Пиво — важный для человеческой цивилизации продукт. Помимо питательной и культурной ценности, оно позволяет исследовать многие химические, физические и биологические процессы. Европейские ученые провели семилетнее исследование пенных шапок напитка и нашли причину различий во времени жизни пузырькового покрытия.
Для ценителей пива очень важна пышная пенная шапка, однако у многих сортов пена оседает еще до первого глотка. Хотя существуют и сорта, на которых она сохраняется долго. Производители пива и ученые столетиями работают вместе, чтобы сделать этот продукт лучше и оптимизировать его производство.
Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) под руководством Яна Верманта (Jan Vermant), профессора наук о мягкой материи, выяснили причину стабильности пивной пены. Статья об этом опубликована в журнале Physics of Fluids.
Ученые анализировали свойства пены семь лет. Во время исследования материаловеды показали, что наибольшей стабильностью пены обладают бельгийские сорта тройного брожения, траппистские. За ними следуют сорта двойного брожения. Наименее стабильна пена у лагеров — сортов одинарного брожения.
Считалось, что стабильность пены в основном зависит от богатых белками слоев на поверхности пузырьков. Белки из ячменного солода влияют на поверхностную вязкость, то есть липкость поверхности, и на поверхностное натяжение. Чем больше белков, тем более вязкой становится пленка вокруг пузырьков и тем стабильнее пена.
Однако новые эксперименты показали, что решающий механизм сложнее и значительно зависит от типа пива. В лагерах одинарного брожения ключевым фактором действительно выступает поверхностная вязкость. У самых стабильных тройных сортов поверхностная вязкость минимальна, а стойкость пены обеспечивает эффект Марангони. Из-за разницы в поверхностных натяжениях на границе сред вещества могут самостоятельно перемещаться в пленке.
Решающую роль в стабилизации пены играет белок LTP1 (белок переноса липидов 1). В сортах одинарного брожения LPT1 присутствуют в своей исходной форме. Они плотно покрывают поверхность пузырька и выглядят как сферы. Пузырьки в пене окружены двухмерной суспензией — смесью жидкости и мелкодисперсных твердых частиц. Это стабилизирует пузырьки.
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.
«Стабильность пены не зависит линейно от отдельных факторов. Нельзя просто изменить „что-то одно“ и получить „идеальный результат“. Например, повышение вязкости с помощью дополнительных ПАВ может сделать пену менее стабильной, поскольку слишком сильно замедляет эффект Марангони. Ключ в том, чтобы работать над одним механизмом за раз, а не над несколькими сразу. Пиво, очевидно, делает это превосходно естественным путем», — рассказал 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.
«Теперь мы точно знаем механизм и можем помочь пивоварням улучшить пену своих сортов», — отметил Вермант.
Выводы исследования пивной пены значимы не только для пивоварения. Например, в электромобилях смазочные материалы могут вспениваться, что представляет серьезную проблему. Команда Верманта уже работает с компанией Shell над изучением методов целенаправленного разрушения таких пен.
Исследователи также трудятся над использованием пен как носителей для бактериальных систем.А в сотрудничестве с пищевым исследователем Петером Фишером (Peter Fischer) из ETH Zurich они работают над стабилизацией молочной пены с помощью белков.