Schuim en het heerlijke bier

Een schuimkraag op je pilsje die verdwijnt als sneeuw voor de zon: het zal je maar overkomen. Ligt het niet aan een te vette glasrand, dan krijgt wellicht het te koude bier de schuld. Niet alleen in de kroeg maken we er ons zorgen over, in Wageningen verdiepen wetenschappers zich beroepsmatig in zulke verschijnselen.

Schuim

Het beheersen van het gedrag van schuim, is niet alleen van belang voor de brouwer, maar ook essentieel bij de productie van luchtige levensmiddelen als brood, cakemix en consumptie-ijs. Daarnaast wordt schuim ook in de non-food sector toegepast, bijvoorbeeld bij het vervaardigen van sportschoenen, isolerend glas en schuimbeton. Soms wordt de schuimfysica dan weer ingezet om schuimvorming juist tegen te gaan, zoals bij het samenstellen van wasmiddelen, in zuiveringsinstallaties of bij de papierproductie.

Bier: smaken verschillen

Het basismateriaal voor het Wageningse schuimonderzoek is bier. Dat heeft alleen een praktische reden, het had bijvoorbeeld ook brooddeeg of melkeiwit kunnen zijn. Maar, al sinds 1980 steunt een grote Nederlandse brouwer het schuimonderzoek van de vakgroep "Zuivel- en Levensmiddelennatuurkunde".

Onderzoek naar de schuimvorming van bier is voor een brouwer van levensbelang. Het schuim is kenmerkend voor het uiterlijk van een biersoort. Elk biertype schuimt anders. Daarom moet de brouwer altijd en overal een uniform product kunnen garanderen. Dat probleem is evident in tropische landen. In Afrika wordt pilsener bier gemaakt op basis van sorghum en rijst, granen met een ander schuimgedrag dan gerst en hop. De gewenste dikte van de schuimkraag varieert overigens van land tot land. Zo waardeert de Brit een dunne, maar erg stabiele schuimlaag, terwijl in de lage landen voor een vers getapt pilsje twee vingers schuim de norm is.

De belangrijkste eigenschap van bierschuim is de duurzaamheid ervan. Hierop richt zich het meeste onderzoek. Bierschuim bestaat uit dicht op elkaar gepakte koolzuur luchtbellen, van elkaar gescheiden door flinterdunne filmpjes vloeistof. Het koolzuur in het bier is ontstaan door gisting, terwijl het (lichtere) zuurstofgas tijdens het schenken of tappen in het glas terechtkomt.
Tijdens het brouwen blijft het bier in een ketel doorgisten tot een dampspanning van circa vijf atmosfeer. Als dit bier aan de open lucht wordt blootgesteld, waar 1 atmosfeer druk heerst, dan stijgen er net zolang koolzuurbelletjes naar boven tot een evenwicht is bereikt. Schuimvorming is ook afhankelijk van de temperatuur, dat heeft te maken met de oplosbaarheid van het koolstofdioxidegas. Een lauw getapt biertje zal overmatig schuimen, terwijl te koud geserveerd bier nauwelijks schuimt en al vlug ‘doodslaat’ in het glas. De optimale temperatuur ligt tussen de zes en acht graden Celsius.

Het ene schuimbelletje is het andere niet

De dynamica van de bellenvorming bepaalt dus de schuimkolom. Dit fragiele bouwwerk, dat de zwaartekracht lijkt te tarten, wordt in de steigers gehouden door eiwitten. Bierschuim is een eiwitschuim. Hoe hoger de concentratie eiwitten, hoe meer schuim ontstaat en hoe steviger het is. Schuim is geen evenwichtssituatie. Binnen microseconden spelen zich allerlei fysische processen af die ervoor zorgen dat na pakweg drie a vier minuten slechts een dun vliesje van het weelderige schuim overblijft. Maar, de gemiddelde bierdrinker zal binnen die tijd wel al een paar slokken hebben genomen, waardoor het schuim zich deels herstelt. De dikte van een schuimkraag neemt vanzelf af, net als een radioactieve stof, met een halfwaardetijd. In een goed, vetvrij glas is dat gemiddeld honderd seconden.

Bij het afbreken of degenereren van bierschuim spelen drie fysische processen een rol: drainage, coalescentie en gasdiffusie. Bij drainage loopt de vloeistof uit het schuim weg. Oorzaak hiervan zijn de zwaartekracht en de capillaire werking. Aanvankelijk bestaat schuim uit zeventig procent gas en dertig procent vloeistof. Na drie tot vier minuten is die verhouding 90:10. De dikte van de tussenschotten is in die tussentijd verminderd van tien micrometer tot honderd nanometer. De vorm van de bellen is door het wegsijpelen van de vloeistof veranderd van bolrond tot honingraatvorming.
De schuimkraag wordt ook dunner doordat belendende bellen tot grotere samenvloeien. Maar, dit proces - dat bekend staat als coalescentie - speelt bij het in elkaar storten van het bierschuim slechts een kleine rol.
Belangrijker is gasdiffusie of disproportionering. Hierbij treedt ook een vergroving van de bellen op. Oorzaak hiervan is dat, door een hogere koolzuurdruk in de kleine bellen, de kleine bellen in de grotere leeglopen. Het drukverschil is ongeveer 0,01 atmosfeer. Het vergrovingsproces verloopt sneller naarmate de tussenwandjes door drainage dunner zijn.
Veel sneller nog lekt koolstofdioxide aan de bovenkant naar de buitenlucht weg (die buitenlucht bestaat overwegend uit zuurstof en stikstof), omdat daar het drukverschil veel groter is. In mindere mate lekt zuurstof en stikstof naar binnen, waardoor het bovenste schuim op den duur alleen nog uit luchtbellen bestaat. Het in en uitlekproces gaat laag voor laag naar beneden. Niet verwonderlijk dat afbraak eerder en sneller gebeurt bij grotere dan bij fijnere belletjes.

Voor andere vloeistoffen geldt ongeveer hetzelfde. Schuim wordt meestal verkregen door het opkloppen van eiwit- of zeepoplossingen (zoals wasmiddelen en shampoos). Extra stabiel schuim wordt verkregen door het toevoegen van emulgatoren als vetzuren, glycerides of fosfolipiden. Aan bier wordt niets toegevoegd, dat is wettelijk verboden.

Zeep- en ander schuim

Eiwitmoleculen zijn net als zeepmoleculen oppervlakte-actief en verlagen de oppervlaktespanning. Bij zeepmoleculen valt de COONa-groep aan de kop, net als keukenzout (NaCl), in water in ionen uiteen. De staart, een koolwaterstofketen, is daarentegen slecht oplosbaar. Op soortgelijke wijze gaat dat op voor eiwitmoleculen, die ook bestaan uit een hydrofiel en een hydrofoob deel. Door aan het water- luchtgrensvlak te adsorberen (= aan de oppervlakte vasthouden), kan de eiwit- of zeepmolecule haar waterminnende deel in het water houden en de rest eraan onttrekken.

Door deze neiging neemt de belading van de oplossing toe en daalt de oppervlaktespanning. Maar boven een bepaalde eiwit- of zeepconcentratie daalt de spanning van zeventig mN.m (schoon water) niet verder dan dertig mN.m door de vorming van micellen. Micellen zijn colloïdale deeltjes (‘colloïdaal’ betekent groter dan een molecule en kleiner dan deeltjes in een suspensie, colloïdale deeltjes diffunderen niet door een membraan) die bestaan uit een kluwen van eiwit- of zeepmoleculen, en vormen een stabiele oplossing. Het oppervlak is dan verzadigd.
Een lage oppervlaktespanning op zich zegt overigens niets over de schuimvorming. Immers, vloeistoffen met een lage oppervlaktespanning als alcoholen, benzine en spijsolie, schuimen slecht. Het gaat om de verandering in oppervlaktespanning ofwel de dynamische oppervlaktespanning. Zo vormt bierschuim zich binnen een paar tellen, zowel bij de productie in de gistkuip als tijdens het tappen of uitschenken in een glas. Ook badschuim of zeepsop ontstaat in een mum van tijd. De oppervlaktespanning van een uitrekkende vloeistof is groter dan die van een vloeistof in rust. Oorzaak hiervan is dat het expanderende vloeistofoppervlak een kleinere belading heeft, omdat het tijd kost om eiwit- of zeepmoleculen uit de oplossing naar het oppervlak te brengen.

Kwestie van de dynamiek erin te houden

Om dit nader te onderzoeken, is in Wageningen een overloopcilinder ontwikkeld. Hiermee is de oppervlaktespanning van een constant en voortdurend uitdijende vloeistof, zoals bij een getapt pilsje, te meten. Bij deze techniek wordt een vloeistof door een verticaal opgestelde cilinder omhoog gepompt. De vloeistof stroomt over de rand van de cilinder langs de buitenkant naar beneden. Hierdoor staat het vloeistofoppervlak boven in de cilinder bloot aan continue radiale (straalsgewijze) expansie. Uitgevoerd met een bieroplossing blijkt uit metingen dat het oppervlak elke seconde een factor vijf toeneemt (bij zeep is dat een factor tien).

De dynamische oppervlaktespanning (van de vloeistof in beweging) kan met de zogenoemde Wilhelmy-methode worden gemeten. Hierbij wordt een rechthoekig glasplaatje, dat aan een balans hangt, in contact gebracht met het vloeistofoppervlak. De kracht die het vloeistofoppervlak op de plaat uitoefent, is gelijk aan het product van de oppervlaktespanning en de omtrek van de plaat. Dezelfde oppervlaktespanning in rust wordt al bereikt bij een honderdste van de eiwitconcentratie (hetzelfde geldt voor zeep). Dit verklaart waarom vooral de dynamische oppervlaktespanning een maat is voor de schuimvorming.
Het gewenste schuimvormende vermogen van bier of zeep wordt bepaald door in afgesloten maatcilinders een bepaalde hoeveelheid van verschillende oplossingen te schudden. Bij de uitverkoren oplossing hoort een oppervlaktespanning die op haar beurt correspondeert met een zekere eiwit- of zeepconcentratie.

Analoge fysische verbanden zijn ondermeer gevonden voor melk, wei-eiwit, drijfmest, dieselolie en verf. Met behulp van de overloopcilinder is het mogelijk inzicht te krijgen in en greep te krijgen op de schuimvorming bij industriële processen, zowel bij grootschalige productie van luchtige levensmiddelen als in de non-food sector.
Voor een leuke toepassing zorgen stickers. Met grote snelheid wordt op kilometers papier een dunne kleeflaag aangebracht. Het is belangrijk dat die gomfilm helemaal gesloten blijft en dat er na het opplakken geen vervelende ‘bultjes’ ontstaan. Met andere woorden, het gaat erom te achterhalen wanneer de flinterdunne vloeistoffilm als een zeepbel knapt. Dat omslagpunt ligt bij een bepaalde oppervlaktespanning. De stabiliteit van het plaksel (vaak beenderlijm) wordt bereikt door de juiste hoeveelheid zeepachtige moleculen aan de vloeibare kleeflaag toe te voegen.

Een hermetisch dichte laag is ook bij het vervaardigen van fotografische films van essentieel belang. Die films bestaan uit een aantal gelatinelagen waarin kleurpigmenten liggen opgeslagen. De gelatine moet ondermeer beletten dat verschillende lichtgevoelige korrels tijdens het ontwikkelen naar andere lagen uitlekken. In de off-set drukkerij moet drukinkt nauwkeurig op het papier worden aangebracht. Hierbij is de samenstelling van de inkt doorslaggevend. Dat geldt ook voor het impregneren van textiel met verf (met een schuimtechniek).

Ongewenst schuim

Soms is schuim juist ongewenst, bijvoorbeeld bij wasmiddelen. De eerste wasmiddelen waren ontwikkeld voor de langzaam aandraaiers van de jaren vijftig. Toen die wastobbes door sneldraaiende wastrommels werden vervangen, kampen de huisvrouwen geregeld met een overdaad aan schuim. Afgezien van de overlast vormde het overvloedige schuim ooi een serieus gevaar voor de gezondheid. Zeepbellen die uit de wasmachine ontsnappen en worden ingeademd, beschadigen namelijk de longblaasjes, waardoor acute ademnood kan ontstaan.

Op basis van de kennis van het schuimgedrag worden nu antischuimers aan zeeppoeders toegevoegd om het schuim in te dammen. De exacte werking van deze antischuimers kan nu, dankzij de overloopcilinder, nog beter worden onderzocht.
Schuimvorming is ook een hinderlijk bijproduct bij de pulpproductie in een papierfabriek. Om schuimen tegen te gaan, voegt de papierfabriek waterige vetdispersies aan de pulp toe. Maar de dosering van de schuimbestrijder hangt af van de soort houtpulp. Met behulp van de overloopcilinder kunnen de vereiste concentraties worden bepaald. Dat geldt ook voor waterzuiveringsinstallaties en dieselolie.

In de cementindustrie wordt de schuimwetenschap toegepast om een variatie aan schuimbeton te kunnen leveren. Bij schuimbeton wordt eerst schuim gemaakt uit dierlijk slachtafval, zoals huiden of beenderen. Dit luchtige goedje wordt later met betonmortel gemengd, waarna relatief lichte betonblokken ontstaan die deels uit lucht zijn samengesteld. Schuimbeton wordt ondermeer gebruikt om fietspaden aan te leggen in natuurgebieden met een zompige ondergrond. Door een gelijkmatige verdeling van grotere of kleinere gasbellen, kunnen soorten met een uiteenlopend soortelijk gewicht worden ontwikkeld.

Op die manier worden ook verschillende kwaliteiten piepschuim, schuimrubber en isolatieglas gemaakt. Hierbij wordt schuim overigens verkregen door zuurstof, stikstof of koolzuur in te blazen. Het brede assortiment aan sportschoeisel is grotendeels te danken aan de zolen, die door een eigen schuimstructuur, in veerkracht van elkaar verschillen.