Отчего пиво пенное?

Есть много способов проверить качество пива. Рассказывают, например, что немецкие пивовары, прежде чем принять в свой цех нового мастера, садились в кожаных штанах на лавку, политую сваренным им пивом. Если спустя некоторое время они вставали вместе с приклеившейся лавкой — испытание считалось успешно пройденным. Стойкая пена — еще одна из примет хорошего пива. «Настоящий любитель нарисует на пене, что стоит над свеженалитой кружкой, лицо, и, если пиво хорошее, оно не исчезнет, даже когда кружка опустеет», — так рассказывает студентам на спецкурсе по пивному производству Карл Зиберт из Корнелловского университета, в прошлом сотрудник пивоваренной компании в Детройте. Что интересно, на курс записывается очень много студентов, обучающихся ресторанному и туристскому бизнесу, однако не все остаются, когда выясняется, что это вовсе не дегустация пива, а много химии и биологии на довольно высоком уровне. Недавно Карл Зиберт вплотную подошел к решению вопроса о том, что именно обеспечивает стойкую пивную пену («Journal of the American Society of Brewing Chemists», 2014, 72, 2, 79—87; http://dx.doi.org/10.1094/ASBCJ-2014-0319-01).

Согласно физико-химическому определению, пена — это дисперсная система, состоящая из газовой дисперсной фазы и твердой или жидкой дисперсионной среды. Такая система термодинамически неустойчива, что быстро проявляется, если стенки пузырьков сделаны из жидкости. Под действием силы тяжести жидкость стекает вниз, стенки пузырьков утончаются, и давление газа в конце концов их прорывает. Еще работает коалесценция: крупные пузырьки растут за счет мелких. Управляет этим процессом закон Лифшица — Вагнера — Слёзова, согласно которому распределение частиц по размерам в коалесцирующей системе, изначально симметричное, со временем все более смещается в сторону больших размеров. Причина в том, что у крупных частиц, в данном случае у пузырьков, меньше удельная, рассчитанная относительно объема, площадь поверхности, что дает им энергетический выигрыш. Но чем больше площадь поверхности пузырька, тем больше вероятность, что где-то стенка станет очень тонкой и лопнет. Газ может и просачиваться наружу, из-за чего пузырьки, лишившись внутренней поддержки, схлопываются.

Обратному процессу — образованию пены — могут способствовать различные факторы. В их число входят и ван-дерваальсовы силы, связывающие молекулы стенки воедино, и кулоновские силы, созданные ионами растворенных веществ. Молекулы, обладающие гидрофильными и гидрофобными концами, формируют трехслойную пленку, заключая между собой слой воды, при этом срабатывает эффект Мараньони поверхностно-активное вещество, снижающее поверхностное натяжение жидкости, помогает быстро затянуть возникающие на пленке тонкие места, то есть не дает пузырьку лопнуть. В частности, именно так устроен мыльный пузырь, в котором два слоя мыла защищают расположенный между ними слой воды от испарения и повреждений.

А какой механизм работает в пивной пене? Какие вещества обеспечивают ее стойкость? Оказывается, несмотря на многолетние исследования, полной ясности нет, поскольку речь идет о продукте со сложным составом: каждый автор предлагает свой выбор механизма из трех возможных. С химическим агентом также нет ясности. На первых порах исследователи отделяли пену от пива, осаждали ее и изучали состав. В результате был сделан вывод, что ее главные компоненты — один или несколько белков, содержащихся в ячменном зерне, а также происходящие из хмеля изо-альфа-кислоты, которые, в частности, обеспечивают пиву горечь и аромат, и, конечно, образующий пену углекислый газ. А вот о роли спирта, вязкости или кислотности нет единого мнения: имеются противоречивые результаты, указывающие, что изменения этих параметров могут а) пену ослаблять, б) пену усиливать, в) никак не влиять на пену. Аналогичным образом ионы многих металлов алюминия, кобальта, никеля, кальция, калия, меди, олова или цинка — продемонстрировали либо способность усиливать пену, либо не оказывать никакого влияния. Видимо, на изучение этих ионов технологов вдохновили рассказы о том, что воды некоторых источников дают изумительное пиво, которое невозможно воспроизвести в других местах.

Дальнейшие изыскания еще больше увеличили путаницу. Так, было установлено, что в формировании пены участвует альбумин — водорастворимая фракция белков ячменя. (Еще бы, откуда в пиве взяться нерастворимой фракции? Такое только в мутно-белом пшеничном пиве бывает.) Попытки же выяснить, что это конкретно за белок, оказались неудачными. Одни ученые нашли, что главный белок состоит преимущественно из основных аминокислот. Другие выявили в нем большое количество ароматических аминокислот. Третьи предположили, что это гликопротеин — белок, к которому приделаны сахарные цепочки. Возникло мнение, что это не один белок, а два — так называемый белок переноса липидов через клеточную стенку LPT1 (от Lipid Transfer Protein) и Z-белок (этот белок, из числа серпинов, предположительно ингибирует пищеварительные ферменты насекомых — так ячмень пытается защитить свое зерно от поедания; именно он — основной белковый компонент пива).

Возникла дискуссия и о том, какая из изо-альфа-кислот хмеля для пены лучше. В частности, было замечено, что в хорошей пене гораздо больше транс-, чем цис-кислот, а если кислота находится в восстановленном состоянии, например в форме тетрагидроизо- альфа-кислоты, то пена будет еще крепче.

Этот разнобой, который мешал технологам сосредоточиться на решении главной задачи — определить, сколько чего и на какой стадии надо добавить, — заставил Зиберта провести математическое моделирование, то есть построить зависимость некоего показателя устойчивости пены от значений параметров, характеризующих пиво. Система сложная, поэтому было выбрано четыре параметра: содержание альбумина, изокислот, спирта и показатель рН. Для получения формулы, которая связала бы их воедино, надо построить четырехмерную таблицу, проварьировав каждый из параметров в пределах неких границ с определенным шагом. При этом от числа параметров число экспериментов растет как степенная функция. Например, если каждый параметр имеет всего по три значения, то для двух параметров выйдет 9 экспериментов, для трех — 27, а для четырех — 81. Для пяти точек — соответственно 25, 125 и 625! Это если решать задачу в лоб. Однако специальная наука — техника эксперимента — позволяет существенно сократить число отдельных опытов для получения искомой зависимости с приемлемой точностью.

Этими-то хитростями и воспользовался Зиберт. В своих опытах он смешивал растворы всех четырех компонентов (для регулирования кислотности использовал буферный раствор, приготовленный из ледяной уксусной кислоты и гидроксида калия), и по десять раз с интервалом в одну минуту резко встряхивал каждую пробирку. А спустя полчаса измерял высоту оставшейся пены. Обработка данных позволила вывести формулу, описывающую зависимость высоты пены от взаимодействия всех четырех параметров. Но формула оказалась плоха. Так, максимальная пена получалась при среднем содержании спирта и низком рН. Однако пивоварам известно, что чем выше рН (а это свойственно сортам пива с высоким содержанием солода), тем крепче пена. Чтобы убедиться в этом, Зиберт купил в местной лавке три сорта пива, отличающихся содержанием солода. Бутылки открыли, выдержали сутки, чтобы из них вышел газ, и стали менять в них рН, доливая соляную кислоту или едкий натр. Действительно, чем выше рН (то есть чем менее кислое пиво), тем лучше пена: для среднего американского лагера различие ее высоты после получаса отстоя менялось от 7 до 22 мм (рН 3,7—4,6). Затем купили два сорта безалкогольного пива и стали доливать в них спирт. Он подействовал неожиданно: сначала крепость пены падала, а по достижении 3 об. % начала расти и дала пик на 8—10%.

Чем же нехороша была построенная модель? Чтобы ответить на этот вопрос, Зиберт решил выяснить, точно ли один и тот же механизм отвечает за формирование пены в модельной системе ив реальном пиве. Поставили опыты с поваренной солью — ионы Na+ и Cl— должны были блокировать ионные связи в пене, — диметилформамидом, блокирующим водородные связи, и с диоксаном, который снижает гидрофобные взаимодействия. И в самом деле, механизмы оказались разными: в модели пену убивала соль, а в пиве — диметилформамид. Из таблицы взяли данные о заряде белков при разных рН, и оказалось, что Z-протеин как раз и обладает большим зарядом, в отличие от LPT1. Вот она, ошибка, в модели слишком много Z-белка, решил Зиберт и в последующих опытах стал использовать экстракт альбумина, в котором белка LPT1 было гораздо больше. И действительно, дела пошли на лад: пена по мере роста рН становилась все лучше, но среднее содержание спирта по-прежнему оказывало на нее самое благотворное действие. Это-то и раскрыло предыдущие загадочные данные о влиянии спирта. Исследователи попадали в разные области значений его содержания и видели каждый свой кусочек общей кривой с горбом: кто-то наблюдал убывание, а кто-то возрастание стойкости пены с возрастанием концентрации спирта.

И вот теперь, имея в руках формулу Зиберта, пивовары знают, в какой пропорции нужно смешивать компоненты, чтобы пена была хорошей. Ну и конечно же всем стало ясно, что зерно должно быть с большим содержанием LPT1. Есть работа для селекционеров.