В холодном бокале пива происходит множество физических процессов. Особенно это заметно сразу после налива, когда в пиве образуется пенистая шапка. Собрать идеальную пенную шапку порой сложнее, чем кажется.
Эксперты в лабораториях и на пивоварнях знают, что на стабильность пены влияет белковый состав ячменя. В течение многих лет считалось, что стабильность пены в пиве обусловлена взаимодействием между белково-богатыми поверхностными слоями пузырьков. Однако после многочисленных экспериментов исследователи стали лучше понимать механику образования пены. Результаты исследования, опубликованные 26 августа в журнале Physics of Fluids, могут вскоре выйти за рамки улучшения качества пива.
Идея для исследования
Исследование началось примерно семь лет назад, когда группа учёных из Цюрихского университета ETH в Швейцарии и Технологического университета Эйндховена в Нидерландах объединилась, чтобы лучше понять поведение пены.
«Идея заключалась в том, чтобы напрямую изучить, что происходит в тонкой плёнке, которая разделяет два соседних пузырька. И первое, что приходит на ум, когда мы думаем о пузырьках и пене, — это пиво», — сказал в заявлении учёный из Технологического университета Эйндховена, соавтор исследования Эммануил Хацигиантакис.
Хацигиантакис и его коллеги использовали сложные методы визуализации и реометрию (изучение течения вещества) для анализа большого количества пива.
«Мы можем напрямую визуализировать, что происходит, когда два пузырька сближаются, — сказал Хацигиантакис. — Мы можем непосредственно увидеть агрегаты белков в пузырьках, их интерфейс и структуру».
Ферментация, основанная на белках
Команда выяснила, что хотя вязкость белка определённо является фактором, её влияние на пенообразование уменьшается в зависимости от того, сколько раз пиво подвергается ферментации. Например, на пузырьки в лагерах однократной ферментации сильно влияют белки. Чем больше белков, тем более вязкой и стабильной будет пена.
В случае с пивом, которое подвергается вторичной ферментации, например, сложным и ароматным бельгийским траппистским сортам, дело обстоит иначе. Поверхностная вязкость траппистского пива гораздо менее значима. Однако именно эти сорта обладают наиболее стабильной структурой пены. Как такое возможно?
Всё дело в содержании белка в пиве, но несколько вопреки предыдущим предположениям. Команда определила, что основным фактором стабилизации пены в пиве является белок переноса липидов 1 (LTP1).
В пиве однократной ферментации белки LTP1 существуют в своей первоначальной форме в виде крошечных сферических частиц, которые располагаются близко друг к другу на поверхности пузырька. Это создаёт двумерную суспензию, в которой твёрдые частицы равномерно распределены в жидкости для стабилизации пены.
При вторичной ферментации клетки дрожжей начинают денатурировать белки LTP1 и изменять их структуру, превращая их в своего рода мембрану или сеть, дополнительно стабилизируя пузырьки.
Если повторить ферментацию в третий раз, как в случае с траппистским пивом, белки LTP1 настолько разрушаются, что их фрагменты проявляют одновременно водоотталкивающие и водопритягивающие свойства. Последующие взаимодействия снижают поверхностное натяжение и максимизируют потенциал стабилизации пены за счёт так называемых напряжений Марангони — сил, возникающих из-за разницы поверхностного натяжения.
«Эти белковые фрагменты действуют как поверхностно-активные вещества, которые стабилизируют пену во многих повседневных приложениях, таких как моющие средства», — объяснил учёный из ETH, специалист по мягким материалам и соавтор исследования Ян Вермант.
Более безопасные и экологичные пены
По словам Верманта, наблюдения команды подчёркивают, что стабильность пены не зависит от отдельных факторов и взаимодействий.
«Например, увеличение вязкости с помощью дополнительных поверхностно-активных веществ может сделать пену более нестабильной, потому что оно слишком сильно замедляет эффекты Марангони», — сказал он. «Ключ в том, чтобы работать над одним механизмом за раз, а не над несколькими одновременно».
Лучшее понимание механики пены не только сделает пиво более приятным, но и может спасти жизни. Смазки в электромобилях иногда склонны к пенообразованию, что увеличивает вероятность химического возгорания. Между тем многие поверхностно-активные вещества по-прежнему содержат экологически вредный фтор и кремний. Разработка беспенных смазок и экологически чистых поверхностно-активных веществ может помочь многим отраслям промышленности стать более устойчивыми.
«Наше исследование — важный шаг в этом направлении», — сказал Вермант.