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거품 종류 : 샴페인

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샴페인 과학 - 기포 분석
   2015.06.23 by 한건섭 http://winescience.co.kr/

한 잔의 샴페인은 매우 특별합니다.
투명한 글라스 밑바닥에서 생성된 기포는 여러개의 띠를 이루어 끓임 없이 위를 향해 올라가다 사라지게 됩니다. 어두운 공간, 천장에 매달린 불빛에 글라스를 가져가면 반짝이는 기포가 마치 밤하늘을 가득 채운 별처럼 아름답습니다. 글라스에 담긴 와인 표면에 도착한 기포는 작은 글라스 안에서 안개 현상을 일으키는데 마치 기포가 살아 숨 쉬는 것 같은 느낌마저 들게 됩니다.
기포가 있는 와인은 약 350년 전, 1668년 수도승 돔페리뇽(Dom Perignon)으로부터 최초로 발견되었다고 알려져 있습니다. 하지만 돔 페리뇽이 기포를 발견하기 6년 전인 1662년, 런던에 위치한 왕립 자연 과학 학회에는 기포를 생성하는 와인 양조법과 관련된 논문이 기재되어 있습니다.
샴페인을 생산하는 프랑스 샴페인 지역이 먼저일까, 스파클링 와인을 생산하는 영국이 먼저일까, '최초'라는 이슈는 여전히 진행되어오고 있지만, 기포가 들어간 와인을 언급함에 있어 돔 페리뇽은 가장 중요한 인물임에 틀림없습니다.
샴페인 생산법은 19세기 전까지 기포의 영향력에 관한 의문이 지속적으로 발생하여 쉽게 균질화를 이루지 못했으며, 이산화탄소와 거품이 유체 흐름을 유도하고 향.미에 어떠한 영향을 끼치는지는 이놀로지스트와 다양한 과학 분야에서 연구해 온 지 어느새 100년이 넘어가고 있습니다. 와인 속에서 피어오르는 기포의 신비함은 오늘날까지도 유체 물리학을 통해 가장 흥미로운 연구 주제로 다뤄져 오고 있는 만큼, 간단하지만 조금은 심도 있게 스파클링 와인 기포를 알아보도록 하겠습니다.
샴페인이 담긴 한 잔의 샴페인 글라스에 응집된 이산화탄소 기포의 개수와 영향력에 관한 주제는 소믈리에, 저널리스트, 블로거 혹은 몇몇 물리화학자들 사이에서 언제나 흥미로운 이야깃거리가 되어오고 있습니다. 와인 저널리스트 혹은 블로거들의 기사를 둘러본 결과, 한 잔의 샴페인 글라스에는 약 1500만 개의 거품 입자가 존재한다는 글을 종종 찾아볼 수 있었습니다. 가늠이 안 될 정도로 많은 수의 거품이 존재하는 거 같긴 한데, 어떻게 이렇게 정확한 수치가 나올 수 있었을까.
ACS의 연구원 Gerard 는 한 잔의 글라스에서 올라오는 거품의 숫자를 판단하는 단순한 공식에 의심을 품게 됩니다. 액체 내에 용해되어 기포로 발생되지 않은 이산화탄소의 개수, 눈에 보이지 않을 정도의 크기로 생성된 기포 등 전체 기포의 숫자에 영향을 끼칠 수 있는 다양한 요소를 예로 들었으며, 온도에 따른 기포 개수의 역학 그리고 샴페인 글라스의 기울임을 고려한 실험 결과, 약 1000만 개의 기포가 존재한다고 밝혔습니다. 샴페인 혹은 스파클링의 거품 개수는 용해되어 있는 이산화탄소의 양과 각각의 가스를 감싸고 있는 액체성 막 그리고 가스가 위로 올라가는 사이의 액체 온도에 따른 역학에 따라 다르게 나타날 수 있는 등 와인의 상태와 글라스에 따라 동일한 와인이라도 거품의 차이를 발견할 수 있다고 말합니다.
거품이라는 존재가 액체성 막에 둘러싸여 있다가 수면 혹은 공기 중에서 깨지는 현상은 물리학, 화학, 기계공학, 해양학, 지구 물리학, 공업 기술, 의학 등 다양한 상업 분야에서 중요한 요소로 다뤄져오고 있습니다. 물리화학적 시점에서 샴페인은 다중성 하이드로 알코홀릭 시스템으로 분자 구조가 극성을 띄므로 친수성이며, 표면 장력은 50mN/m으로 물의 표면 장력(72.75mN/m) 보다 낮고 순수 물 보다 50% 높은 점성을 지니고 있으며, 2차 발효로 인한 이산화탄소 가스와 에탄올의 용해로 과포화 된 상태라 할 수 있습니다.


- 스파클링 와인 액체 내 기포 개수의 예상값 -

 

 

스파클링 와인의 기포는 크게 2차 발효를 통한 자연 생산법 그리고 탄산 주입법으로 구분할 수 있습니다. 자연 생산법을 예로 들면, 효모가 당을 소비하면서 생성된 이산화탄소는 배출구가 없어 와인 용액 내 용해가 되는데, 리터 당 약 10그램의 이산화탄소로 발효를 마친 샴페인 병 내의 기압은 약 5~6기압이 형성됩니다. 750ml 와인병에 용해된 이산화탄소는 샴페인의 코르크 마개가 제거 됨과 동시에 외부 기압과의 평행을 이루며 약 5리터, 원 용액의 6배에 달하는 기체가 증발하지만, 천천히 증발하는 약 20%의 이산화탄소는 샴페인 한 잔 속에 약 2천만 개의 기포를 발생시킨다고 볼 수 있습니다.
샴페인 애호가 그리고 와인 생산자들 사이에서 널리 알려져 있듯이, 샴페인의 시각적인 아름다움을 선사하는 마치 진주 목걸이와 비슷한 물방울 체인은 샴페인의 표면에서 쿠션처럼 튕기는 현상이 발견되는데 이와 같이 기포의 파열과 튕김 현상은 샴페인의 아로마를 느낄 수 있는 대표적인 요소라 할 수 있습니다. 하지만, 기포를 통해 증발하는 아로마 성분의 분석적인 절차는 여전히 연구 중에 있으며, 현재로서는 기포가 생성될 때와 샴페인 내에서의 이산화탄소의 흐름이 아로마를 구성하는 화합물을 끌어당겨 표면 밖으로 증발시킨다고 추정되어오고 있습니다.

- 기포의 발생 조건 -

 

샴페인의 기포 생성은 외적인 도움을 필요로 하지 않습니다. 하지만, 스타팅 포인트는 필요합니다. 기포가 처음으로 발생하는 부위는 우리 눈에 보이지 않는 매우 작은 원자로 구성되어있는 마이크로 셀룰로오스(Micro cellulose) 섬유질 부위에서 시작됩니다.
해당 섬유질은 공기 중 혹은 마른 타월로 글라스를 닦을 때 정전력에 의해서 글라스 표면적에 달라붙게 되는데 마이크로 셀룰로오스 한 개의 길이는 약 100 마이크로미터로 내부는 가스로 가득 차게 됩니다. 샴페인 용액이 글라스 표면에 닿는 순간 모관력에 의해 세룰로오스 섬유관 속으로 순간적으로 빨려 들어가게 되는데, 이때 포도당 중합체 체인으로 구성된 미세 섬유막이 생성되면서 기포의 보관과 분출이 진행됩니다.
기포의 발생은 셀룰로오스 섬유관이 길고 얇을수록 그리고 표면장력이 낮고 점성이 높을수록 더욱 활발하게 진행되는데 샴페인의 표면장력은 물에 비해 30% 정도 낮으며, 점성은 50% 정도 높기 때문에 탄산 주입식을 예로 들었을 때 일반적으로 순수한 물보다 와인에서의 기포 발생 유지시간 더욱 길다고 할 수 있습니다.
이산화탄소는 반경 2마이크로미터로 스스로 막을 형성할 만큼 충분한 에너지를 가지고 있지 않기 때문에, 분자들이 운동하는 과정에서 한 쪽으로 급격히 쏠리는 현상인 '반데르 발스의 힘'에 의해 물 분자 속으로 끌려들어 가면서 하나의 액막을 형성하게 됩니다.
이렇게 형성된 액막이 바로 한 개의 기포입니다.
셀룰로오스 섬유관으로 끌려들어 간 기포 입자 크기가 10에서 50마이크로미터로 확장되면, 섬유관으로부터 분리되고 부력에 의해 위로 상승하게 되는데, 이때 텅 빈 섬유관 속으로 또 다른 작은 크기의 기포가 빨려 들어가면서 끓임 없는 기포의 띠를 형성하게 됩니다. 평균적으로 1개의 섬유관에서 1초당 30개의 기포가 발생되고 섬유관으로부터 분리된 기포는 액체 중 상승하면서 크기가 더욱 커지게 되고 부력 속도 또한 증가하면서 기포의 크기는 보통 지름 1mm 이하를 유지하게 됩니다.

 

 


샴페인 글라스 바닥에서부터 발생하는 기포를 관찰하다 보면 원형 띠를 이루는 현상이 종종 발견됩니다. 이 경우 대부분은 바닥 부분을 원형으로 식각 한 것인데 글라스의 장인들이 제작한 것으로 평균 20개 이상의 미세 자국을 내서 기포의 배출이 일관적으로 발생하도록 함입니다.
샴페인 내에 존재하는 점성은 기포에 둘러싸여 상승함과 동시에 물을 유동적인 흐름을 끌어당기는 성질을 지니고 있습니다. 이로 인해 기포가 물의 흐름보다 빠르게 나타나고 표면적까지 끌어당겨진 물 줄기는 유동 흐름에 의해 일정한 순환 형태를 띠게 되고 발생한 기포가 가운데를 중심으로 상승하는 원인이 됩니다.
기포의 성질 중 하나로 상승하는 기포의 줄기는 이산화탄소를 감싸고 있는 유액에 따라 휘는 성질을 보이기도 하지만, 샴페인의 기포는 일직선으로 상승하는 성향을 나타냅니다. 맥주의 경우 다량의 단백질을 함유하고 있어 기포 모양의 변형을 방지하는 반면, 샴페인에 비해 탄산을 덜 함유하고 있어 기포의 변화가 느리고 단백질의 흡착력이 증가해 상승하는 속도도 느리게 나타납니다.
샴페인의 경우, 적은 단백질 함유량으로 계면 활성제의 함유량과 비례해 기타 유기물의 흡착력이 낮으므로 기포의 크기 변화가 빠르게 나타납니다. 계면 활성제로 인해 자유표면의 기포 나열이 배열을 갖추게 되는 반면 해당 성질이 없다면 기포는 서로 거칠게 밀치며 파열의 속도가 증가하는 등 우리가 생각하는 아름다운 기포의 안개 현상이 불가능할 수도 있습니다.
실험을 위해 첨가한 릴산 입자로 (릴산: 구 모양의 중합체로 지름 75~150 마이크로, 샴페인과 비슷한 밀도), 점성에 의한 유체의 변화를 관찰한 결과, 가운데의 기포 상승 줄기를 중심으로 양쪽의 유체 소용돌이가 대칭을 이루는 것을 볼 수 있습니다. 단 한 개의 식각에서 생성되는 지속적인 기포만으로도 유체의 일관적인 소용돌이를 생성시킬 수 있습니다.
샴페인의 관능검사의 경우, 보통 시각과 후각에 의해 첫 판단을 진행하고 입안에서의 파열하는 기포에 의한 향의 분출이 불규칙적이라 정확한 판단이 어렵습니다. 기포 생성 면이 넓을수록 시각적인 효과는 증가하지만, 대량의 기포 발생은 이산화탄소의 증발이 빠르며 기포의 파열 속도도 증가하기 때문에 미각에 영향을 끼치게 됩니다. 반면, 자연적인 기포 발생의 경우, 기포가 비교적 적게 생성되지만, 입안에서의 부드러운 파열의 느낌과 아로마의 전달이 향상되기 때문에 충분한 시음이 가능하게 됩니다. 그간의 연구조사에 따르면 가장 이상적인 기포 발생 포인트는 약 20 포인트로 샴페인 관능검사에서 가장 만족스러운 결과를 보였습니다.

 

샴페인 글라스의 바닥에서 생성된 기포는 약 10cm의 액체를 거쳐 자유표면에 도달하는데 공기 중에 노출되는 기체는 약 0.5mm로 부양력(FB, pgπR3)과 반구형의 얇은 액막의 모관력(FC) 등 두 성질에 의해 반구형으로 형성되며, 위 표는 귀갑무늬로 구성된 샴페인 거품의 단일분자막을 사면 촬영한 것으로 각각의 거품은 6개의 다른 거품에 둘러싸여, 5개의 거품이 일직선 형태를 이뤄 도식적인 횡단면으로 나타나는 것을 볼 수 있습니다.
액체 사이의 폭이 좁은 사이로 위로 올라가려는 현상인 모세관력과 위에서 누르는 중력에 의해 액체 표면의 거품은 약간 눌린 구 모양을 띄는 반면 표면장력 아래는 올바른 구 모양을 갖추게 됩니다. 라플라스의 법칙에 따른 구면 내부의 압력은 외부보다 크기 때문에 팽창을 하며 외부로 표출된 기포 면은 중력에 눌리며 반지름이 커짐과 동시에 압력 차이가 낮아짐으로 기포가 더욱 안정적으로 변화하게 되며, 구 내부에 있는 기체는 높은 압력으로 외부로 빠져나감으로써 소멸하게 됩니다.

 

자유표면에 도달한 기포의 파열은 옆에 위치한 또 다른 기포의 파열을 발생시킵니다. 샴페인으로 채워진 글라스의 표면은 순간적으로 기포가 발생하고 파열이 이어지다 몇 초 후에는 기포 층을 생성하는데, 1개의 기포는 6개의 기포에 둘러싸이는 현상을 나타내게 됩니다. 기포를 둘러싸고 있는 액막은 기포 파열 뒤 100 나노미터 두께의 얇은 막을 형성하는데, 매우 불안정하여 온도나 약간의 진동에도 파열되게 됩니다.
파열된 기포 자리는 잠시나마 빈 표면이 형성되는데 텅 빈 가운데를 중심으로 둘러싼 6개의 기포는 마치 꽃과 같은 배열을 구성하게 됩니다. 파열된 기포를 둘러싸고 있던 기포들은 순간적으로 대기압보다 높은 정압을 띄게 되는 반면, 빈 공간의 자유표면 아랫부분은 순간적으로 대기압보다 낮은 부압을 띄게 되어 압력의 평행을 위해 순간적으로 주변 기포가 빨려 들어가게 됩니다.
기포의 파열로 인해 순식간에 증가하는 표면장력으로 주위의 다른 기포가 빨려 들어가는 과정에서 해당 기포의 전단응력이 발생하면서 가늘고 긴 타원형의 형태를 띠게 됩니다. 이렇게 급격히 유입된 주위 기포에 의해서 압력의 차이가 발생하게 되고 곧바로 작은 물줄기가 솟아오르는데 이것을 '분출 방울'이라고 부릅니다. 이렇게 분출된 분출 방울은 곧이어 5개 이상의 작은 방울로 분리되는데 각각의 방울은 지름이 약 100 마이크로미터로 눈에 보이지 않는 방울도 생성되어 안개 현상을 일으키게 됩니다.

 

대기 중에서 소멸되는 기포는 크게 두 가지 종류의 물방울로 분류할 수 있습니다. 액막으로 둘러싸인 기포가 액체 외부에서 터질 때 발생하는 얇은 막 방울 (film drops), 액막이 터질 때 구를 형성하던 자리의 아랫부분이 튀어나오면서 발생하는 분출 방울 (jet drops) 등 생성된 두 가지 방울에서 발견되듯 구의 지름이 1mm 이하인 경우 액막이 생기지 않는 경우도 있습니다.
샴페인 기포의 경우, 지름이 1mm 가 넘는 경우는 적어 샴페인 잔 표면에 발생하는 기포가 터지는 모습은 모두 분출 방울로 결정할 수 있다. 고속 촬영한 결과, 기포가 소멸하면 유체역학적 반응으로 약 1mm의 구멍 자국이 액체 표면에 발생하는데, 부력과 내부 압력에 의해 대기 중으로 올라가면서 분출 방울을 생성하게 됩니다. 이때 발생한 텅 빈 공간으로부터 공기 중으로 얇은 물줄기가 발생되는데, 이를 'Warthington jet' 라 하며, 이와 같은 현상이 발생하기까지 1000분의 1초 미만이라 할 수 있습니다.
기포의 크기, 개수, 속도는 최초 생성되는 액막의 크기와 액체 성질 (표면장력, 밀도, 점성)에 따라 다르게 나타나며, 액체류의 역동성 중 가장 복잡하고 화려한 예시가 바로 샴페인 용액 표면에서 발생하는 기포의 움직임이라 할 수 있습니다. 사진을 살펴보면, 파열되는 기포에 의한 파장과 표면장력으로 인해 방울이 표면에 튕기는 것을 확인할 수 있습니다. 비교적 큰 사이즈의 기포가 액체 표면을 튕기는 현상은 액막 아랫부분의 공기막이 자유표면에 닿을 때 윤활 효과가 발생되어 일어나는 현상으로 인상적인 것은 큰 기포가 자유표면에 닿은 후 다시 튀어 오를 때 인접한 작은 기포는 큰 압력에 이끌려 큰 기포 내로 빨려 들어가는 모습을 관찰할 수있습니다. 이렇게 발생하는 기포는 2~3번의 튀어 오르는 현상 끝에 작은 기포들과 일체화가 됨으로써 자유표면의 기포는 용액 속 기포보다 더 큰 크기로 변화하게 됩니다.
이렇게 생성된 작은 기포는 자유표면으로부터 몇 센티미터 정도 튀어 오르는데, 이중 부분적으로 증발하는 기포의 경우, 함유하고 있던 휘발성 유기화합물을 공기 중에 방출시킴으로써 일반 와인에 비해 더욱 다양한 향을 표출하게 됩니다. 최근, 샴페인의 기포로부터 발생되는 에어로솔(aerosol)을 분석하기 위해 질량분석법(mass spectrometry)이 도입되었으며, 기포 파열 뒤에 튀어 오르는 작은 액체 방울이 자유표면 아래에 나란히 배열된 방울에 비해 더욱 활동적이고 큰 집합 덩어리를 형성한다는 것이 밝혀졌습니다. 샴페인 글라스 표면을 가득 채운 기포는 여러 다양한 화합물이 흡착된 상태로 포화 및 불포화 지방산을 예로 들 수 있습니다. 포화 및 불포화 지방산은 계면활성제 성질을 지니며, 자유표면에 지속적으로 농축되는데 이는 자유표면에 다다른 기포의 파열 시간이 점점 증가하면서 규칙적인 배열을 갖추는 것으로 설명이 가능합니다.
자유표면 위에 지속적으로 증가하는 계면활성제 농도는 기포 경계선의 윤활성을 저하시키고 기포 간의 흡착 막을 형성함으로써 기포가 유지되는 시간을 증가시켜주며, 이와 같은 샴페인 용액과 공기 중의 접점인 자유표면에서의 양쪽 친매성 고분자의 흡착막 형성은 타원편광법(ellipsometry)과 브루스터각(Brewster angle)을 통해 증명된 바가 있습니다.
계면활성제는 소수성 말단과 친수성 말단으로 구분되며, 소수성 말단은 용매로부터 밀려나는 반면, 친수성 말단은 용매로 끌려가게 되는데, 기포 내 공기 부분으로 끌려들어 간 소수성 말단은 자유표면에서 파열하는 기포에 의해 외부로 분출되고 친수성 말단은 다시 용매로 끌려가게 되는데 이러한 성질이 샴페인 표면에 발생하는 안개 현상을 일으키는 주된 원인 중 하나라 할 수 있습니다.

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송년 모임에 종종 등장하는 스파클링 와인. 과학자들은 스파클링 와인의 거품 소리로 와인의 품질을 판단할 수 있는 법을 알아냈다. 스파클링 와인을 좁고 깊은 잔에 마시면 더 맛있는 이유도 찾았다.
카일 스프랫 미국 오스틴 텍사스대 응용연구실험실 연구원팀은 스파클링 와인 거품이 내는 소리를 측정하는 소형 청음기를 개발해 5일 미국음향학회 학술대회에서 발표했다. 청음기로 거품 소리를 측정해 와인의 품질을 판단하기 위해 만들었다. 스파클링 와인은 포도로 만든 와인을 한 번 더 발효시켜서 만든다. 1차 발효한 와인에 효모와 당분을 추가해 2차 발효를 하면 효모가 포도당을 알코올로 만들면서 이산화탄소를 발생시킨다. 스파클링 와인의 탄산은 이 이산화탄소가 와인에 녹아 만들어진다. 이산화탄소는 병을 열기 전까지는 와인 속에 녹아 있지만 뚜껑을 여는 순간 병 내부 기압이 낮아지면서 와인을 빠져나온다.
와인을 보관하는 과정에서 밀봉이 풀리거나 와인이 상하면 이 이산화탄소의 성분이 변한다. 뚜껑을 열기 전에 액체에서 빠져나올 수도 있고, 아예 다른 성분으로 바뀔 수도 있다. 이 때문에 거품이 스파클링 와인의 품질을 판단하는 중요한 기준이 되는 것이다.스프랫 연구원은 “청음기는 맛을 보지 않고도 와인 품질을 측정하는 데 중요하게 쓰일 것”이라고 말했다. 예를 들면 오랫동안 보관이 잘돼 품질이 좋은 스파클링 와인은 작은 거품이 많이 나온다. 청음기를 이용해 작은 거품이 많이 나오는 소리를 확인한다면 맛을 보지 않고도 와인 품질을 판단할 수 있다.
스파클링 와인을 입구가 좁고 긴 잔에 마시는 이유도 역시 거품 때문이다. 스파클링 와인은 다른 와인에 비해 유독 향이 진하다. 와인에서 올라오는 거품이 향 분자를 머금고 있다가 거품이 터지는 순간 공기 중으로 향 분자를 내보내기 때문이다. 제라르 리제벨레르 프랑스 국립과학연구센터 연구원은 1월 유럽물리학저널에 거품과 와인 잔의 관계에 대한 연구결과를 발표한 바 있다. 와인을 잔에 부으면 위아래로 휘도는 흐름이 생기는데 거품도 이 흐름에 따라 움직인다. 이때 잔의 깊이가 얕고 입구가 넓으면 잔의 가장자리를 따라 거품이 제대로 움직이지 않아 향을 잘 전달하지 못한다. 반대로 깊이가 깊고 입구가 좁은 잔에 따르면 거품이 활발하게 움직이면서 향을 잘 분출하게 된다.  

 
스파클링 와인의 거품은 와인 속에 담겨 있는 향 분자를 표면으로 이동시킨 뒤 공기 중으로 분출하는 역할을 한다. 입구가 넓고 깊이가 얕은 잔은 중심 부분에만 작게 흐름이 생기면서 가장자리는 와인이 움직이지 않는다(a). 반면에 입구가 좁고 깊이가 깊은 잔은 잔 전체에 와인 흐름이 생기면서 거품의 이동이 활발하다(b). - 유럽물리학저널 제공