После семи лет кропотливых исследований ученые из Швейцарии, кажется, разгадали одну из самых давних загадок пивоварения: почему пена некоторых сортов пива остается густой и стойкой, в то время как другие быстро опадают. Это открытие для многих является своего рода «Святым Граалем» в искусстве создания пенного напитка.
Группа исследователей из Высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich), возглавляемая профессором мягких материалов Яном Вермантом, раскрыла научное объяснение этих различий. Их работа, опубликованная в журнале Physics of Fluids, стала результатом семилетнего детального изучения. Идея для исследования возникла из простого вопроса, заданного бельгийскому пивовару: «Как вы контролируете процесс варки?» Ответ был кратким, но показательным: «Наблюдая за пеной».
Команда ученых теперь обладает глубоким пониманием сил и структур, ответственных за долговечность пивной пены, предлагая новые знания о том, что именно поддерживает ее целостность.
Анализируя бельгийские эли, ученые выявили четкую иерархию стабильности пены. Пиво сорта «Tripel» показало самую устойчивую пену, за ним следовали сорта «Dubbel», тогда как «Singel» обладало наименее долговечной шапкой из-за более умеренной ферментации и низкого содержания алкоголя.
Команда также изучила два лагера от крупных швейцарских пивоварен. Хотя эти лагеры могут достигать стабильности пены, сравнимой с бельгийскими элями, физические механизмы их формирования значительно различаются. Один из лагеров показал заметно худшие результаты, чем ожидалось. Как отмечает Вермант, «еще есть куда расти – и мы рады помочь».
Долгие годы ученые полагали, что пивная пена сохраняет свою целостность в основном благодаря богатым белками слоям, образующимся вокруг каждого пузырька. Эти белки, происходящие из ячменного солода, могут влиять на легкость течения поверхности пузырька (его поверхностную вязкость) и поверхностное натяжение. Однако новые эксперименты демонстрируют, что стабильность пены сложнее, чем считалось ранее, и сильно зависит от стиля пива.
У лагеров стабильность пены контролируется поверхностной вязкоупругостью. Это свойство сильно зависит как от количества белка в пиве, так и от того, как эти белки денатурируют. Более высокое содержание белка приводит к образованию более жесткой пленки вокруг пузырьков, что помогает пене дольше сохраняться.
Пиво сорта «Tripel», напротив, мало зависит от поверхностной вязкоупругости. Вместо этого оно поддерживает пену за счет эффектов Марангони – сил, создаваемых, когда изменения в поверхностном натяжении генерируют движение по поверхности жидкости. Простой пример этого явления – чайные листья, плавающие на воде. Изначально они распределены равномерно. Но стоит капнуть моющее средство, как листья внезапно оттягиваются к краям, и возникают завихрения. Когда эти течения сохраняются, они помогают стабилизировать пузырьки, подобно тому, что происходит в пене «Tripel».
Исследователи выяснили, что стабильность пены также зависит от структуры и поведения богатых белками оболочек, окружающих каждый пузырек. В бельгийских сортах «Singel» эти оболочки ведут себя так, будто множество мелких сферических частиц плотно упакованы по поверхности пузырька. Это напоминает двумерную суспензию, которая способствует поддержанию пены.
В пиве «Dubbel» наблюдается иная картина: их белки создают сетчатую мембрану, которая еще больше укрепляет пузырьки. Сорта «Tripel» снова отличаются, демонстрируя динамику пузырьков, напоминающую поведение простых поверхностно-активных веществ – молекул, обычно используемых для стабилизации пен в повседневных продуктах. Точные причины этих различий еще не полностью определены, но один белок, LTP1 (липид-трансферный белок 1), по-видимому, играет ключевую роль. Исследователи ETH подтвердили это, изучив как структуру, так и концентрацию LTP1 в бельгийских образцах.
Вермант подчеркивает, что стабильность пены не зависит от отдельных факторов прямолинейно или линейно. «Стабильность пены не зависит от индивидуальных факторов линейно. Нельзя просто изменить что-то одно и получить нужный результат», – поясняет он. Например, добавление большего количества поверхностно-активных веществ для увеличения вязкости может фактически дестабилизировать пену, поскольку это нарушает эффекты Марангони. «Ключ в том, чтобы работать над одним механизмом за раз, а не над несколькими одновременно. Пиво, очевидно, делает это хорошо от природы!»
Команда ETH сотрудничала с одной из крупнейших пивоваренных компаний мира, чтобы лучше понять стабильность пены и определить, что на самом деле удерживает пивную пену от разрушения. «Теперь мы знаем точный физический механизм и можем помочь пивоварне улучшить пену на их пиве», – заявляет Вермант. Он отмечает, что в Бельгии пена ценится как за вкус, так и за общее впечатление от напитка. «Но пена не всегда важна везде, где подают пиво – это культурная особенность».
Исследование имеет практическое значение далеко за пределами мира пивоварения. В электромобилях смазочные материалы могут начать пениться, что создает серьезные риски. Группа Верманта теперь работает с Shell и другими партнерами, чтобы понять, как эффективно разрушать эти пены. Еще одна ключевая цель – разработка экологически чистых поверхностно-активных веществ, которые не содержат фтора или кремния. «Наше исследование – важный шаг в этом направлении», – говорит Вермант.
Команда также исследует пены как носители для бактериальных систем в рамках текущего проекта ЕС. В сотрудничестве с исследователем пищевых продуктов Питером Фишером из ETH Zurich они изучают, как белки могут помочь стабилизировать молочную пену. Как заключает Вермант, «таким образом, есть много областей, где знания, полученные нами из пива, оказываются полезными».
