∏ynne piersi Marii Antoniny, królowej Francji

panujàcej w drugiej po∏owie XVIII wieku. Choç kieliszki te nadal

cieszà si´ sporà popularnoÊcià, zdaniem koneserów win nie pozwalajà

szampanowi w pe∏ni rozwinàç swojego bukietu, a poniewa˝ sà p∏ytkie

i szerokie, stosunkowo ∏atwo tracà stabilnoÊç i ∏atwo z nich wylaç trunek.

Ponadto nie utrzymujà temperatury wina i nie eksponujà eleganckich

ciàgów bàbelków.

Przy otwieraniu butelki szampana nale˝y jà trzymaç pod kàtem 45°

w gór´ od siebie. Jednà r´kà chwytamy korek, a drugà przekr´camy

butelk´ w jednym kierunku. Korek nie powinien wystrzeliç z butelki,

lecz wyjÊç z przyt∏umionym odg∏osem. G∏oÊny „wystrza∏” zmniejsza

liczb´ bàbelków, zgodnie z powiedzeniem: „Im wi´cej dla ucha,

tym mniej dla podniebienia”.

STYCZE¡ 2003 ÂWIAT NAUKI 45

jàc wi´cej miejsca na adsorpcj´ substancji powierzchniowo

czynnych. Powi´kszajàce si´ p´cherzyki podlegajà zatem

przeciwnie dzia∏ajàcym efektom. JeÊli przyrost powierzchni

jest szybszy ni˝ tempo jej usztywniania, p´cherzyk efektywnie

„oczyszcza” swojà powierzchni´, poniewa˝ stosunek powierzch-

ni pokrytej zwiàzkami powierzchniowo czynnymi do powierzch-

ni pozbawionej tych zwiàzków stopniowo maleje. W przeciw-

nym przypadku powierzchnia p´cherzyka pokryta warstwà

zwiàzków powierzchniowo czynnych zostaje usztywniona.

Mierzàc wartoÊci oporu hydrodynamicznego dla powi´k-

szajàcych si´ p´cherzyków w szampanie i piwie w czasie ich

w´drówki ku powierzchni, a nast´pnie porównujàc je z war-

toÊciami podawanymi w naukowych opracowaniach, doty-

czàcych hydrodynamiki p´cherzyków, doszliÊmy do wniosku,

˝e bàbelki w piwie zachowujà si´ jak sztywne sfery, natomiast

w szampanie, winach musujàcych i napojach gazowanych wy-

kazujà w fazie unoszenia si´ ku górze znacznie wi´kszà ela-

stycznoÊç. Nie jest to zbyt zaskakujàce, poniewa˝ piwo zawie-

ra o wiele wi´cej makroczàsteczek zwiàzków powierzchniowo

czynnych (rz´du kilkuset miligramów na litr) ni˝ szampan

(zaledwie kilka miligramów na litr). Ponadto ze wzgl´du

na mniejsze nasycenie dwutlenkiem w´gla tempo wzrostu p´-

cherzyków gazu w piwie jest wolniejsze ni˝ w szampanie, a za-

tem efekt oczyszczania si´ ich powierzchni jest zbyt s∏aby, aby

zapobieg∏o to usztywnieniu Êcianek. Natomiast w szampanie,

winach musujàcych i napojach gazowanych ekspansja p´che-

rzyków nast´puje zbyt szybko, a zawartoÊç zwiàzków po-

wierzchniowo czynnych jest zbyt ma∏a, aby dosz∏o do takie-

go usztywnienia.

KRES BÑBELKOWEJ EPOPEI

TRACH! I PO BÑBELKU: P´cherzyki gazu w szampanie zaczynajà

p´kaç natychmiast po dotarciu do powierzchni cieczy.

Na pierwszej ilustracji z prawej cienka b∏onka cieczy stanowiàca

wynurzonà cz´Êç p´cherzyka w∏aÊnie p´k∏a. Podczas tego skrajnie

krótkiego procesu kszta∏t samych p´cherzyków – których Êrednica

dochodzi teraz do 1 mm – pozostaje nienaruszony. Wype∏nianie

powsta∏ego w powierzchni swobodnej wg∏´bienia powoduje

wyrzucanie w gór´ stru˝ki p∏ynu, która ze wzgl´du na swà du˝à

pr´dkoÊç traci stabilnoÊç i powsta∏a fala kapilarna rozbija jà

na drobne kropelki. Poniewa˝ po nape∏nieniu kieliszka w ka˝dej

sekundzie p´kajà setki p´cherzyków, powierzchnia napoju jest

dos∏ownie naje˝ona szpiczastymi wypustkami, które niestety

utrzymujà si´ zbyt krótko, by da∏o si´ je zobaczyç go∏ym okiem.

s), proces ten

trudno uchwyciç na fotografii.

Niemniej jednak widaç

atrakcyjne wzory, przypominajàce

kwiaty, które powstajà,

gdy p´cherzyki sà zasysane

do miejsc po pobliskich

p´kni´tych p´cherzykach.

Na powy˝szej ilustracji kopu∏y

p´cherzyków otaczajàcych

p´kajàcy bàbelek zostajà

wyciàgni´te w kierunku

powsta∏ego pustego miejsca.

Zag∏ada bàbelków

WCI Ñ GU KILKU SEKUND od powstania p´cherzyki przebywajà

kilkucentymetrowà odleg∏oÊç dzielàcà je od powierzchni swo-

bodnej cieczy, osiàgajàc ostatecznie Êrednic´ oko∏o 1 mm. Po-

dobnie jak góra lodowa p´cherzyk gazu wystaje jedynie nie-

znacznie ponad powierzchni´ cieczy, jego wi´ksza cz´Êç

pozostaje pod powierzchnià. Ta wystajàca cz´Êç, zwana ko-

pu∏à p´cherzyka, tworzy si´ z wypuk∏ej warstewki cieczy, któ-

ra staje si´ coraz cieƒsza wskutek sp∏ywania cieczy po jej bo-

kach. Gdy jej gruboÊç spadnie poni˝ej pewnej krytycznej

wartoÊci, staje si´ ona niezwykle wra˝liwa na drgania i nierów-

nomiernoÊci rozk∏adu temperatury i w rezultacie szybko p´ka.

W 1959 roku dwaj fizycy, Geoffrey Ingram Taylor z Universi-

ty of Cambridge i Fred E. C. Culick z California Institute of

Technology, niezale˝nie od siebie wykazali, ˝e napi´cie po-

wierzchniowe powoduje powstanie dziury w kopule p´che-

rzyka, która nast´pnie b∏yskawicznie si´ rozszerza. P´cherzy-

GÉRARD LIGER-BELAIR pracuje jako adiunkt w Université de Reims

Champagne-Ardenne we Francji, gdzie zajmuje si´ badaniami fizyko-

chemicznych w∏asnoÊci p´cherzyków gazu w napojach musujàcych. Jest

tak˝e konsultantem dzia∏u badawczego firmy winiarskiej Moët & Chan-

don. Swój czas dzieli pomi´dzy badania cienkich b∏onek i powierzch-

ni granicznych a wykonywanie ultraszybkich zdj´ç fotograficznych,

które prezentowa∏ ju˝ w wielu galeriach. Autor dzi´kuje Philippe’owi

Jeandet i Mich¯le Vignes-Adler za cenne dyskusje, oÊrodkowi badaw-

czemu Europol’Agro oraz Jeanowi-Claude’owi Coisonowi i jego stowa-

rzyszeniu Recherche Oenologie Champagne Université za wsparcie fi-

nansowe badaƒ, jak równie˝ firmom Moët & Chandon, Champagne

Pommery i Verrerie Cristallerie d’Arques za owocnà wspó∏prac´.

46 ÂWIAT NAUKI STYCZE¡ 2003

BÑBELKOWA ROZETKA:

Poniewa˝ rozpad p´cherzyków

na powierzchni szampana

jest bardzo szybki (trwa krócej

ni˝ 100

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: