Плазмонный резонанс поможет определить зрелость виски

Британские химики предложили новый метод контроля качества виски, основанный на образовании золотых наночастиц за счет реакции между специфическими химическими компонентами напитка с водным раствором тетрахлораурата водорода. Наночастицы проявляют себя в виде пика на оптических спектрах пропускания, обусловленного плазмонным резонансом. Метод работает при комнатной температуре и очень быстрый, что поможет упростить работу купажистам виски. Исследование опубликовано в ACS Applied Nano Materials.

Важной характеристикой виски считается срок его выдержки. За время, что напиток проводит в дубовых бочках, в него попадают различные химические соединения (конгенеры), сложные сочетание которых формирует неповторимый вкусовой профиль. На этот процесс влияет множество факторов, начиная от происхождения и истории древесины, из которой сделаны бочки, и заканчивая уровнем их заполненности и доступом кислорода.

Все это усложняет понятие возраста для виски и делает невозможной оценку качества продукта только лишь по сроку его выдержки. Чтобы гарантировать однородность продукции, производители нанимают высококвалифицированных мастеров-купажистов, которые контролируют процесс созревания напитка. Как правило, речь идет о сотнях и даже тысячах бочек, что делает весь процесс довольно долгим, кропотливым и уязвимым к обману, а также повышает конечную стоимость продукта.

Для решения этой проблемы технологи применяют несколько аналитических лабораторных методов. Хорошо себя зарекомендовали газовая и жидкостная хроматография и масс-спектрометрия. К сожалению, для их использования требуются громоздкое и дорогое научное оборудование, которое редко встречается на винокурнях и заводах по производству виски.

Помочь в этом могут методы оптической спектроскопии. Они более сложны с точки зрения интерпретации результатов измерения, поскольку спектр представляет собой функцию от частоты и длины волны, в формирование которой могут давать вклад различные соединения и процессы. Тем не менее, это, как правило, довольно компактные и неразрушающие инструменты. Например, мы уже рассказывали, как метод обратной рамановской спектроскопии с пространственным сдвигом позволил ученым отличить сорта виски сквозь бутылочное стекло.

Группа британских химиков под руководством Уильяма Певелера (William Peveler) из Университета Глазго пошла дальше и придумала метод, который позволяет охарактеризовать зрелость образцов виски по спектрам золотых наночастиц, образующихся за счет реакции с водным раствором тетрахлораурата водорода. Параметры спектральных пиков оказываются связаны с количеством восстановленного конгенерами золота, а потому могут сказать о химическом составе и, следовательно, о зрелости виски.

В основе метода лежат колебательные свойства свободных электронов в металлических наночастицах. Ограничение размера металла создает условие для возникновения плазмонного резонанса, который можно обнаружить в виде пика в спектре поглощения. Интенсивность и положение пиков зависит от размеров и химического состава металлических наночастиц.

Химики выяснили, что оптимальной концентрацией для метода стало равное соотношение чистого виски и раствора золота. При этом реакция протекает при комнатной температуре и результаты видны невооруженным глазом уже в течение нескольких минут: раствор меняет цвет с желтого или янтарного на розово-красный в зависимости от количества и размера наночастиц (такой цвет обусловлен поглощение в районе 530-535 нанометров). Отклонения от обнаруженных пропорций подавляют формирование пика вплоть до полного исчезновения сигнала.

Авторы убедились, что наночастицы золота формируются в различных сортах виски, доступных в розничной продаже. Спектроскопические измерения были поддержаны изображениями, полученными на просвечивающем электронном микроскопе. Вместе с тем в дистиллированной воде, 40-градусном растворе этилового спирта и даже в водке никаких наночастиц не возникало, что свидетельствует о том, что причиной их образования становятся виски-специфичные конгенеры. Ученые также попытались удешевить технологию с помощью замены золота на другие металлы. Опыты с серебром оказались удачными, однако, из-за того, что оптимальная концентрация соли в этом случае оказалась очень большой, для полного реагирования нужны часы и даже дни, что сводит на нет преимущества метода. Медные же наночастицы у химиков синтезировать не получилось.

На следующем этапе работы авторы убедились, что по спектрам можно судить о созревании виски. Для этого они в течение шести лет раз в полгода отбирали пробы из одной из бочек, стоявшей в шотландском Научно-исследовательском институте виски. Исследование показало, что отчетливый пик появлялся в спектре уже на 30 неделе созревания, после чего его он постепенно смещался в длинноволновую область и становился менее выраженным. Кинетика формирования наночастиц также отличалась.

Обнаруженное изменение скорости восстановления свидетельствует о выщелачивании в виски из бочек определенных конгенеров. Чтобы выяснить, какие из них ответственны за формирование золотых наночастиц, химики использовали ряд аналитических методов, включающих ядерный магнитный резонанс и хроматографию, а также исследовали реакции известных им конгенеров по отдельности. Они обнаружили, что необходимыми свойствами обладают некоторые альдегиды и кислоты (в особенности галловая и дубильная), однако отметили, что в большинстве случаев эффект достигается только в коктейле конгенеров. Именно это объясняет разнообразие форм и размеров наночастиц, которые ученые увидели в разных сортах виски. По их словами, выяснение деталей этого процесса требует дополнительных исследований.

Оптическая спектроскопия годится не только для исследования виски. Ранее мы рассказывали, как она помогает контролировать качество яблок и фруктовых соков. Сам же виски можно изучать еще и по испарению его капель.