Коллектив из двух шведских исследователей разобрался, как вещество гваякол — один из компонентов характерного «дымного» аромата островного шотландского виски — ведет себя в различных смесях воды и этанола. Ученые таким образом промоделировали поведение сразу целого ряда похожих на гваякол вкусовых и ароматических компонентов крепких алкогольных напитков. Согласно данным компьютерной модели, оказалось, что при содержании этанола от 27 до 45 объемных процентов гваякол ведет себя как поверхностно-активное вещество, то есть перераспределяется ближе к границе «жидкость-газ», откуда ему легче испариться и добраться до обонятельных рецепторов человека. По мнению авторов, это говорит о том, производители виски не зря перед разливом разбавляют свой продукт от 59 градусов (такая концентрация этанола в бочковом виски) до 45. Исследование опубликовано в Scientific Reports.
Проблема «разбавлять виски водой или нет» известна давно, причем оба подхода имеют как сторонников так и противников. Отдельной вариацией этой дилеммы является вопрос «охлаждать виски льдом или специальными камнями?». Лед поможет довести напиток до значительно более низких температур, но разбавит его при этом водой и снизит концентрацию как этанола, так и прочих растворенных веществ. При этом камни не так хорошо выступают в качестве холодильника, зато не изменяют состав напитка. До сих пор доводы в ту или иную сторону оставались более или менее умозрительными и не имели прочных научных основ.
В новой работе Бьорн Карлссон и Ран Фридман рассмотрели простейшую модель виски: смесь воды, этанола и гваякола. Последний выступал в качестве типичного представителя низкомолекулярных ароматических веществ. Гваякол действительно присутствует во многих сортах шотландского виски, особенно тех, что производятся на острове Айлей (Islay). Их характерный «дымный» привкус появляется во время копчения солода над тлеющим торфом, в дегте которого и содержится гваякол. Кстати, из гваякола делают и другие хорошо известные ароматизиторы, например, ванилин.
Ученые использовали компьютерное моделирование методом атомистической молекулярной динамики. В таком подходе в виртуальную ячейку помещается определенное число молекул, взаимодействие которых определяется так называемыми «силовыми полями». В отличие от научно-фантастических силовых полей из Звездных войн, силовые поля в моделировании — это просто набор математических уравнений, описывающих силу взаимодействия между различными атомами и молекулами. Для каждого расположения молекул можно точно рассчитать, какая сила будет действовать на каждый атом, а затем при помощи второго закона Ньютона так же рассчитать, на сколько и куда этот атом переместится за какое-то очень короткое время. После того, как все атомы переместились, заново рассчитываются силы и далее этот процесс повторяется нужное число шагов. В данной работе один виртуальный прогон соответствовал реальным 10 наносекундам, при этом один шаг длился 0,002 пикосекунды. Метод молекулярной динамики часто называют «компьютерном экспериментом», так как в нем заранее не накладывается никаких «макро» ограничений на систему: все атомы и молекулы ведут себя так, как захотят, поэтому исследователь заранее не может предсказать, чем все закончится.
При помощи моделирования авторы изучали, как распределяются молекулы этанола, воды и гваякола по системе в зависимости от их концентрации. При этом ученые осознанно «отключили» в системе гравитацию, поэтому моделируемая жидкость больше походила на огромную каплю, как будто действие проходило на МКС. Из-за такой постановки заранее исключались все эффекты, связанные с силой тяжести и силой Архимеда. Тем не менее, в моделировании явно наблюдалось перераспределение молекул по системе. Так, поскольку этанол в своей структуре имеет и гидрофильный и гидрофобный фрагмент, его молекулы вели себя как типичные поверхностно-активные вещества и при умеренных концентрациях спирта (до 80 процентов) концентрировались вблизи поверхности «жидкость-газ». Гваякол вел себя похожим образом, но пики его поверхностного избытка соответствовали «крепости» от 27 до 45 градусов, а при 59 градусах молекулы гваякола оставались в толще раствора.
Чтобы объяснить наблюдаемые эффекты, авторы проследили за тем, как меняется окружение отдельных молекул гваякола в зависимости от концентрации этанола в системе. Оказалось, что гваякол, будучи амфифильным, предпочитал находиться в окружении этанола. Поэтому при больших концентрациях этанола гваяколу было все равно, где быть, — у поверхности или в толще раствора.
Ученые приводят несколько выводов из своей работы. Из них главным является важность разбавления виски водой с 59 градусов хотя бы до 45, как обычно и происходит на производстве: виски выдерживается в бочках в концентрации около 59 градусов, а затем разбавляется во время разлива в бутылки. Молекулы ароматических веществ, аналогичные гваяколу, при такой крепости напитка будут концентрироваться вблизи границы «жидкость-газ», откуда им будет проще испариться. При дальнейшем разбавлении до 27 градусов этот эффект усилится, хотя и незначительно. Авторы также предостерегают, что в разбавленном виски возникнет и посторонний эффект: снижение общей концентрации вкусовых и ароматических компонентов. Поэтому правильный баланс всегда стоит определять отдельно для каждого конкретного случая.
Виски, наравне с кофе, представляет собой один из любимых объектов изучения для коллоидной физики. В каплях обоих этих напитков уже давно известны
. Так, капля кофе, испаряясь, оставляет характерный след в виде
, так как взвешенные частички при испарении жидкости устремляются к краю капли. А капля виски — напротив, испаряется
, так как в ней возникают два конкурирующих эффекта. Бывают и курьезные случаи, когда на основе виски изобретают, например,
для автомобилей. Разумеется, в Шотландии.
Тарас Молотилин