เรื่องเล่าของความซ่า... - นิตยสารสาระวิทย์ โดย สวทช.

โดย รวิศ ทัศคร

ถ้าคุณผู้อ่านยังจำได้ ผมเคยเล่าเรื่องราวของน้ำอัดลมไปบ้างแล้วเมื่อฉบับเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2564 อันที่จริงเริ่มมีการคิดเทคโนโลยีที่รองรับการผลิตน้ำอัดลมเมื่อราวสองร้อยกว่าปีมานี่เอง

โดยจากยุคของ เจคอบ ชเวปป์ (Jacob Schweppe) ที่คิดค้นระบบการทำน้ำแร่อัดก๊าซขึ้นในปี พ.ศ. 2326 ก่อนจะย้ายไปตั้งบริษัทที่ลอนดอนในปี พ.ศ. 2333 ต่อมาในปี พ.ศ. 2353 นักประดิษฐ์ชื่อไซมอนและรันเดลล์ (Simon and Rundell) จากรัฐเซาท์คาโรไลนา ได้ยื่นจดสิทธิบัตรการผลิตน้ำโซดาในเชิงพาณิชย์ แต่น้ำอัดลมก็ยังไม่บูม จนกระทั่งในปี พ.ศ. 2375 เมื่อจอห์น แมตทิวส์ (John Matthews) ได้คิดค้นเครื่องผลิตน้ำโซดาออกขาย วิลเลียม เพนเทอร์ (William Painter) คิดฝาจีบ (crown cork) ขึ้นในปี พ.ศ. 2435 ตามมาด้วยการจดสิทธิบัตรเครื่องเป่าแก้วอัตโนมัติของ ไมเคิล เจ โอเวนส์ (Micheal J. Owens) ปี พ.ศ. 2442 จนผลิตขวดแก้วแบบอุตสาหกรรมได้จำนวนมาก ราคาไม่แพง จากนั้นยุคของน้ำอัดลมจึงเริ่มขึ้น…

ประเภทของเครื่องดื่ม

น้ำอัดลมเป็นเพียงชนิดย่อยของเครื่องดื่มที่มนุษย์ดื่มกันในโลกนี้ แต่มูลค่าการตลาดของมันไม่ได้น้อยเลย จากการสำรวจพบว่า ตลาดของน้ำอัดลม มีมูลค่าถึง 221,600 ล้านดอลลาร์สหรัฐ ในปี พ.ศ. 2563 และจากแนวโน้มการเติบโตของตลาดพบว่า ตลาดน้ำอัดลมโลกมีอัตราการเติบโตราวร้อยละ 4.7 ต่อปี ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2564 ไปจนถึงปี พ.ศ. 2571

เมื่อน้ำอัดลมมีมูลค่าตลาดมากมายมหาศาลขนาดนี้จึงมีขั้นตอนการผลิตที่พิถีพิถัน และมีการพัฒนาสูตรส่วนผสมออกมามากมาย

ระดับของการอัดลม วัดได้อย่างไร

เครื่องดื่มอัดลม น้ำผลไม้อัดลม หรือน้ำอัดลม เมื่อเปิดฝาภาชนะทิ้งไว้ให้สัมผัสความดันบรรยากาศภายนอก จะสูญเสียระดับของ carbonation ไป หรือที่เราเรียกว่า “หายซ่า” นั่นเอง ทั้งนี้เพราะก๊าซจะเกิดการปลดปล่อยออกสู่บรรยากาศ เนื่องจากผิวสัมผัสระหว่างวัฏภาคของเหลว (น้ำอัดลม) กับวัฏภาคก๊าซ (อากาศที่อยู่เหนือระดับผิวน้ำอัดลม) พยายามที่จะรักษาสภาวะสมดุลเอาไว้ สำหรับของเหลวปริมาตรหนึ่ง ๆ นั้น ปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ที่สารละลายสามารถรักษาเอาไว้ได้จะขึ้นกับอุณหภูมิและความดัน ยิ่งอุณหภูมิสูง ยิ่งต้องการความดันที่สูงขึ้น เพื่อรักษาคาร์บอนไดออกไซด์เอาไว้ในสารละลาย จากกฎของเฮนรี (Henry’s law) และกฎของชาลส์ (Charles’s law) จึงทำให้ได้ carbonation chart ในภาพมา ซึ่งหน่วย volume ของการทำ carbonation หมายถึงจำนวนเท่าของปริมาตรก๊าซที่ละลายอยู่ หารด้วยปริมาตรของของเหลวในภาชนะบรรจุ ตัวอย่างเช่น น้ำอัดลมปริมาตร 1 ลิตร ที่ได้รับการอัดลมในระดับ 2.5 volumes ก็จะมีปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ละลายอยู่ในนั้นเป็นจำนวน 2.5 ลิตร

carbonation chart แสดงปริมาณการอัดลมในเครื่องดื่มน้ำอัดลม
ที่มา : [2]

ระบบการอัดก๊าซลงไปในน้ำอัดลม

จากหลักการทางฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องจะเห็นว่าการอัดก๊าซจะทำได้ง่ายขึ้น หากอุณหภูมิของผลิตภัณฑ์นั้นต่ำลง ดังนั้นระบบเครื่องอัดลมเพื่อทำน้ำอัดลมในสมัยแรก ๆ จึงใช้ระบบทำความเย็นเพื่ออัดลมลงไปในผลิตภัณฑ์ที่อุณหภูมิราว 4 องศาเซลเซียส น้ำที่ใช้จะอัดก๊าซมาก่อนหน้านั้นเพื่อลดการปนเปื้อนของน้ำหวานที่จะเข้ามาในระบบลงให้น้อยที่สุด ผลิตภัณฑ์จะไหลแผ่ตามแผ่นโลหะที่อยู่ในอุณหภูมิแช่เย็นลงมาเป็นฟิล์มบาง ๆ โดยทำภายใต้สภาวะบรรยากาศของคาร์บอนไดออกไซด์ที่มีความดันคงที่ ซึ่งจากอุณหภูมิที่เย็น คาร์บอนไดออกไซด์จะละลายลงไปอยู่ในผลิตภัณฑ์ได้มากขึ้น แต่ระบบนี้ก็มีข้อเสียเนื่องจากเปลืองพลังงานในการทำความเย็น และเมื่อบรรจุแล้วก็มักจะมีน้ำกลั่นตัวเป็นหยดอยู่ภายนอกกระป๋องน้ำอัดลม ใต้ฟิล์มพลาสติกหดที่ใช้ห่อลัง ทำให้เกิดปัญหาการกัดกร่อนกับกระป๋องเหล็กชุบ (ที่ใช้ในขณะนั้น) จึงต้องทำให้กระป๋องอุ่นก่อนนำไปแพ็ก จึงยิ่งสิ้นเปลืองพลังงานมากขึ้นไปอีก

แต่ในปัจจุบันกระป๋องน้ำอัดลมทำจากอะลูมิเนียมแล้ว วิธีพื้นฐานที่ใช้กันทั่วไปอยู่สองวิธี ได้แก่ การฉีดหรือกระจายคาร์บอนไดออกไซด์เข้าไปในของเหลวที่จะอัดก๊าซ หรือใช้วิธีพ่นสเปรย์ของเหลวให้เป็นละอองเล็ก ๆ เข้าไปในบรรยากาศของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งมีประสิทธิภาพดีมากสำหรับการผลิตแบบกะ (batch production) หรือแบบเป็นครั้ง ซึ่งอาศัยการพ่นวัฏภาคน้ำเข้าไปในบรรยากาศของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในภาชนะทนความดัน โดยถ้าใช้หัวพ่นแบบ nozzle จะให้ประสิทธิภาพร้อยละ 75 ซึ่งมีค่าประมาณการพ่นน้ำที่อัดลมลงไปบนชุดของแผ่นครีบโลหะที่วางเอียงภายในถังอัดก๊าซ แต่ประสิทธิภาพจะสูงสุดได้ถึงร้อยละ 95 หากใช้กับหออัดลม (pressure vessel column) ที่มีวัสดุแพ็กใส่อยู่ภายใน และเนื่องจากความลำบากในการทำความสะอาดระบบ จึงใช้น้ำเปล่ามาอัดลม ก่อนนำไปผสมกับน้ำหวานหัวเชื้อน้ำอัดลมต่อไป ดังนั้นปริมาณการอัดลม (volumes) ของน้ำเปล่าก่อนนำไปผสมกับหัวเชื้อน้ำหวานจึงต้องมากกว่าในน้ำอัดลมที่เป็นผลิตภัณฑ์สุดท้าย เนื่องจากต้องคำนวณเผื่อการสูญเสียก๊าซที่จะเกิดขึ้นระหว่างขั้นตอนต่าง ๆ ด้วย

น้ำอัดลมเสียได้ไหม

น้ำอัดลมเป็นเครื่องดื่มที่เน่าเสีย หรือที่ปัจจุบันมักใช้คำว่า “เสื่อมเสีย” ได้ยาก เนื่องจากมันเป็นอาหารที่มีสภาวะเป็นกรด อย่างไรก็ตามในระหว่างการผลิตน้ำอัดลมและเครื่องดื่มจะมีจุลินทรีย์หลายชนิดเข้ามามีส่วนเกี่ยวข้อง แต่จุลินทรีย์จะต้องเจริญถึงปริมาณหนึ่งก่อน ในราว 10⁵–10⁶ เซลล์ต่อมิลลิลิตร จึงจะก่อให้เกิดการเสื่อมเสียของอาหารได้ ดังนั้นน้ำอัดลมจึงเสียได้เช่นกัน หากมีสภาวะที่เหมาะสมให้จุลินทรีย์เจริญเติบโต เชื้อยีสต์เป็นหนึ่งในสาเหตุของการเสีย เนื่องจากมีความสามารถในการทนต่อระดับการอัดลมได้ถึง 3.0 volumes (หรือ 5.88 กรัมต่อลิตร) และยังทนต่อสภาพกรดได้ดีอีกด้วย โดยช่วง pH ที่เจริญเติบโตได้คือช่วงระหว่าง 1.5–8.5 และโตได้ดีที่สุดที่ pH 3.0-6.5

นอกจากยีสต์แล้ว แบคทีเรียก็เป็นจุลินทรีย์อีกประเภทที่ก่อให้เกิดการเสื่อมเสียของน้ำอัดลม โดยเฉพาะพวกเชื้อที่ทนสภาวะที่เป็นกรดสูง ๆ ได้ ในบรรดาแบคทีเรียทั้งหลายนี้ Leuconostoc mesenteroides และ Lactobacillus paracasei เป็นเชื้อสาเหตุการเสื่อมเสียของน้ำอัดลมที่พบได้บ่อย ส่วนเชื้อที่พบในผลิตภัณฑ์ที่มีการปนเปื้อน ได้แก่ Weissella confuse, Lactobacillus perolens, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus buchneri และ Lactobacillus brevis

นอกจากนี้ยังมีจุลินทรีย์ในกลุ่ม Gluconobacter และ Acetobacter ซึ่งประกอบด้วยแบคทีเรียหลายชนิดที่สร้างกรดอะซิติกได้ ชนิดที่พบบ่อยคือ Acetobacter xylinum ที่เจริญได้ในสภาพกรด และอาศัยน้ำตาลผลิตเซลลูโลสนรูปของแผ่นวุ้นที่มีลักษณะเป็นเยื่อเหนียว แบบที่เราใช้ในการผลิตวุ้นมะพร้าว การมีจุลินทรีย์เหล่านี้อยู่แสดงถึงสภาพแวดล้อมของสายการผลิตที่มีการดูแลความสะอาดไม่ดี

ในกลุ่มน้ำผลไม้อัดลม น้ำเลมอนเนดอัดลม รวมถึงเครื่องดื่มกีฬา (isotonic water) ที่ใช้ดื่มเพื่อคืนความสดชื่นหลังเล่นกีฬา ก็ยังสามารถพบ Alicy clobacillus ได้อีกด้วย เชื้อชนิดนี้จะเติบโตได้ในช่วงอุณหภูมิที่กว้างระหว่าง 20–70 องศาเซลเซียส เครื่องดื่มที่เสื่อมเสียจะมีการเปลี่ยนแปลงของสี มีความขุ่น และเกิดตะกอน

นอกจากยีสต์และแบคทีเรียแล้ว เชื้อราที่สร้างเส้นใยชนิดต่าง ๆ ที่เจริญได้ในสภาพกรด อาทิ Aspergillus flavus, Penicillium citrinum, Penicillium glabrum, Paecilomyces niveus, และ Paecilomyces variotii ก็ยังเคยมีการพบในน้ำอัดลมและเครื่องดื่มอัดก๊าซเช่นกัน

ในชีวิตประจำวันการปนเปื้อนอาจไม่ได้เกิดขึ้นจากขั้นตอนการผลิตในโรงงาน แต่เป็นการปนเปื้อนหลังจากที่เปิดฝาและเทออกมาแล้ว หลายคนอาจคิดว่าน้ำอัดลมหรือน้ำผลไม้อัดลมมีสภาพเป็นกรดด้วยตัวมันเอง อาจจะทำลายเชื้อได้แม้ว่าจะเปิดออกจากบรรจุภัณฑ์ แต่ในความเป็นจริงแล้วจุลินทรีย์ก่อโรคบางชนิดมีโอกาสเติบโตได้ในเครื่องดื่มที่เป็นกรดและเครื่องดื่มอัดลมที่เปิดฝาหรือเปิดกระป๋องแล้ว (แต่ไม่ใช่ในสภาพที่ยังบรรจุอยู่ในกระป๋อง) เชื้อพวกนี้ได้แก่ Salmonella sp. และ Escherichia coli ที่พบได้ในเครื่องดื่มอัดลมรสโคล่า พวกมันมีชีวิตอยู่ต่อได้ในสภาพกรดได้นานถึง 48 ชั่วโมง นอกจากนี้ยังพบว่าเชื้อ Yersinia enterocolitica อยู่ต่อได้ในน้ำส้มอัดลม pH 3.5 ได้เป็นเวลาถึง 3 วัน ที่อุณหภูมิ 30 องศาเซลเซียส

ด้วยเหตุนี้เอง การซื้อน้ำอัดลมมารับประทานก็ควรพิจารณาก่อนว่าสภาพฝาปิดผนึกมาดีแล้วหรือไม่ ในขวดมีเศษสิ่งแปลกปลอมหรือไม่ แม้จะมีโอกาสเกิดน้อยมาก เนี่องจากสภาพการเป็นกรดจากการอัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ แต่นาน ๆ ครั้งก็มีโอกาสเกิดขึ้นได้ ดังที่เคยเป็นข่าวดังในโซเชียลเมื่อเดือนสิงหาคมที่ผ่านมา

ที่จริงแล้วยังมีเรื่องราวเกี่ยวกับอุตสาหกรรมผลิตน้ำอัดลมที่อยากเก็บมาฝากกันอีกหลายแง่มุม ถ้ามีโอกาสจะกลับมาเล่าสู่กันฟังต่อในวาระถัดไปนะครับ

เอกสารอ้างอิง

Lawlor, K. A., Schuman, J. D., Simpson, P. G., & Taormina, P. J. (2009). Microbiological Spoilage of Beverages. Compendium of the Microbiological Spoilage of Foods and Beverages, 245–284. doi:10.1007/978-1-4419-0826-1_9
Steen, D., & Ashurst, P. R. (Eds.). (2006). Carbonated Soft Drinks: Formulation and Manufacture. Blackwell Publishing.
Shankar, V., Mahboob, S., Al-Ghanim, K. A., Ahmed, Z., Al-Mulhm, N., & Govindarajan, M. (2021). A review on microbial degradation of drinks and infectious diseases: A perspective of human well-being and capabilities. Journal of King Saud University – Science, 33(2), doi:10.1016/j.jksus.2020.101293