Физико-химические явления, возникающие в шампанском после нарушения равновесия системы вино - CO2

Изучение и количественная характеристика состояния системы вино - CO₂ после нарушения ее герметичности были проведены [82] с целью более глубокого познания процессов, происходящих в готовом шампанском, и направлены на уточнение контроля производства и разработку объективных методов оценки качества шампанского.

При резком нарушении герметичности системы вино - CO₂ (в случае вскрытия шампанского с вылетом пробки) температура газов в надвинном пространстве сосуда понижается, и в результате конденсации паров вина возникает туман. Образование его рассматривается как одно из специфических качеств шампанского. Установлено, что образование тумана зависит от величины общего давления в бутылке, упругости паров вина в ее газовой камере и от скорости снижения давления. После конденсации паров температура газов становится ниже начальной на 2,8 - 3,4°С в зависимости от величины начального давления в сосуде.

После нарушения герметичности системы вино - CO₂ изменяется состояние ее жидкой фазы, в которой возникает новая газообразная фаза, представляющая собой смесь CO₂ с парами вина. Образование газообразной фазы вызывает ряд физико-химических явлений, имеющих существенное значение для формирования качества шампанского. Изучение их позволило фиксировать скорость роста пузырьков CO₂ непосредственно на ядрах кавитации и получать средние значения общего коэффициента массопередачи для растущих неподвижных пузырьков CO₂ в вине, включая их зародышевую стадию.

Выделение газа на ядрах кавитации характеризуется устойчивым режимом процесса во времени, поскольку на одном и том же ядре пузырьки имеют одинаковые отрывные диаметры и в течение продолжительного времени сохраняют практически постоянную частоту отделения. Эффективность твердых частиц вина как ядер кавитации зависит от их размера, микрошероховатости поверхности и смачиваемости ее вином. Эти свойства в значительной мере обусловливают режим газовыделения и ряд других показателей процесса, определяющих специфические качества шампанского. Частота отделения пузырьков от центра кавитации зависит от скорости их роста и величины отрывного диаметра. Скорость роста пузырьков в свою очередь находится в зависимости от градиента концентрации углекислого газа и величины коэффициента массопередачи CO₂ из вина в газовый пузырек.

С увеличением градиента концентрации частота отделения пузырьков возрастает тем быстрее, чем меньше их отрывной диаметр D₀. При прочих равных условиях чем меньше значение D₀, тем больше частота выделения пузырьков. Поэтому в присутствии ядер, хорошо смачиваемых вином, шампанское имеет лучшие игристые качества. Игра в таком случае является не только мелкодисперсной, но и более интенсивной.

Между скоростью роста пузырька и коэффициентом массопередачи CO₂ из вина в пузырек существует прямая зависимость. Коэффициент массопередачи для пузырька, образующегося на ядре кавитации, имеет значительно большую величину, чем для плоской неподвижной поверхности вина, и зависит в основном от скорости роста пузырька.

Период роста пузырька на ядре кавитации может быть разделен на две стадии: скрытую (субмикроскопическую) и явную (наблюдаемую с помощью оптического микроскопа и визуально).

Отрыв пузырька CO₂ происходит после достижения им определенной величины, соответствующей отрывному диаметру, определяемому взаимодействием силы тяжести, поверхностного натяжения и движения окружающей жидкости. Отрыв пузырька зависит также от смачивания вином поверхности твердого тела, на котором находится ядро кавитации.

В процессе всплывания пузырька увеличивается его объем и скорость движения. Рост пузырька происходит в основном за счет десорбции в него CO₂ из окружающего вина и в значительно меньшей степени - в связи с уменьшением гидростатического давления на пузырек. Общий коэффициент массопередачи углекислого газа при движении пузырька имеет большую величину, чем при неподвижном его состоянии, причем с увеличением скорости всплывания пузырька этот коэффициент значительно возрастает.

С изменением размера пузырька связано изменение скорости его движения. Для скорости всплывания пузырьков диаметром до 0,014 см справедлива формула Стокса. Типичными для кавитационного газовыделения CO₂ в процессе игры шампанского являются пузырьки диаметром от 0,02 до 0,2 см. Относительная равновесная скорость их всплывания отвечает условию 1<Re<l000 и подчиняется квадратичному закону сопротивления среды.

Явления, возникающие на поверхности шампанского в результате кавитационной десорбции CO₂ в значительной мере определяют специфические качества шампанского. Пузырьки углекислого газа, всплывающие на поверхность вина, в зависимости от наличия в нем стабилизующих факторов или разрываются, или формируют пену. При разрыве пузырька на поверхности шампанского возникают капли двух видов: крупные, имеющие диаметр до 0,1 см, движение которых направлено вверх, и мелкие, диаметром несколько микронов, которые, как при взрыве, разлетаются с большой начальной скоростью в разных направлениях.

Крупные капли образуются в относительно небольшом количестве в результате распада восходящего столба жидкости, возникающего на месте лопнувшего пузырька. Эти капли вызывают эффект "фонтанирования" поверхности шампанского и создают своеобразное освежающее впечатление при его потреблении. В свою очередь мелкие капли образуются в большем количестве при разрыве оболочки (двусторонней пленки) пузырька. Эти капли интенсифицируют испарение легко летучих ароматических компонентов вина и способствуют более сильному восприятию его букета.

При установившемся режиме кавитационной десорбции процесс образования пены на поверхности шампанского зависит от интенсивности газовыделения и содержания в вине поверхностно-активных веществ. В случае относительно невысокой избыточной концентрации CO₂ и недостаточного содержания в нем поверхностно-активных веществ, способных давать защитные упругопластичные адсорбционные слои, пена возникает постепенно и скапливается в основном у стенок сосуда в виде кольца. При достаточно интенсивном газовыделении поверхность вина покрывается слоем пены. Структура пены, соприкасающейся со стенками стеклянного сосуда, имеет значение для характеристики внешнего вида шампанского и оценки пенистых свойств.

При нарушении равновесия системы вино - CO₂ процесс пенообразования условно может быть разделен на три последовательные стадии:

начальную, когда вследствие кратковременного интенсивного газового потока образуется большой объем крупноячеистой быстро разрушающейся пены;

основную, когда на поверхности вина поддерживается небольшой, постоянно возобновляющийся объем пены;

конечную, когда скорость разрушения пены больше скорости новообразования и объем ее уменьшается вплоть до полного распада.