Анализ пенообразования, стабильности пены и структуры пены на примере пива, влияние CO₂

Долгое время пищевые химические анализы и тесты качества пива были ориентированы в первую очередь на биологическую стабильность этого популярного напитка (срок годности). Однако в последние годы акцент изменился: пивоваренная промышленность разработала высокие и надежные стандарты в отношении срока хранения пива, а исследования и обеспечение качества все больше фокусируются на аспекте удовольствия. В этой связи приоритет отдается таким темам, как образование, консистенция и стабильность пивной пены. Пенная пена образуется за счет комбинации содержащихся в ней природных поверхностно-активных веществ и двуокиси углерода (CO₂), образующейся в качестве продукта реакции в процессе пивоварения. Последний не добавляется; единственный раз, когда используется дополнительный CO₂, - это во время отвода газа для создания необходимого давления. Это исследование дает возможность проанализировать влияние пенообразующих веществ на вспениваемость и стабильность пены независимо от содержания CO₂. Для этой цели высота пены и структура пены сортов пива Pils, прозрачного пшеничного пива и Kolsch, популярного местного немецкого пива, были измерены с удалением СО2 перед исследованием. Анализ показал, что поведение пены образцов пива, которые были стандартизованы для измерения, сильно отличалось от свойств разливного пива. В частности, поведение пива Kolsch, которое лишь немного пенится при разливе, стало причиной большого удивления во время нашего исследования.

Белки, содержащиеся в пиве, являются причиной образования пены. Они являются поверхностно-активными и, таким образом, приводят к образованию и стабилизации ламелей пены. Однако не так-то просто сравнить влияние пенообразующих веществ на поведение пены разных типов пива и различных методов производства. Причина этого кроется в различии содержания углекислого газа (CO₂), который образуется в процессе пивоварения и вместе с белками участвует в образовании пены. Точно так же стабильность пены зависит не только от содержания белка, но и от воздействия CO₂, поскольку растворимость этого газа в воде ускоряет распад пены. С другой стороны, подъем большего количества пузырьков из объемов жидкости имеет стабилизирующий эффект. Чтобы мы могли анализировать влияние пенообразующих веществ независимо от этих неконтролируемых влияющих факторов, мы сначала удалили CO₂ из образцов. Для измерения мы получали пену из дегазированных образцов путем барботирования, для чего использовали воздух, чтобы исключить любую ускоренную дестабилизацию, вызванную растворимостью газа. Это гарантирует, что различия во вспениваемости и стабильности пены в разных типах пива связаны только с составом жидкости.

Были проанализированы три типа светлого пива, произведенного с помощью различных процессов пивоварения: прозрачное пшеничное пиво, Pils и Kolsch.

Типы различаются в первую очередь зерновым солодом (пшеничный или ячменный) и используемыми дрожжами (верхнее или нижнее брожение):

Пенообразование этого пива в недегазированном состоянии хорошо известно: пшеничное пиво и пилс образуют большое количество стабильной пены, в то время как Kolsch имеет тенденцию к пенообразованию лишь незначительно, а его пена нестабильна.

Для процесса дегазации соответствующее пиво переносили в устройство, в котором СО2 удалялся с помощью вакуумного насоса, снабженного клапаном для удаления воздуха. Этот процесс повторялся до тех пор, пока пиво практически не дегазировалось. 50 мл каждого образца залили шприцем в измерительную колонку анализатора динамической пены - DFA100. Пиво вспенивали контролируемым образом, пропуская воздух через образцы в измерительной колонке через бумажный фильтр в течение 20 с при постоянной скорости потока 0,3 л/мин, контролируемой компьютером. Температура измерения составляла 25 °C.

Измерение вспениваемости и стабильности пены осуществляется с помощью DFA100 посредством зависящего от времени измерения высоты столба пены. Это осуществляется с помощью светодиодной линейки и фотодетекторной линейки, расположенных соответственно вдоль измерительной стойки. Пенообразование рассчитывается на основе максимальной высоты во время вспенивания, а стабильность - на основе уменьшения высоты пены со временем. Период полураспада в качестве характеристического параметра может также использоваться в дополнение к общей прогрессии кривой для сравнения нескольких образцов.

Для определения воспроизводимости было выполнено не менее двух измерений для каждого сорта пива. Модуль структуры пены - FSM использовался для одновременного измерения высоты пены и анализа структуры пены. Этот модуль имеет специальную измерительную колонку с призмами и фиксирует ламели пены на стенке стекла с помощью видеокамеры. Структура пены и ее изменения с течением времени в отношении размера и количества пузырьков обнаруживаются с помощью анализа видеоизображения.

Повторные измерения показали очень хорошую воспроизводимость кривых роста, что ясно демонстрирует следующий пример. Верхняя кривая показывает измеренную общую высоту, нижняя кривая - высоту столба жидкости под пеной.

Что касается вспениваемости, разница между образцами очень небольшая, что видно по незначительным различиям в максимальной высоте пены (рисунок 5).

Эти измерения не отражают общеизвестную высокую вспениваемость пшеничного пива и низкое пенообразование Кёльша. Таким образом, можно сделать вывод, что разные свойства вспениваемости неподготовленного пива связаны с различным содержанием CO₂, которое не играло роли в дегазированных образцах.

Стабильность дегазированных образцов еще более существенно отличалась от свойств пива с CO₂. Самый поразительный результат здесь - это пиво Kolsch, столб пены которого снижался медленнее, чем у других сортов (рисунок 5). Это также можно увидеть на гистограмме, изображающей время полураспада (рисунок 6), где период полураспада Кёльша примерно в два раза больше, чем у других типов.

Таким образом, можно сделать вывод, что поверхностно-активные вещества в пиве Kolsch хорошо стабилизируют ламели пены, а быстрое разложение пены в пиве Kolsch после выпуска происходит в первую очередь из-за влияния CO₂.

Как правило, разложение пены идет рука об руку с тенденцией к образованию больших пузырей и одновременному исчезновению мелких пузырей (созревание Оствальда). Это изменение размера пузырьков можно наблюдать во всех трех образцах. На следующей диаграмме (рисунок 7) показано изменение структуры пузырьков в течение первых трех минут:

Более устойчивая пена пива Kolsch очень динамична при созревании Ostwald в начале, то есть довольно быстро образуются большие пузырьки. Обычно быстро образующиеся пузырьки часто идут рука об руку с быстрым распадом пены. Количество пузырьков, подсчитанных при анализе видеоизображения для наблюдаемого участка, показало ту же начальную тенденцию (рисунок 8): количество пузырьков в Kolsch уменьшается быстрее, чем в случае с пшеничным пивом, и с такой же скоростью, что и в Pils. Несмотря на это, высота пены пшеничного пива и пива Pils была менее стабильной в течение длительного времени, чем у Kolsch (рисунок 3). Это означает, что увеличение размера пузырьков в случае первых двух упомянутых типов пива относительно быстро приводит к лопанию. Пенообразующие протеины Kolsch, с другой стороны, по-видимому, хорошо стабилизируют большие ламели пены, так что его пушистая пена с большими порами остается неповрежденной в течение длительного времени. Этот результат, который противоречит поведению пива при розливе, предполагает, что связанная с белком стабилизация пива Kolsch больше не имеет никакого эффекта, когда на разложение пены влияет CO₂.

Три дегазированных образца пива были протестированы с помощью динамического анализатора пены - DFA100, чтобы проанализировать влияние поверхностно-активных веществ в пиве независимо от содержания CO₂ и его влияния на поведение пены. Вспениваемость, стабильность пены и структура пены прозрачного пшеничного пива Pils и Kolsch. Полученные данные показали, что поведение пены этих сортов пива значительно отличалось от характеристик пива, когда они содержали СО2. В частности, Kolsch, который образует очень мало пены, показал хорошую вспениваемость и стабильность пены при дегазации. Исследование показало, что пенообразование пива в исходном состоянии никоим образом не позволяет делать какие-либо заявления о содержании пенообразующих веществ. Только после того, как будут проведены измерения на образцах без CO₂, можно будет провести сравнение поверхностно-активных белков. CO₂ также можно использовать для вспенивания с помощью DFA100 вместо воздуха. Таким образом, можно было бы количественно оценить дестабилизирующее влияние растворимости СО2 в воде ламелей пены в более обширном исследовании.