Вчені відкрили святий грааль пивоваріння: формулу стабільної пивної піни — прорив, користь від якого пошириться далеко за межі пивної індустрії.
Зі встановленням холоднішої погоди й зростанням інтересу до сезонних елів багато поціновувачів пива продовжують дивуватися, чому в одних напоїв піна довго тримає високу, кремову шапку, а в інших зникає майже миттєво. Для тих, хто цінує перший погляд на щойно налитий келих, швидкий спад бульбашок може бути розчаруванням — хоча деякі стилі вміють зберігати структуру значно довше.
Дослідники з ETH Zurich під керівництвом професора м’яких матеріалів Яна Верманта з’ясували, що саме визначає ці відмінності. Їхні висновки, опубліковані в журналі Physics of Fluids, стали результатом семирічного дослідження. Проєкт розпочався після того, як Вермант поставив бельгійському пивовару просте запитання: «Як ви контролюєте процес варіння пива?» Відповідь була короткою, але промовистою: «За пінною».
Команда отримала детальне уявлення про процеси, що формують довговічну пивну піну, й ці знання можуть допомогти пивоварам забезпечити стабільну шапку піни перед першим ковтком.
Тріпель перемагає дуббель і сінгель
Дослідження показало, що серед бельгійських елів найстійкішу піну утворюють сорти «трипель». За ними йдуть «дуббель», тоді як «сінгель» із нижчим вмістом алкоголю та мінімальною ферментацією демонструє найслабшу стабільність піни.
Дослідники також оцінили два лагерні сорти великих швейцарських пивоварень. Їхня піна може наближатися за якістю до бельгійських елів, хоча фізичні механізми формування піни у них різні. Примітно, що один із лагерами показав низькі результати, що свідчить про можливості для вдосконалення.
«Все ще є куди покращувати — ми будемо раді допомогти», — каже Вермант.
До цього вважалося, що стабільність пивної піни визначається насамперед білковими шарами на поверхні бульбашок. Білки походять зі солоду й впливають на поверхневу в’язкість і натяг. Проте нові експерименти показують: вирішальний механізм складніший і значною мірою залежить від типу пива.
У лагерів ключовим чинником є поверхнева візкоеластичність. Вона залежить від кількості білків у пиві та ступеня їх денатурації: чим більше білків, тим міцнішою стає плівка навколо бульбашок — і тим стабільнішою буде піна.
У пива типу «трипель» ситуація протилежна: поверхнева візкоеластичність мінімальна. Стійкість забезпечується так званими стресами Маранґоні — силами, що виникають через різницю поверхневого натягу.
Цей ефект легко побачити, якщо розсипати на поверхню води подрібнене чайне листя: воно рівномірно розходиться, а після додавання краплі мила — різко відтягується до країв, створюючи потоки. Якщо ці потоки тримаються довго, вони стабілізують бульбашки у пивній піні.
Занурення в фізику пивної піни
Різні стилі пива, різні умови варіння — і різна фізика піни. Відповідь криється у структурі та динаміці білкових оболонок бульбашок. У бельгійському «сінгель» білкові оболонки поводяться так, ніби дрібні сферичні частинки щільно вишиковуються на поверхні бульбашок. Це двовимірна суспензія, суміш рідини й дрібних твердих частинок, що стабілізує бульбашки.
У «дуббелі» білки утворюють сітчасту структуру — своєрідну мембрану — що робить бульбашки ще стійкішими. У «трипелі» фізика стає ще цікавішою: поведінка поверхні бульбашок нагадує дію простих сурфактантів — молекул, які стабілізують піну в багатьох побутових застосуваннях.
Точні причини різної поведінки поки невідомі, але все вказує на вирішальну роль білка LTP1 (ліпідтранспортний білок 1). Дослідники ETH підтвердили це, проаналізувавши структуру та концентрацію білків у досліджуваних сортах бельгійського пива.
Співпраця з великою пивоварнею
Як підкреслює Ян Вермант: «Стійкість піни не залежить лінійно від одного чинника. Нічого не вийде, якщо змінити лише одну змінну». Наприклад, збільшення в’язкості за допомогою додаткових сурфактантів може зробити піну навіть менш стабільною, оскільки надто сильно уповільнює ефекти Маранґоні. «Ключ — працювати з одним механізмом за раз, а не з кількома одночасно. Природа, очевидно, чудово впоралася із цим у пиві!» — каже він.
У цьому дослідженні Вермант співпрацював з однією з найбільших пивоварень світу, яка хотіла зрозуміти, що саме стабілізує пивну піну. «Тепер ми знаємо точний фізичний механізм і можемо допомогти їм покращити піну в їхніх сортах», — додає він.
Для бельгійських споживачів піна важлива як для смаку, так і як «частина досвіду». «Але це не всюди так — піна має культурне значення», — уточнює дослідник.
Застосування в технологіях та екології
Результати дослідження пивної піни мають значення і поза пивоварінням. Наприклад, у електромобілях мастила можуть пінитися — що є небезпечною проблемою. Команда Верманта разом із Shell та іншими компаніями вивчає, як цю піну можна цілеспрямовано руйнувати.
Ще одна мета — створення сталих сурфактантів без фтору та силікону. «Наше дослідження — важливий крок у цьому напрямку», — підкреслює Вермант.
У межах чинного проєкту ЄС команда також працює над використанням піни як носія для бактеріальних систем. У співпраці з дослідником харчових продуктів Петером Фішером з ETH Zurich вони досліджують, як стабілізувати молочну піну за допомогою білків. «Отже, є багато сфер, де знання, отримані з пива, виявляються корисними», — підсумовує Вермант.