Vliv chmelových látek na pěnivost piva

Pivní pěna je jedním z hlavních znaků piva ovlivňující hodnocení jeho kvality. Pěna má především vizuální vliv na konzumenta, ale do jisté míry ovlivňuje také vnímání aroma a plnosti chuti piva. Pro spodně kvašená piva a hlavně svrchně kvašená piva je charakteristické, že se při nalití do sklenice, vlivem uvolňování bublinek oxidu uhličitého, vytváří hustá, stabilní a na skle ulpívající pěna.

Pěna se dá z fyzikálně chemického hlediska definovat jako disperze plynu v kapalině, přičemž dispergovanou (rozptýlenou) fází je vždy plyn (1). V literatuře se však často můžeme setkat i s dalšími používanými pojmy, jako jsou pěnivost, přilnavost pěny, hustota pěny, stabilita pěny a kvalita pěny.

Mezi poznané a experimentálně prokázané látky, jež pozitivně působí na tvorbu pěny, patří především bílkoviny s určitou molekulovou hmotností. Rovněž hořké chmelové látky, zvláště iso-α-hořké kyseliny, v jejichž přítomnosti mají pozitivní roli i kovové ionty (železo, nikl, kobalt), zlepšují pěnivost a stabilitu pěny. Tvorbu pěny podporují také další složky extraktu piva jako jsou melanoidiny, polysacharidy, β-glukany, pentosany a gumovité látky, které zvyšují viskozitu. nakonec je třeba uvést i pro tvorbu pěny nezbytný oxid uhličitý, kterým je pivo nasyceno (2).

Mezi látky, jež prokazatelně působí negativně na stabilitu pěny patří lipidy, bazické aminokyseliny (arginin>lysin>histidin) a kvasinkami do kvasící mladiny během kvašení dokvašování vylučovaný intracelulární enzym proteinasa A, která štěpí pěnotvorné proteiny, čímž snižuje stabilitu pěny. Vliv ethanolu, vyšších alkoholů, pH a polyfenolů, které jsou schopné křížových vazeb s bílkovinami není prozatím zcela vyjasněn.

K složkám piva, které podporují tvorbu pěny, patří látky difundující do mezifázového rozhraní a dále pak do stěny bublin, což vede ke zpevnění povrchové blanky bublin. Dále sem patří látky snižující povrchové napětí nebo zvyšující viskozitu piva.

O pozitivním vlivu bílkovin a polypeptidů na tvorbu a stabilizaci pěny, existuje v literatuře velmi mnoho informací. Bílkoviny tvoří jakousi páteř pěny při interakcích s chmelovými hořkými kyselinami. Podle molekulové hmotnosti se dají pěnové bílkoviny rozdělit do tří frakcí, které zahrnují 15 kDa, 40 kDa a 90 až 1000 kDa bílkoviny,. Bílkovinné složky pocházejí hlavně z ječmene, a díky značnému stupni proteolýzy během sladování a rmutování se jedná ve skutečnosti o polypeptidy. Polypeptidy s nižší molekulovou hmotností se podílejí na tvorbě strukturní matrice pěny, kdežto polypeptidy s vyšší molekulovou hmotností se váží na lipidy a tím zabraňují jejich negativním účinkům na pěnu. Ty jsou zpravidla označovány jako LBP bílkoviny z anglického “Lipid binding protein”.

O přítomnosti hořkých chmelových látek, zejména iso-α-kyselin, v pěně se lze jednoduše přesvědčit chutí, protože v pěně je podle některých autorů (3,4) asi třikrát více hořkých látek než v původním pivu. Simpson et al. se zmiňuje o existenci šesti hlavních iso-α-kyselin (trans- a cis-izomery, isohumulonhu, isokohumulonu a isoadhumulonu), které vznikají isomerací α-kyselin při varu sladiny s chmelem. Bamforth a Simpson et al.
uvádějí, že v pivní pěně se více hromadí trans-isomery isohumulonu a isoadhumulonu. Jako dostačující množství pro pěnu je podle Bamfortha a Jacksona asi 20 mg/l iso-α-kyselin, i když jejich další přidávání do piva zlepšuje trvanlivost a ulpívání pěny. Vedle těchto šesti hlavních iso-α-kyselin se v pěně vyskytují i další méně zastoupené chmelové látky. Byla prokázána přítomnost abeo-iso-α-kyselin v pivech (88–160 mg/l). Tyto abeo-iso-α-kyseliny, které vznikají oxidací iso-α-kyselin (hlavně při chlazení horké mladiny, kde převažuje chemická vazba kyslíku), sice mají malý hořčící účinek, ale velmi příznivě ovlivňují pěnivost piva (přilnavost pěny). Simpson et al. (5) zase uvádějí, že přidávání α-kyselin a kyseliny humulinové vedlo k mírnému povzbuzujícímu účinku na stabilitu pěny. Nicméně humulinová kyselina, která je konečným produktem hydrolýzy α-hořkých kyselin a má pouze dva hydrofóbní postranní řetězce, nebyla v běžných mladinách nalezena. Dehydratovaná kyselina humulinová je jedním z možných původců samovolného přepěňování piva při použití izomerovaných chmelových extraktů.

Je také dobře známo, že redukované (hydrogenované) iso-α-kyseliny, vyvinuté pro výrobu piva odolných proti letinkové příchuti, jsou hořčí a podstatně více pěnově aktivní než přírodní iso-α-kyseliny. Moir a Smith (6) uvádějí, že dihydro-iso-α-kyseliny jsou asi o 15 % a tetrahydro-iso-α-kyseliny asi o 45 % více horčí než iso-α-kyseliny. Simpson et al. (5) jejich pěnovou pozitivní schopnost vysvětluje tím, že chemickou redukcí (pomocí borohydridu) karbonylové skupiny postranního řetězce (vznikají p-iso-α-kyseliny), nebo katalytickou hydrogenací dvojných vazeb mezi uhlíkovými atomy na postranních řetězcích (vznikají tetrahydro-iso-α-kyseliny), dochází ke zvýšení hydrofobicity těchto postranních řetězců. To svědčí o hydrofóbních vazbách postranních řetězců chmelových kyselin s hydrofóbními aminokyselinovými zbytky na polypeptidech. Na druhé straně však Bamforth (2) upozorňuje na nebezpečí nerozvážného používání těchto redukovaných či hydrogenovaných iso-α-kyselin, které může vést k atypickým a vizuálně nevzhledným pěnám. Tento autor také uvádí, že isoadprehumulon a dihydro-isohumulon více podporují pěnu než tetrahydro-isohumulon. Moir a Smith (6) uvádějí, že dihydro-iso-α-kyseliny vznikají také izomerací dihydro-α-kyselin (mají redukovanou 6-alkenylovou stranu řetězce), které jsou přítomny v nízkých koncentracích vαhlávkovém chmelu (0,002–0,02 %), chmelových peletách (0,02–0,2 %) a chmelových extraktech (0,1–3,0 %). Množství dihydro-α-kyselin vzrůstá naαúkor ztráty α-kyselin ve skladovaných chmelech a chmelových výrobcích, přičemž nejrychleji se tvoří dihydro-α-kyseliny u chmelových extraktů, které obsahují tzv. vodní podíl (tj. polární veαvodě rozpustný tříslovinný extrakt). Produkce dihydro-α-kyselin v čistém CO₂ –extraktu je velmi malá, protože přítomnost chmelových β-kyselin a chmelových silic inhibuje přeměnu α-kyselin na dihydro-α-kyseliny. Na základě těchto skutečností usoudili Moir a Smith (6), že ve vodním podílu z extrakce chmele jsou přítomny bazické anorganické soli, které podporují tuto transformaci. Účinné byly pouze soli obsahující sodné kationty více než lithné kationty, zatímco amonné, alkylamonné a dvojmocné kationtové soli byly neúčinné. To podporuje fakt, že u tzv. isopelet, které se připravují smísením granulovaného chmele s oxidem hořečnatým jako katalyzátorem izomerace, se při jejich skladování téměř vůbec netvoří dihydro-α-kyseliny. Tito autoři také uvádějí, že rychlost tvorby dihydro-α-kyselin z α-kyselin je největší při 20 °C, protože při vyšších teplotách se začínají uplatňovat už jiné soutěživé reakce např. izomerace. Při 3 °C sice běží přeměna α-kyselin na dihydro-α-kyseliny pomaleji, ale zato až z padesáti procentní účinností, což je podle pozorování maximální možná účinnost, které lze dosáhnout a to i při použití různých solí a zásad. Při tvorbě dihydro-α-kyselin za přítomnosti vhodného množství jednomocných kationtů (sodných či draselných) dochází k přesunu jednoho nebo dvou vodíkových atomů z jedné molekuly α-kyseliny na sousední molukulu, čímž se jedna molekula oxiduje na dehydro-α-kyselinu a druhá molekula se redukuje na dihydro-α-kyselinu. Vzniklá dehydro-α-kyselina je velmi reaktivní (nestabilní) a reaguje s jinými dehydro-α-kyselinami kondenzace) nebo s α-kyselinami, nikoliv však s dihydro-α-kyselinami, ze vzniku dimérů a oligomérů, které jsou vysoce barevné. Tento mechanismus redukce však probíhá pouze u α-kyselin, ale neběží u jiných chmelových kyselin např. β-kyselin, iso-α-kyselin či dihydro-α-kyselin.

Hořké chmelové látky, zvláště iso-α-kyseliny, snižují povrchové napětí a svou schopností se vázat reverzibilními křížovými vazbami na polypeptidy přítomné v pěně, zvyšují povrchovou viskozitu a tím i stabilitu pěny (2,3). Charakter těchto vazeb mezi kazbonylovými skupinami hořkých kyselin a aminosksupinami polypeptidů je iontově dipolární. V kapitole 2.4, která se podrobně věnovala struktuře pivní pěny, je ukázáno, že nejméně dvě molekuly iso-α-kyseliny musí být současně vázány přes stejný dvojmocný kationt kovu, přičemž navázáním dvojmocných kationtů kovu na iso-α-kyseliny se zvyšuje afinita iso-α-kyselin k vazbě na amino skupiny polypeptidů. Z tohoto je tedy vidět stabilizační účinek iso-α-kyselin. To podporuje také zpráva od Melma et al. (7), kteří ukazují, že v pivech s nízkým obsahem vysokomolekulárních bílkovin měla změna jednotek hořkosti velký vliv na čas rozpadu pěny. Na druhé straně však uvádí, že v pivech s velkým obsahem bílkovin měla změna jednotek hořkosti pouze malý efekt na čas rozpadu pěny. Bamforth (7) se podobně zmiňuje o tom, že pozitivní účinek iso-α-kyselin na hydrofóbní polypeptidy klesá s rostoucí hydrofobicitou polypeptidů. Dokonce u některých bílkovinných frakcí v jejich největším stupni hydrofobicity způsobují iso-α-kyseliny snížení stability pěny.

Při reakcích mezi bílkovinami a iso-α-kyselinami se uplatňují i kovové ionty, jejichž pozitivní vliv na pěnu je podmíněn přítomností chmelových látek. Simpson et al. uvádějí, že afinita trans-iso-α-kyselin ke kationtům v methanolovém roztoku je následující: Mn²⁺>Al³⁺ >Ni²⁺>Sn²⁺>Mg²⁺>Zn²⁺ >Ca2+>Ba²⁺>> jednomocné kationty (K⁺, Na⁺, Rb⁺ a Li⁺). V souvislosti s těžkými kovy se Gray a Stone (8) zmiňují o tom, že cín, vismut, molybden, nikl a železo již v koncentracích několik ppm vyvolávají tzv. gushing (samovolné přepěňování piva). Většinou jsou však koncentrace těžkých kovů v pivech nižší, než je nutné pro vyvolání tohoto nežádoucího jevu.

Nakonec je třeba se zmínit také o pozitivním katalytickém působení dvojmocných kationtů (např. Ca²⁺ a Mg²⁺) na izomeraci α-kyselin v alkalickém prostředí, kterého se využívá při výrobě izoextraktů.

Obr. 1 Struktura pivní pěny podle Asana a Hashimota(9)

Podrobné fyzikální a chemické studie pivní pěny vedly výzkumníky k sestrojení modelu pivní pěny, který se postupem času neustále upřesňuje. Prvním všeobecně uznávaným modelem struktury pivní pěny byl model japonských výzkumníků z roku 1976. V tomto modelu je stabilita pěny výsledkem přitažlivého působení mezi záporně nabitými chmelovými iso-α-kyselinami a kladně nabitými aminoskupinami v polypeptidech pěny. Tato představa o struktuře pěny je založena na zjištění, že po provedení acetylace pěnových polypeptidů, vedoucí ke ztrátě kladného náboje na aminoskupinách, nedochází přidáním iso-α-kyselin ke zvýšení pěnivosti. Stejného efektu se dosáhne při zvyšování hodnot pH před vytvořením pěny, čímž se přednostně potlačuje ionizace aminoskupin polypeptidů. Z těchto pozorování Asano a Hashimoto (9) dospěli k závěru, že vazby mezi iso-α-kyselinami a polypeptidy jsou iontové povahy.

Uvedený model však nedokázal vysvětlit řadu jevů spojených s pěnivostí, stabilitou pěny při měnícím se pH a schopnosti dalších hořkých látek, především neiozomerovaných α-hořkých kyselin, podporovat stabilitu pivní pěny. Proto byl navržen další model, který tyto jevy postihoval komplexněji.

Obr. 2 Nový model struktury pivní pěny podle Simpsona et al. (5)

1. Sheludko, A.: Colloid Chemistry, Elsevier, Amsterdam 1966, s. 241
   
2. Bamforth, C. W.: EBC monograph 27 – Beer oam Quality, Amsterdam, 1998, s. 10
   
3. Hlaváček, I., Průcha, P., Šrogl, J.: Kvasný prům., 33, 1987, s. 134
   
4. Ťopka, P., Čejka, P.: 33, 1987, s. 3
   
5. Simpson, W. J., Hughes, P. S.: Cer. and Bio- tech., 19, 1994, s. 39
   
6. Moir, M., Smith, R. J.: Proc. EBC Congr., Bruxelles, 1995, s. 125
   
7. Melm, G., Tung., P., Pringle, A.: Tech. Quart. MBAA, 32, 1995, s. 6
   
8. Gray, P., Stone, Z.: Proc. Ann. Meet. ASBC, 1956, s. 83
   
9. Asano, K., Hashimoto, A.: Rep. Res. Lab. Kirin Brewery Ltd., 19, 1976, s. 9
   
10. Roberts, R. T.: J. Inst. Brew., 82, 1976, s. 282