Пиво играет значимую роль в развитии человеческой цивилизации. Помимо питательной и культурной ценности, оно предоставляет возможность изучения разнообразных химических, физических и биологических процессов. В ходе семилетнего исследования пенных шапок этого напитка, проведенного европейскими учеными, была установлена причина различий во времени жизни пузырькового покрытия.
Любители пива обращают особое внимание на обильную пенную шапку, но у многих сортов она быстро исчезает еще до первого глотка. Тем не менее, встречаются и такие сорта, у которых пена сохраняется продолжительное время. Производители пива и ученые на протяжении столетий работают вместе, чтобы сделать этот продукт лучше и оптимизировать его производство.
Ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) под руководством Яна Верманта (Jan Vermant), профессора наук о мягкой материи, установили причину устойчивости пивной пены. Статья об этом опубликована в журнале Physics of Fluids.
Свойства пены изучались учеными на протяжении семи лет. В ходе исследования материаловеды установили, что наиболее стабильной пеной отличаются бельгийские сорта, подвергавшиеся тройному брожению, а именно траппистские. За ними по степени стабильности располагаются сорта двойного брожения. Наименьшей стабильностью характеризуется пена лагеров — сортов, полученных путем одинарного брожения.
Ранее полагалось, что устойчивость пены определяется, в первую очередь, слоями, насыщенными белками, которые формируются на поверхности пузырьков. Белки, содержащиеся в ячменном солоде, воздействуют на поверхностную вязкость – свойство поверхности проявлять липкость – и на поверхностное натяжение. Увеличение концентрации белков приводит к повышению вязкости пленки, окружающей пузырьки, и, как следствие, к повышению стабильности пены.
Тем не менее, недавние исследования выявили, что определяющий механизм оказывается более сложным и существенно варьируется в зависимости от вида пива. В лагерах, получаемых одноступенчатым брожением, важную роль играет поверхностное натяжение. У наиболее стабильных, крепких сортов пива, поверхностное натяжение минимально, а устойчивость пены обеспечивает эффект Марангони. Из-за разницы в поверхностных натяжениях на границе сред вещества могут самостоятельно перемещаться в пленке.
Для стабилизации пены ключевое значение имеет белок LTP1 (в сортах, получаемых методом одинарного брожения, белок переноса липидов LPT1 находится в немодифицированном виде. Они формируют плотный слой на поверхности пузырьков, имея сферическую форму. Пузырьки в пене окружены двухслойной суспензией, представляющей собой смесь жидкости и мелкодисперсных твердых частиц, что обеспечивает их стабилизацию.
При втором брожении белки частично денатурируют под действием дрожжевых клеток, и их естественная структура претерпевает незначительные изменения. Модифицированные белки формируют сетчатую структуру, дополнительно стабилизирующую пузырьки.
При третьем брожении уже измененные белки LPT1 денатурируют настолько, что образуются фрагменты с гидрофобным и гидрофильным концом: одни отталкивают воду, а другие хорошо с ней соединяются. Эти фрагменты снижают межфазное и поверхностное натяжение и максимально стабилизируют пузырьки. Они работают как поверхностно-активные вещества, стабилизирующие пену в шампунях и гелях для душа.
«На стабильность пены не оказывают линейного воздействия отдельные факторы. Невозможно добиться идеального результата, внеся изменения только в один параметр. Например, увеличение вязкости за счет добавления поверхностно-активных веществ может привести к снижению стабильности пены, поскольку это существенно замедляет эффект Марангони. Важно работать над одним механизмом за один раз, а не над несколькими одновременно. Пиво, очевидно, демонстрирует это превосходно естественным путем, — отметил Вермант.
Во время исследования профессор ETH сотрудничал с одной из крупнейших мировых пивоварен, которая работала над стабильностью пены своих сортов и хотела понять, что именно ее стабилизирует.
«По словам Верманта, теперь стало известно, как работает этот механизм, и это позволит пивоварням оптимизировать качество пены в своих напитках.
Результаты исследования пивной пены представляют интерес не только для специалистов в области пивоварения. Так, в электромобилях их можно использовать в качестве смазочных материалов вспениваться, что создает значительные трудности. Сотрудники Верманта уже взаимодействуют с компанией Shell над изучением методов целенаправленного разрушения таких пен.
Ученые также изучают возможность применения пены в качестве среды для бактериальных систем. В соавторстве с экспертом в области пищевых продуктов, Питером Фишером ( Peter Fischer) из ETH Zurich они работают над стабилизацией молочной пены с помощью белков.