มีอะไรในน้ำอัดลม

ในน้ำอัดลมไม่มีสารอาหารประเภทโปรตีนและไขมัน น้ำตาล จึงเป็นสารอาหารชนิดเดียวที่อยู่ในขวดน้ำอัดลม เพราะเป็นสารที่ให้ความหวานและพลังงาน น้ำตาลที่ใช้ในน้ำอัดลมคือ ซูโครส (น้ำตาลทราย) เป็นสารอาหารประเภทคาร์โบไฮเดรตซึ่งจะให้พลังงาน 4 กิโลแคลอรีต่อกรัม ถ้าดูจากข้างขวดก็จะพบว่าในทุกๆ 100 มิลลิลิตร จะประกอบด้วยน้ำตาลประมาณ 10.6 กรัม (ขึ้นอยู่กับชนิดของน้ำอัดลม) ประมาณ 42.4 กิโลแคลอรี ถ้าเราดื่มน้ำอัดลม 1 ลิตร จะให้พลังงาน 424 กิโลแคลอรี ขณะที่โดยปกติร่างกายต้องการพลังงานวันละประมาณ 2000-2500 กิโลแคลอรี จึงทำให้เรารู้สึกอิ่มและสดชื่น การที่มีน้ำตาลในกระแสเลือดมากกว่าที่ร่างกายต้องการ อินซูลินจะทำงานหนักเพื่อที่จะเก็บน้ำตาลที่มากเกินพอในกระแสเลือดนั้นในรูป ของไกลโคเจนและไขมันใต้ผิวหนัง เป็นเหตุให้เรามีน้ำหนักมากขึ้นและอ้วนขึ้นนั่นเอง (ถ้าได้รับพลังงานมากกว่าที่ร่างกายต้องการ 7700 กิโลแคลอรี ก็จะทำให้น้ำหนักเพิ่มขึ้น 1 กิโลกรัม) นอกจากนี้การบริโภคน้ำอัดลมมาก จะทำให้อิ่มและรับประทานอาหารได้น้อยลง อาจเป็นเหตุให้ขาดสมดุลทางโภชนาการ

    ส่วนในเครื่องดื่มบางชนิด เช่น Light, Zero หรือ Diet นั้น จะใช้สาร (เคมี) ให้ความหวานแทนน้ำตาล ซึ่งจะให้ความหวานแต่ไม่ให้พลังงาน อันนี้ก็ต้องระวัง เพราะสารให้ความหวานบางชนิดจะเป็นพิษต่อร่างกายหรือเป็นสารก่อมะเร็ง สารให้ความหวานที่ใช้อยู่ปัจจุบันนั้นยังได้รับอนุญาตให้ใช้อยู่ เพราะปัจจุบันยังไม่มีรายงานว่าสารนั้นเป็นพิษต่อร่างกาย แต่ในอนาคตอาจพบว่าเป็นสารพิษเหมือนในอดีตที่เปลี่ยนสารให้ความหวานอยู่เสมอ เพราะพบว่าเป็นพิษ ก็เป็นได้

กรดคาร์บอนิก เป็นองค์ประกอบที่ทำให้น้ำอัดลมซ่า มีฟอง และมีรสเปรี้ยวอ่อนๆ กรดคาร์บอนิกนั้น ได้จากปฏิกิริยาระหว่างน้ำกับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ โดยใช้ความดันสูงบังคับ (อัด) ให้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ทำปฏิกิริยากับน้ำให้ได้ เพราะในสภาวะความดันปกติคาร์บอนไดออกไซด์แทบจะไม่ละลายน้ำหรือทำปฏิกิริยา กับน้ำเลย แต่กรดคาร์บอนิกที่เกิดขึ้นนั้นไม่เสถียร คือสลายตัวได้ง่ายในสภาวะความดันปกติ ยิ่งถ้ามีความร้อนด้วยจะยิ่งเร่งการสลายตัวให้เร็วยิ่งขึ้น ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการสลายตัวของกรดคาร์บอนิกก็คือน้ำกับคาร์บอนไดออกไซด์ นั่นเอง ดังนั้นจึงต้องเก็บน้ำอัดลมภายใต้ความดัน ก่อนที่จะถึงมือผู้บริโภค ด้วยเหตุนี้เราจึงเรียกว่าเครื่องดื่มชนิดนี้ว่า “น้ำอัดลม” เมื่อเปิดขวดออก ความดันสูงในขวดก็จะลดลงเท่ากับความดันปกติ จึงทำให้กรดคาร์บอนิกสลายตัวออกมา ได้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ทำให้เกิดฟองนั่นเอง กรดคาร์บอนิกยังสามารถย่อยสลายหินปูนได้ จึงสามารถกัดกร่อนกระดูกและฟันได้เช่นกัน

เช่นเดียวกับ กรดฟอสฟอริก ซึ่งมีความเป็นกรดสูงมากพอที่จะ ละลายตะปูได้ภายใน 4 วัน นอกจากจะทำให้ระคายเคืองต่อระบบทางเดินอาหารแล้ว ยังทำให้นอนหลับยาก ฟันผุ อาจทำให้กระดูกพรุน เนื่องจากฟอสเฟสไปดึงแคลเซียมออกจากกระดูกและฟัน

คาเฟอีน เป็นสารที่มีกลิ่นหอมและพบมากในชา กาแฟ เป็นสารกระตุ้นประสาทที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในโลก มีฤทธิ์ในการกระตุ้นระบบประสาทส่วนกลาง ทำให้ร่างกายเกิดความตื่นตัวและลดความง่วงลง เมื่อ ได้รับคาเฟอีน ร่างกายจะมีความต้องการคาเฟอีนมากขึ้น และถ้าหยุดบริโภคคาเฟอีนอย่างทันที อาจทำให้เกิดอาการปวดศีรษะและคลื่นไส้อาเจียนได้ การบริโภคคาเฟอีนมากเป็นเวลานาน อาจนำไปสู่ภาวะเสพติดคาเฟอีนได้ ซึ่งจะปรากฏอาการต่างๆ เช่น กระสับกระส่าย วิตกกังวล กล้ามเนื้อกระตุก นอนไม่หลับ ใจสั่น หรือแผลในกระเพาะอาหาร ลำไส้อักเสบ เด็กที่ดื่มน้ำอัดลมเป็นประจำ จะทำให้มีรูปแบบการนอนที่ผิดแผกไปจากเดิม เด็กเหล่านี้จะนอนไม่หลับในเวลากลางคืนและง่วงนอนในเวลากลางวัน ทำให้ประสิทธิภาพในการทำกิจกรรมต่างๆ ลดลง

สารกันบูดหรือวัตถุกันเสีย ใส่เพื่อให้สามารถเก็บน้ำอัดลมได้นาน ในน้ำอัดลมนิยมใช้ กรดซิตริก (เป็นกรดที่อยู่ในมะนาว) สามารถป้องกันการเจริญของแบคทีเรียและยีสต์ได้ดี แต่เป็นกรดค่อนข้างแรง จะทำให้ระคายเคืองทางเดินอาหาร ส่วนสี กลิ่นและรส เป็นสารเคมีสังเคราะห์ทั้งสิ้น สารเหล่านี้เป็นสารก่อมะเร็ง ถ้าได้รับมากเกินไปก็อาจจะทำให้มีความเสี่ยงเป็นโรคมะเร็งได้ง่ายขึ้น

เมื่อเมนทอสเจอกับน้ำอัดลม

  ทองก้า คอฟฟรีย์ นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยแอบพาลาเชียน สเตท จากสหรัฐ บอกว่า เขาเสนอให้นักศึกษาหาคำตอบว่า ทำไมเอาเมนทอสใส่ไดเอ็ท โค้ก แล้วน้ำจากขวดโค้กถึงพุ่งเป็นน้ำพุไปได้ และบางครั้งสูงถึง 10 เมตรที่ผ่านมา เคยมีคนตั้งทฤษฎีอธิบายเหตุการณ์มากมาย และนักเขียนเว็บบล็อกบางคนคาดว่าเป็นผลมาจากปฏิกิริยากรด-เบส เนื่องจากโค้กมีสภาพเป็นกรด 

เมื่อปี 2549 รายการมิธบัสเตอร์ของสถานีดิสคัฟเวอรี่ แชนแนล อธิบายว่า กระบวนการทางเคมีที่อยู่เบื้องหลังปฏิกิริยาน้ำพุไดเอ็ก โค้ก คือ กัมอะราบิก (สารใช้เติมในอาหารให้มีสภาพคงตัว) และเจลาตินในเมนทอส ทำปฏิกิริยากับกาเฟอีน โพแทสเซียม เบนโซเอต และแอสพาร์ทาม (น้ำตาลเทียม) ในโค้ก แต่ยังไม่มีใครศึกษาเรื่องนี้เชิงวิทยาศาสตร์กันอย่างจริงจัง เพื่อให้ได้ข้อมูลชัดเจนขึ้น คอฟฟีย์และทีมนักศึกษาได้ทดสอบปฏิกิริยาเปรียบเทียบระหว่างไดเอ็ท โค้ก กับเมนทอสรสผลไม้ รสมินท์ และสารปรุงแต่งอื่น เช่น มินท์ น้ำยาล้างจาน เกลือป่น และทราย ทีมวิจัยยังได้ทดสอบเปรียบเทียบกับน้ำอัดลมอื่น เช่น น้ำอัดลมไร้กาเฟอีน และไร้น้ำตาล รวมถึงพวกน้ำโซดา และน้ำโทนิกที่ใช้ผสมเครื่องดื่ม
ทีมวิจัยทดลองโดยตั้งขวดทำมุมเอียง 10 องศา และบันทึกภาพน้ำพุขณะพุ่งออกจากขวด บันทึกปริมาณน้ำที่ทะลักออก และอิทธิพลของผิวลูกอมเมนทอสต่อการทำปฏิกิริยา 

ผลทดลองพบว่า ไม่ว่าจะเป็นเมนทอสรสผลไม้หรือรสมินท์ ก็ทำให้เกิดปฏิกิริยาน้ำพุไดเอ็ท โค้ก ได้เหมือนกัน และสามารถพุ่งขึ้นสูงสุด 7 เมตร เมื่อทดลองใช้กับไดเอ็ท โค้ก สูตรปลอดกาเฟอีนก็ได้ผลเหมือนกัน แสดงว่า กาเฟอีนไม่ได้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา โดยเฉพาะปริมาณกาเฟอีนที่ใช้ผสมในเครื่องดื่มไดเอ็ท โค้ก ที่ไม่มากนัก 

เมื่อวัดค่าความเป็นกรด-ด่างของโค้กก่อนทดลองและหลังทดลองพบว่า ค่าความเป็นกรด-ด่างคงที่ (pH≈4) หมายความว่า ทฤษฎีที่บอกว่าเป็นปฏิกิริยาจากกรด-เบส คงนำมาใช้อธิบายไม่ได้

ทว่า ทีมวิจัยพบว่า น้ำพุไดเอ็ท โค้ก พุ่งสูงต่ำแค่ไหนขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่างรวมกันที่มีอิทธิพลต่อการเพิ่มปริมาณฟองคาร์บอนไดออกไซด์ นอกจากนี้ ผิวเคลือบเมนทอสที่หยาบยังช่วยให้เกิดฟองมากขึ้น เนื่องจากไปก่อกวนการจับขั้วระหว่างโมเลกุลของน้ำที่ทำให้ฟองเพิ่มปริมาณมากขึ้น 

"โดยทั่วไป โมเลกุลน้ำจะจับกับโมเลกุลน้ำที่อยู่ถัดไป และถ้าคุณเอาบางอย่างใส่ลงไปในน้ำอัดลมเป็นผลทำให้เครือข่ายโมเลกุลน้ำปั่นป่วน และทำให้เกิดฟองได้เป็นเรื่องปกติ แต่ถ้าใส่ลูกอมผิวหยาบที่มีส่วนพื้นผิวสูงเมื่อเทียบกับปริมาตร ยิ่งทำให้เกิดฟองมากขึ้น" นักวิจัยกล่าว นอกจากนี้ แรงตึงผิวที่น้อยลงยังช่วยให้ฟองเกิดเร็วขึ้น เมื่อนำผลทดลองมาดูพบว่า น้ำที่มีสารแอสพาร์ทาม (สารให้ความหวานหรือน้ำตาลเทียม) ซึ่งออกรสหวานจัดมีแรงตึงผิวน้อยกว่าน้ำหวานทั่วไป จึงอธิบายได้ว่า ทำไมไดเอ็ท โค้ก ถึงเกิดฟองพรวดพราดเร็วว่าโค้กธรรมดา อีกปัจจัยหนึ่งคือ กัม อะราบิกที่เคลือบเมนทอส เป็นสารลดแรงตึงผิวที่ยิ่งทำให้แรงตึงผิวของไดเอ็ท โค้กลดลงยิ่งขึ้น เห็นได้ชัดว่า เมื่อทดลองใช้ลูกอมมินท์ที่ไม่มีสารลดแรงตึงผิวไม่ทำ ให้เกิดน้ำพุขนาดใหญ่ นอกจากนี้ เมนทอสมีมวลที่หนาแน่น และจมอย่างรวดเร็ว จึงยิ่งเร่งปริมาณฟองมากยิ่งขึ้นก่อนทะลักขึ้นปากขวด ต่างจากเมนทอสบดละเอียดเมื่อใส่ลงไปในไดเอ็ท โค้ก ทำให้เกิดฟองพุ่งขึ้นแค่ 30 เซนติเมตรเท่านั้น 

ในน้ำอัดลมทุกชนิดจะมีกรดคาร์บอนิก(H2CO3)อยู่ ซึ่งเป็นกรดอ่อนแต่เป็นกรดที่ไม่เสถียร ต้องสลายตัวให้น้ำและคาร์บอนไดออกไซด์เสมอ โดยทั่วไปแล้วแก็สคาร์บอนไดออกไซด์เป็นโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว(non-polar) จึงไม่สามารถที่จะละลายในน้ำที่มีขั้ว(polar)ได้ตามหลักสารที่มีสภาพขั้วเหมือนกันสามารถละลายในกันได้(Like dissolve like) ซึ่งเหตุที่คาร์บอนไดออกไซด์ละลายอยู่ในน้ำได้นั้นเนื่องจากแรงดัน(Pressure) ที่เติมเข้าไป ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำให้คาร์บอนไดออกไซด์เกิดสภาพขั้วกับน้ำขึ้นได้ เราเรียกแรงที่ทำให้เกิดขั้วชนิดนี้ว่า “แรงขั้วคู่เหนี่ยวนำ (dipole-induced dipole force)” ซึ่งมีสภาพขั้วที่ไม่แข็งแรงมากนั้นสังเกตได้จากเมื่อเราเปิดขวดน้ำอัดลมจะมีฟองแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาเพราะเป็นการลดแรงดันนั่นเอง (อ้างอิง: มหาวิทยาลัย,ทบวง. เคมี 1. พิมพ์ครั้งที่ 11. นนทบุรี: บริษัทไทยร่มเกล้า จำกัด, 2541.หน้า 148.)

ในส่วนของลูกอมเมนทอส(mentos) จะมี กัมอะราบิก (Arabic gum) ซึ่งเป็นยางของต้น Acacia มีคุณสมบัติในการลดแรงตึงผิวของของเหลวได้ โดยนำมาเคลือบที่ผิวของเมนทอส เมื่อส่องดูสภาพผิวของลูกอมเมนทอสด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจะพบว่ามีลักษณะหยาบและมีรูพรุน ซึ่งเป็นลักษณะที่เหมาะแก่การทำปฏิกิริยาเนื่องจากเป็นการเพิ่มพื้นที่ผิวในการทำปฏิกิริยา
ในการทดลองนั้นเราจะนำลูกอมเมนทอใส่ลงไปในขวดน้ำอัดลมชนิดใดก็ได้ที่ไม่มีน้ำตาล เนื่องจากน้ำตาลเป็นตัวรบกวนการเกิดปฏิกิริยา เมื่อกัมอะราบิกที่เคลือบอยู่ที่ผิวของเมนทอสสัมผัสกับน้ำอัดลมจะเกิดการทำปฏิกิริยากันขึ้น อย่างรวดเร็ว เนื่องจากกัมอะราบิกจะไปรบกวนแรงยึดเหนี่ยวระหว่างน้ำกับคาร์บอนไดออกไซด์ ที่จับกันอยู่ในรูปของกรดคาร์บอนิก ทำให้แรงตึงผิวของของเหลว(น้ำอัดลม)ลดลง ทำให้คาร์บอนไดออกไซด์สามารถหลุดจากโมเลกุลของน้ำได้มากขึ้น ความดันภายในขวดจึงมากขึ้น ทำให้มันสามารถดันให้ของเหลวที่อยู่ภายในพุ่งออกมาข้างนอกได้ แต่ไม่ใช่การระเบิดแต่อย่างใด 

เมื่อนำ เมนทอส ใส่ลงไปในน้ำอัดลม เช่น โซดา หรือ Diet Coke พบว่าจะเกิดฟองแก๊สจำนวนมหาศาล

พุ่งออกมาจากขวด โดยถ้าใส่เมนทอสในปริมาณที่มาก ปฏิกิริยาที่เกิดจะรุนแรงมากขึ้นตามไปด้วย

 ถ้าหากปิดฝาขวดไว้สามารถทำให้ขวดระเบิดได้

ในการทดลองนี้เราจะพิจารณาเฉพาะปฏิกิริยาการละลายน้ำของ CO₂(g) เท่านั้น


ในสภาวะปกติที่ความดันบรรยากาศแก๊ส CO₂ ละลายน้ำได้น้อยมาก เพื่อที่จะทำให้แก๊ส CO₂ ละลายลงไปในน้ำได้นั้น

ต้องทำการอัดด้วยแรงดันสูงกว่าความดันบรรยากาศ  สำหรับน้ำอัดลมจะอัดแก๊ส CO₂ ไว้ในขวด

โดยมีความดันประมาณ 2.5 บรรยากาศ (2.5 atm)  

ซึ่งวิธีการนี้ทำให้มี CO₂ และ H₂CO₃  ละลายอยู่ในสารละลายเป็นจำนวนมาก

พื้นผิวของ เมนทอส ถูกเคลือบด้วย gelatin และ gum arabic  ซึ่งเป็นพื้นผิวที่ขรุขระ

และประกอบไปด้วยรูเล็กๆจำนวนมาก ทำหน้าที่เป็น Nucleation Site

และพื้นผิวนี้สามารถลดแรงตึงผิวในสารละลายได้

ทำให้ CO₂ ซึ่งเป็นฟองเล็กๆ สามารถเข้าไปอยู่ตามรูพรุนและถูกเร่งให้หลุดออกจากสารละลายได้อย่างรวดเร็ว 

พื้นผิวที่เคลือบนี้ไม่ทำปฏิกิริยากับ CO₂ และ H₂CO₃ ในปฏิกิริยา แต่ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyst) เท่านั้น



เมื่อ CO₂หลุดออกจากสารละลายเป็นจำนวนมาก  จึงทำให้ H₂CO₃ แตกตัวกลับไปเป็น CO₂

ปฏิกิริยาเกิดผันกลับไปทางซ้ายทำให้แก๊ส CO₂ เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องและรวดเร็ว  

แรงดันของแก๊สในขวดจึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว  ทำให้โค้กในขวดพุ่งออกมาอย่างรุนแรงเหมือนน้ำพุนั่นเอง

หมายเหตุ ปฏิกิริยานี้เกิดได้ดีกับ Soda หรือน้ำอัดลมที่ไม่มีน้ำตาล เช่น Diet Coke

เนื่องจากใน Diet Coke มีสารทดแทนความหวาน คือ aspartame และยังมีส่วนผสมของ potassium benzoate

สารทั้งสองตัวมีสมบัติคือสามารถลดแรงตึงผิวของน้ำได้  เมื่อรวมกับเมนทอสจึงทำให้เกิดปฏิกิริยาขึ้นอย่างรุนแรง