So sánh hành vi tạo bọt của các loại bia đã được khử khí

Phân tích khả năng tạo bọt, độ ổn định bọt và cấu trúc bọt của các mẫu bia

Trong một thời gian dài, các phân tích hóa học thực phẩm và thử nghiệm chất lượng đối với bia chủ yếu tập trung vào độ ổn định sinh học của loại đồ uống phổ biến này. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, trọng tâm đã có sự thay đổi: ngành công nghiệp nấu bia đã phát triển các tiêu chuẩn cao và đáng tin cậy về thời hạn sử dụng, trong khi nghiên cứu và đảm bảo chất lượng ngày càng tập trung vào khía cạnh cảm quan và trải nghiệm thưởng thức [1].

Trong bối cảnh đó, các chủ đề như sự hình thành, độ đồng nhất và độ ổn định của bọt bia cũng ngày càng được quan tâm.

Bọt bia được hình thành nhờ sự kết hợp giữa các surfactant tự nhiên có trong bia và khí carbon dioxide (CO₂) – sản phẩm phụ sinh ra trong quá trình nấu bia. CO₂ này không được bổ sung thêm, ngoại trừ trường hợp rót bia, khi CO₂ được sử dụng để tạo áp suất cần thiết.

Nghiên cứu này trình bày một phương pháp phân tích ảnh hưởng của các chất tạo bọt lên khả năng tạo bọt và độ ổn định bọt, độc lập với hàm lượng CO₂. Vì mục đích này, chiều cao bọt và cấu trúc bọt của các loại bia Pils, bia lúa mì lọc trong và Kölsch (một loại bia địa phương phổ biến của Đức) đã được đo sau khi CO₂ được loại bỏ trước khi đo.

Kết quả phân tích cho thấy, hành vi tạo bọt của các mẫu bia đã được chuẩn hóa cho phép đo khác biệt đáng kể so với đặc tính của bia khi được rót thông thường. Đặc biệt, bia Kölsch – loại bia vốn tạo rất ít bọt khi rót – đã gây nhiều bất ngờ trong quá trình nghiên cứu.

Bối cảnh nghiên cứu

Protein có trong bia là yếu tố chính gây ra sự hình thành bọt. Các protein này có tính hoạt động bề mặt, do đó thúc đẩy sự hình thành và ổn định của các màng mỏng (lamellae) của bọt. Tuy nhiên, việc so sánh ảnh hưởng của các chất tạo bọt lên hành vi bọt giữa các loại bia khác nhau và các phương pháp sản xuất khác nhau không hề đơn giản.

Nguyên nhân nằm ở sự khác biệt về hàm lượng CO₂ sinh ra trong quá trình nấu bia. CO₂, cùng với protein, đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành bọt.

Tương tự, độ ổn định của bọt không chỉ phụ thuộc vào hàm lượng protein mà còn chịu ảnh hưởng của CO₂, do độ hòa tan của khí này trong nước của các màng bọt làm tăng tốc độ suy giảm bọt. Ngược lại, sự tiếp tục hình thành và nổi lên của các bọt khí từ pha lỏng lại có tác dụng ổn định bọt.

Để có thể phân tích ảnh hưởng của các chất tạo bọt một cách độc lập khỏi các yếu tố khó kiểm soát này, CO₂ đã được loại bỏ khỏi các mẫu bia trước khi đo.

Trong quá trình đo, bọt được tạo ra từ các mẫu bia đã khử khí bằng phương pháp sục khí (sparging), trong đó không khí được sử dụng nhằm loại trừ hiện tượng mất ổn định bọt nhanh do độ hòa tan của khí. Cách tiếp cận này đảm bảo rằng sự khác biệt về khả năng tạo bọt và độ ổn định bọt giữa các loại bia chỉ liên quan đến thành phần của pha lỏng.

Tiến hành thí nghiệm

Các loại bia được phân tích

Ba loại bia sáng màu, được sản xuất theo các quy trình nấu bia khác nhau, đã được phân tích:

Các loại bia khác nhau chủ yếu ở nguyên liệu malt ngũ cốc (lúa mì hoặc lúa mạch) và loại nấm men sử dụng (lên men nổi hoặc lên men chìm). Hành vi tạo bọt của các loại bia này khi chưa được khử khí là điều đã được biết rõ: bia lúa mì và bia Pils tạo ra lượng bọt lớn và ổn định, trong khi bia Kölsch chỉ tạo ít bọt và bọt kém ổn định.

Bảng 1: Các mẫu bia được nghiên cứu

Chuẩn bị cho phép đo

Trong quá trình khử khí, mỗi loại bia được chuyển vào một thiết bị, trong đó CO₂ được loại bỏ bằng bơm chân không có trang bị van thoát khí. Quá trình này được lặp lại nhiều lần cho đến khi bia gần như được khử khí hoàn toàn.

50 mL của mỗi mẫu được nạp vào cột đo của thiết bị phân tích bọt động – Dynamic Foam Analyzer (DFA100) bằng xi lanh.

Bia được tạo bọt một cách có kiểm soát bằng cách sục không khí qua các mẫu trong cột đo thông qua bộ lọc giấy trong 20 giây, với lưu lượng không đổi 0,3 L/phút, được điều khiển bằng máy tính. Nhiệt độ đo được duy trì ở 25 °C.

Việc đo khả năng tạo bọt và độ ổn định bọt được thực hiện bằng DFA100 thông qua phép đo chiều cao cột bọt theo thời gian. Phép đo này được tiến hành nhờ một dãy đèn LED và một dãy bộ thu quang (photodetector) được bố trí dọc theo cột đo.

• Khả năng tạo bọt (foamability) được tính dựa trên chiều cao bọt cực đại trong quá trình tạo bọt.

• Độ ổn định bọt (foam stability) được xác định dựa trên sự suy giảm chiều cao bọt theo thời gian.

Ngoài đường cong suy giảm tổng thể, thời gian bán rã của bọt (decay half-life) cũng có thể được sử dụng như một thông số đặc trưng để so sánh giữa các mẫu khác nhau.

Để xác định độ lặp lại của phép đo, ít nhất hai lần đo đã được thực hiện cho mỗi loại bia.

Mô-đun Cấu trúc Bọt – Foam Structure Module (FSM) được sử dụng nhằm cho phép đo đồng thời chiều cao bọt và phân tích cấu trúc bọt. Mô-đun này được trang bị một cột đo đặc biệt có gắn các lăng kính, cho phép camera video ghi lại các màng bọt (lamellae) tại thành ống thủy tinh.

Cấu trúc bọt và sự thay đổi của nó theo thời gian, xét theo kích thước và số lượng bọt khí, được xác định thông qua phân tích hình ảnh video.

Kết quả thí nghiệm

Độ lặp lại của các đường cong

Các phép đo lặp lại cho thấy độ lặp lại cực kỳ tốt của các đường cong chiều cao, như được minh họa rõ ràng trong ví dụ sau. Đường cong phía trên biểu thị tổng chiều cao đo được, trong khi đường cong phía dưới biểu thị chiều cao của cột chất lỏng nằm bên dưới lớp bọt.

Khả năng tạo bọt

 

Xét về khả năng tạo bọt, sự khác biệt giữa các mẫu là rất nhỏ, thể hiện qua sự chênh lệch không đáng kể của chiều cao bọt cực đại (Hình 5).

Đặc tính tạo bọt cao của bia lúa mì và khả năng tạo bọt thấp của bia Kölsch, vốn đã được biết đến rộng rãi, không được phản ánh trong các phép đo này.

Do đó, có thể kết luận rằng sự khác biệt về khả năng tạo bọt của các loại bia chưa xử lý có liên quan đến sự khác nhau về hàm lượng CO₂, yếu tố không còn ảnh hưởng trong các mẫu bia đã được khử khí.

Độ ổn định bọt

Hành vi ổn định của bọt trong các mẫu bia đã khử khí khác biệt còn rõ rệt hơn so với đặc tính của bia có chứa CO₂. Kết quả nổi bật nhất là đối với bia Kölsch, trong đó chiều cao cột bọt suy giảm chậm hơn so với các loại bia còn lại (xem Hình 5).

Điều này cũng được thể hiện rõ trong biểu đồ cột mô tả thời gian bán rã của bọt (Hình 6), cho thấy thời gian bán rã của bọt bia Kölsch xấp xỉ gấp đôi so với các loại bia khác.

Do đó, có thể kết luận rằng các chất hoạt động bề mặt trong bia Kölsch có khả năng ổn định tốt các màng bọt (foam lamellae), và hiện tượng bọt suy giảm nhanh của bia Kölsch sau khi rót chủ yếu xuất phát từ ảnh hưởng của CO₂.

Cấu trúc bọt

Theo quy luật chung, sự suy giảm của bọt luôn đi kèm với xu hướng hình thành các bọt khí lớn và sự biến mất đồng thời của các bọt khí nhỏ (quá trình chín Ostwald – Ostwald ripening). Sự thay đổi kích thước bọt khí này được quan sát ở cả ba mẫu bia. Biểu đồ sau (Hình 7) thể hiện sự biến đổi cấu trúc bọt trong ba phút đầu tiên.

Một điểm đáng chú ý là lớp bọt ổn định hơn của bia Kölsch lại thể hiện động học chín Ostwald rất mạnh ở giai đoạn đầu, tức là các bọt khí lớn được hình thành khá nhanh. Thông thường, sự hình thành nhanh các bọt khí lớn thường đi kèm với sự suy giảm bọt nhanh.

Số lượng bọt khí được đếm bằng phân tích hình ảnh video trong vùng quan sát cũng cho thấy xu hướng ban đầu tương tự (Hình 8): số lượng bọt khí trong bia Kölsch giảm nhanh hơn so với bia lúa mì và với tốc độ tương đương bia Pils.

Mặc dù vậy, chiều cao bọt của bia lúa mì và bia Pils lại kém ổn định về lâu dài so với bia Kölsch (xem Hình 3).

 

Điều này cho thấy rằng sự tăng kích thước bọt khí trong hai loại bia đầu tiên dẫn đến hiện tượng vỡ bọt tương đối nhanh. Ngược lại, các protein tạo bọt trong bia Kölsch dường như ổn định rất tốt các màng bọt lớn, nhờ đó lớp bọt xốp, có lỗ lớn của bia Kölsch được duy trì trong thời gian dài.

Kết quả này, trái ngược với hành vi của bia khi rót, cho thấy rằng cơ chế ổn định bọt liên quan đến protein của bia Kölsch không còn phát huy tác dụng khi sự suy giảm bọt bị chi phối bởi CO₂.

Kết luận

Ba mẫu bia đã được khử khí CO₂ được phân tích bằng Dynamic Foam Analyzer – DFA100 nhằm đánh giá ảnh hưởng của các chất hoạt động bề mặt trong bia một cách độc lập với hàm lượng CO₂ và tác động của CO₂ lên hành vi tạo bọt. Các thông số khả năng tạo bọt, độ ổn định bọt và cấu trúc bọt của bia lúa mì trong , bia Pils và bia Kölsch đã được đo lường.

Kết quả cho thấy hành vi tạo bọt của các loại bia này khác biệt đáng kể so với khi bia còn chứa CO₂. Đặc biệt, bia Kölsch – loại bia tạo rất ít bọt khi rót – lại thể hiện khả năng tạo bọt và độ ổn định bọt tốt khi đã được khử CO₂.

Nghiên cứu làm rõ rằng hành vi tạo bọt của bia ở trạng thái ban đầu không cho phép đưa ra bất kỳ kết luận nào về hàm lượng các chất tạo bọt. Chỉ khi thực hiện phép đo trên các mẫu không chứa CO₂, việc so sánh các protein hoạt động bề mặt mới có thể được tiến hành một cách chính xác.

Ngoài ra, CO₂ cũng có thể được sử dụng làm khí tạo bọt trong DFA100 thay cho không khí. Do đó, trong các nghiên cứu mở rộng, tác động gây mất ổn định của CO₂ do khả năng hòa tan của nó trong nước tại các màng bọt hoàn toàn có thể được định lượng một cách chi tiết.

Để tìm hiểu về các thiết bị phân tích bọt, vui lòng liên hệ với chúng tôi để được hỗ trợ tư vấn trực tiếp.

Tài liệu tham khảo:

• [1] Hughes, Paul: Improving the non-biological stability of beer, New Food Volume 17, 5 (2014), 30-35.
• Nghiên cứu: “Comparison of the foam behavior of different types of beer independently of CO2 content” của Kruss Scientific