Стабильность пивной пены определяется не количеством белков, а структурными изменениями одного конкретного белка, известного как белок-переносчик липидов 1 (LTP1), на протяжении нескольких стадий ферментации. По мере распада LTP1 его фрагменты действуют как мощные поверхностно-активные вещества, создавая высокостабильную пену за счет сил, известных как напряжения Марангони. Этот механизм оказался более важным, чем поверхностная вязкость, особенно в сложных сортах пива.
Результаты исследования были опубликованы 26 августа в журнале Physics of Fluids. Работа является итогом примерно семилетнего сотрудничества между учеными из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) и Технологического университета Эйндховена (Нидерланды). Целью проекта было прямое изучение механики тонкой пленки, разделяющей пузырьки в пене, для понимания ее поведения и стабильности.
Ключевыми авторами исследования являются Эммануил Хатцигианнакис, материаловед из Технологического университета Эйндховена, и Ян Вермант, специалист по мягким материалам из ETH Zurich. Команда использовала комбинацию сложной техники визуализации и реометрии — науки о деформации и текучести вещества. Это позволило им напрямую наблюдать белковые агрегаты, их структуру на границе раздела фаз и поведение при сближении двух пузырьков.
В пиве однократной ферментации, таком как лагер, белки LTP1 существуют в своей первоначальной форме в виде крошечных сферических частиц. Эти частицы располагаются на поверхности пузырька, создавая то, что ученые называют «двумерной суспензией» — мелкодисперсные твердые частицы, распределенные в жидкости. В этом случае стабильность пены напрямую зависит от вязкости белка: чем больше белков, тем стабильнее пена.
При двойной ферментации дрожжевые клетки начинают денатурировать, то есть изменять структуру белков LTP1. Модифицированные белки формируют своего рода мембрану или сетку, которая обеспечивает дополнительную стабилизацию пузырьков. Этот процесс представляет собой следующий этап в усложнении структуры пены.
В пиве тройной ферментации, характерном для бельгийских траппистских элей, белки разрушаются настолько, что распадаются на фрагменты. Эти фрагменты обладают уникальным свойством: у них есть как водоотталкивающий, так и водопритягивающий конец. Благодаря этому они действуют как поверхностно-активные вещества, аналогичные тем, что содержатся в моющих средствах, и значительно снижают поверхностное натяжение.
Этот эффект приводит к возникновению напряжений Марангони — сил, вызванных разницей в поверхностном натяжении. Данный механизм максимизирует потенциал стабилизации пены, создавая самые устойчивые пенные структуры. В таких системах влияние поверхностной вязкости становится менее значительным.
Фундаментальный принцип стабильности пены заключается не в линейном добавлении компонентов, а в оптимизации одного конкретного механизма. Например, простое увеличение вязкости с помощью ПАВ может, наоборот, сделать пену более нестабильной, поскольку это замедляет благотворные эффекты Марангони.
Открытия имеют практическое применение далеко за пределами пивоварения. В электромобилях смазочные материалы могут вспениваться, что повышает риск химического возгорания. Результаты исследования помогут в разработке смазок, не образующих пену.
Другое важное направление — создание экологически чистых промышленных материалов. Многие существующие поверхностно-активные вещества основаны на вредных для экологии элементах, таких как фтор и кремний. Данное исследование является «важным шагом» на пути к разработке эффективных «зеленых» ПАВ, более устойчивых и безопасных для различных отраслей промышленности.
Изображение носит иллюстративный характер
Результаты исследования были опубликованы 26 августа в журнале Physics of Fluids. Работа является итогом примерно семилетнего сотрудничества между учеными из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) и Технологического университета Эйндховена (Нидерланды). Целью проекта было прямое изучение механики тонкой пленки, разделяющей пузырьки в пене, для понимания ее поведения и стабильности.
Ключевыми авторами исследования являются Эммануил Хатцигианнакис, материаловед из Технологического университета Эйндховена, и Ян Вермант, специалист по мягким материалам из ETH Zurich. Команда использовала комбинацию сложной техники визуализации и реометрии — науки о деформации и текучести вещества. Это позволило им напрямую наблюдать белковые агрегаты, их структуру на границе раздела фаз и поведение при сближении двух пузырьков.
В пиве однократной ферментации, таком как лагер, белки LTP1 существуют в своей первоначальной форме в виде крошечных сферических частиц. Эти частицы располагаются на поверхности пузырька, создавая то, что ученые называют «двумерной суспензией» — мелкодисперсные твердые частицы, распределенные в жидкости. В этом случае стабильность пены напрямую зависит от вязкости белка: чем больше белков, тем стабильнее пена.
При двойной ферментации дрожжевые клетки начинают денатурировать, то есть изменять структуру белков LTP1. Модифицированные белки формируют своего рода мембрану или сетку, которая обеспечивает дополнительную стабилизацию пузырьков. Этот процесс представляет собой следующий этап в усложнении структуры пены.
В пиве тройной ферментации, характерном для бельгийских траппистских элей, белки разрушаются настолько, что распадаются на фрагменты. Эти фрагменты обладают уникальным свойством: у них есть как водоотталкивающий, так и водопритягивающий конец. Благодаря этому они действуют как поверхностно-активные вещества, аналогичные тем, что содержатся в моющих средствах, и значительно снижают поверхностное натяжение.
Этот эффект приводит к возникновению напряжений Марангони — сил, вызванных разницей в поверхностном натяжении. Данный механизм максимизирует потенциал стабилизации пены, создавая самые устойчивые пенные структуры. В таких системах влияние поверхностной вязкости становится менее значительным.
Фундаментальный принцип стабильности пены заключается не в линейном добавлении компонентов, а в оптимизации одного конкретного механизма. Например, простое увеличение вязкости с помощью ПАВ может, наоборот, сделать пену более нестабильной, поскольку это замедляет благотворные эффекты Марангони.
Открытия имеют практическое применение далеко за пределами пивоварения. В электромобилях смазочные материалы могут вспениваться, что повышает риск химического возгорания. Результаты исследования помогут в разработке смазок, не образующих пену.
Другое важное направление — создание экологически чистых промышленных материалов. Многие существующие поверхностно-активные вещества основаны на вредных для экологии элементах, таких как фтор и кремний. Данное исследование является «важным шагом» на пути к разработке эффективных «зеленых» ПАВ, более устойчивых и безопасных для различных отраслей промышленности.
