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Schaumblasen: Der Charme des Champagners

Einem Sektglas, gefüllt mit prickelndem Schaumwein, gehen auch nüchterne Wissenschaftler gerne auf den Grund.


Öffnen Sie eine Flasche französischen Champagner und schenken Sie sich ein Glas ein. Nippen Sie. Genießen Sie das Prickeln der goldenen Tröpfchen, die zu Tausenden der angenehm bitzelnden Oberfläche entspringen. Die im moussierenden Getränk aufsteigenden und dann zerplatzenden Bläschen überbringen Ihrer Nase eine verlockende Blume und Ihrer Zunge ein köstliches Aroma. Jeder Schluck ist begleitet von einer Symphonie zarter Knistergeräusche. Er lässt Sie die erfrischende Kühle der Kohlensäure und gleichzeitig die angenehme Wärme des Alkohols spüren.

Der Zauber des edlen Schaumweins aus der französischen Provinz Champagne ist so groß, dass sein Genuss weltweit zu einem festen Bestandteil, ja fast zu einem Ritual feierlicher Veranstaltungen geworden ist.

Zu den Kennzeichen eines guten Champagners zählen die zahlreichen "Perlenschnüre" aus Bläschen, die von den Wänden eines gefüllten Glases nach oben steigen. Sobald die Bläschen die Oberfläche erreichen, ordnen sie sich dort zu einem Ring an. Häufig wird die Qualität eines Champagners damit in Verbindung gebracht, wie fein diese Bläschen sind; wissenschaftlich erwiesen ist ein solcher Zusammenhang allerdings nicht.

Das Geschäft mit dem traditionellen moussierenden Charakter von Champagner ist jedoch so lukrativ geworden, dass die Champagner-Händler größten Wert auf die perfekte kleine "Perle" legen. Deshalb beschlossen vor einigen Jahren Forschungskollegen der Universität Reims Champagne-Ardenne und der Champagner-Kellerei Moët & Chandon, mit mir gemeinsam das Verhalten von Bläschen in kohlensäurehaltigen Getränken zu untersuchen. Wir setzten uns das Ziel, die Rolle der vielen Parameter, welche die Blasenbildung beeinflussen, zu bestimmen, zu veranschaulichen und schließlich besser zu verstehen. Die eigentlich einfache Beobachtung eines mit Schaumwein, Bier oder Sprudel gefüllten Glases aus nächster Nähe offenbarte uns bisher unerforschte und optisch ansprechende Phänomene.

Kohlendioxid unter Druck

Hauptverantwortlich für die Erzeugung von Gasblasen in Champagner, Schaumweinen oder Bier ist Kohlendioxid. Es bildet sich, wenn Zucker mit Hefe vergärt und dabei in Alkohol und Kohlendioxid umgewandelt wird. Sodagetränken wird die Kohlensäure industriell zugefügt. Nach der Abfüllung in Flaschen oder Dosen stellt sich – gemäß dem Henry’schen Gesetz – ein Gleichgewicht ein zwischen dem in der Flüssigkeit gelösten Kohlendioxid und dem gasförmigen, das sich direkt unter dem Korken, Deckel oder Schraubverschluss ansammelt. Der englische Physiker und Chemiker William Henry hatte Anfang des 19. Jahrhunderts erkannt, dass die Menge des in einer Flüssigkeit gelösten Gases proportional zum Druck des darüber befindlichen Gases ist.

Wenn der Behälter geöffnet wird, fällt der Druck des gasförmigen Kohlendioxids oberhalb der Flüssigkeit abrupt ab, und das vorherrschende thermodynamische Gleichgewicht wird zerstört. Als Folge davon ist die Flüssigkeit mit Kohlendioxid übersättigt. Ein dem Atmosphärendruck entsprechendes Gleichgewicht stellt sich erst wieder ein, wenn genügend Kohlendioxid die übersättigte Flüssigkeit verlassen hat. Dies kann nach Einschenken des Getränks auf zwei Wegen geschehen: Entweder entweichen die gelösten Kohlendioxidmoleküle durch die Oberfläche der Flüssigkeit in die Luft oder sie bilden kleine Bläschen.

Auf Verunreinigungen kommt es an

Um sich zu einem Vorstadium einer Blase – einer Art Keimzelle – zusammenzufinden, müssen sich die Kohlendioxidmoleküle zunächst einmal ihren Weg durch die Flüssigkeitsmoleküle bahnen, die durch die starken, auf Dipol-Anziehung beruhenden van-der-Waals-Kräfte eng miteinander verbunden sind. Damit sich eine Blase bildet, muss also zunächst eine Energiebarriere überwunden werden. Diese erfordert allerdings höhere Übersättigungswerte als in kohlensäurehaltigen Getränken üblich.

In schwach übersättigten Flüssigkeiten – Champagner, Schaumweine, Biere und Sodagetränke eingeschlossen – setzt die Blasenbildung voraus, dass bereits mit Gas gefüllte Hohlräume vorhanden sind. Deren Krümmungsradius darf eine kritische Größe aber nicht unterschreiten. Denn innerhalb der Gastasche entsteht aufgrund der konkaven Krümmung der Blasengrenzfläche ein Überdruck, der nach dem Laplace’schen Gesetz umgekehrt proportional zu ihrem Radius ist. (Der französische Naturwissenschaftler Pierre Simon Laplace hatte diese Formel für einen Flüssigkeitstropfen aufgestellt, in dem wegen der Oberflächenspannung ein Überdruck gegenüber dem Luftdruck entsteht.) Je kleiner die Blase, desto größer ist also der in ihr herrschende Überdruck. Unterhalb eines kritischen Radius ist der Druck so stark, dass er das Eindringen von gelöstem Kohlendioxid verhindert. In einer frisch geöffneten Champagnerflasche liegt dieser kritische Radius bei etwa 0,2 Mikrometer.

Um im Detail zu beobachten, wie sich die Ketten aus Champagner-Perlen bilden, richteten wir eine mit einem Mikroskop-Objektiv ausgestattete Hochgeschwindigkeitsvideokamera auf die Ausgangsstellen von mehreren hundert "Perlenschnüren". Entgegen gängigen Vorstellungen befanden sich diese "Keimstätten" nicht auf Unebenheiten der Glasoberfläche. Diese sind viel kleiner als der für die Blasenbildung erforderliche kritische Radius. Als Auslöser der Bläschen stellten sich vielmehr Verunreinigungen heraus, die an der Glaswand haften. Dabei handelt es sich zumeist um hohle, mehr oder weniger zylindrische Zellulose-Fasern, die aus der Luft stammen oder beim Abtrocknen hängen blieben. Aufgrund ihrer geometrischen und Wasser abstoßenden Eigenschaften werden diese Fremdkörper beim Füllen des Glases nicht vollständig durch das Getränk benetzt und sind deshalb in der Lage, Gastaschen gefangen zu halten.

In diese winzigen Gastaschen wandern Kohlendioxidmoleküle, die in der Flüssigkeit gelöst waren, und setzen so die Blasenbildung in Gang. Schließlich wächst eine Blase von makroskopischer Größe heran, die anfangs durch Kapillarkräfte mit ihrer Entstehungsstätte verwurzelt bleibt. Infolge des zunehmenden Auftriebs löst sich die Blase schließlich von der Glaswand und macht damit den Weg für die Bildung einer neuen Blase frei. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis das gelöste Kohlendioxid zur Neige geht und die Bläschen-Produktion nachlässt.

Die Frequenz der zyklischen Blasenbildung, das heißt, die pro Sekunde erzeugte Anzahl von Bläschen, hat einen für den jeweiligen Entstehungsort charakteristischen Wert. Sie lässt sich mithilfe eines Stroboskops sichtbar machen. Wenn das Flackern des Stroboskops die gleiche Frequenz wie die Bläschen-Produktion hat, scheinen die Bläschen-Ketten "eingefroren" zu sein.

Da die Kinetik des Blasenwachstums auch vom Gehalt an gelöstem Kohlendioxid abhängt, unterscheidet sich die Frequenz der Blasenbildung von einem kohlensäurehaltigen Getränk zum andern. Champagner zum Beispiel hat einen dreimal so hohen Gehalt an Kohlensäure wie Bier. Hier entsenden die besonders aktiven Keimstätten bis zu dreißig Bläschen in der Sekunde. In Bier hingegen sind es nur etwa zehn Blasen in der Sekunde.

Sobald sich die Champagner-Perle von ihrem Entstehungsort freigemacht hat, nimmt sie auf ihrem Weg zur Oberfläche stetig an Größe zu. Grund dafür ist die kontinuierliche Diffusion von gelöstem Kohlendioxid durch die Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche ins Innere der Blase. Infolge der Ausdehnung wächst der Auftrieb, die Bläschen werden ständig weiter beschleunigt und ihr gegenseitiger Abstand vergrößert sich.

Der Aufstieg der Blasen – molekular betrachtet

Biere und Schaumweine sind keine reinen Flüssigkeiten. Außer Alkohol und gelöstem Kohlendioxid enthalten sie viele weitere organische Verbindungen, die eine Oberflächenaktivität wie Seifenmoleküle aufweisen können. Solche oberflächenaktiven Moleküle, hauptsächlich Proteine und Glykoproteine, verfügen über einen wasserlöslichen und einen wasserunlöslichen Teil. Statt sich in der gesamten Flüssigkeit gleichmäßig zu verteilen, sammeln sie sich lieber um eine Blasenoberfläche herum an, wobei ihre hydrophoben Enden zu dem Gasbläschen weisen, während die hydrophilen in der Flüssigkeit stecken.

Die oberflächenaktive Schicht auf der Blase hat in der Tat einen entscheidenden Einfluss auf ihr weiteres Verhalten. Der zunehmende Auftrieb bewirkt zunächst, dass sich eine Gastasche von ihrem Entstehungsort löst und gezwungenermaßen ihren Weg durch die hinderlichen Flüssigkeitsmoleküle bahnt. Die oberflächenaktiven Moleküle, die sich an die Blase heften, versteifen deren Oberfläche, sie bilden gewissermaßen einen Schild um sie herum.

Aus der Dynamik von Flüssigkeiten wissen wir, dass eine starre Kugel in einer Flüssigkeit einen größeren Widerstand erfährt als eine flexiblere, deren Oberfläche frei von Verunreinigungen ist. Auf der emporsteigenden Blase sammeln sich nach und nach immer mehr oberflächenaktive Moleküle an, sodass sich ihr unbeweglicher Bereich vergrößert. Deshalb würde bei konstant bleibendem Radius die Blase immer stärker den Zugkräften der Flüssigkeit ausgesetzt sein, die dem Auftrieb entgegenwirken. Die Aufstiegsgeschwindigkeit erreichte dann ein Minimum, wenn die Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche vollständig mit oberflächenaktiven Molekülen belegt ist. Genau genommen verhält sich die Blasengrenzfläche schon starr, bevor sie zur Gänze mit einer Verunreinigungsschicht überzogen ist.

Da sich reale Blasen beim Aufstieg durch die übersättigte Flüssigkeit ausdehnen, ist der Vorgang in Wahrheit komplexer als hier für Blasen mit konstantem Radius beschrieben. Durch die Expansion nimmt die Grenzfläche zu, wodurch immer mehr oberflächenaktive Moleküle andocken können. Anschwellende Blasen unterliegen deshalb gegensätzlichen Wirkungen. Falls ihre Ausdehnungsrate größer ist als die Geschwindigkeit, mit der die oberflächenaktiven Moleküle die Kugel versteifen, "säubert" die Blase ihre Grenzfläche fortwährend, weil das Verhältnis von bedeckter Oberfläche zu unbedeckter abnimmt. Falls aber dieses Verhältnis zunimmt, wird die Blasenoberfläche unaufhaltsam rundum mit einer einzelnen Lage von oberflächenaktiven Molekülen verunreinigt und erstarrt.

Bierblasen verhalten sich anders

Wir bestimmten die Koeffizienten der Zugkräfte, die auf die expandierenden Champagner- und Bierbläschen bei ihrem Aufstieg wirken, und verglichen unsere Messergebnisse mit den Daten der wissenschaftlichen Literatur über Blasen-Dynamik. So erhielten wir Einblicke in die für das jeweilige Getränk spezifischen Eigenschaften der Bläschen. Während sich Bierbläschen ähnlich wie starre Kugeln verhalten, zeigen die Perlen in Champagner, Schaumweinen und Sodagetränken auf ihrem Weg nach oben eine beweglichere Grenzfläche. Das ist nicht allzu überraschend, da Bier weit mehr oberflächenaktive Makromoleküle enthält (ungefähr mehrere hundert Milligramm pro Liter) als Champagner (nur wenige Milligramm pro Liter). Da Bier außerdem weit weniger Kohlensäure enthält als Champagner, dehnen sich Bierbläschen langsamer aus als Champagner-Perlen. Der auf die Expansion der Bierblase zurückgehende Säuberungseffekt ist infolgedessen zu schwach, um die Erstarrung ihrer Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche zu verhindern. In Champagner, Schaumweinen und Sodagetränken dagegen lässt es das schnelle Wachstum der Blasen nicht zu, dass die in relativ geringer Menge vorkommenden oberflächenaktiven Moleküle deren Oberfläche versteifen.

In den wenigen Sekunden nach ihrer Entstehung und Freisetzung wandert die Champagner-Perle hoch zur Oberfläche des Getränks, wobei sie schließlich einen Durchmesser von etwa einem Millimeter erreicht. Von der Blase ragt nur ein Stückchen aus der Flüssigkeit heraus, während sich der größte Teil ihres Volumens unterhalb der Oberfläche befindet. Der auftauchende Teil, die "Blasen-Haube", ist ein Flüssigkeitsfilm von der Form einer Halbkugel, der – weil seitlich beständig Flüssigkeit abfließt – mit der Zeit immer dünner wird. Sobald die Blasen-Haube eine bestimmte kritische Dicke unterschreitet, wird sie empfindlich für Schwingungen und Temperaturgefälle, wodurch sie schließlich zerplatzt.

Der Zerfall setzt Aroma- und Duftstoffe frei

Unabhängig voneinander haben 1959 zwei Physiker, Geoffrey Ingram Taylor von der Universität Cambridge und Fred E.C. Culick vom California Institute of Technology in Pasadena gezeigt, dass aufgrund von Oberflächenspannungen ein Loch in der Blasen-Haube entsteht und dass sich dieses Loch sehr schnell vergrößert. Bei Bläschen von etwa einem Millimeter Durchmesser dauert dieser Zerfall etwa zehn bis hundert Mikrosekunden.

Auf das Aufreißen der Blasen-Haube folgt ein komplexer hydrodynamischer Prozess, der schließlich auch den untergetauchten Teil der Blase zerstört. Einen Moment lang verbleibt ein offener Hohlraum in der Flüssigkeitsoberfläche, dann stürzen seine Wände nach innen ein. Wenn sie aufeinander treffen, schießt ein Flüssigkeitsstrahl aus der freien Oberfläche hinaus. Aufgrund seiner hohen Geschwindigkeit wird der Strahl instabil und zerfällt in einzelne Tröpfchen.

Das Zusammenspiel von Trägheit und Oberflächenspannung verleiht den sich ablösenden Strahltropfen eine Vielzahl unterschiedlicher und oft überraschender Formen. Am Ende nehmen sie fast die Gestalt einer Kugel an. Da in jeder Sekunde Hunderte von Blasen zerbersten, hat das Getränk sozusagen eine stachelige Oberfläche: Sie ist gespickt mit konischen Strukturen, die aber zu kurzlebig sind, um mit dem bloßen Auge wahrgenommen zu werden.

Die an der Oberfläche zerplatzenden Bläschen bieten nicht nur einen schönen Anblick, sondern sie vermitteln auch das eigentümliche prickelnde Gefühl, das Champagner, Schaumweine, Biere und viele andere Getränke hervorrufen. Mit einer Geschwindigkeit von mehreren Metern pro Sekunde spritzen Tröpfchen einige Zentimeter weit über die Oberfläche hinaus und erreichen so bereits vor dem Trinken die menschlichen Sinnesorgane. Beim Kosten werden sowohl die Schmerzrezeptoren in der Nase erregt als auch die für Berührung empfindlichen Rezeptoren im Mund, wenn Bläschen auf der Zunge zergehen. Dort hinterlassen sie eine leicht saure wässrige Lösung.

Die an der Oberfläche zerfallenden Bläschen üben aber nicht nur einen mechanischen Reiz aus, sondern spielen höchstwahrscheinlich auch eine größere Rolle bei der Freisetzung der Aroma- und Geschmacksstoffe. Denn die molekularen Strukturen vieler aromatischer Verbindungen in kohlensäurehaltigen Getränken zeigen Oberflächenaktivität. Die in der Flüssigkeit aufsteigenden und sich ausdehnenden Bläschen nehmen also aromatische Moleküle auf und schleppen sie wie ein Fahrstuhl mit nach oben. Infolgedessen konzentrieren sich diese Verbindungen auf der Oberfläche des Getränks.

Nach unserer Vorstellung versprühen die Bläschen beim Zerplatzen Wolken aus winzigen Tröpfchen in die Luft, die hohe Konzentrationen an aromatischen Molekülen enthalten und daher die verschiedenen Duftnoten der Getränke unterstreichen. In einem weiteren Projekt wollen wir diese Wirkung der Geschmacksfreisetzung für jedes der zahlreichen aromatischen Moleküle in Champagner quantitativ bestimmen.

Literaturhinweise


Kinetics of Gas Discharging in a Glass of Champagne. Von Gérard Liger-Belair et al. in: Langmuir, Bd. 18, S. 1294 (2002).

Physicochemical Approach to the Effervescence in Champagne Wines. Von Gérard Liger-Belair in: Annales de Physique, Bd. 27, Nr. 4, S. 1 (2002).


Prickelnde Perlenspiele erhöhen den Genuss


Das kurze Dasein eines Champagnerbläschens beginnt auf einem winzigen Staubkorn aus Zellulose, das beim Abtrocknen an der Glaswand hängen blieb. An diesem Moussier-Punkt bildet sich, wenn der Schaumwein eingeschenkt wird, eine Art "Gastasche" mit einem Durchmesser von weniger als einem Mikrometer. In der Flüssigkeit gelöstes Kohlendioxid dringt in diesen Hohlraum ein und dehnt ihn schließlich so stark aus, dass sich die Gaskapsel aufgrund des Auftriebs von ihrer Entstehungsstätte löst. Während ihrer Reise zur Oberfläche der Flüssigkeit nimmt der Umfang der Blase immer weiter zu, da mehr und mehr Kohlendioxid in sie eindringt. Gleichzeitig heften sich aromatische Duftmoleküle aus der Flüssigkeit an die Gas/Flüssigkeits-Membran. Die auf die Blase wirkenden Zugkräfte werden dadurch verstärkt und ihr Aufstieg verlangsamt sich. Bald nach ihrem Auftauchen aus der Oberfläche fällt die Bukettstoffe tragende Gaskapsel in sich zusammen, wobei ein wenig des umgebenden Weins in die Luft gespritzt wird. Dies bringt das Bukett und den charakteristischen Geschmack des Champagners zur vollen Geltung.

Nach Ansicht von Weinexperten sollte Champagner am besten in langstieligen, tulpenförmigen Sektgläsern gereicht werden, die etwa ein zehntel Liter fassen. Ihre hohe und schmale Form bietet dem Perlenspiel genügend Raum, sich zu voller Schönheit zu entfalten. Durch die kleine Oberfläche und die leichte Wölbung des Glasrandes nach innen konzentrieren sich die Bukettstoffe, die von den Bläschen hoch- transportiert und bei ihrem Platzen freigesetzt werden. In den schmalen Kelchen bleibt das Getränk außerdem länger kühl und prickelnd.

Etwas weniger für den Genuss von Schaumweinen geeignet sind Sektflöten, deren konusförmiges Glas sich nach oben weitet. Völlig ungeeignet sind hingegen die breiten Sektschalen (die "Coupes"), die eine Zeit lang so populär waren. Einem Mythos zufolge wurden diese rundlichen Gläser nach den für ihre Schönheit berühmten Brüsten der französischen Königin Marie-Antoinette kreiert. Doch weder Form noch Funktion werden den speziellen Eigenschaften von Champagner gerecht: Wegen der großen Oberfläche werden der Nase wertvolle Bukettstoffe entzogen, was das sensorische Erlebnis beeinträchtigt. Zudem schwappt der Sekt in ihnen leicht über, und bereits das Halten des Glases in der Hand erwärmt ihn – ganz abgesehen davon, dass das Perlenspiel in den flachen Gläsern kaum zur Geltung kommt.

Zum Öffnen der Champagnerflasche hält man sie schräg – unter einem Winkel von etwa 45 Grad. Der Korken weist aufwärts und natürlich von einem selbst und den Köpfen der Gäste weg. Halten Sie mit einer Hand den Korken fest und drehen Sie mit der anderen die Flasche. Ein lauter Knall ist übrigens nicht nur verpönt; mit ihm werden auch die kostbaren Champagnerbläschen vergeudet: Was im Ohr gewonnen wird, geht dem Gaumen letztlich verloren. Von Stil und Fachkunde zeugt es, wenn der Korken mit einem leisen Seufzer aus dem Flaschenhals gleitet.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 2003, Seite 52
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
7 / 2003

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 7 / 2003

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