o αφροσ τησ μπιρασ: ΠΩΣ δημιουργειται, παραγοντεσ που επιδρουν στην σταθεροτητα και πωσ τον βελτιωνουμε
14 ΜΑΡΤΙΟΥ 2022
του Μιχάλη Μεσαναγρενού, Χημικός ΕΚΠΑ
Ένα από τα πλέον χαρακτηριστικά γνωρίσματα της μπίρας είναι ο αφρός που δημιουργείται όταν γεμίζουμε ένα ποτήρι. Ανάλογα με την κουλτούρα της μπίρας που έχει αναπτυχθεί σε κάθε χώρα, υπάρχουν πολλοί που επιζητούν έναν πλούσιο αφρό όπως οι Γερμανοί, ενώ αντίθετα οι Άγγλοι απεχθάνονται τον αφρό.
Για όσους όμως επιζητούμε έναν πλούσιο και συμπαγή αφρό για να προσδώσει στην μπίρα μια πολύ όμορφη αίσθηση, θα πρέπει να γνωρίζουμε και κάποια βασικά γνωρίσματα και χαρακτηριστικά. Πολλές φορές μια μπίρα μπορεί να έχει λίγο ή και καθόλου αφρό, άλλες φορές πάλι ο αφρός να εξαφανίζεται πολύ γρήγορα. Γιατί άραγε συμβαίνουν όλα αυτά; Πως σχηματίζεται ο αφρός και πως μπορούμε να τον βελτιώσουμε; και τέλος πως ορίζεται η ποιότητα του αφρού της μπίρας;
ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΑΦΡΟΥ
Θα ξεκινήσω την ανάλυση με τον μηχανισμό σχηματισμού του αφρού. Όμως κρίνω σωστό να περιγράψω όλη την διαδικασία η οποία αρχίζει από το άνοιγμα του μπουκαλιού. Για τους λάτρεις της επιστήμης της μπίρας έχω αναπτύξει το θέμα σε μεγαλύτερο βάθος οπότε ο καθένας μπορεί να επιλέξει την πληροφορία που χρειάζεται.
1. Κλειστό μουκάλι μπίρας
Όταν έχουμε ένα κλειστό μπουκάλι μπίρας, ο αέρας μέσα στη φιάλη είναι υπό πίεση (ουσιαστικά δεν είναι αέρας αλλά κυρίως διοξείδιο του άνθρακα). Στη φάση αυτή, πριν ανοιχθεί το μπουκάλι, η μερική πίεση του διοξειδίου του άνθρακα που είναι στην αέρια φάση είναι ίση με την μερική πίεση του διοξειδίου του άνθρακα που είναι διαλυμένο στη μπίρα.
2. Άνοιγμα μπουκαλιού
Όμως η μερική πίεση του διοξειδίου του άνθρακα στην αέρια φάση είναι μεγαλύτερη από την πίεση του ατμοσφαιρικού αέρα οπότε όταν ανοίγουμε το μπουκάλι οι δύο αυτές πιέσεις τείνουν να ισορροπήσουν. Αποτέλεσμα αυτού είναι ο "αέρας" μέσα στην φιάλη (όπως είπαμε είναι κυρίως διοξείδιο του άνθρακα) να διαστέλλεται και η πίεση να μειώνεται. Τότε ακούμε τον χαρακτηριστικό ήχο "φσσσσσσσσ" όταν ανοίγουμε το μπουκάλι. Αμέσως βλέπουμε και ένα "σύννεφο" να διαφεύγει. Αυτό οφείλεται στην απότομη ψύξη του αέριου διοξειδίου του άνθρακα καθώς διαστέλλεται. Πλέον, η μερική πίεση του διοξειδίου στην μπίρα είναι μεγαλύτερη από την μερική πίεση αυτού στον ατμοσφαιρικό αέρα. Υπό αυτή την κατάσταση, η μπίρα γίνεται υπερκορεσμένη σε CO2 (να σημειώσω εδώ ότι για να συμβεί υπερκορεσμός πρέπει η μερική πίεση του αερίου πάνω από το υγρό να είναι μικρότερη από την μερική πίεση του αερίου που είναι διαλυμένο στο υγρό).
Αμέσως μετά το διαλυμένο αέριο διοξειδίο του άνθρακα εξαναγκάζεται να κινηθεί προς την επιφάνεια ώστε οι δύο πιέσεις να ισορροπήσουν.
Σημειώστε σε αυτό το σημείο ότι η διαλυτότητα των αερίων, επομένως και του CO2 αυξάνεται όσο μειώνεται η θερμοκρασία και όσο αυξάνεται η πίεση του υγρού. Για τον λόγο αυτόν παρατηρείται να αφρίζει μια μπίρα περισσότερο όταν είναι ζεστή από μια παγωμένη μπίρα. Όταν δηλαδή η μπίρα είναι ζεστή η διαλυτότητα του διοξειδίου του άνθρακα ελαττώνεται επομένως το αέριο τείνει να διαφύγει και να δημιουργήσει περισσότερο αφρισμό.
3. Σερβίρισμα στο ποτήρι
Αν και όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η μπίρα είναι ένα υπερκορεσμένο διάλυμα σε διοξείδιο του άνθρακα, εντούτοις δεν δημιουργείται αφρός ούτε κατά το άνοιγμα του μουκαλιού, ούτε αν χυθεί αρκετά σιγά στο πλαϊνό μέρος του ποτηριού γιατί αυξάνουμε την επιφάνεια του υγρού και το αέριο CO2 διαφεύγει γρήγορα χωρίς να προκαλέσει αφρισμό.
Πότε όμως δημιουργείται ο αφρός.
Ο σχηματισμός του αφρού αποτελείται από κάποιες θεμελειώδεις αλλά και αλληλένδετες φάσεις:
● Σχηματισμός και μέγεθος φυσαλίδων (Bubble formation and size)
Παρόλο όμως που η μπίρα είναι υπερκορεσμένη με διοξείδιο του άνθρακα, οι φυσαλίδες δεν σχηματίζονται αυθόρμητα αλλά μόνο αν δημιουργηθεί πυρήνωση (nucleation). Τι είναι όμως η πυρήνωση;
Πυρήνωση είναι αυτό το φαινόμενο όπου το αέριο στην μπίρα ξεκινά να δημιουργεί έναν πυρήνα ο οποίος στη συνέχεια θα εξελιχθεί σε φυσαλίδα. Μπορεί κάποιος να το παρατηρήσει σε ένα ποτήρι μπίρας όπου οι φυσαλίδες ανεβαίνουν από τον πυθμένα του ποτηριού προς την επιφάνεια.
Υπάρχουν δύο κατηγορίες πυρήνωσης:
α. η ομογενής πυρήνωση και
β. η ετερογενής πυρήνωση
Ομογενής πυρήνωση
Η ομογενής πυρήνωση ουσιαστικά είναι αδύνατο να συμβεί (θερμοδυναμικά απαγορευτικό) επειδή απαιτείται μεγάλη ποσότητα ενέργειας για να ξεπερασθεί το ενεργειακό φράγμα.
Ετερογενής πυρήνωση
Για να συμβεί ετερογενής πυρήνωση πρέπει να ενισχυθεί από ένα ξένο σώμα ή από μια γρατζουνιά στο γυαλί του ποτηριού ή από τον τρόπο που χύνουμε την μπίρα στο ποτήρι. Εκείνο το σημείο επομένως είναι το σημείο εκκίνησης της δημιουργίας φυσαλίδας. Πάμε λίγο να εμβαθύνουμε τι συμβαίνει στην ετερογενή πυρήνωση. Πολλοί νομίζουν πως μια μικρή ατέλεια στο γυαλί του ποτηριού μπορεί να προκαλέσει πυρήνωση. Δεν είναι όμως έτσι γιατί οι ατέλειες αυτές έχουν μήκος πολύ μικρότερο από την κρίσιμη ακτίνα καμπυλότητας που απαιτείται για να δημιουργηθεί η φυσαλίδα (εικόνα 1).
Έχει αποδειχθεί ότι η ακτίνα της φυσαλίδας υπολογίζεται ως εξής :
Ακτίνα φυσαλίδας = (3Rmγ/2ρg)¹/³
όπου Rm = η ακτίνα του σημείου πυρήνωσης
γ = η επιφανειακή τάση (mN/m = 0.001N/m)
ρ = η σχετική πυκνότητα της μπίρας (kg/m³)
g = η επιτάχυνση της βαρύτητας (9,8m/s²)
Όταν λοιπόν υπάρχει μια έντονη γρατζουνιά στο ποτήρι ή ένα ξένο σώμα τότε σε αυτή την κοιλότητα βρίσκει «καταφύγιο» το αέριο CO2. Εκεί δημιουργείται μια μικρή φυσαλίδα αερίου η οποία όμως ουσιαστικά είναι «γαντζωμένη» μέσα στην κοιλότητα λόγω των δυνάμεων συνάφειας και καθώς συσσωρεύεται και άλλο αέριο CO2 η φυσαλίδα μεγαλώνει όλο και περισσότερο έως ότου το μέγεθός της είναι αρκετά μεγάλο και η δύναμη της άνωσης υπερισχύει των δυνάμεων συνάφειας λόγω της επιφανειακής τάσης που ουσιαστικά «γαντζώνουν» την φυσαλίδα μέσα στην κοιλότητα. Οπότε και αρχίζει η φυσαλίδα να αποκολλάται από την κοιλότητα και να ανεβαίνει προς τα πάνω. Δείτε σχηματικά την δημιουργία της φυσαλίδας στο σημείο εκκίνησης στην εικόνα 1).
Να αναφέρω σε αυτό το σημείο ότι η άνωση δίδεται από τον τύπο
F=ρgV
όπου ρ = η πυκνότητα του υγρού
g = η επιτάχυνση της βαρύτητας
V = ο όγκος του σώματος
Στην περίπτωσή μας το σώμα είναι η φυσαλίδα και επομένως ο όγκος ισούται με V=4/3 πR³
Είναι άρα κατανοητό ότι η άνωση αυξάνεται με αύξηση της ακτίνας της φυσαλίδας. Η φυσαλίδα παραμένει εγκλωβισμένη στην κοιλότητα μέχρις ότου η τιμή της ακτίνας γίνει τόση ώστε η άνωση υπερισχύσει της βαρύτητας (εικόνα 2)
● Drainage (αποστράγγιση)
Όταν σχηματισθεί ο αφρός, αυτός είναι "βρεγμένος" (wet) λόγω της μπίρας που συμπαρασύρεται μαζί με την φυσαλίδα. Όμως αμέσως μετά, λόγω της βαρύτητας, ο αφρός "στραγγίζει" από το υγρό. Η φάση αυτή καλείται drainage (αποστράγγιση) και ο αφρός πλέον γίνεται ξηρός (dry)
● Creaming (ή beading)
Στο στάδιο αυτό παρατηρείται η ομοιόμορφη ανύψωση (δες εικόνα 3) των φυσσαλίδων σε σειρά (από εκεί προήλθε και ο όρος beading). Ο βαθμός σχηματισμού του creaming εξαρτάται από το επίπεδο της πυρήνωσης, της επιφανειακής τάσης, της πυκνότητας της μπίρας και την περιεκτικότητα σε CO2. O κυριότερος παράγοντας είναι η περιεκτικότητα σε CO2 αφού η επιφανειακή τάση και η πυκνότητα δεν μεταβάλλονται σε τέτοιο βαθμό που να επιδρούν σημαντικά στο φαινόμενο αυτό.
Για τους λάτρεις των μαθηματικών, μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ο παρακάτω τύπος για τον υπολογισμό του βαθμού creaming
an⁰ = 3.11 C+0.0962γ - 218ρ+ 216
όπου
an⁰= η αρχική πυρήνωση
γ = επιφανειακή τάση
ρ = πυκνότητα
C = περιεκτικότητα CO2 σε vol
● Συνένωση (Coalescence)
Ακολουθεί το φαινόμενο της συνένωσης, δηλαδή ρήξη της μεμβράνης μεταξύ δύο φυσαλίδων οπότε σπάνε και δημιουργείται μία μεγαλύτερη αλλά λιγότερο σταθερή φυσαλίδα η οποία δεν είναι και τόσο ελκυστική. Όσο μεγαλύτερο το πάχος της μεμβράνης, τόσο ποιο δύσκολα συμβαίνει συνένωση. Για τον λόγο αυτόν το φαινόμενο περιορίζεται όταν έχουμε μια πολύ καλής ποιότητας μπίρα.
Αντίθετα, συνένωση συμβαίνει σε μεγάλο βαθμό όταν το ποτήρι είναι βρώμικο, ή όταν τρώμε λιπαρά ή ακόμα και η παρουσία κραγιόν μπορεί να εντατικοποιήσει την συνένωση και να καταστρέψει πολύ γρήγορα τον αφρό.
● Disproportionation
Ακολουθεί η φάση disproportionation (αλλιώς αναφέρεται και ως ωρίμανση Ostwald) όπου οι μικρότερες φυσαλίδες με μεγαλύτερη πίεση Laplace διαχέονται ανάμεσα στις μεγαλύτερες φυσαλίδες με μικρότερη πίεση Laplace. Τελικά, οι μικρότερες φυσαλίδες εξαφανίζονται και δημιουργούνται ολοένα και μεγαλύτερες .
Ο βαθμός του disproportionation μπορεί να υπολογισθεί με βάση την εξίσωση De Vries :
rt² = r0² - 4RTDSγT/Pθ
όπου
rt² = η ακτίνα της φυσαλίδας την στιγμή t
r0² = η ακτίνα της φυσαλίδας την στιγμή 0
R = η σταθερά αερίου (8.3J K⁻¹ mol⁻¹)
T = η θερμοκρασία σε βαθμούς Kelvin
S = η διαλυτότητα του αερίου (mol m⁻³ Pa⁻¹)
γ = η επιφανειακή τάση
t = ο χρόνος σε (s)
P = πίεση
θ = το πάχος του film μεταξύ των φυσαλίδων
