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2024-06-01過了一年,還是很「氣」 寶特瓶為什麼能長期保存碳酸飲料? 654 期

Author 作者 陳瑋駿/清華大學化學系碩士,中興大學化學系學士。現職科技業工程師,著有《化學有多重要,為什麼我從來不知道?》一書。

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•二氧化碳在水中的溶解度有限,且會在壓力消失後逸出。氣泡水的包裝材質須具備良好的氣密性和耐壓性,以防止二氧化碳逃逸。
•塑膠瓶的氣密性大部分取決於聚合物分子結構的緊密程度,由於PET分子結構無支鏈且可拉伸,所以氣密性優於其他塑膠材質。
•雖然PET隔絕二氧化碳的效果很好,但對氧氣的阻隔性較差,因此容易因為氧氣入侵而變質的飲料常會使用玻璃罐或鋁罐包裝,例如啤酒。

 
在燒烤店大口吃著燒肉的同時,要是能夠來上一杯冰涼的肥宅快樂水(汽水)該有多好?從它在17世紀被發明至今,人們對碳酸飲料的熱愛有增無減。即便到了21世紀,人們依舊三不五時飲用充滿二氧化碳的水溶液。在扭開瓶蓋的瞬間,「嘶」的一聲,二氧化碳伴隨著飲料的香氣洩出,都還沒喝下肚,心情就已經先愉悅了起來。
 
汽水的本質不過是加了二氧化碳的糖水,然而二氧化碳並不像糖粉,碰到水就輕易地溶解於其中。筆者還記得小時候在鄉下吃流水席時,廚師為了讓菜餚看起來「仙氣飄飄」,就會將一小塊乾冰放進桃紅色的免洗杯之後再加水,綿密的白色霧氣就會從杯中吐出,瀰漫在菜盤之上。儘管我們學過,二氧化碳能夠微溶於水,然而在一陣雲霧繚繞之後,那杯乾冰水並沒有順利地變成氣泡水。
 

沒有壓力,就沒有汽水

氣泡水之所以沒有這麼容易生成,最重要的關鍵不外乎就是二氧化碳自身的壓力。在日常開放的環境下,無論丟多少乾冰到水裡,都只會像用吸管朝飲料杯底下吹氣的惡作劇般,無法產生如碳酸飲料一樣豐富的氣泡。也因此,不論市面上哪一牌的氣泡水製造機,都有一樣必買的耗材就是二氧化碳鋼瓶。只要在密閉且高壓的環境下將二氧化碳灌入水中,我們就可以強迫二氧化碳暫時住在水分子的領域。但當壓力消失時,這些二氧化碳就會像是沒有人管的熊孩子一樣失控地到處逃竄。沒過多久殘餘在水中的二氧化碳便少之又少,再也喝不到強烈的氣泡感了。
 
業者為了讓消費者可以在任何時間、任何地點喝到就像剛打好氣的可樂,必須在打氣完畢之後盡可能以最短的時間封罐。不過,該如何長時間地保存這股「氣」?
 

當氣體玩起密室逃脫

碳酸飲料要長時間保存氣體量,可能沒有你我想得容易。相信很多人小時候都曾經在夜市買過空飄氣球,氣球在充飽氦氣的當下,看著自己喜歡的卡通人物飄浮在半空中的景象十分療癒,走到哪裡都想要帶著它一起行動。但是買回家之後,原先飽滿的氣球會隨著一天天過去而開始略顯乾癟。再過個幾天,一覺醒來後可能會發現氣球已經躺平在地上,模樣還比前幾天更消瘦。雖然可以合理懷疑氣球絕對是哪邊有漏氣,但捏了一下氣球,卻好像也不見什麼破洞。原來,氣球的材質以巨觀的角度看似密閉,但當我們以微觀的尺度來看待時,材質本身其實分布著相當微小的間隙,讓氦氣在不知不覺中緩緩逃脫。除此之外,這個間隙還會隨著材質的不同而有所差異。例如夜市常看到的錫箔氣球在買回家之後可保持最多約一個禮拜,但若是一般乳膠材質,不需幾個小時氣球就無法飄浮在空中。

在日常生活當,我們常會在容器內水並搖晃幾下,以測試瓶子本身是否漏水。然而在看過氣球的例子之後,那些看起來不會漏水的材質與氣體的阻隔性,其實並沒有100%的關聯性。

 

(Adobe Stock)

 

如何長期保存這股「氣」

一罐汽水的保存期限長達12個月,要長時間維持瓶內的氣體量,包裝材質一定功不可沒。在常溫下,汽水罐內的壓力大約是大氣壓力的四倍,因此汽水罐不僅要封存二氧化碳,本身的材質也要夠強壯才能承受來自內部的壓力。況且罐體在運送途中還可能遇上高溫、隨路況晃動的情境,這些因素都會迫使更多二氧化碳從液體中釋放,進而提升罐內的壓力。因此,若沒有適當的包裝材質,瓶內的氣體可是蠢蠢欲動,一個小裂縫都不放過,汽水罐隨時都可能在貨車車廂變成糖水炸彈。
 
講到碳酸飲料的包裝,相信讀者的腦中會馬上浮現幾個圖像,像是燒烤店或熱炒店的玻璃瓶、賣場內的鋁罐、塑膠罐等。其中,玻璃罐與鋁罐不僅具有非常好的氣密性,幾乎不會讓二氧化碳逃脫,且耐壓性也非常好。而塑膠雖然相對於這兩者都來得便宜,但由於塑膠在形成的過程中是由許多長鏈分子堆疊而成,宛如好幾條鎖鏈相互纏繞、堆疊在一起,可想而知,要是鎖鏈堆疊地不夠緊密,便會在鏈與鏈之間產生縫隙,二氧化碳還是有機會從塑膠容器溜出,這也是氣球會消風的原因(圖一)。因此分子本身的化學結構對於二氧化碳的阻隔性有直接影響,並且也影響到罐體本身的機械強度。
 
放眼望去,市面上的碳酸飲料瓶材質不外乎都是聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate, PET),也就是俗稱的寶特瓶。但是塑膠罐明明有那麼多材質,像是牛奶罐、沙拉油罐的高密度聚乙烯(high density polyethylene, HDPE)、熱炒店冷泡茶的聚丙烯(polypropylene, PP)寶特瓶究竟有什麼樣的本事才得以從這些塑膠瓶中脫穎而出,成為碳酸飲料包裝的唯一選擇呢?

 

圖一(資料來源:作者提供)
塑膠由高分子化合物交互堆疊而成,要是堆疊地不夠緊密,汽水中的二氧化碳將有機會從高分子鏈之間的間隙溜出。

 

寶特瓶如何脫穎而出?

要解釋寶特瓶成為碳酸飲料包裝唯一選擇的原因,首先要聚焦在二氧化碳逃脫的原理。在前面的段落中曾經提到,無孔不入的二氧化碳分子會鑽進聚合物結構的間隙、悄悄地「溜」出去。因此若要減少二氧化碳從瓶內消散的情況,我們一定得想辦法降低這種間隙存在的比例。其中一個較簡單的辦法就是增加瓶壁的厚度,讓二氧化碳體驗一下難度更高的密室逃脫,自然就不會這麼快消氣。只不過這樣做的缺點顯而易見,就是成本的提升。那還有沒有其他辦法呢?
 
間隙的多寡其實受到多種因素影響,首先是聚合物分子本身的結構。當塑膠生成時,分子之間是否能夠緊密堆疊以減少間隙,與聚合物分子本身的形狀和結構有著非常直接的關係。例如HDPE的分子結構支鏈比低密度聚乙烯(low density polyethylene, LDPE)更少,這讓HDPE分子之間緊密地疊合、減少間隙(圖二)。這就好比兩隻鉛筆可以很緊密地併攏,但兩根樹枝靠在一起就會因為形狀不規則的枝條而產生空間。其次,聚合物單體的分子大小也會直接地影響間隙。例如苯乙烯(styrene)分子結構中帶有一個苯環,因此在形成聚苯乙烯(polystyrene)的時候就會礙於苯環的體積,使長鏈之間無法很緊密地疊合在一起。聚苯乙烯的二氧化碳透氣性甚至比LDPE還高,是一個非常具代表性的案例。

 

圖二(資料來源:作者提供)
相較於LDPE(a),HDPE(b)的分子結構帶有較少支鏈,讓HDPE的分子與分子之間可以很緊密地疊合在一起,減少間隙。

 
既然如此,選用寶特瓶盛裝碳酸飲料的優點是什麼?首先,寶特瓶的PET分子完全沒有支鏈,這讓分子之間能更容易緊密堆疊。其次,在汽水瓶的生產過程中,原先PET分子排列雜亂無章,但透過適度的拉伸,彷彿告訴這些分子應該如何排列般,引導PET分子走向更規則的堆疊方式,進而減少分子之間的間隙(圖三)。此過程不僅能更進一步強化二氧化碳的阻隔性,還增強了另一個最關鍵的要素――瓶子本身的結構強度(這也是碳酸飲料瓶底做成五爪型的原因)。因此寶特瓶不僅耐得住瓶內的高壓,還可以避免包裝變形,而其他塑膠材質雖然可能具備足夠的氣密性,但是仍然沒有辦法盛裝碳酸飲料。

 

圖三(資料來源:作者提供)
適度的拉伸可引導PET分子從雜亂無章的排序,走向更為規則的堆疊方式,進而減少分子之間的間隙。

 

PET還是有些缺點?

雖然寶特瓶看起來已經是所有碳酸飲料的唯一解了,然而飲料包裝的世界博大精深,同樣的塑膠材質對不同氣體其實有不一樣的阻隔性,且氣體分子的大小或極性都會有影響。寶特瓶雖然是隔絕二氧化碳的不二之選,但其實不太善於拒絕氧氣的入侵。仔細回想一下,我們是不是從來沒看過用寶特瓶來裝罐的啤酒?畢竟只要一點點來自外界的氧氣透進瓶中,整罐啤酒就會變得苦澀不好入口,這時玻璃罐與鋁罐就成了最好的解決辦法。
 
當我們下次暢飲著這些氣泡飲料之餘,不妨體會一下各家廠商這股想盡辦法保存最佳口感的用心。一起為這股心意乾杯吧!
 

延伸閱讀
1. 鄭永銘(2018 年 8 月 23 日)。罐裝可樂比瓶裝的好喝?跟著鄭大師玩科學https://www.masters.tw/211984/cola
2. Bozoklu, G. (2008). Improvement in barrier properties of polymers used in packaging industry - pet/n-mxd6 blends.
3. 王文裕(2018 年 12 月)。塑膠產品綠色設計指引手冊。環境部資源循環署, https://www.reca.gov.tw/recycleReport2