Beer Ecstasizes Material Scientists
Scientists from ETH Zürich have investigated the secret of stable foams. Their findings could make beer foam and ice cream more long-lasting. And they could revolutionise concrete.
“O’zapft is!” – just now the people from Munich have opened the Oktoberfest with those words and beer is flowing freely. The amber nectar doesn’t just cause a collective delirium, but also enlightens material scientists because of its sumptuous foam.
Good beer foam is an indicator of the quality and freshness of a beer. A typical head is 1.5 cm thick and consists of 1.5 million bubbles. Ideally, it stays stable, but most of the time the bubbles merge or burst and the head collapses. This behaviour is typical of all types of foam, be it in food or modern industrial materials.
One of the processes that make foam unstable is especially hard to stop. It is called Ostwald ripening, after the German chemist and Nobel Prize laureate from 1909, Wilhelm Ostwald, who already described this process 100 years ago. Hereby, bigger bubbles get bigger and bigger, whilst smaller ones shrink and disappear.
Zerfall des Schaums stoppen
Die Ostwald-Reifung verändert die Textur von Bierschaum und anderen geschäumten Lebensmitteln und Konsumartikeln auf unerwünschte Weise, und sie schwächt die Produktequalität. Schäume (und Emulsionen) zu stabilisieren, ist deshalb eine Herausforderung bei verschiedensten Anwendungen, von Pflegeprodukten bis hin zu modernen funktionalen Materialien.
Oberflächenstabilisatoren wie bestimmte Proteine im Bier können die Reifung des Schaums aber verlangsamen, indem sie die Oberflächenspannung senken. Verhindern können Stabilisatoren die Ostwald-Reifung allerdings nicht. Hat diese eingesetzt, lässt sie sich nicht mehr stoppen.
Jan Vermant, Professor für weiche Materialien der ETH Zürich, und seine Gruppe haben nun für dieses Schaumproblem eine neue wissenschaftliche Grundlage erarbeitet. Es ist den Wissenschaftlern zum ersten Mal gelungen, die Stabilisierung von Schaumbläschen quantitativ zu erfassen und allgemeingültige Prinzipien zu formulieren. «Diese Prinzipien werden der Lebensmittel- und Materialindustrie helfen, gezielt Stabilisatoren zu entwickeln, welche der Ostwald-Reifung vorbeugen oder sie gar stoppen», sagt Vermant.
Netz von Partikeln stabilisiert Blase
In ihrer Studie zeigen die ETH-Materialforscher auf, wie bestimmte Partikel als Schaumstabilisatoren wirken und kleine Bläschen vor dem Schrumpfen schützen. Zu Testzwecken verwendeten die Wissenschaftler mikrometergrosse Polymerteilchen sowie Partikel von reiskornartiger Form. Die beiden unterschiedlichen Teilchen bilden eine unregelmässige Netzstruktur an der Bläschenoberfläche.
In einer speziellen Mikrofluidik-Anordnung testeten die Forscher, ob dieses Netzwerk die Bläschen genügend stützt. Darin konnten sie einzelne Bläschen gezielt mit einer kontrollierten Menge dieser Stabilisatoren beschichten und danach in einer Mini-Druckkammer stufenweise steigenden Druckverhältnissen aussetzten. Die Wissenschaftler simulierten damit Ostwald-Reifung.
«Dadurch konnten wir genau festhalten, bei welchem Druck ein Bläschen zu schrumpfen beginnt und schliesslich kollabiert», sagt Peter Beltramo, Postdoktorand bei Vermant. Dank ihrer speziellen Versuchsanordnung konnten die Forschenden nicht nur Einzelbläschen untersuchen. Sie konnten auch die Zahl der Partikel, die ein Bläschen umgeben, variieren und dann die Anzahl der Partikel mit den mechanischen Eigenschaften des Bläschens in Bezug setzen.
Es zeigte sich, dass teilweise bedeckte Bläschen genauso stabil sein können wie solche, die vollkommen mit Partikeln bedeckt sind. Damit lässt sich die benötigte Menge eines Stabilisators genau vorhersagen. «Dank unseren Erkenntnissen lassen sich viel Material und damit Kosten einsparen», betont Beltramo. Weiter stellten die Forscher fest, dass ein beschichtetes Bläschen einem viel höheren Druck standhält als ein unbeschichtetes.
Universell gültig
Die gewonnenen Erkenntnisse seien über Schäume hinaus universell gültig für alle Materialien mit grossen Oberflächen oder Anwendungen, in denen Oberflächen eine wichtige Rolle spielten, sagt Vermant. Unter anderem gelte das Prinzip auch für die Lunge oder das Auge, das durch einen Tränenfilm geschützt sei. «Diese dünnen Filme sind sehr stabil – entwickelt von der Natur», sagt Vermant.
Die Erkenntnisse könnten auch für die Industrie nützlich sein. Wissenschaftler könnten nun nach Stabilisatoren forschen, die schaumige Lebensmittel wie Eiscrème, Brotteig oder auch Bierschaum haltbarer machten. «Wir geben der Lebensmittelindustrie Entwicklungsrichtlinien und Quantifizierungswerkzeuge in die Hand, die sie bei der Entwicklung neuer Produkte verwenden können», erklärt der ETH-Professor. Und was für Bierschaum oder Eiscrème recht ist, ist für Beton billig. Kleine stabile Bläschen in Beton machen ihn widerstandsfähiger gegenüber Zyklen von Einfrieren und Auftauen. Zudem wird er dadurch leichter.
Anlass zu dieser Forschungsarbeit gaben Nahrungsmittelschäume. Die Studie wurde mitfinanziert vom Glacéhersteller Nestlé. «Über Eiscrème und stabilen Bierschaum nachzudenken kann also zu neuen besseren Materialien führen – Prost!», freut sich Vermant.
Source: Chemie.de