從葡萄到鑽石：葡萄酒結晶的奇妙世界
By Roshni Printer
認識葡萄酒結晶
在葡萄酒瓶的底部或軟木塞上，你可能見過被釀酒師稱為「葡萄酒結晶」或「葡萄酒鑽石」的透明小晶體（圖一）。儘管它們像玻璃碎片的外貌也許會嚇怕消費者，但這些結晶完全無害。它們是由酒石酸（tartaric acid）形成的鹽，而酒石酸是天然存在於葡萄中的酸。事實上，這些晶體曾經幫助解開現代科學其中一個最影響深遠的概念：手性。
圖一 軟木塞上的葡萄酒結晶
圖片來源：Francesco Santini [1]
從葡萄到鑽石：結晶過程
讓我們看看這些晶體如何形成。葡萄含有多種有機酸，但酒石酸是葡萄和葡萄酒中最具標誌性的酸 [2]。在釀酒過程中，根據葡萄酒的pH值，酒石酸可以失去一個氫離子（H+），形成酒石酸氫鹽（bitartrate或hydrogen tartrate）。與此同時，葡萄酒也含有來自葡萄的鉀離子（K+）。當鉀離子與酒石酸氫鹽相遇時，會結合成一種稱為酒石酸氫鉀（potassium hydrogen tartrate）的鹽。
由於酒石酸氫鉀在水中的溶解度相對較低，在特定條件下它會結成晶體 [3, 4]。首先，其溶解度會隨溫度降低而下降，因此在冷藏室、冰箱或寒冷氣候中冷卻葡萄酒會促進結晶。此外，在酒精發酵過程中，隨著乙醇含量增加，酒石酸氫鉀在乙醇水溶液的溶解度會下降，導致酒石酸氫鉀在釀酒過程中沉澱出來。
為了減少消費者對食物安全的擔憂，酒莊採用不同方法防止葡萄酒在裝瓶後結晶 [3]。常見技術包括「冷穩定處理」（cold stabilization），即是刻意將葡萄酒冷卻，使酒石酸氫鉀在儲存罐內結晶，然後在裝瓶前將其過濾掉。其他方法包括去除有助酒石酸氫鉀沉澱的化合物，以及加入添加劑來抑制或減慢結晶過程。
Louis Pasteur與酒石酸手性的發現
儘管我們現在對酒石酸及其鹽類已有深入了解，但在19世紀，酒石酸曾給科學家帶來過饒有趣味的難題。要理解早期的實驗，就要先認識偏振光。在包括陽光在內的非偏振光中，電場沿著與光前進方向垂直的許多隨機方向振動。然而，隨著光前進，平面偏振光中的電場只會向一個固定方向（在單一平面上）振動。
在19世紀初，科學家已經發現，當平面偏振光穿過天然酒石酸或其鹽類的溶液時，偏振平面會順時針旋轉 [5]。有一天，工業化學家Phillippe Kestner在釀酒過程中發現了一種神秘的酸 [5]。這種後來被命名為副酒石酸（paratartaric acid）的神秘物質，似乎與天然酒石酸在化學成分上相同（當時他們並不知道其化學結構），但卻沒有旋光性 [6]。這令人費解，因為兩種酸的表現理應相同。
法國化學家Louis Pasteur（亦是後來的「微生物學之父」）選擇從新穎的角度探究這個謎團。他用放大鏡觀察副酒石酸形成的結晶，發現晶體呈現兩種互為鏡像的形狀（圖二）[5, 7]，兩個形狀幾乎相同，但就像左手和右手一樣無法完全重疊。Pasteur用鑷子將晶體分類，並分別溶解成兩種溶液。他發現其中一種溶液使偏振光向左旋轉，而另一種則使其向右旋轉；當兩者等量混合時，旋光效應互相抵消。
圖二 Louis Pasteur觀察到的兩種手性晶體 [5]
這發現為化學界引入了「手性」的概念。科學家進一步推斷，酒石酸晶體的手性可能源於其分子不對稱的結構 [5]。隨著X射線繞射分析技術的出現，直到20世紀40年代，酒石酸的結構才得以揭示，證實這假說 [7]。
手性的重要性
手性在自然界至關重要，經典例子包括構成蛋白質的基本單位 — 氨基酸。大多數氨基酸（甘氨酸除外）的中心碳原子都連上四個不同的原子或原子團，因此氨基酸有左旋和右旋之分（圖三），分別使偏振光向左和向右旋轉。有趣的是，哺乳類動物中幾乎所有蛋白質都由左旋氨基酸構成 [8]。這種對特定手性的偏好也適用於其他分子，例如糖類。酶和細胞受體（本地課本譯作感受器）只有在手性匹配時，才能與基質牢固結合。這也解釋了為何許多現代藥物必須以特定的手性生產，因為其中一種手性可能有效，但其鏡像異構物則可能無效，甚至有害。
圖三 左旋和右旋氨基酸，其中心碳原子與四個不同的原子或原子團相連。
雙折射之美：葡萄酒結晶的藝術啟發
葡萄酒結晶的另一個有趣特性是，當偏振光穿過晶體時，晶體會在顯微鏡下展現鮮艷色彩 [9]。因為當偏振光進入這些雙折射晶體，光線會分裂成兩束在晶體內部以不同速度和方向傳播的光波，而兩束光波可能變成異相（out of phase），並在離開晶體時重新組合，發生干涉現象。根據波峰和波谷的對齊方式，光波會產生相長或相消干涉，形成振幅和波長都與原來不同的光波，因此顏色亦有所偏移。由於晶體與光的相互作用隨方向而異，因此旋轉晶體時干涉會使其產生不斷變化的明亮色彩。當代藝術家和設計師有時會從此現象汲取靈感，使用偏振膜和雙折射材料製作裝置藝術，創造隨觀看角度變化的動態色彩，這呼應了最初在雙折射晶體中觀察到的光學現象。
從觀察到見解：Pasteur遺下的寶藏
Pasteur的研究揭示了自然界會區分左右這一事實，並展現了一種從左右光的行為，到關乎生物基本運作的偏好。葡萄酒結晶的故事提醒我們，影響深遠的科學發現可能僅源於對日常生活的細心觀察，而即使是最小的結構，也能蘊含揭示大自然規律的線索。
相片集：葡萄酒結晶的藝術
這些驚艷的葡萄酒結晶照片由加拿大攝影師Robert Berdan博士以數碼相機和偏振光顯微鏡拍攝 [9]。誰說科學主題不能變成充滿創意的藝術項目？
偏振光顯微鏡以50倍拍攝的Stoneleigh灰皮諾葡萄酒結晶。
以偏振光顯微鏡拍攝的Stoneleigh霞多麗葡萄酒結晶，注意在50倍放大下晶體不平滑的細節。
了解更多關於Berdan博士的作品：https://www.canadiannaturephotographer.com/index.html
參考資料
[1] Santini, F. (2020, April 19). Tartrate crystals on a cork [photograph]. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Tartrate#/media/File:Tartrate_on_cork.jpg
[2] Berdan, R., & Berdan, B. (2023, February 24). The Science & Art of Wine Crystals by Polarized Light Microscopy - Abstract Art. The Canadian Nature Photographer. https://www.canadiannaturephotographer.com/wine_crystals.html
[3] Coulter, A., Holdstock, M. G., Cowey, G. D., Simos, C. A., Smith, P. A., & Wilkes, E. N. (2015). Potassium bitartrate crystallisation in wine and its inhibition. Australian Journal of Grape and Wine Research, 21, 627–641. https://doi.org/10.1111/ajgw.12194
[4] Australian Wine Research Institute. (n.d.). Potassium Instability. https://www.awri.com.au/industry_support/winemaking_resources/fining-stabilities/hazes_and_deposits/potassium_instability/
[5] Vantomme, G., & Crassous, J. (2021). Pasteur and chirality: A story of how serendipity favors the prepared minds. Chirality, 33(10), 597–601. https://doi.org/10.1002/chir.23349
[6] Halford, B. (2018, October 1). The mysteries of Louis Pasteur’s mislaid lab books. C&EN, 96(39), 21–23. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/cen-09639-feature2
[7] Derewenda, Z. S. (2008). On wine, chirality and crystallography. Acta Crystallographica Section A: Foundations and Advances, 64(1), 246–258. https://doi.org/10.1107/S0108767307054293
[8] Jones, M. (2025, April 6). Isomerism. Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/isomerism
[9] Berdan, R. (2024, October 26). Summer 2024 Wine Crystals by Polarized Light Microscopy. The Canadian Nature Photographer. https://www.canadiannaturephotographer.com/Summerwinecystals2024.html