Physik des Bierschaums: Forscher lüften das Geheimnis stabiler Kronen

Eine prächtige, stabile Schaumkrone ist für viele Bierliebhaber das Zeichen eines perfekt gebrauten und gezapften Bieres. Doch die physikalischen und chemischen Mechanismen, die den Schaum zusammenhalten, sind erstaunlich komplex und waren bisher nur teilweise verstanden. Ein Team der ETH Zürich und der Technischen Universität Eindhoven wollen jetzt den „heiligen Gral der Braukunst“ entschlüsselt haben, wofür sie nach eigenen Angaben sieben Jahre benötigten.

Die in der Fachzeitschrift „Physics of Fluids“ veröffentlichte Studie zeigt: Es gibt nicht den einen Mechanismus, sondern die Biersorte und ihr Brauprozess sind entscheidend. Das Team um Emmanouil Chatzigiannakis und Jan Vermant ging der Sache auf den Grund, indem es eine Vielzahl kommerzieller Biere – von Schweizer Lagerbieren bis zu belgischen Trappistenbieren – mit hochpräzisen Methoden untersuchte. Mithilfe von Oberflächenrheometrie (Ermittlung des Fließverhaltens), Tensiometrie (Messung von Oberflächenspannung) und einer speziellen „dynamischen Dünnfilmwaage“ konnten sie die Vorgänge in den hauchdünnen Flüssigkeitsfilmen, die die einzelnen Gasblasen im Schaum voneinander trennen, direkt beobachten und messen.

Zwei Wege zur stabilen Krone

Die zentrale Erkenntnis der Studie ist, dass es zwei grundlegend unterschiedliche Stabilisierungsmechanismen gibt, die je nach Biertyp dominieren. Bei untergärigen Bieren wie Lager ist die Oberflächenviskosität der entscheidende Faktor. An der Grenzfläche zwischen dem Bier und der CO₂-Blase reichern sich Proteine an und bilden ein zusammenhängendes, eher starres Netzwerk. Diese zähe Schicht immobilisiert die Oberfläche der Blasen und bremst das Abfließen der Flüssigkeit aus den Wänden der Schaumblasen (die sogenannte Drainage). Der Schaum bleibt dadurch länger stabil, weil die Blasen nicht so schnell austrocknen und platzen.

Ganz anders verhält es sich bei obergärigen, mehrfach fermentierten belgischen Ales wie Tripel oder Dubbel. Hier war die Oberflächenviskosität überraschend gering. Stattdessen sind hier die sogenannten Marangoni-Spannungen am Werk. Dabei bilden die Proteine an der Oberfläche eher mobile „Inseln“ statt eines starren Netzwerks. Wenn ein Flüssigkeitsfilm zwischen zwei Blasen durch die Drainage dünner wird, entstehen an dieser Stelle Konzentrations- und damit Spannungsgradienten an der Oberfläche. Diese Gradienten erzeugen eine Strömung, die Flüssigkeit aktiv in den dünner werdenden Bereich zurückzieht. Dieser „Selbstheilungseffekt“ kann sogar zu sichtbaren, rezirkulierenden Strömungen im Film führen, die den Schaum extrem robust machen.

Fermentation als Schlüssel

Die Forscherinnen und Forscher konnten diesen Effekt direkt mit dem Brauprozess in Verbindung bringen. Sie untersuchten drei Biere derselben belgischen Brauerei, die sich hauptsächlich in der Anzahl und Dauer der Fermentationen unterscheiden (Singel, Dubbel und Tripel). Das Ergebnis war eindeutig: Je mehr Fermentationsschritte ein Bier durchläuft, desto ausgeprägter ist der Marangoni-Effekt und desto stabiler der Schaum.

Eine proteomische Analyse bestätigte die chemische Grundlage dafür: Die Konzentration und Funktionalität des für Schaum wichtigen Lipid-Transfer-Proteins 1 (LTP1) nimmt mit der Fermentationsintensität zu. Bei Bieren wie dem dunklen Dubbel spielt zudem das Protein Serpin Z4 eine Rolle, dessen Eigenschaften durch Maillard-Reaktionen – eine nicht-enzymatische Bräunungsreaktion – während des Darrens, des Trocknen des Malzes, beeinflusst werden.

Ein Bauplan für bessere Schäume

Die Erkenntnisse sind nicht nur für Brauer von großer Bedeutung, die nun gezieltere Strategien zur Verbesserung der Schaumqualität entwickeln können – je nach Biertyp entweder durch die Förderung der Oberflächenviskosität oder durch die Optimierung der Bedingungen für den Marangoni-Effekt.

Ferner sehen die Autoren ihre Arbeit als einen „Bauplan für fortschrittliche Schaumformulierungen“ auch außerhalb der Brauindustrie. Das Verständnis des Zusammenspiels von Viskosität und Marangoni-Spannungen könnte laut den Forschern bei der Entwicklung stabiler Schäume in Bereichen wie der Lebensmitteltechnologie, bei Kosmetika, in der Brandbekämpfung oder sogar bei medizinischen Anwendungen, wie der Behandlung von Krampfadern, von Nutzen sein.

(mack)