第四部分 · 加进去：甜、代糖、酸、气

气泡：一口二氧化碳的刺痛

上一课我们发现，酸让甜显得清爽；糖压得住酸的感觉，却改变不了 pH。还有一种酸更奇怪：它是一团气。二氧化碳溶进水里，就成了碳酸；喝下去，舌头上除了一点酸，还多出一阵刺痛。这团气是怎么被关进瓶子里的？为什么一开盖它就开始跑，温的那一瓶跑得最快？那阵刺痛，又是谁在报告？

被什么逼出酸让甜显得清爽。还有一种酸是一团气体：二氧化碳溶进水里，就成了碳酸，还多出一阵刺痛。本课气是靠压力「压」进水里的：亨利定律说，溶进去的二氧化碳和液面上方它的分压成正比，越冷溶得越多。溶进水里，它就成了碳酸——一种很弱、还会自己跑掉的酸。口腔里有两条线路报告它：酸味细胞上的碳酸酐酶 4 把它尝成「酸」，三叉神经上的 TRPA1 把它变成「刺」。一开盖，压力没了，饮料就处在过饱和里：越温、气泡核越多，跑得越快。 逼出下一课到这里，所有旋钮都已摆上桌：浓茶底、奶、糖、酸、气、冰。街头的一杯奶茶同时拧动其中大半——它是怎么被设计出来的？ → 16

科学小注

这一课的物理只有一条：亨利定律——平衡时，溶在液体里的气体浓度和液面上方这种气体的分压成正比（饮料研究里的表述见 Viejo 等 2019 年的综述）。二氧化碳在 0–30 °C 水里的溶解度，用的是《兰氏化学手册》（Lange's Handbook）的数据（转引自维基百科的数据页）；啤酒和香槟里溶着多少气，用的是 Liger-Belair 与 Cilindre 2021 年的实测。本课模拟器里，溶解度曲线是这些数据；纯碳酸水的 pH 按物理化学公式估算；而开盖后跑气的快慢、倒的那一下冒掉多少、刺痛从多少开始，这些常数都是示意，不是任何一款饮料的实测。

本课路线

(1) 二氧化碳怎么进去：亨利定律。 (2) 碳酸：一种气体做的酸。 (3) 刺痛从哪来：两条线路。 (4) 开盖以后：过饱和、气泡核与温度。 (5) 动手：开盖之后。 (6) 一瓶可乐里有什么。 (7) 温的可乐为什么又甜又没气。

一、二氧化碳怎么进去：亨利定律

上一课的糖和柠檬酸，倒进水里一搅就溶。二氧化碳是气体，它溶不溶、溶多少，要看液面上方有多大的压力。描述这件事的是亨利定律（Henry's law）：平衡时，溶在液体里的二氧化碳浓度，和液面上方二氧化碳的分压（上方那团气里，单算二氧化碳那一份的压力）成正比；压力越高、温度越低，溶得越多（Viejo 等，2019）。

先看温度。在 1 个大气压的纯二氧化碳下面，每升水能溶的量是：

水温	0 °C	10 °C	20 °C	25 °C	30 °C
能溶的 CO₂（g/L）	3.35	2.32	1.69	1.45	1.26

数据：《兰氏化学手册》第 10 版（转引自维基百科「二氧化碳（数据页）」），由每 100 mL 的克数换算。

冰水能溶的二氧化碳，约是 20 °C 水的 2 倍、25 °C 水的 2.3 倍。这一条后面会反复用到：冷，是留住气的第一个办法。

再看饮料里实际溶着多少。气有多足，也可以用「体积」来说：1 体积，就是液体里溶着和它自己一样多体积的二氧化碳（按 0 °C、1 个大气压下的气体算）。按理想气体算，1 体积约等于 1.96 g/L（推导值）。有实测的两个例子：一款普通的商业拉格啤酒（酒精度 5%）溶着约 5.5 g/L，约 2.8 体积；一瓶标准的商业香槟（12.5%）约 11 g/L，约 5.6 体积（Liger-Belair & Cilindre，2021）。

拿这两个数去对照上面那张表，就明白瓶子为什么要压紧：0 °C 的水在 1 个大气压下也只能溶 3.35 g/L；要让啤酒的 5.5 g/L 待在水里，液面上方要有约 1.6 个大气压的二氧化碳——到了 20 °C，要约 3.3 个大气压（按亨利定律推算，忽略酒精和糖的影响）。一瓶有气的饮料，是一瓶被压力关住的过量的气。

气从哪来，有两种做法。起泡酒里的气，是酵母在密闭的瓶或罐里发酵出来、被压力逼着溶进去的——这件事《酒的逻辑》第 07 课《气泡与加强：把发酵的两个「废料」变成新酒类》讲过，这里不重讲。汽水、气泡水里的气，则是这门课第四部分的老手法：加进去——在压力下把二氧化碳溶进水里，再封口。至于一罐可乐或一瓶气泡水里到底溶了几克，我们没有找到可靠的公开实测，所以下面模拟器里的「汽水 7 g/L」只是一个标明「示意」的数。

二、碳酸：一种气体做的酸

二氧化碳溶进水里，并不只是「气藏在水里」。其中一小部分会和水结合成碳酸，碳酸再放出氢离子：

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻

放出了氢离子，水就变酸了。不过碳酸是一种很弱的酸：把溶着的二氧化碳合起来算，它第一级电离的 pK_a1 约为 6.35（物理化学常数）。对一杯只有水和气的「纯碳酸水」，可以这样估它的 pH：

pH ≈ ½ ×（6.35 − log₁₀[CO₂]）　　[CO₂] = 每升溶着的二氧化碳摩尔数

按这个式子，溶着 5.5 g/L（约 0.125 mol/L）的纯碳酸水，pH 约 3.6。可实测的气泡水要高得多：巴黎水（含气矿泉水）5.25，一款苏打水 5.24（Reddy 等 2016，美国样品）。一个合理的推论是：瓶里不只有水和气——矿泉水按定义就含矿物质，它们能缓冲掉一部分酸；何况开瓶以后，碳酸本身就在随着气跑掉。不管是哪一种原因，结论都一样：光靠二氧化碳，水只会变得偏酸，远到不了可乐的程度。可口可乐的实测 pH 是 2.37，按两者的 pH 换算，氢离子浓度约是巴黎水的 760 倍。可乐的低 pH，来自另外加进去的酸——磷酸。

碳酸还有一个和磷酸、柠檬酸都不一样的脾气：它会跑。气跑掉，酸就跟着跑掉；一杯彻底没了气的纯碳酸水，pH 会回到约 5.6——那是水和空气里那一点点二氧化碳平衡时的值（物理化学）。可乐里的磷酸不会跑，一杯没气的可乐照样很酸。上一课说过，对牙齿要紧的是 pH；这里再补一句：实测的气泡水（5.2 上下）和可乐（2.37）差得这么远，说明要紧的主要是加进去的酸，不是气泡本身。

气还会改变别的味道。Viejo 等 2019 年的综述里引用的一项研究发现：含气量越高，酸味越强（相关系数 r = 0.79），涩味和苦味越弱（r 分别为 −0.82 和 −0.88）。气泡一边给酸，一边让别的味道显得弱了——这和上一课的「互相压」像是同一类事，不过那项研究给的是相关，没有拆开测机制。

三、刺痛从哪来：两条线路

喝一口汽水，舌头上那阵「刺」到底是什么？答案是：两种信号叠在一起。这两条线路都是在动物和细胞实验里找到的。

酸第一条：酸味细胞，尝出来的「酸」。2009 年，一组研究者用基因方法改造小鼠，发现负责感知酸味的味觉细胞，就是感知碳酸的细胞；它们表面锚着一种酶——碳酸酐酶 4（carbonic anhydrase 4），它是主要的二氧化碳味觉传感器（Chandrashekar 等，2009，《科学》）。这种酶干的，正是上一节那个反应：飞快地把二氧化碳和水变成 H⁺ 和 HCO₃⁻。也就是说，气泡在舌头上被「尝」成了一种酸——在细胞门口现做的酸。

刺第二条：三叉神经，痛觉一样的「刺」。同一项研究也看到，碳酸会引起躯体感觉（触、痛一类）的反应。2010 年的一项研究找到了这条线路的一个关键部件：三叉神经（管脸和口腔里触觉、痛觉的那条神经）的痛觉神经元上，有一种叫 TRPA1 的通道——芥末油、肉桂醛激活的也是它。二氧化碳扩散进神经细胞，让细胞里面变酸，细胞内的氢离子再把 TRPA1 打开，于是有了那阵刺痛（Wang、Chang & Liman，2010）。

把两条线路放在一起看，有一个很漂亮的共同点：它们的起点都是二氧化碳变成了氢离子。一条在味觉细胞的表面，报告「酸」；一条在神经细胞的里面，报告「刺」。所以气泡与其说是一种独立的味道，不如说是一团会在嘴里现场变成酸的气。照这个道理，气越足，那阵刺就越冲：溶着的二氧化碳越多，能变出来的氢离子就越多。

四、开盖以后：过饱和、气泡核与温度

刺痛靠的是溶着的气，可气不会一直待在杯里。封着的瓶子里，液面上方的二氧化碳压力和溶在里面的二氧化碳处在平衡。一开盖，上方换成了空气。空气里的二氧化碳少得可怜，按亨利定律，这时水「应该」只溶着几乎为零的二氧化碳——可杯里还溶着好几克。饮料一下子处在过饱和状态：它装着比此刻条件下该装的多得多的气，多出来的那部分，要找路出去。

出路有两条。一条是从液面慢慢扩散出去。另一条快得多：变成气泡。可气泡很少凭空在液体中间长出来，它要一个起点——杯壁上的划痕和杂质、一块冰粗糙的表面、杯底的一点渣——这些叫气泡核。起点越多，冒泡越快。于是有了几条日常经验背后的物理：

温的跑得快。同样的含气量，水越温能溶得越少（第一节那张表），过饱和得越厉害；温度高，分子也动得快。两头一起加速。
直冲比沿杯壁倒跑得多。直冲时水流把空气卷进去，打出大量小泡，一倒就先冒掉一口；沿着倾斜的杯壁慢慢倒，冒得少。
冰块是一把双刃剑。冰让饮料变冷，冷了确实留得住气；可冰块表面到处是气泡核，倒上去先冒一大口，之后也一直在冒；冰化出来的水里也没有气。对一瓶本来就冰过的汽水，加冰多半只是让它跑气更快。
摇过的瓶子，气一克不会多。封着的瓶子里二氧化碳总量是定的；摇晃只是把顶上的气打碎成无数小泡混进液体，开盖时它们就是现成的气泡核，气一下子涌出来——你能喝到的反而更少。

五、动手：开盖之后

这个模拟器把前面几节的账放在一起算。你来定这一瓶灌装时溶了多少二氧化碳（3–9 g/L）、杯里的饮料多少度、开盖后过了几分钟，再选怎么倒、杯里有没有冰。它用亨利定律的数据算出：这么多气，封瓶时要多大的二氧化碳压力才压得住；开盖后，按「过饱和的气按比例往外跑」的规律（跑的快慢随温度升高、气泡核增多而加快，常数是示意），算出每一分钟还剩多少。左边是剩余的二氧化碳随时间变化，粗线是你选的温度，两条虚线是同一瓶在 4 °C（灰）和 25 °C（橙）时的样子；青色虚线是「1 个大气压的纯二氧化碳下，这个温度能溶多少」，红色点线是示意的刺痛阈。右边（窄屏时在下面）是溶解度随水温的曲线；最下面拿实测的啤酒和香槟做对照。

开盖之后：一杯气泡饮料，气是怎么一分钟一分钟跑掉的

先点「示意：汽水 7」：4 °C、沿杯壁倒进光滑的玻璃杯，开盖 30 分钟后还剩 4.20 g/L，跑掉 40%。把温度拖到 25 °C——同样 30 分钟只剩 1.88 g/L，跑掉 73%。拖回 4 °C，再点「直冲」和「加冰」：倒的那一下就先冒掉约 25%，30 分钟后只剩 1.21 g/L，比温的那一杯还少。最后点「啤酒级 5.5」，看最后一个读数：4 °C 时瓶里要约 1.9 atm 的二氧化碳才压得住；把温度拖到 20 °C，要约 3.3 atm。

灌装 CO₂ — 杯中温度 — 开盖后 —

剩余 CO₂

—

已经跑掉

—

纯碳酸水的酸度（估）

—

刺痛感（啤酒级 = 100，示意）

—

封瓶时要的 CO₂ 分压

—

玩上几圈，你会看到这一课的几件事都是算出来的。在这个模型里，温度是最大的旋钮：同一瓶，4 °C 时半小时还剩六成，25 °C 时只剩不到三成——温水本来就溶不住那么多（右边那条曲线），过饱和得更厉害，分子也动得更快；模型把这几件事合成了一个随温度变快的跑气速率（示意）。冰和直冲先「交学费」：曲线在第 0 分钟就先掉下一截，之后还掉得更陡。最后看 pH：纯碳酸水在气还足的时候约 3.5–3.8，随着气跑掉慢慢往上爬——它的酸会跑；可乐的磷酸不会。还有一个读数值得多看一眼：同样 5.5 g/L 的气，4 °C 时约 1.9 个大气压就关得住，20 °C 时要约 3.3 个——多了七成多。这就是为什么温的那一瓶，一开盖冲得最猛。

六、一瓶可乐里有什么

模拟器里只有水和气。可乐溶进去的远不止气——它把这几课的旋钮几乎全拧上了。2021 年 11 月起，一瓶 500 mL 可口可乐在中国的建议零售价是 3.5 元（据中国新闻网 2023 年 5 月的报道）。这一瓶的主角仍是水；那一小撮拆开来是这样（按标签的每 100 mL 和一罐 330 mL 算）：

下表只用能核实的数字；核实不到的，就写「没有找到」。

那一小撮	多少	出处与说明
糖	每 100 mL 10.6 克（42 千卡）；一罐 330 mL 约 35 克	可口可乐爱尔兰官网的营养标签（中国大陆版的标签数值我们没有核实到）。35 克约是膳食指南每天 50 克上限的七成（第 12 课）
酸	pH 2.37	美国样品的实测（Reddy 等，2016）；酸主要来自磷酸，不会随气跑掉
咖啡因	中国法规上限：每千克 0.15 克	按 GB 2760（这是 2011 年版和 2019 年报道里的数；2024 年新版有没有改，本课没有核实），咖啡因作为添加剂只允许用在可乐型碳酸饮料里，最多 0.15 g/kg，约合每 100 mL 15 毫克；一罐 330 mL 按上限算约 50 毫克。这是法规上限，不是哪一罐的实测——每罐的实际含量我们没有找到官方数字（咖啡因本身见第 02 课）
气	——	没有找到可靠的公开实测

「只有可乐型饮料能加咖啡因」这条规矩有过一个执行的例子：2019 年 2 月，一款星巴克的草莓柠檬味碳酸饮料在中国口岸被拒，理由是咖啡因这一食品添加剂用错了地方——它不是可乐型饮料（据 ChemLinked 的报道）。

把糖那一行换掉，就是货架上的另一种气泡饮料：第 13 课提到的元气森林，用赤藓糖醇卖「0 糖 0 脂 0 卡」的气泡水（据媒体对这家公司的介绍）。赤藓糖醇不在标签上那五种「糖」里，所以它可以有甜味，同时合法地写「无糖」。这样一瓶的那一小撮，是气、加上不算「糖」的甜。

七、温的可乐为什么又甜又没气

把一罐可乐放到室温再打开，常让人觉得又甜又「塌」。配方一克没变，变的是什么？把前几节和前两课拼起来，可以这样解释（这是把几条证据串起来的推论，不是哪项研究直接测过的结论）：

1气少了。温水溶得少、跑得快（第一、四节；模拟器里 25 °C 的那条线）。开盖时冲得猛，冒掉一大口；倒进杯里，没几分钟就塌了。

2压住甜的对手少了。含气量越高，酸味越强（r = 0.79）；上一课说过，酸压甜。气跑了，酸和刺跟着少了，甜就少了一个对手——在第 14 课的地图上，等于往「甜腻」那边挪了一步。

3甜本身也更足了。冷到 5–12 °C，甜感本身就可能下降（Green & Nachtigal，2015；第 12 课）。冰的时候，冷替你压着一部分甜；回到室温，这层压制没了。

三条叠在一起：同一罐可乐，冰的时候清爽，温的时候甜腻。所谓「冰镇才好喝」，在这门课的语言里是一句很具体的话：低温同时留住了气、保住了酸和刺、压住了一部分甜，让这一杯待在比例合适的那条带子里。

回到主线

一杯饮品，主角是水；人回来要的，是溶进去的那一小撮。气是那一小撮里最特别的一样：它是「加进去」的，却不肯老实待着——要靠压力关在瓶里，一开盖就开始往外跑；它尝起来是酸，摸起来是刺；它还会和糖、酸互相压，冰的时候和温的时候，是两杯不同的饮料。到这里，「加进去」的旋钮已经齐了：糖给奖赏（第 12 课），代糖想要甜、不要糖（第 13 课），酸给甜找一个对手（第 14 课），气再添一层会跑的酸和刺。下一课的那一杯——奶茶——要把这些旋钮和第二部分泡出来的浓茶底一起拧。

常见误解

误解：气泡水是碱性的。（澄清：二氧化碳溶进水里就成了碳酸，水只会变酸。实测巴黎水 pH 5.25、一款苏打水 5.24（Reddy 等 2016，美国样品）——偏酸，只是远没有可乐（2.37）那么酸。）
误解：汽水的刺痛，就是一种「辣」。（澄清：是两条线路叠在一起：酸味细胞上的碳酸酐酶 4 把二氧化碳变成酸，报告的是「酸」；三叉神经上的 TRPA1——芥末油、肉桂醛也激活的那个通道——报告的是「刺」。两条的起点都是二氧化碳变成了氢离子。）
误解：加冰能让汽水更有气。（澄清：冷确实让水溶得下更多二氧化碳；可冰块表面到处是气泡核，倒上去先冒掉一大口，之后也一直在冒，化出来的水里也没有气。对一瓶本来就冰过的汽水，加冰多半只会让它跑气更快。）
误解：摇过的可乐，气更多。（澄清：封着的瓶里二氧化碳一克没多；摇晃只是把气打散成无数小泡，开盖时它们成了现成的气泡核，气一下子涌出来——留在杯里、能喝到的反而更少。）
误解：0 糖气泡水就是白水加气。（澄清：二氧化碳让它变成了偏酸的碳酸水；「无糖」按中国标签规则只看五种糖（每 100 mL 不超过 0.5 克），赤藓糖醇这类不算「糖」的甜味剂可以照样放——所以它可以有甜味，也合法地写着无糖。）

一句话带走

二氧化碳是被压力压进水里的：亨利定律说，压力越高、越冷，溶得越多；它溶进水里就成了碳酸，所以气泡尝起来是酸的——酸味细胞上的碳酸酐酶 4报告「酸」，三叉神经上的 TRPA1 报告「刺」。一开盖，压力没了，饮料就处在过饱和里：越温、气泡核越多（冰块、直冲、摇晃），跑得越快。碳酸会随气跑掉，可乐里加进去的磷酸不会。

下一步

到这里，所有旋钮都已摆上桌：浓茶底、奶、糖、酸、气、冰。街头的一杯奶茶同时拧动其中大半——它是怎么被设计出来的？ → 第 16 课《奶茶：一杯被倒着设计出来的组装品》会从你在第十几分钟喝到的那一口倒着往回推：茶底要泡多浓、奶和糖加多少、冰会把它冲淡多少，再加上一颗会回生变硬的珍珠。