Как да приготвим най-добрата бирена пяна според физиката

Назсраве за протеинит

Ваня Милева Последна промяна на 02 септември 2025 в 00:00 101 0

Ръка държи чаша пълна с бира отгоре с пяна

Кредит Pxhere (CC0 Public Domain)
Колкото повече пъти ферментира една бира, толкова по-добри са нейните мехурчета

В една студена чаша бира се случват много физични процеси. Това е особено валидно веднага след първоначалното наливане, когато халбата натрупва пяна, а понякога не е лесно да се натрупа перфектната пяна.

Експерти както в лабораториите, така и в пивоварните, разбират, че ечемиченият протеин влияе върху повърхностния вискозитет и напрежение на мехурчетата. В продължение на години се предполагаше, че стабилността на бирената пяна произтича главно от взаимодействията между богатите на протеини повърхностни слоеве на тези мехурчета. Но след многобройни експерименти (и безброй критични тестови изливания) изследователите вече разбират по-добре основната механика на бирената пяна. Констатациите, публикувани в края на август 2025 г. в списание Physics of Fluids, може скоро да се разширят отвъд по-добрите бири.

Назрява идея

Изследването започва преди около седем години, когато екип от сътрудници от Швейцарския федерален технологичен институт в Цюрих (ETH Zurich) и Технологичния университет в Айндховен в Холандия се обединяват, за да се справят по-добре с поведението на пяната.

"Идеята бе директно да се проучи какво се случва в тънкия филм, който разделя два съседни мехурчета. И първото нещо, което идва на ум, когато се мислим за мехурчета и пяна, е бирата", заявява Емануил Чацигианакис (Emmanouil Chatzigiannakis), учен по материалите и съавтор на изследването от Технологичния университет в Айндховен.

След това Чацигианакис и колегите му комбинирали сложни техники за изобразяване и реометрия (изследване на потока на материята), за да анализират голямо количество бира.

"Можем директно да визуализираме какво се случва, когато две мехурчета се доближат едно до друго", отбелязва Чацигианакис. "Можем директно да видим протеиновите агрегати на мехурчетата, техния интерфейс и тяхната структура."

Ферментация, задвижвана от протеини

Екипът в крайна сметка установява, че макар вискозитетът на протеините определено да е фактор, влиянието му върху образуването на пяна намалява в зависимост от това колко пъти бирата претърпява ферментация.

Например мехурчетата на бира тип лагер с една ферментация са до голяма степен повлияни от протеините. Колкото повече протеини има, толкова по-вискозна и стабилна е пяната.

Многоферментационните бири, като например сложните, ароматни белгийски трапистки бири, са съвсем различен случай. Известен специалитет на едноименния монашески орден, повърхностният вискозитет на трапистките бири има много по-малко влияние. Въпреки това, те се оказват бирите с най-стабилни структури на пяната.

Как е възможно това?

Трапистка бира с пяна. Кредит: Flickr (CC BY 2.0)

Все пак отново е важно съдържанието на протеини в бирата, но донякъде противно на предишните предположения. Екипът идентифицира липидно-трансферния протеин 1 (LTP1) като основен определящ фактор за стабилизирането на пяната в бирата.

В бирите с еднократна ферментация, LTP1 протеините съществуват в оригиналната си форма като малки, сферични частици, които се разполагат близо една до друга на повърхността на мехурчето. Това създава двуизмерна суспензия с фино разпръснати твърди вещества, смесени в течност, за да стабилизират пяната.

В бирите, които претърпяват втора ферментация, дрождевите клетки започват да денатурират тези LTP1 протеини и да променят структурите им във вид мембрана или мрежа, като допълнително стабилизират мехурчетата.

Полуживот на пяната на изследваните бириПолуживот на пяната на изследваните бири. Кредит: Emmanouil Chatzigiannakis et al.; Physics of Fluids; https://doi.org/10.1063/5.0274943

Ако ферментацията се направи за трети път, както е при трапистката бира, и LTP1 протеините са толкова зле, че техните фрагменти проявяват едновременно водоотблъскваща и водопривличаща страна. Последващите взаимодействия намаляват повърхностното напрежение и увеличават максимално потенциала за стабилизиране на пяната чрез така наречените напрежения на Марангони – силите, създадени от разликите в повърхностното напрежение.

"Тези протеинови фрагменти функционират като повърхностноактивни вещества, които стабилизират пяната в много ежедневни приложения, като например детергенти", обяснява ученият по меки материали от ETH и съавтор на изследването Жан Верман (Jan Verman).

Основни констатации

Ефектът на Марангони е явление на пренос на вещество по границата между две среди, което се дължи на наличието на градиент на повърхностно напрежение.

Появата на градиент на повърхностно напрежение може да бъде причинена от градиент на концентрация или температурен градиент. В последния случай, в допълнение към ефекта на Марангони, се наблюдава и ефектът на Бенард и такава конвекция се нарича термокапилярна (конвекция на Бенард-Марангони). Колкото по-високо е повърхностното напрежение на течността, толкова по-голяма е силата, с която тя се свива. Следователно, при наличие на градиент на повърхностно напрежение, течността ще се премести в област с по-висок коефициент на повърхностно напрежение. В повечето случаи обаче ефектът на Марангони е незначителен, тъй като обикновено се припокрива от конвекцията на течността под действието на гравитацията по градиента на плътност.

Градиентът на концентрация на алкохол, причинен от разликите в скоростта на транспортиране на алкохол от обема към плоската повърхност и от обема към менискуса, води до градиенти на повърхностно напрежение и образуване на сълзи от вино. Сълзи от вино ясно се виждат в сянката на тази чаша вино с 13,5% алкохолно съдържаниеГрадиентът на концентрация на алкохол, причинен от разликите в скоростта на транспортиране на алкохол от обема към плоската повърхност и от обема към менискуса, води до градиенти на повърхностно напрежение и образуване на сълзи от вино. Сълзите на виното ясно се виждат в сянката на тази чаша вино с 13,5% алкохолно съдържание. Кредит: Wikimedia Commons

Най-известното проявление на ефекта на Марангони - "сълзите на виното" - е следствие от факта, че етанолът има по-ниско повърхностно напрежение от водата. Ако алкохолът се смеси с вода неравномерно, областта с по-ниска концентрация на алкохол ще има по-висок коефициент на повърхностно напрежение и ще свива околната течност по-силно от областта с по-висока концентрация на алкохол. В резултат на това, такава смес е склонна да се стича в области, където концентрацията на алкохол е по-ниска. Такава област е менискусът на стената на чашата, където изпарението е най-интензивно.

По-безопасна, устойчива пяна

Според Върман, наблюденията на екипа подчертават, че пяната не получава своята стабилност от линейни, индивидуални фактори и взаимодействия.

"Например увеличаването на вискозитета с допълнителни повърхностноактивни вещества може всъщност да направи пяната по-нестабилна, защото забавя ефектите на Марангони твърде силно", обяснява Верман. "Важно е да се работи само с един механизъм, а не върху няколко едновременно."

По-доброто разбиране на механиката на пяната не само ще доведе до по-приятна бира. То може да спаси животи. Смазочните материали в електрическите превозни средства понякога са склонни към образуване на пяна, което увеличава риска за химически пожар. Междувременно много повърхностноактивни вещества все още разчитат на екологично вредните флуор и силиций. Разработването на смазочни материали без пяна и устойчиви повърхностноактивни вещества би могло да помогне на множество индустрии да станат по-безопасни за хората и околната среда.

"Нашето проучване е съществена стъпка в тази посока", смята Верман.

Справка: The hidden subtlety of beer foam stability: A blueprint for advanced foam formulations featured; Emmanouil Chatzigiannakis, Alexandra Alicke, Léa Le Bars, Lucas Bidoire, Jan Vermant; Physics of Fluids 37, 082139 (2025)
https://doi.org/10.1063/5.0274943

Източник: How to brew the best beer foam, according to physics, Andrew Paul, Popular Science

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !