酒精飲料的黏度

1. 目標:
      本篇文章將透過Rheosense m-VROC®測量含有不同比例糖分和酒精的酒精飲料,因為我們發現這些飲料的黏度取決於液體中的水、酒精和糖的量,並且這些飲料的黏度隨著溶液中乙醇量的增加呈抛物線關係,將糖加入酒精飲料也會增加這些飲料的黏度,下列實驗中我們會通過剪切速率掃描(也就是不同剪切速率下的黏度測試)確認在測試範圍內酒精飲料的牛頓行為。

2. 背景介紹:
      酒精飲料的成分通常是由水、乙醇和糖組成,這些成分中的每一個都會影響飲料的黏度,反過來說,測量飲料的黏度可以反推飲料的組成比例,了解這些成分對樣品黏度的貢獻可以用以優化飲料配方的開發,並可以設定關鍵指標,例如在甜酒、利口酒和調酒中的糖分含量,以及像威士忌和小米酒這樣的烈酒中的酒精含量,更棒的是,黏度被認為對於飲料的口感有所貢獻,可以藉由控制黏度提升品酒者的體驗。

​      本篇文章中,我們測量了許多常見的酒精飲料黏度,我們看到所有被測試的飲料在測量的剪切速率範圍內都是牛頓流體,此外,我們展示了飲料的乙醇含量與流體黏度之間存在著抛物線關係(Belda et al. 2004),並利用這種關係來預測飲料的黏度,並得出結論為與此預測模型偏離的情況表明飲料中的糖分含量增加,在最後,我們亦測量了蔗糖對糖水溶液黏度的貢獻。

3. 實驗:
      本次實驗使用m-VROC®對不同類型的酒精飲料,包括紅酒、白酒、利口酒和烈酒進行了測量,這些飲料的酒精百分比範圍從8.5%到60%,實驗目的為測量不同剪切速率下且25°C時這些樣品的黏度,使用A05晶片(深度=50mm,Pmax=10±2kPa),剪切速率範圍從500s-1到20,040s-1 (但由於黏度差異,樣本的可獲取剪切速率範圍會有所不同),每個樣本的加載體積約為1mL,每種飲料測試至少進行了7次測量,另一方面,乙醇水溶液和蔗糖水溶液在VROC® initium上使用E02芯片(深度=20µm,Pmax=1600±200kPa),使用自動模式進行測量(此模式下測量感壓約為最大壓力上限的50%),對應剪切速率範圍為24,860s-1到148,100s-1,載入樣本體積約為70µL。

4. 數據解讀:
    在25°C下使用m-VROC®測試了九種酒精飲料,包括紅酒、白酒、烈酒和利口酒,這些飲料中的乙醇含量(體積/體積百分比)範圍從8.5%到60%,詳見下表一。

 
表一、測試的酒精飲料資料表包括乙醇百分比、平均測得的黏度以及基於乙醇百分比(v/v)的預測黏度(σ表示標準差) 


       本次實驗進行了從500 s-1到20,040 s-1的剪切速率掃描,剪切速率範圍取決於樣本的黏度,例如黏度較低的流體(< 2cP)無法使用低剪切速率(500 s-1)進行測量,而黏度較高的流體(> 3cP)則無法使用高剪切速率(20,040 s-1)進行測量,剪切速率掃描的結果顯示在下圖1A中。

 

圖1、(A) 9種酒精飲料的剪切速率對黏度作圖 (B) 9種酒精飲料平均黏度對酒精含量作圖 


      黏度與剪切速率的數據表明,這些飲料基本為牛頓流體,意即在本研究中測試的剪切速率范圍內,流體的黏度不隨剪切速率的變化而改變,接著我們將每種飲料在這些剪切速率下的平均黏度作為酒精百分比(v/v)的函數繪製到圖1B中,值得注意的是,飲料的黏度並非僅僅與酒精百分比相關,例如,Triple Sec的平均黏度為4.99±0.10(3σ)cP,而grain alcohol的平均黏度為2.51±0.03cP,但Triple Sec只含有13.75%的酒精,而grain alcohol卻含有60%的酒精。

      為了研究商業飲料中蔗糖和其他添加劑對黏度的影響,我們還測量了乙醇水溶液的黏度,共測得了8種乙醇水溶液,其酒精百分比範圍從5%到60%(v/v),然後在圖2A中繪製了這些數據。

 


圖2、添加物對飲料黏度的影響(A)飲料黏度對酒精含量進行了二次多項式迴歸,以便計算黏度作為酒精百分比的函數 (B) 測量黏度與預測黏度作圖,若預測成功則數據點應在虛線上  

      我們發現乙醇水溶液的黏度隨著溶液中乙醇百分比的增加呈抛物線變化,這與Belda等人的研究結果相符,通過進行二次多項式回歸,可以生成黏度作為溶液中酒精百分比的函數方程式,接著,將酒精飲料的預測黏度與實際測得的黏度進行比較,虛線表示預測黏度和實測黏度之間是吻合的,觀看數據我們發現chardonnay、cabernet、pinot noir、威士忌和穀物酒的測得黏度與基於其酒精含量預期的黏度相當接近,特別是穀物酒幾乎可以說是沒有糖分或其他添加劑,所以其測量黏度幾乎等於預測黏度,分別為2.5086cP和2.5051cP;相較之下,Riesling、kosher wine、triple sec及schnapps的測得黏度遠高於基於其酒精含量的預期黏度,這些以其甜度而聞名和受到喜愛的飲料的黏度增加可歸因於其糖分含量,蔗糖、葡萄糖和果糖等糖類已知能夠增加流體黏度,因此為了瞭解糖分對飲料黏度的影響,我們製備了範圍從5%到50%(w/w)的糖水溶液並進行了測量(參見圖3)。 

3、糖分含量與飲料黏度作圖

 

   如同我們猜測,添加糖分會增加了水的黏度,在25°C下,5%w/w)的溶液的測得黏度為1.046cP,而50%w/w)的水溶液的測得黏度為12.81cP,這些結果表明,添加糖分可以增加水溶液的黏度。

 

5. 結論:

 

   酒精飲料的黏度是水、乙醇和糖之間共同平衡的結果,了解這些分子之間相互作用對黏度的貢獻具有多種應用,從對威士忌和穀物酒的校驗及純度確定,到對葡萄酒和利口酒中糖分含量的確定,黏度測量有著眾多應用,掌握如何測量和解釋這些黏度數據對於了解酒精飲料的成分至關重要,這可以用來控制飲料中甜度和乙醇百分比。

 

6. 參考資料:

 

1.     Belda et al. Viscous synergy of pure monoalcohol mixtures in water and its relation to concentration. Journal of Solution Chemistry. 2004.



 

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