Законы физики в бокале пива: что создает идеальную пену

Поднимем бокал за белки.

В стакане с холодным пивом происходит множество физических процессов. Особенно это заметно сразу после наливания, когда бокал (если повезет) увенчивается пышной пеной. «Если повезет» — ключевое словосочетание, поскольку добиться идеальной пенной шапки порой сложнее, чем кажется.

Специалисты как в лабораториях, так и на пивоварнях давно понимают, что белок ячменя влияет на поверхностную вязкость и натяжение пузырьков. Долгие годы считалось, что стабильность пивной пены в основном обусловлена взаимодействием между богатыми белком поверхностными слоями этих пузырьков. Однако после многочисленных экспериментов (и бесчисленных контрольных наливаний) исследователи начинают лучше понимать глубинные механизмы образования пивной пены. Результаты, опубликованные 26 августа в журнале Physics of Fluids, вскоре могут найти применение не только в пивоварении.

Исследование началось около семи лет назад, когда команда ученых из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Технологического университета Эйндховена (Нидерланды) объединилась, чтобы лучше разобраться в поведении пены.

«Идея заключалась в том, чтобы непосредственно изучить, что происходит в тонкой пленке, разделяющей два соседних пузырька. И первое, что приходит на ум при мысли о пузырьках и пене, — это пиво», — заявил в пресс-релизе материаловед из Технологического университета Эйндховена и соавтор исследования Эммануил Хатцияннакис.

Хатцияннакис и его коллеги применили сложные методы визуализации и реометрию (науку о течении вещества) для анализа большого количества пива.

«Мы можем непосредственно наблюдать, что происходит, когда два пузырька сближаются, — говорит Хатцияннакис. — Мы видим белковые агрегаты пузырька, их границу раздела и их структуру».

В итоге команда определила, что, хотя вязкость белков, безусловно, важна, ее влияние на пенообразование снижается в зависимости от того, сколько раз пиво подвергалось брожению. Например, на пузырьки лагера (пива однократного брожения) белки влияют сильно. Чем больше белков, тем более вязкой и стабильной получается пена.

Сорта пива многократного брожения, такие как сложные, ароматные бельгийские траппистские сорта, — это совсем другая история. Являясь известным специалитетом одноименного монашеского ордена, траппистское пиво демонстрирует гораздо меньшее влияние поверхностной вязкости. Однако оказалось, что именно у этих сортов самые стабильные структуры пены. Как такое возможно?

Ответ снова кроется в содержании белка в пиве, но несколько противоречит прежним предположениям. Исследователи определили, что основным фактором стабилизации пивной пены является белок переноса липидов 1 (LTP1).

В пиве однократного брожения белки LTP1 существуют в своей исходной форме — как крошечные сферические частицы, которые плотно прилегают друг к другу на поверхности пузырька. Это создает двумерную суспензию, где тонко распределенные твердые вещества, смешанные с жидкостью, стабилизируют пену.

В пиве, прошедшем вторичную ферментацию, дрожжевые клетки начинают денатурировать эти белки LTP1, изменяя их структуру на подобие мембраны или сетки, что еще больше стабилизирует пузырьки.

Если провести ферментацию в третий раз, как в случае с траппистским пивом, белки LTP1 разрушаются настолько, что их фрагменты обретают как водоотталкивающий, так и водопритягивающий конец. Последующие взаимодействия снижают поверхностное натяжение и максимизируют потенциал стабилизации пены благодаря так называемым напряжениям Марангони — силам, возникающим из-за разницы в поверхностном натяжении.

«Эти фрагменты белков функционируют как поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые стабилизируют пену во многих повседневных применениях, например, в моющих средствах», — объяснил Ян Верман, специалист по мягким материалам из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и соавтор исследования.

По словам Вермана, наблюдения команды подчеркивают, что стабильность пены не зависит от линейных, отдельных факторов и взаимодействий.

«Например, повышение вязкости путем добавления дополнительных ПАВ может сделать пену более нестабильной, потому что это слишком сильно замедляет эффекты Марангони», — сказал он. — «Ключ в том, чтобы работать над одним механизмом за раз, а не над несколькими сразу».

Лучшее понимание механики пены не только сделает пиво более приятным. Это может спасать жизни. Смазочные материалы в электромобилях иногда склонны к вспениванию, что повышает вероятность возникновения химического возгорания. Между тем, многие ПАВ до сих пор производятся с использованием экологически вредных фтора и кремния. Разработка беспенных смазок и "зеленых" ПАВ может помочь многим отраслям промышленности стать более устойчивыми.

«Наше исследование — важный шаг в этом направлении», — подытожил Верман.

Andrew Paul “How to brew the best beer foam, according to physics”

Перевод статьи «How to brew the best beer foam, according to physics» автора Andrew Paul, оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык