传统上，酒精饮料是根据乙醇-水混合物(EWM)浓度按酒精体积(ABV)分类的，这被认为是经验主义的，几乎没有科学解释。
2024年5月1日，中国科学院化学研究所江雷及Tian Ye共同通讯在Matter（IF=19）在线发表题为“Ethanol-water clusters determine the critical concentration of alcoholic beverages”的研究论文，该研究发现乙醇-水团簇决定酒精饮料的临界浓度。该研究发现，不同乙醇组分的EWM在高取向热解石墨上的接触角呈非线性阶梯状，而阶梯边缘的临界点与ABV的分布惊人地吻合。高频质子核磁共振和分子动力学证实了EWM中不同的乙醇-水团簇，其结构在临界点处发生跃迁，在阶跃范围内保持稳定。
详细的团簇结构包括对称的四面体团簇和链状团簇，后者的比例随着乙醇分数的增加而增加，并进一步通过衰减全反射红外光谱进行表征（比如38%~42% 和 52%~53% 的乙醇溶液——就像白酒中的乙醇浓度——在室温中有不同的簇结构，但这种差异在更高的温度下消失了，比如 40°C。这可以解释为什么专业品酒师和业余品酒师在室温下都能分辨出不同浓度的白酒，而在高温下却分辨不出来。在更高的温度下，两种浓度都有更多的链状结构，因此更像“乙醇”的味道；啤酒在冷藏后会有一种更强烈的“类似乙醇”的味道。实验结果表明，在 5% 和 11% 乙醇溶液中，在 5°C 时，链状结构有明显的增强）。温度对酒团的影响可能是低ABV啤酒或白酒冷却后和高ABV烧酒或白酒加热后较好的“乙醇味”变化的原因。
酒精饮料在整个文明中起着至关重要的作用，发酵饮料的最早记录可以追溯到大约13000年前。千年的口味积累，根据乙醇-水混合物(EWM)浓度(乙醇体积%)，按体积(ABV)选择不同酒精的成熟产品。ABV分布被认为是不同口味的临界点，对酒精饮料行业至关重要。在古代欧洲，已经发展了一些经验方法来判断酒精饮料的ABV；例如，如果它能被点燃或不能被冻结，ABV应高于40%此外，还根据经验对不同种类酒精饮料的饮用温度进行了优化。例如，喝温热的中国白酒和冰镇的啤酒或白葡萄酒是很常见的。高ABV啤酒也可经冷冻后制成，在北欧广泛生产。尽管所有这些经历都有很长的历史，但科学解释仍然模糊不清。
EWM作为酒精饮料的主要成分，在实验和计算两方面都得到了广泛的研究。质子核磁共振(1h NMR)和分子动力学(MD)研究证实了酒精饮料中EWM的各种乙醇-水分子团簇，这是由乙醇和水分子基于氢键(HB)相互作用形成的。人们非常重视EWMs中乙醇组分某些点的团簇结构的测定，但缺乏探索乙醇组分系统变化的动态HB临界点的实验研究。接触角(CA)是反映液滴表面特性的一种方便可靠的工具，液滴表面特性是由基于稳定表面张力的三相接触线上分子相互作用(如不同簇)的平衡决定的。然而，以往使用EWM进行CA测试的研究主要关注不同底物对CA的影响，而不是EWM滴度。
机理模式图（图源自Matter）
该研究通过对乙醇组分全范围内EWMs中簇的HOPG、1h NMR和ATR-IR光谱的CA，发现了酒精饮料中ABV分布的奥秘。当乙醇浓度较低时，四面体簇是主要成分，而当乙醇浓度较高时，链状簇占主导地位。这两种结构在EWMs中的比例决定了CA和PC化学位移的稳定步长和临界点。临界点反映了乙醇在一定范围内形成稳定簇的最低比例，在此之间可以检测到稳定步骤。
研究结果证明，不同种类酒精饮料的ABV分布和适宜的饮用温度不仅是基于经验，而且与EWMs分子簇的不同状态相对应的科学解释。对于酒精饮料行业来说，在一定范围内保持乙醇浓度最低的“类酒精”口感是一个至关重要的问题。该研究可为通过拟合CA的临界点和步骤来确定浓度提供一种可能的方法，并进一步为酒精饮料的标准化提供科学依据。
https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(24)00149-8
https://www.eurekalert.org/news-releases/1042576
热门跟贴