Waarom heeft Belgisch bier de mooiste schuimkraag?

Foto: Pexels.

De onderzoekers onderzochten zes commerciële bieren: vier Belgische ales en twee Zwitserse lagers, specifiek pilsbieren. Hun conclusie: hoewel de schuimstabiliteit tussen de verschillende biersoorten vergelijkbaar kan zijn, is de onderliggende fysica op microschaal verschillend.

Bierschuim ontstaat als tijdens het inschenken het gas vrijkomt dat in de drank zit opgelost. Meestal is dat kooldioxide en soms stikstof, bijvoorbeeld bij Guinness. Tijdens het opstijgen nemen de randen van de belletjes allerlei stoffen uit de vloeistof op, zoals eiwitten, die voor stevigheid zorgen. Gaat die verloren, dan slaat het bier langzaam dood. Het bierschuim bestaat uit kleine luchtbelletjes, gescheiden door dunne vloeistoflaagjes, een beetje zoals bij zeepbellen. Knappen de belletjes, dan stort het schuim in. Dat kan in het geval van bier zelfs de smaak beïnvloeden.

TU/e-onderzoekers Manolis Chatzigiannakis en Alexandra Alicke (beiden van de faculteit Mechanical Engineering) ontdekten samen met collega’s van ETH Zürich waarom dat gebeurt. Het project werd geïnitieerd en geleid door Vermant, hoogleraar Soft Materials aan de ETH Zürich, en is onlangs gepubliceerd in Physics of Fluids. Het idee kwam voort uit een simpele vraag die Vermant stelde aan een Belgische brouwer (Vermant is zelf Belg): Hoe controleren jullie het gistingsproces van bier? Het korte antwoord: “Door naar het schuim te kijken.”

Dankzij dit onderzoek begrijpen wetenschappers nu beter de processen die schuilgaan achter de perfecte schuimkraag. Voor brouwers biedt dit nieuwe aanknopingspunten om hun proces te verbeteren, en voor bierdrinkers betekent het misschien op termijn een langere schuimkraag in plaats van een (te) snel doodgeslagen biertje.

Tot nu toe gingen onderzoekers ervan uit dat de stabiliteit van bierschuim voornamelijk afhangt van eiwitrijke lagen op het oppervlak van de belletjes. Deze eiwitten, afkomstig uit gerstemout, beïnvloeden de stroperigheid (viscositeit) en de oppervlaktespanning.

Oppervlaktespanning belangrijker dan gedacht
Uit de nieuwe experimenten blijkt echter dat het doorslaggevende mechanisme complexer is en sterk afhangt van het type bier. “Wij wilden weten wat er precies gebeurt in de dunne laag tussen twee belletjes,” zegt Chatzigiannakis, die ook de hoofdauteur is van het nieuwe wetenschappelijke artikel.

Met beeldvorming en reometriemethoden (om de stroperigheid en elasticiteit van materialen in kaart te brengen) maakte het team zichtbaar hoe belletjes elkaar beïnvloeden. “We kunnen de eiwitaggregaten van de bel, hun interface en hun structuur direct oplossen.”

Bij lagerbieren is de viscositeit van het oppervlak de doorslaggevende factor. Die wordt beïnvloed door de eiwitten die in het bier aanwezig zijn en door hun denaturatie: hoe meer eiwitten het bier bevat, hoe stroperiger het laagje rond de bubbels en hoe stabieler het schuim.

De situatie is anders bij Tripels, waar de viscositeit van het oppervlak eigenlijk minimaal is. Stabiliteit wordt bereikt door zogenaamde Marangoni-spanningen – krachten die voortkomen uit verschillen in oppervlaktespanning.

Dit effect is eenvoudig zichtbaar door gemalen theeblaadjes op een wateroppervlak te strooien. Aanvankelijk verspreiden de fragmenten zich gelijkmatig, maar zodra er een druppel zeep wordt toegevoegd, schieten ze naar de rand en ontstaan er stromingen over het oppervlak. Op vergelijkbare wijze kunnen langdurige stromingen in bier het schuim stabiliseren door de belletjes steviger te maken.

Een duik in de fysica achter bierschuim
Verschillende bieren betekent verschillende brouwomstandigheden en dus verschillende schuimfysica. Belangrijk is de structuur en dynamica van de eiwitrijke grensvlakken. In het Belgische Singel-ale gedragen de eiwitrijke grensvlakken zich alsof kleine, bolvormige deeltjes zich dicht opeengepakt op het oppervlak van de bubbels rangschikken. Dit komt overeen met een tweedimensionale suspensie, d.w.z. een mengsel van een vloeistof en fijn verdeelde vaste stoffen, die op hun beurt deze bubbels stabiliseren.

In het Dubbel vormen eiwitten een netachtige structuur, een soort membraan, waardoor de bubbels nog stabieler worden. In Tripels wordt de fysica nog rijker; de dynamica van de oppervlakken van de bubbels lijkt op die van eenvoudige oppervlakte-actieve stoffen. Dergelijke stoffen die de oppervlaktespanning verlagen, zoals bepaalde eiwitten en hopverbindingen in bier (maar ook zeep), nestelen zich rond de belletjes en vormen een beschermend laagje dat het schuim stabiel houdt.

De precieze redenen voor het verschillende gedrag zijn nog onbekend. Men neemt echter aan dat het eiwit LTP1 (lipide-transferproteïne 1) een beslissende rol speelt bij het stabiliseren van bierschuim. Onderzoekers van de ETH konden dit bevestigen door de structuur en het gehalte van het eiwit in de bieren te analyseren.

Samenwerking met een grote brouwerij
Zoals Vermant benadrukt: “De stabiliteit van het schuim is niet lineair afhankelijk van individuele factoren. Je kunt niet zomaar ‘iets’ veranderen en dan verwachten een ‘goed resultaat’ te krijgen.”

Het verhogen van de viscositeit met extra oppervlakteactieve stoffen kan het schuim bijvoorbeeld onstabieler maken omdat het de Marangoni-effecten te sterk vertraagt. Vermant: “Het komt erop aan om aan één mechanisme tegelijk te werken en niet aan meerdere tegelijk. Bier doet dit van nature goed!”

In de loop van dit onderzoek werkte het team samen met een van ’s werelds grootste brouwerijen die werkte aan de schuimstabiliteit van hun bieren en wilde begrijpen wat bierschuim stabiliseert. “We kennen het mechanisme nu precies en kunnen de brouwerij helpen het schuim van hun bieren te verbeteren”, zegt Vermant.

Toepassingen die verder gaan dan bier
De inzichten hebben ook toepassingen buiten de wereld van bierbrouwers. In elektrische voertuigen bijvoorbeeld kunnen schuimende smeermiddelen problemen veroorzaken omdat schuim de warmteafvoer van onderdelen als tandwielen en batterijen belemmert. Samen met de industrie onderzoeken de wetenschappers hoe je schuim daar juist kunt afbreken.

Een ander doel is het ontwikkelen van duurzame oppervlakte-actieve stoffen die vrij zijn van fluor of silicium. Daarnaast werken de onderzoekers ook aan schuimen als dragers voor bacteriële systemen als onderdeel van een lopend project. Ten slotte kunnen de inzichten over bierschuim positieve gevolgen hebben voor het stabiliseren van melkschuim met behulp van eiwitten.