In dieser wissenschaftlichen Arbeit wird ein Überblick über die wenigen bisherigen Untersuchungen zum Thema: „Schäumen von Getränken“ gegeben. Der Autor legt dabei besonderen Fokus auf den Einfluss der Oberflächenspannung.
In der Examensarbeit werden die verschiedenen Methoden zur Messung der Schaumeigenschaften und der Oberflächenspannung dargestellt und dabei die Begriffe: Schaumstabilität, Mousseux und Gushing mit einbezogen.
Darüber hinaus wurde (im Rahmen des Fachbereiches Getränketechnologie der TU-Berlin) die Schaumentwicklung unterschiedlicher alkoholfreier Getränke unter verschiedenen Bedingungen untersucht, die Messreihen hier dargestellt und eigene Messzahlen von Schäumen erarbeitet.
Dabei flossen „schaumpositive“ und „schaumnegative“ Inhaltsstoffe bzw. Bedingungen in die Untersuchungen mit ein.
Gliederung:
1. Einleitung und Problemstellung
1.1. Definitionen
2. Theoretische Untersuchungen zum Schaumphänomen
2.1. Schäume in der Getränkeindustrie
2.1.1. Erwünschte Schäume in der Getränkeindustrie
2.1.2. Unerwünschte Schäume in der Getränkeindustrie
2.2. Allgemeine Erklärung des Schaumphänomens
2.2.1. Entstehung von Schäumen
2.2.2. Schaumhaltbarkeit
2.2.3. Schaumstabilität
2.2.4. Schaumzerfall
2.3. Untersuchung spezieller Schaumphänomene
2.3.1. Der Bierschaum
2.3.2. Mousseux
2.3.3. Gushing
2.3.4. Schäume in alkoholfreien Getränken
2.3.5. Feste Schäume
2.4. Methoden zur Messung der Schaumeigenschaften
2.4.1. Ross & Clark-Methode
2.4.2. NIBEM-Methode
2.4.3. Einschenkmethode nach Ullmann und Pfenninger
2.4.4. Neue Methode zur Messung der Schaumhaltbarkeit von Bier
2.5. Schaumbeeinflussende Substanzen
2.5.1. Kohlendioxid
2.5.2. Schaumpositive Inhaltsstoffe
2.5.3. Schaumnegative Inhaltsstoffe
2.5.4. Schaummittel
2.6. Technologische Einflußfaktoren auf die verschiedenen Schaumformationen
2.6.1. Bierschaum
2.6.2. Mousseux
2.6.3. Gushing
2.6.4. Schäume in alkoholfreien Getränken
2.7. Schlußfolgerungen aus der Theorie
3. Literaturverzeichnis
1. Einleitung und Problemstellung
In der Lebensmittel- und Getränkeindustrie spielen Schäume bei der Herstellung der Erzeugnisse eine entscheidende Rolle. In der Getränkeindustrie sind es vor allem die Hersteller von Bier und Schaumweinen, die ein Interesse an der Voraussage der Eigenschaften des Schaumes haben. Seit Jahrzehnten wird versucht, die schaumpositiven bzw. schaumnegativen Inhaltsstoffe zu analysieren und zu beeinflussen. Aber auch technologische Faktoren sind für ein gutes Schaumverhalten eines Getränkes zu berücksichtigen.
Bei der Herstellung von alkoholischen bzw. alkoholfreien Getränken führt eine unerwünschte Schaumentwicklung im Herstellungsprozeß zu Umsatzverlusten. Trotz intensiver Forschung kann die unerwünschte Schaumentwicklung oft nicht vorausgesehen (Gushing) bzw. unterdrückt werden. Im alkoholfreien Getränkebereich sind die Angaben in der Literatur diesbezüglich bis heute noch ungenügend. Im Folgenden erfolgt eine Zusammenstellung der bekannten Schaumphänomene und deren Messmöglichkeiten
1.1. Definitionen
Grenzfläche: Die Berührungsfläche zwischen zwei unterschiedlichen Aggregatzuständen, z.B. zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas, wird als Grenzfläche bezeichnet. Der Flüssigkeitsspiegel der Versuchsflüssigkeit stellt eine Grenzfläche dar. Aber auch an allen anderen Stellen, an denen eine Flüssigkeit mit einem Gas in Berührung kommt, wie z.B. bei Luft-, Gas- oder Mikroblasen, entsteht eine Grenzfläche.
Mittleres Schaumvolumen V S: Das mittlere Schaumvolumen ist das Volumen an Schaum, welches mittels Versuchsanlage 1 bzw. 2 in einer festgelegten Zeit entstanden ist. Das mittlere Schaumvolumen ist der Mittelwert aus drei Vergleichsmessungen unter gleichen Versuchsbedingungen, es wird in ml gemessen.
Schaum: Schaum stellt eine Dispersion von kleinen, einander berührenden Blasen in einer Flüssigkeit dar. Die einzelnen Gasblasen werden von einer doppelwandigen Schaumlamelle umschlossen.
Schaumhaltbarkeit: Die Schaumhaltbarkeit beschreibt die Lebensdauer des Schaums. Schaumstabilität: Die Konstanz der Schaumhaltbarkeit über mehrere Monate (in Abhängigkeit von der Mindesthaltbarkeit) wird Schaumstabilität genannt.
Oberflächenviskosität: Die Oberflächenviskosität beschreibt die Stärke der Kohäsion zwischen den absorbierten Molekülen auf dem Oberflächenfilm.
Symbole und Formelzeichen
Tabelle 1 Darstellung der verwendeten Symbole und Formelzeichen
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
2. Theoretische Untersuchungen zum Schaumphänomen
2.1. Schäume in der Getränkeindustrie
2.1.1. Erwünschte Schäume in der Getränkeindustrie
Das Spektrum der Schäume, das im Herstellungsprozeß bzw. beim Konsumenten in Erscheinung tritt, ist groß. Die Schaumeigenschaften sind sowohl in der Getränke- als auch in der Lebensmittelindustrie entscheidende Kriterien für die Beurteilung des Erscheinungsbildes des jeweiligen Erzeugnisses. Bei der Herstellung von Bieren wird besonders großer Wert auf die Ausprägung der Schaumeigenschaften gelegt. Schaumbildung und eine gute Schaumhaltbarkeit sind Kennzeichen eines Qualitätsbieres. Ein Bierglas (0,5 l) verfügt über einen Kopfraum von ca. 100 ml, der für den aufsteigenden Schaum vorgesehen ist. Die Schaumschicht auf der Oberfläche des Bieres ist jedoch nicht nur ein wichtiger Indikator für die Güte eines Bieres, sondern auch ein ästhetisches Merkmal. Der Konsument wünscht, daß sich die Kohlensäure im ausgeschenkten Bier möglichst langsam entbindet.
Eine langsame und gleichmäßige Entbindung des CO2-Gases wird auch in der Schaumweinherstellung, insbesondere in der Champagnerbereitung, gefordert. Das richtige Moussieren eines Schaumweines ist Voraussetzung für den hohen Genußwert des alkoholischen Getränks. Der Begriff "Mousseux" stammt vom französischen "mousse" ab und steht sowohl für "Moos" als auch für "Schaum". Das abgeleitete Eigenschaftswort "mousseux" bedeutet "schäumend" und findet im französischen als "vin mousseux" (schäumender Wein oder Schaumwein) Verwendung. Das "Mousseux" bezeichnet das Erscheinungsbild der feinen Kohlensäureblasen im Sektglas.
Steifer Eischnee oder geschlagene steife Sahne sind Beispiele von festen Schäumen in der Lebensmittelindustrie. Sie entstehen durch die Verfestigung der flüssigen Phase. Diese Schaumart kann im Rahmen dieser Arbeit nicht weiter untersucht werden und wird nur der Vollständigkeit halber genannt.
2.1.2. Unerwünschte Schäume in der Getränkeindustrie
Die Ausprägung von unerwünschten Schäumen in Folge des Entweichens von CO2 kann sowohl während des Herstellungsprozesses als auch beim Öffnen der Flasche beim Konsumenten beobachtet werden. Am häufigsten tritt die Schaumentstehung beim Abfüllvorgang von CO2-haltigen alkoholischen bzw. alkoholfreien Getränken in Erscheinung. Beim Kauf einer Abfüllanlage wird dem Käufer vom Hersteller das Abfüllen und Verschließen einer bestimmte Flaschenanzahl pro Stunde garantiert. Der geschwindigkeits- bestimmende Schritt der Anlage ist die Druckentlastung der Flasche nach der Abfüllung. Durch ein unerwartetes heftiges Aufschäumen des Getränkes treten jedoch Füllverluste auf. Für die Füllung einer 0,75 l Flasche mit einem stark zu Schäumen neigendem Getränk werden bei einer Umlaufzeit von 13 s allein 4 s für die Entlastungsphase benötigt1. Eine Steigerung der Stundenleistung an Flaschen kann im Idealfall durch die Verkürzung dieser Abfüllphase auf 0 s erfolgen. Nur durch eine Verhinderung der Schaumentstehung kann die garantierte
Leistung der Abfüllmaschine gewährleistet werden. Je geringer die Zahl der Schaumblasen, ist um so weniger Entlastungszeit wird benötigt. Es ist also notwendig, die Ursachen der Entstehung der potentiellen Blasenkeime zu ergründen.
Auch während des Gärprozesses kann eine unerwünschte Schaumbildung auftreten. Wein kann durch den Prozeß der offenen, d.h. drucklosen Gärung, hergestellt werden. Das Kohlendioxidgas entweicht in der Phase der Gärung ungehindert aus dem System. Um Flüssigkeitsverluste durch das Auftreten der Schaumbildung zu vermeiden, werden im Gärgefäß ca. 3 bis 10 % des Tank- oder Faßvolumens als sog. "Steigraum" freigehalten. In der Schaumweinherstellung hingegen ist dieser Steigraum nicht notwendig, da die Gärung in einem geschlossenen Gefäß durchgeführt wird. Es entsteht kein Schaum durch entweichendes Kohlendioxidgas in der Gärphase. Der Steigraum bei der Hauptgärung des Bieres beträgt bis zu 25 %.
Neben Bier und Schaumweinen neigen vor allem die alkoholfreien Getränke Cola- oder Bitterlimonaden zu erhöhter Schaumbildung. Durch diese Störung kann die jeweilige Abfüllanlage ihre Nennleistung nicht erreichen. Es kommt zu erheblichen Getränke- bzw. Umsatzverlusten2.
2.2. Allgemeine Erklärung des Schaumphänomens
2.2.1. Entstehung von Schäumen
Schäume können durch chemische Reaktionen, durch das Einleiten eines Gases in eine Flüssigkeit oder durch heftige Bewegungen an der Flüssigkeitsoberfläche erzeugt werden. Durch ausreichend hohe Scher- oder Zugkräfte wird die kontinuierliche Phase aufgerissen und das Gas kann eindringen. Bei alkoholischen Getränken, wie z.B. Bier und einigen Schaumweinen, erfolgt das Einbringen des für die Schaumentstehung notwendigen Gases durch die chemische Reaktion der Gärung. In der alkoholfreien Getränkeindustrie und bei vielen Schaumweinen wird das CO2 durch das Imprägnierverfahren zugeführt. Bei diesem Verfahren wird der notwendige CO2-Überdruck durch den Zusatz von Kohlendioxid erreicht.
Aber auch eine hohe Oberflächenturbulenz beim Begasen oder beim Befüll- bzw. Rührvorgang führt zu einem Einschluß von Luft in die Suspension und unter Umständen zum Entstehen von Schaumblasen. Schäume finden auch in der Lebensmittelherstellung Verwendung. In Abhängigkeit von der Konsistenz der viskosen oder viskoplastischen flüssigen Phase wird das zu dispergierende Gas durch Injektion, Einschlagen, Rühren, Kneten oder Ziehen eingebracht3. Die Schaumstruktur entsteht durch die feine Verteilung eines Gases in einem Lebensmittel oder in einem Halbfabrikat.
Schäume in der Getränkeindustrie bestehen in der Regel aus einer Gasphase und einer Flüssigkeitsphase. Diese bezeichnet man als Zweiphasensysteme. Bei der Kühltrubabtrennung in der Bierherstellung mittels Flotation enthält der Schaum noch zusätzlich eine Feststoffkomponente. In diesem Fall handelt es sich um einen Drei-Phasen-Schaum4.
Schaum stellt eine Dispersion von kleinen, einander berührenden Blasen in einer Flüssigkeit dar. Ist bei homodisperser Verteilung die Volumenkonzentration des Gases kleiner als 74%, so haben die Gasblasen ein kugelförmiges Aussehen. Dieser Kugelschaum ist jedoch sehr instabil. Die kugelförmigen Blasen verändern ihre Form beim Zusammenstoß mit anderen Blasen. Es entstehen Polyeder verschiedener Flächenform und Größe. Die einzelnen Gasblasen werden von einer doppelwandigen Schaumlamelle umschlossen. Dieses Häutchen ist ca. 4-600 nm dünn. Das Innere der Doppelwand ist mit Flüssigkeit ausgefüllt. Der entstandene polyederförmige Schaum ist wesentlich stabiler. Damit die Blase durch den Normaldruck nicht zusammenfällt, herrscht in der Blase gegenüber der Umgebung ein Überdruck.
Die Teilchengröße bei feinen Schäumen liegt bei 0,1 bis 2,0 mm. Die Teilchen von groben Schäumen können bis zu 10 mal größer sein[3]. Das Volumen des Schaumes hängt u.a. vom Flüssigkeitsvolumen, den mechanischen Bedingungen und der Temperatur ab. Schäume sind thermodynamisch instabil5. Voraussetzung für das Schaumvermögen einer Flüssigkeit ist die Beschaffenheit des Oberflächenfilms, der die Gasblasen umgibt. Einzelne Inhaltsstoffe, insbesondere oberflächenaktive Substanzen, haben diesbezüglich großen Einfluß auf die
Schaumeigenschaften (siehe 2.6.: Schaumbeeinflussende Substanzen). Die oberflächenaktiven Substanzen bestehen aus hydrophilen und hydrophoben Zonen. Dabei sind die hydrophoben Zonen für die Oberflächenaktivität der Stoffe verantwortlich. Durch die geringe Anziehungskraft der hydrophoben Enden der Moleküle wird die Oberflächenspannung der Flüssigkeit herabgesetzt. Es ist nun weniger Energie für die Bildung neuer Oberflächen, d. h. für neuen Schaum, erforderlich. Für die Stabilität der Blasen ist bei geringerer Oberflächenspannung auch nur ein verminderter Blaseninnendruck
notwendig. Eine theoretische Abschätzung des Schaumvermögens kann mittels der
Gibb`schen Gleichung (1) erfolgen6:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
2.2.2. Schaumhaltbarkeit
Die Schaumhaltbarkeit wird von vielen unterschiedlichen Faktoren beeinflußt. Bestimmte Zusätze, aber auch technologische Faktoren, vermögen die Schaumhaltbarkeit erheblich zu verlängern. Die Oberflächenelastizität ist das wichtigste Merkmal der Schaumhaltbarkeit. Die Oberflächenelastizität beschreibt die Fähigkeit einer Schaumlamelle, der örtlichen Kraftwirkung standzuhalten. Bei der Dehnung der Lamelle steigt die Oberflächenviskosität durch die Verminderung der Konzentration der lokalen oberflächenaktiven Stoffe. Dieser Konzentrationsunterschied bewirkt, daß oberflächenaktive Substanzen aus der Flüssigkeit in den Film gelangen und ein Reißen der Filmschicht verhindern.
Die Schaumstabilität ist abhängig von der Geschwindigkeit, mit der die oberflächenaktiven Substanzen in den Film eindringen bzw. ihn wieder verlassen. Je schneller sie in den Film eintreten, desto besser kann Schaum entstehen. Die Lebensdauer des Schaums wird um so länger, je langsamer die oberflächenaktiven Substanzen die Filmschicht verlassen.
Die Oberflächenviskosität ist eine andere wichtige Größe, die Einfluß auf die Schaumhaltbarkeit besitzt. Sie beschreibt die Stärke der Kohäsion zwischen den absorbierten Molekülen auf dem Oberflächenfilm. Hochmolekulare Substanzen erhöhen z.B. die Viskosität der Flüssigkeit und verzögern den Rückfluß derselben aus den Blasenzwischenräumen. In nichtstabilisierten, niederviskosen Flüssigkeiten, wie z. B. Selterswasser, nähern sich die aufgestiegenen Gasblasen an und fließen durch zwischenpartikulare Wechselwirkungen schnell zusammen. Ein dauerhafter Schaum kann nicht entstehen. Je größer die Viskosität ist, desto weniger Moleküle können aus dem Oberflächenfilm ausbrechen. Es werden drei verschiedenen Gründe für diese Erklärung angegeben7:
a) Der geringe Diffusionskoeffizient größerer Moleküle unterstützt die Bildung eines stabilen Schaumes.
b) Die Wechselbeziehung der Moleküle untereinander.
c) Die Struktur des Films wird durch eine zweite Substanz, die in den Film eintritt und in einer Wechselbeziehung zu den Häutchenbildnern steht, verändert. Metallionen oder _- Säuren können mit Proteinen Verbindungen eingehen und die Struktur des Oberflächenfilms so verändern, daß die Schaumhaltbarkeit verlängert wird.
2.2.3. Schaumstabilität
Die Konstanz der Schaumhaltbarkeit über mehrere Monate (in Abhängigkeit von der Mindesthaltbarkeit) wird Schaumstabilität genannt. Die Schaumziffern beim Bier werden nach der NIBEM-Methode bzw. nach der Ross & Clark-Methode ermittelt (siehe 2.4.: Methoden der Messung der Schaumeigenschaften). Bei thermisch belasteten Bieren konnte mit zunehmender Lagerdauer eine Abnahme der Schaumziffern (nach NIBEM ) unter 200 s festgestellt werden8. Lagertemperaturen von 25 bis 30 oC hatten eine Verschlechterung der Sigma-Werte (nach Ross & Clark) zur Folge. Bei einer Untersuchung von bis zu drei Monate alten untergärigen Bieren konnte eine Verschlechterung der NIBEM- und Sigma-Werte in Bezug auf frische Biere festgestellt werden9.
Bei der Bestimmung der Schaumstabilität hat jedoch die Art des Meß- bzw. Aufschäumverfahrens wesentlichen Einfluß auf die Meßwerte. Die mittels freien Falls gemessenen Werte der Schaumhaltbarkeit von abgefülltem Bier nahmen während der Lagerung, wenn überhaupt, weniger stark ab, als jene, die mittels der NIBEM- bzw. Ross & Clark-Methode erzeugt wurden.
2.2.4. Schaumzerfall
Beim Bier wird ein rasch zusammenfallender Schaum vom Konsumenten meist mit ungenügender Frische und dem Vorhandensein von Geschmacksfehlern verbunden. Ist der Schaum zerfallen, können die Kohlensäureblasen ungehindert die Grenzschicht passieren, das Bier verliert an Vollmundigkeit und an Rezenz. Der Schaum stellt ein System dar, bei dem durch Energiezufuhr eine große Oberfläche in Form der Schaumblasen geschaffen wird. Das System ist nun bestrebt, die freie Energie so gering wie möglich zu halten und die Oberfläche wieder zu minimieren.
Für den Schaumzerfall sind zwei Effekte verantwortlich:
a) Die Flüssigkeit, die eine Blase umgibt, kann an der Grenzfläche zwischen Schaum und Umgebung verdunsten. Je höher die Partialdruckdifferenz zwischen der Flüssigkeit und der Umgebung ist, um so größer ist die Verdunstung. Ist der Flüssigkeitsfilm zu dünn, um die Blase zu stabilisieren, zerplatzt diese.
b) In der geschlossenen Schaumformation besitzen die Schaumblasen gemeinsame Lamellen mit anderen. Bei der Schaumentstehung sind die Schaumlamellen noch von erheblicher Dicke. Durch die Schwerkraft fließt die im Schaum enthaltene Flüssigkeit aus den Lamellen der oberen Blasenschichten nach unten ab. Diesen Vorgang bezeichnet man als Schaumdrainage[4]. Die Schichtdicke der oberen Lamellen vermindert sich durch das Abfließen der Flüssigkeit. Wenn eine bestimmte Lamellendicke unterschritten ist, zerplatzen die Blasen an der Oberfläche. Bevor die Lamelle reißt, wird ihre Oberfläche eingebuchtet. Die Oberfläche wächst durch diesen Vorgang lokal an. Enthält die Flüssigkeit oberflächenaktive Inhaltsstoffe, verringert sich deren Konzentration an der eingebuchteten Stelle. Die als Folge entstandene Oberflächenspannungdifferenz bewirkt einen Flüssigkeitstransport an die oben bezeichnete Stelle. Die Lamelle wird wieder dichter und der Schaumzerfall verzögert sich. Diesen Vorgang bezeichnet man als Marangonieffekt10.
Generell hat die unterschiedliche Blasengröße Einfluß auf die Zerfallsgeschwindigkeit des Schaumes. Innerhalb zweier Blasen stellen sich, abgeleitet von den unterschiedlichen Durchmessern, jeweils verschiedene Drücke ein. Beide Blasen können einzeln gesehen als stabile Systeme bezeichnet werden. Berühren sich jedoch beide Blasen, entsteht durch den unterschiedlichen Blaseninnendruck ein instabiles System. Das Gas der kleineren Blase diffundiert durch die Kontaktfläche in die größere Blase. Die kleinere Blase verschwindet und das Schaumvolumen wird mit der Zeit geringer. Dünnere Wände der Kontaktflächen erleichtern die Diffusion und beschleunigen den Schaumzerfall. Entstehen bei der Schaumbildung nur Blasen mit ähnlicher Blasengröße, kann der Schaumzerfall verzögert werden. Der Schaumzerfall wird auch durch die Erhöhung der Oberflächenviskosität bzw. durch das Auftreten kleinerer Schaumblasendurchmesser behindert. Spezifische ungeladene Moleküle können sich an der Phasengrenze einer Blase einlagern und die Viskosität der Flüssigkeit erhöhen.
Im industriellen Herstellungsprozeß sind Schäume häufig nicht erwünscht, da sie diesen Prozeß oft stören und die Nennleistung der Abfüllmaschinen herabsetzen. Bei der Verarbeitung von schäumenden Flüssigkeiten kommt es in der Industrie durch die Schaumentstehung zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten. Daher ist man in der Getränkeindustrie bemüht, eine Schaumbildung bei der Herstellung zu verhindern bzw. die Zerfallsgeschwindigkeit zu erhöhen. Vor allem in der alkoholfreien Getränkeherstellung gibt es diesbezüglich bisher nur unzureichende Forschungsergebnisse.
Eine mechanische Schaumzerstörung gelingt durch Schaumzentrifugen, Schaumzerstörer oder Schaumabsauger. Der Schaum wird nach dem Zentrifugalprinzip zwischen stehenden und rotierenden Streckmetalleinbauten zerrieben. Diese rotierenden Sonderkonstruktionen trennen die relativ stabilen Schäume in ihre beiden Komponenten Flüssigkeit und Gas. Das Ziel der Lebensmittel- und Getränkeindustrie ist es, den Behälterraum ohne störende Schaumentstehung maximal nutzen zu können[3].
Es gibt jedoch auch Substanzen, die der Schaumhaltbarkeit entgegenwirken. Schaumverhüter sind Substanzen, die schäumenden Flüssigkeiten zugesetzt werden, um deren Schaumbildung zu verhindern oder zu minimieren.
2.3. Untersuchung spezieller Schaumphänomene
Im Folgenden werden Schaumphänomene aus verschiedenen Blickwinkeln betrachtet. Es läßt sich daher nicht vermeiden, daß einzelne wissenschaftliche Grundlagen mehrfach angeführt werden.
2.3.1. Der Bierschaum
Vor allem bei der Bierherstellung wird großer Wert auf die Gegebenheiten des Schaums gelegt. Ein Glas Bier sollte eine geschlossene Schaumdecke aufweisen, die sich möglichst lange hält. Beim Konsumenten wird mit diesen Schaumeigenschaften ein Gefühl der Frische und der Rezenz vermittelt.
Der Bierschaum ist ein Zwei-Phasen-Schaum und in seiner Struktur sehr komplex. Er gehört jedoch zu den Schaumformen, die bisher am ausführlichsten beschrieben worden sind. Der Schaum beim Bier entsteht durch die entweichenden CO2-Blasen beim Einschenken. Aber auch die mitgerissene Luft spielt bei der Schaumbildung eine Rolle. Die Beurteilung des Bierschaumes erfolgt nach zwei Kriterien:
a) nach der Menge und b) nach der Haltbarkeit des Schaumes.
Die Menge des Bierschaumes hängt in erster Linie von der Menge des gelösten Kohlendioxids ab. Aber auch die Art des Einschenkens hat Einfluß auf die Menge des Bierschaumes.
Verantwortlich für die Haltbarkeit des Schaumes sind die Eigenschaften der Flüssigkeitsoberfläche. Proteine, Isohumulone, höhere Alkohole und Bitterstoffe sind die wichtigsten oberflächenaktiven Stoffe, die Einfluß auf die Ausprägung des Bierschaums und dessen Haltbarkeit besitzen. Diese Substanzen lagern sich an der Flüssigkeitsoberfläche an und setzen die Oberflächenspannung herab. Durch diesen Vorgang wird die Bildung weiterer Gasblasen und neuer Grenzflächen begünstigt. Die Proteine können sich untereinander so verknüpfen, daß an der Grenzfläche ein Film entsteht. Je stärker die Quervernetzung ist, um so stabiler ist der Film. Durch die Bildung dieses flexiblen, kohäsiven Filmes um die Gasblasen stabilisieren Proteine den Schaum11. Auch durch die Bindungskräfte zwischen den Polypeptidketten kommt es zur Verfestigung der Schaumlamellen. Der gleiche Vorgang kann auch durch Brückenbildungen, z.B. durch Metalle und Melanoine, zustande kommen 12.
Die Schaumausprägung ist eng mit der Oberflächenspannung des Bieres gekoppelt. Je niedriger die Oberflächenspannung des Bieres, bis zu einem Grenzwert, um so kleiner sind die aufsteigenden CO2-Blasen. Es können sich nun mehr oberflächenaktive Substanzen beim Aufsteigen an der spezifischen Oberfläche der Blasen ansammeln. Auch durch Oxidationsvorgänge kann sich die Oberflächenspannung des Bieres verringern. Die Dispersität dieser Stoffe wird vergröbert und die Schaumhaltbarkeit wird durch diese Reaktion verbessert. Es können sich jedoch durch eine Koagulation auch Niederschläge bilden, die zu einer Verschlechterung der Schaumeigenschaften führen13.
Die Flüssigkeit in den Räumen zwischen den Gasblasen besteht hauptsächlich aus nichtionischen, hydrophilen Stoffen, wie z.B. _- und ß-Glucane. Sind diese Substanzen hochmolekular, erhöhen sie die Viskosität der Flüssigkeit und tragen zu einer Verbesserung der Schaumhaltbarkeit bei. Die Haltbarkeit der Gasblasen im Schaum hängt neben der Temperatur auch von dem Gas ab, das in der Flüssigkeit eingeschlossen ist. Die Löslichkeit der Gase ist unterschiedlich. Das durch den Gärvorgang eingebrachte CO2 hat in Wasser ein sehr gutes Lösungsvermögen. Bei normalem Luftdruck und einer Temperatur von 0 oC beträgt die Löslichkeit von CO2 3,42 g/l. Es besteht jedoch kein Zusammenhang zwischen der Schaummenge und der Haltbarkeit des Bierschaums.
2.3.2. Mousseux
Auch bei Getränken, wie Sekt bzw. Champagner, können Schaumphänomene beobachtet werden. Das Mousseux in Schaumweinen wird durch die aus der Flüssigkeit entweichenden Kohlensäureblasen als Schaum vom menschlichen Auge wahrgenommen. Das Entweichen der Blasen kann grobblasig oder feinblasig erfolgen. Die Mousseuxdauer kann einige Minuten bis zu einer halben Stunde betragen. Dabei erreicht das Schaumpolster am Rand des Glases eine Dicke von1 bis 3 mm Dicke.
Auch bei den Kriterien der amtlichen Prüfung für Qualitätsschaumweine spielen die Eigenschaften des Mousseux eine Rolle. Mit bestandener Prüfung wird dem Schaumwein eine bestimmte Mindestqualität attestiert. Das amtliche Prüfungsschema für Qualitätsschaumwein (Fassung vom 22. Dezember 1981) legt fest, daß das Mousseux nicht grobperlig und nur kurz, sondern eher feinperlig und lang anhaltend in Erscheinung treten sollte. Auch innerhalb der Sinnesprüfung (nach dem 5-Punkte-Schema des LMBG) wird ein feinperliges Mousseux für die gute Bewertung eines Qualitätsschaumweins vorausgesetzt14.
Neben dem optischen Erlebnis kann man das Moussieren des Schaumweines aber auch akustisch als Knistern wahrnehmen. Flüchtige Geruchs- und Aromastoffe aus dem Schaumwein werden während des Aufsteigens der Gasblasen an die Oberfläche transportiert. Nach dem Zerplatzen der Kohlendioxidblasen werden die flüchtigen Stoffe frei und das jeweils charakteristische Weinaroma kann mit Hilfe des Geruchssinns viel intensiver als beim stillen Wein wahrgenommen werden. Da das Mousseux der Schaumweine jedoch sehr unterschiedlich ist, stellt sich die Frage nach den Ursachen dieses Phänomens, die bis heute nur unzureichend erforscht wurden.
2.3.3. Gushing
Eine unerwünschte Gushingbildung tritt sowohl bei alkoholischen Getränken, wie Schaumwein oder Bieren, als auch bei imprägnierten alkoholfreien Getränken, wie CO2- haltigem Mineralwasser, in Erscheinung. Das Phänomen des Gushing unterscheidet sich nur auf den ersten Blick von den oben beschriebenen Schaumphänomenen. Viele Erklärungsversuche des Gushing können auch für Schäume in anderen Bereichen Verwendung finden. Sowohl bei der Herstellung von Getränken als auch beim Verbraucher selbst kann das Gushing beobachtet werden.
Beim Öffnen von Flaschen mit CO2-haltigen Getränken kommt es gelegentlich zu einem plötzlichen und anhaltenden Überschäumen der Flüssigkeit. Die CO2-Entbindung erfolgt gleichzeitig über den ganzen Flüssigkeitskörper. Diese heftige Reaktion bei kohlensäurehaltigen Getränken nennt man Gushing (engl.: gushing = überschäumend). Am bekanntesten ist diese Erscheinung bei schäumenden Weinen und bei Bier. Auch nach sachgemäßem Öffnen des Sektes/ Champagners kann die unerwünschte Schaumfahne über 100 cm hoch aus der Flasche herausschießen. Für Erklärungsversuche dieses Phänomens ist die Kenntnis der Gleichgewichtsverhältnisse in der geschlossenen Flasche bzw. der Einflußmöglichkeiten notwendig:
a) Gleichgewichtszustand
Bei der alkoholischen Gärung entsteht neben dem Alkohol und den flüchtigen Gärungsnebenprodukten auch das Kohlensäuregas. Wenn die Gärung in einem geschlossenem Gefäß stattfindet (Flaschengärung), kann das CO2 nicht entweichen. Der CO2 Druck steigt bis zum Ende der Gärung an. In der geschlossenen Flasche befindet sich das Kohlendioxid im Gasraum und jenes in der Flasche in einem Gleichgewicht. Dieser Zustand ist metastabil, d.h. nur Blasen mit einem bestimmten Radius können bei einem bestimmten Druck und einer entsprechenden Oberflächenspannung für längere Zeit in der Flüssigkeit existieren. Übersteigt der Blasenradius einen kritischen Wert, dann kann die Blase durch den Innendruck wachsen und steigt auf. Ist der Radius jedoch kleiner, überwiegt die Oberflächenspannung und die Blase kollabiert15.
Beim Öffnen der Getränkeflasche wird der Inhalt drucklos und ein Ungleichgewicht tritt ein. Vor allem bei Schaumweinen wird nun die Flüssigkeit mit Kohlensäure stark übersättigt. Obwohl der Schaumwein mit CO2 stark angereichert ist, ist das gelöste CO2 allein nicht in der Lage, sich zu Blasen zusammenzulagern und ein Überschäumen hervorzurufen. Die Oberflächenspannung des Weins ist gegenüber der Energie der Kohlendioxidmoleküle erheblich größer. Die Ursachen des Gushings sind bis heute noch nicht hinreichend erforscht. Es gibt aber bereits einige Erklärungsmodelle für das Phänomen.
Das Vorhandensein von Desorptionskeimen (Gasentwicklungskeime) in der Flüssigkeit ist nach verschiedenen Darstellungen Voraussetzung für eine Gushingbildung16. In der Literatur werden vor allem Mikroblasen und
Verunreinigungen in der Flüssigkeit als Desorptionskeime genannt. Je mehr diese
Desorptionskeime in einem Getränk vorhanden sind, desto stärker neigt es zu einer unerwünschten Entgasung.
b) Mikroblasen
Die Gefahr der Bildung von Mikroblasen ist beim Karbonisierungsprozeß im Strahlapparat bzw. bei allen Pump- und Mischvorgängen während des Herstellungsprozesses gegeben. Mikroblasen sind kleine Luftblasen (oder Stickstoffblasen beim Prozeß des Vorspannens der Flaschen in der Bierabfüllung), die als Keime für eine unerwünschte Blasenbildung dienen können. Der Durchmesser der Mikroblasen schwankt zwischen 0,1 und 50 µm. Je mehr solche Keime in der Flüssigkeit vorhanden sind, desto höher ist die Gushingwahrscheinlichkeit. So unterscheidet sich ein Gushing-gefährdetes Bier von einem normalen Bier durch die Anzahl der stabilen Blasenkeime in der Flüssigkeit. Bei einem Bier, welches nicht zum Gushing neigt, existieren ca. 2500 Keime pro 1 ml17.
Gelangt durch eine mechanische Einwirkung Luft in die Flüssigkeit, sinkt der Sauerstoff- und der Kohlendioxidanteil in den eingewirbelten Luftblasen relativ schnell. Diese Gase werden in der Flüssigkeit gelöst oder treten in den Gasraum des Behältnisses. Der Stickstoffanteil verbleibt in den Blasen. Die mit Stickstoff abgesättigte Flüssigkeit ist nicht in der Lage, die Kleinstblasen aufzunehmen, weil die Löslichkeit von N2 sehr niedrig ist. Die hauptsächlich aus Luftstickstoff bestehenden Blasen haben allein zu wenig Auftrieb, um den Reibungswiderstand der Flüssigkeit zu überwinden und an die Oberfläche zu gelangen. Sie bleiben in der Flüssigkeit in einem Schwebezustand, bis sich die Randbedingungen ändern. Die Bedingungen, die die Mikroblasen aus ihrem Gleichgewicht bringen können, unterscheiden sich beim offenen System gegenüber dem geschlossenen.
Ist die Flüssigkeit ausschließlich von festen Wänden umgeben, handelt es sich um ein geschlossenes System. Nach außen kann kein Stofftransport erfolgen. Ist dagegen eine stoffdurchlässige Phasengrenze vorhanden, liegt ein offenes System vor. Eine teilgefüllte Flasche besitzt eine Phasengrenze, über die ein Stofftransport stattfinden kann. Trotzdem wird die teilgefüllte Flasche eher dem geschlossenen System zugeordnet, da die durch den Stofftransport über die Phasengrenze der Mikroblasen verursachten Konzentrations-änderungen in der Flüssigkeit lokal begrenzt bleiben 18. Ähnliche Randbedingungen herrschen auch bei der Lagerung von CO2-haltigen Getränken in teilgefüllten, druckgeregelten Tanks vor. Auf Grund des stabilen Gleichgewichtszustandes in geschlossenen Systemen können Mikroblasen dort sehr lange existieren.
Die vorhandenen ca. 1 µm großen Mikroblasen dehnen sich, auf Grund des Druckabfalls nach dem Öffnen der Flasche, aus. Die Mikroblasen sprengen die Haut. Durch die mit CO2 stark übersättigte Flüssigkeit entsteht ein Ungleichgewichtszustand, der einen Stofftransport initiiert. Gasmoleküle diffundieren aus dem übersättigten Getränk in die Mikroblasen. Der Reibungswiderstand kann nun durch die größere Auftriebskraft der Blasen überwunden werden. Die Mikroblasen steigen auf und bilden sichtbaren Schaum.
Der entstandene Schaum dehnt sich über das Fassungsvermögen der geöffneten Flasche aus. Bei Sekt wird eine milchig-weiße Trübung sichtbar. Das Getränk schießt aus der Flasche heraus. Mikroblasen müssen jedoch nicht unweigerlich zum Gushing führen.
c) Gushingfördernde Substanzen und Verbindungen
Bei Rotsekt ist das Gushing häufiger zu beobachten als bei weißem Sekt[19]. Als Verursacher für diese Phänomen werden u. a. Feststoffpartikel, z.B. Kondensate aus Rotweinfarbstoffen, in der Flüssigkeit, die sich an der Innenseite der Flasche festgesetzt haben, benannt. Auch die Verunreinigungen dienen als Blasenkeime. Aus der mit Kohlendioxid übersättigten Flüssigkeit diffundieren weitere Gasmoleküle in die kleine Blase. Ist der Auftrieb groß genug, reißt die Blase ab und eine weitere entsteht an gleicher Stelle. Eine Blasenkette bildet sich.
In der ungeöffneten Flasche lagern sich oberflächenaktive Stoffe, wie z.B. hochmolekulare Eiweißabbauprodukte im Bier, an der Grenzfläche an und bilden unter Umständen eine zusammenhängende, unlösliche Haut. Auch jede Mikroblase wird von einer Grenzfläche umschlossen. Vermutlich sind phenolische Verbindungen, Proteine, Enzyme, Eisenionen und Sauerstoff für diesen Vorgang mit verantwortlich. Zwischen den Mikroblasen werden durch die grenzflächenaktiven Substanzen an der Phasengrenze elektrostatische Abstoßungskräfte erzeugt. Diese Kräfte heben die van der Waals´sche Wechselwirkung (Anziehungskräfte) auf. Die so verhinderten
Blasenkoaleszenzen gewährleisten auch nach längeren Ruhezeiten noch das Vorhandensein einer größeren Blasenanzahl.
Forschungen auf dem Gebiet des Gushing haben ergeben, daß Calcium in Verbindung mit Oxalsäure ein Calciumoxalat bilden kann, welches für das Gushing beim Bier mitverantwortlich gemacht wird. Der Calciumgehalt des Bieres wird durch die Wasserqualität bestimmt und liegt zwischen 10 und 50 mg/l. Die Oxalsäure wird im Wesentlichen vom Malz geliefert und ist abhängig von Sorte, Jahrgang und Aufwuchsbedingungen. Gerstenmalze (10-20 mg/100g Trs.) besitzen niedrigere Oxalsäureanteile als Weizenmalze (30-60 mg/100g Trs.). Calcium reagiert mit der Oxalsäure unter Bildung eines Calciumniederschlages.
2.3.4. Schäume in alkoholfreien Getränken
Vor allem aus wirtschaftlichen Gründen ist es in der alkoholfreien Getränkeindustrie notwendig, die Vorgänge bei der Entstehung des Schaumes zu erforschen. Einige Getränke zeigen während des Abfüllvorgangs eine hohe Schaumneigung. Die Ursachen und Einflußmöglichkeiten sind diesbezüglich noch weitgehend ungeklärt. Destilliertes Wasser ist nicht in der Lage, Schäume zu bilden. Erst durch Zusätze (Tenside, Eiweiße) wird die Oberflächenspannung so weit heruntergesetzt, daß ein Schaumfilm entstehen kann. Eine Abhängigkeit des Schaumverhaltens beim Abfüllvorgang in Bezug auf die jeweilige Oberflächenspannung der verschiedenen Limonaden konnte bisher nicht nachgewiesen werden[20].
Es ist bekannt, daß CO2-haltige Getränke, wie Cola- oder Bitterlimonaden, ein großes Schaumvermögen besitzen. Aber auch bei roten Schorlen (z.B. Apfel-Kirsch-Schorle) wird der Abfüllvorgang durch die Schaumbildung erschwert[21]. Es ist wahrscheinlich, daß hier der erhöhte Polyphenolgehalt als schaumverursachender bzw. schaumfördernder Faktor eine Rolle spielt. Auch bei der Zugabe von bestimmten Zitronenessenzen kann das Phänomen beobachtet werden, daß das Getränk mehr schäumt als bei grundstoffhaltigen Flüssigkeiten [16]. Als Ursache werden u.a. die unpolaren Aromastoffe genannt. Die bisherigen
Forschungsergebnisse sind auf diesem Gebiet jedoch noch unzureichend. Um die Probleme bei der Herstellung alkoholfreier Getränke lösen zu können, wird noch ein erheblicher Forschungsaufwand zu leisten sein.
2.3.5. Feste Schäume
Zu dieser Gruppe gehören Schäume, die aus einer Gasphase und einer Feststoffphase bestehen, wie z.B. Brot. Aber auch verschiedene Polyederschäume, wie z.B. steifer Eischnee oder geschlagene steife Sahne, sind feste Schäume, die jedoch nur in Gegenwart von Stabilisatoren, wie Makromoleküle oder grenzflächenaktive Stoffe mit langen Kohlenwasserstoffketten, stabil bleiben. Feste Schäume besitzen elastische Eigenschaften. Diese Schaumart kann hier jedoch nicht näher untersucht werden und sollte nur der Vollständigkeit halber aufgeführt werden[3].
2.4. Methoden zur Messung der Schaumeigenschaften
In der Literatur werden eine Reihe von Untersuchungsmethoden für die Messung der Schaumeigenschaften beschrieben. Die Haltbarkeit des Schaumes wird in der Regel nach der NIBEM-Methode bzw. nach der Ross & Clark-Methode bestimmt. Die so ermittelten Schaumzahlen sind für die Bewertung im Rahmen der DLG-Qualitätsprüfung ausschlaggebend. Das Schaumvermögen bzw. die Schaumbeständigkeit von Bier wird im Herstellungsbetrieb auch nach dem Einschenken in ein Glas visuell beurteilt. Die Art des Meß- bzw. Aufschäumverfahrens hat wesentlichen Einfluß auf das Schaumbildungsvermögen bzw. auf die Meßwerte. Die mittels NIBEM- bzw. Ross & Clark-Methode gemessenen Werte der Schaumhaltbarkeit von abgefülltem Bier nehmen z.B. während der Lagerung stark ab. Meßwerte, die dagegen durch den freien Fall erzeugt wurden, nahmen, wenn überhaupt, dann weniger stark ab[9].
Neben dem Kohlendioxidgehalt des Bieres sind es vor allem die äußeren Einflußfaktoren, die zu unterschiedlichen Stabilitätsmessungen führen. Hier sind z.B. die Biertemperatur, die Maße des Aufschäumgefäßes und die verwendete Menge des aufgeschäumten Bieres zu nennen. Die Ergebnisse der unterschiedlichen Methoden für die Schaummessung sind daher kaum zu vergleichen.
2.4.1. Ross & Clark-Methode
Bei dieser Methode der Schaummessung wird CO2 unter standardisierten Bedingungen mittels einer Fritte in das Bier bei 20 oC eingeleitet. Der entstandene grobblasige Schaum fällt in der Meßapparatur nach einer monomolekularen Reaktion zusammen. Unter der Annahme, daß die Zerfallsgeschwindigkeit des Schaumes der vorhandenen Schaummenge zu jeder Zeit proportional ist, wird in bestimmten Zeitintervallen die zurückgebliebene Biermenge gemessen. Das Resultat wird als Sigma-Wert bzw. Schaumzahl angegeben. Bei Bieren mit schlechten Schaumeigenschaften können Werte unter 110 gemessen werden. Werte über 140 sind Meßergebnisse, die auf ein gutes Schaumvermögen zurückzuführen sind. Bei Bieren mit Werten unter 100 ist die Reproduzierbarkeit der Ross & Clark-Methode jedoch schlecht[22].
2.4.2. NIBEM-Methode
Durch die einfache Handhabung und der besseren Reproduzierbarkeit der Meßwerte hat sich in der Praxis die NIBEM-Methode gegenüber der Ross & Clark-Methode durchgesetzt. Bei der Methode nach NIBEM wird bei 20 oC ein sehr feinblasiger Schaum erzeugt. Das Bier wird unter CO2-Druck nach dem Passieren einer Blende in einem Steigrohr zerschäumt. Danach erfolgt ein linearer Schaumzerfall vom 2. bis 4. Schaumzentimeter. Mit dem NIBEM Foam Stability Tester erfolgt die Messung der Zeit, innerhalb derer sich die Oberfläche um 10, 20 und 30 mm absenkt. Ein bewegliches Elektrodensystem registriert das Schaumniveau. Als Ergebnis der Messung erhält man die Zerfallszeiten des Schaumes für die entsprechenden Strecken (10, 20 und 30 mm). Werte von 250 bis 300 Sekunden entsprechen guten Schaumzerfallszeiten für 3 mm[23].
Der Vergleich der gemessenen Werte nach der NIBEM-Methode erfolgt meist innerbetrieblich. Überbetriebliche Vergleiche sind nur mit Einschränkungen möglich. Darüber hinaus erlaubt die Auswertung der Meßwerte nur Aussagen über die Schaumhaltbarkeit zum Zeitpunkt der Untersuchung. Gute Meßergebnisse nach der Ross & Clark- bzw. der NIBEM- Methode müssen nicht auf ein gutes Schaumverhalten des Bieres im Glas hinweisen[9].
2.4.3. Einschenkmethode nach Ullmann und Pfenninger
Nach Einschätzung von Weyh und Hagen liefert die Einschenkmethode gegenüber den anderen Meßmethoden (Ross & Clark-Methode und NIBEM-Methode) hinsichtlich der Schaumhaltbarkeit und der Schaumstabilität realistischere Meßergebnisse. Bei der Einschenkmethode nach Ullmann und Pfenninger wird das Bier bei 12 oC mittels einer motorbetriebenen Einschenkapparatur in einen genormten Glaszylinder gegossen[23]. Die entstandenen Schaumblasen sind bei dieser Methode größer als bei der NIBEM-Methode. Für die Beurteilung der Schaumhaltbarkeit wird die Zeit gemessen, die vergeht, bis die Bieroberfläche zu sehen ist. Bei Bieren mit guter Schaumhaltbarkeit kann ein Ergebnis von 5 min gemessen werden. Eine Meßtemperatur von unter 12 oC und die verwendete standardisierte Einschenkmethode kommen den Bedingungen, unter denen der Konsument das Bier beurteilt, am nächsten.
Aber auch bei dieser Meßmethode schwanken die Meßergebnisse stark. Bei einer Untersuchung zum Einfluß der Aufbewahrungsdauer von Bier auf die Schaumstabilität konnte gezeigt werden, daß die Streuung der Meßwerte mit zunehmender Aufbewahrungsdauer tendenziell größer wird.
2.4.4. Neue Methode zur Messung der Schaumhaltbarkeit von Bier
Nach einer standardisierten Methode wird das Bier bei 22 oC durch freien Fall in einem zylindrischem Gefäß aufgeschäumt. Die Anfangshöhe des Bierschaumes wird gemessen. In regelmäßigen Zeitintervallen wird mittels eines Leitfähigkeitsmeßgerätes die Höhenabnahme des aufgeschäumten Bieres durch das natürliche Entweichen des Kohlendioxids aus dem gesättigten Getränk, gemessen. Die Messung wird in der 5. Minute des Schaumzerfalls beendet. Als Maß für die Stabilität des Bierschaumes gilt die Fläche unter dieser Zerfallskurve. Die Stabilität des 1 mm hohen Schaumes innerhalb von 1 Minute entspricht eine Schaumhaltbarkeitseinheit (FU). Werte über 100 FU beschreiben eine ausgezeichnete Schaumhaltbarkeit. Eine schlechte Schaumhaltbarkeit weisen Biere von unter 50 FU auf[24].
2.5. Schaumbeeinflussende Substanzen
Die Beurteilung eines alkoholischen Getränks wie Bier oder Champagner erfolgt vom Konsumenten zuerst optisch. Ausgehend von diesen Informationen schließt er oft auf die Qualität des Erzeugnisses bzw. auf die sensorischen Eigenschaften. Aus diesem Grunde bemüht man sich in der Forschung, die Schaumgegebenheiten zu untersuchen.
Für das Schaumverhalten von Getränken sind grundsätzlich zwei Flüssigkeitseigenschaften ausschlaggebend. Auf der einen Seite ist die Größe des Schaumbildungsvermögens einer Flüssigkeit für die Schaumausprägung verantwortlich. Das Schaumbildungsvermögen wird im Wesentlichen von den Inhaltsstoffen des jeweiligen Getränks bestimmt. Hier üben schaumpositive bzw. -negative Substanzen einen unterschiedlichen Einfluß aus. Je besser die an der Oberfläche angereicherten Stoffe in der Lage sind, elastische Häutchen zu bilden und diese aufrecht zu erhalten, um so länger wird der Schaum seine Stabilität bewahren. Auf der anderen Seite ist das Bindungsvermögen der Flüssigkeit für das CO2-Gas entscheidend für die Schaumausprägung.
Es ist zu prüfen, ob noch eine dritte Komponente einen vorhersagbaren Einfluß auf den Schaum von Getränken besitzt. Bisher wurde der Oberflächenspannung von Getränken mit hoher Schaumneigung bisher zu wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Ein Zusammenhang zwischen der Oberflächenspannung der untersuchten Flüssigkeit und der Schaumausprägung konnte bisher nicht festgestellt werden. Es ist anzumerken, daß die Auswirkungen der schaumpositiven bzw. schaumnegativen Substanzen auf den Schaum im Bereich der Bierherstellung bisher am differenziertesten erforscht wurden. Alkoholfreie Getränke sind diesbezüglich noch unzureichend untersucht worden. Aus diesem Grunde beziehen sich die folgenden Aussagen mehrheitlich auf die im Bier befindlichen Inhaltsstoffe.
2.5.1. Kohlendioxid
a) Möglichkeiten der Einbringung von CO 2
Grundsätzlich kann das Kohlendioxid durch die Gärung oder mit Hilfe des Imprägnierverfahrens in die Flüssigkeit eingebracht werden. Beim Bier gelangt das CO2 durch den Gärprozeß in die Flüssigkeit. Schaumweine können entweder durch nur e i n e Gärung, also vom Traubenmost ausgehend, oder durch zwei Gärprozesse hergestellt werden. "Asti spumante" aus Italien und "Clairette de Die" aus Frankreich sind zwei bekannte Beispiele von aromatischen Qualitätsschaumweinen, die durch nur eine Gärung hergestellt werden. Der entstandene Alkoholgehalt und der benötigte
CO2- Überdruck resultieren vollständig aus diesem Gärprozeß. Bei der Schaumweinherstellung durch zwei Gärungen dient als Basis des Prozesses ein Wein, dessen Gärung schon abgeschlossen ist. Durch den Zusatz einer "Fülldosage" wird die zweite Gärung eingeleitet.
In der Getränkeherstellung kann der notwendige CO2-Überdruck auch durch den Zusatz von Kohlendioxid erreicht werden. Dieses Verfahren wird als Imprägnierverfahren bezeichnet. Schaumweine bzw. Perlweine, die durch dieses Verfahren hergestellt werden, müssen mit dem Zusatz "Perlwein/ Schaumwein mit zugesetzter Kohlensäure" gekennzeichnet werden[14]. Der CO2-Überdruck in der Flasche ist abhängig von der Flaschengröße und der Art des Getränkes (Qualitätsschaumwein bzw. Perlwein).
Auch in alkoholfreien Erfrischungsgetränken ist das CO2 wegen seiner belebenden, erfrischenden und prickelnden Eigenschaften erwünscht. Darüber hinaus nutzt man die keimhemmende Wirkung des Gases. Im Gegensatz zur Herstellung von alkoholischen Getränken wird das CO2 ausschließlich durch das Imprägnierverfahren eingebracht. Dabei erreicht man eine Sättigung der verwendeten Flüssigkeit mit Kohlendioxid. Fruchtsaftgetränke werden etwa mit 4 g/l imprägniert. Der CO2-Gehalt von Limonaden und Cola-Limonaden beträgt 7 g bzw. 10 g CO2/l (siehe Tabelle 2). In der Praxis liegt die Höchstgrenze an gelöstem CO2 bei ca.10 g/l.
Tabelle 2
Löslichkeit von CO2 bei alkoholfreien Getränken[20]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
b) CO 2 -Löslichkeit
Um eine gute Schaumausprägung des jeweiligen Getränkes zu erreichen, wird in der Getränkeherstellung auf Bedingungen geachtet, die eine hohe CO2-Löslichkeit gewährleisten. Die Erhöhung der Löslichkeit des Kohlendioxidgehaltes trägt sowohl zu einem höheren Schaumvolumen beim Bier als auch zur Verbesserung des Mousseux bei Schaumweinen bei.
Der Lösungsvorgang eines Gases in einer Flüssigkeit ist ein sehr komplizierter Vorgang. Die Karbonisierung von Getränken ist im physikalischen Sinne der Transport von CO2 aus der Gasphase in die Flüssigkeitsphase. Nach der Zwei-Film- Theorie besteht zwischen der Gas- und der Flüssigkeitsphase eine Grenzschicht, in der der Stofftransport stattfindet. Die Grenzschicht setzt sich aus einer Gas- und einer Flüssigkeitsfilmschicht zusammen. An der Oberfläche zwischen den beiden Phasen stellt sich eine Gleichgewichtssättigung nach dem Dalton´schen Gesetz ein [16].
Die dipoligen Wassermoleküle umgeben das CO2-Molekül mit einer Solvathülle, die eine feste Bindung der einzelnen Moleküle untereinander gewährleistet. Bei der Auflösung von CO2 in Wasser tritt eine starke Hydratation auf. Bei Mineralwässern wird ca. 99,9 % des eingesetzten Gases hydratisiert. Nur 0,1 % CO2-Gas reagiert mit dem Wasser unter Bildung der Kohlensäure. Die CO2-Löslichkeit beträgt bei 15 oC und etwa 1 Liter chemisch reinem Wasser 2 g Kohlensäure. Mineralwässer besitzen ein um 0,5 bis 1 % schlechteres Lösungsverhältnis. Auch zuckerhaltige Getränke haben ein geringeres Löslichkeitsverhältnis gegenüber chemisch reinem Wasser. Bei Lösungen mit 1 % Saccharose (1oBx) wird der Wert um 0,5, bei 10 % Saccharose um 8 % (entspricht der Orangenlimonade) gegenüber Wasser minimiert. Die veröffentlichten Meßdaten diesbezüglich schwanken jedoch erheblich[20].
c) Einflußmöglichkeiten auf die CO 2 -Löslichkeit
Folgt man der Zwei-Film-Theorie, so sind es vor allem die geometrischen Größen "Oberfläche" und "Filmschicht", die Einfluß auf den Stofftransport von CO2 ausüben. Darüber hinaus ist aber auch die physikalische Größe "Temperatur" ein wichtiger Einflußfaktor für die Löslichkeit von CO2 in einer Flüssigkeit. Der Stoffübergang ist umgekehrt proportional der Grenzschicht. Je kleiner die Grenzschicht, um so größer ist der Stoffübergang. Die Größe der Grenzschicht wird im Wesentlichen von der Geschwindigkeit und der Turbulenz an der Phasengrenze bestimmt. Je mehr Turbulenzen an der Phasengrenze vorherrschen, desto kleiner wird die Grenzschicht. Der CO2-Übergang in das zu karbonisierende Getränk ist proportional zur vorhandenen Oberfläche. Je größer die Oberfläche zwischen der CO2 - bzw. der Flüssigkeitsphase ist, um so mehr CO2 kann gelöst werden[2]. Verschiedene Rührsysteme und konstruktive Maßnahmen, wie z.B. Raschigringe und Strahldüsen, gewährleisten sowohl große Geschwindigkeiten und Turbulenzen als auch eine große Reaktionsoberfläche.
Nach dem Dalton´schen Absorptionsgesetz ist die Löslichkeit eines Gases in der Flüssigkeit proportional seinem Druck in der Gasphase. Die Löslichkeit für CO2 kann aus dem Absorptionskoeffizienten von Kohlendioxid (_=0,851 Ncm3/g*bar) und dem Partialdruck (1 bar) berechnet werden[16]:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Partialdrücke von Sauerstoff und Stickstoff sind im Verhältnis zum
Kohlensäurepartialdruck gering. Die im Wasser gelöste Luft wird durch das Imprägnierverfahren teilweise verdrängt. Ein erhöhter Druck wirkt sich positiv auf die CO2-Löslichkeit aus. In der Industrie werden bei der Karbonisierung Kohlendioxiddrücke von bis zu 6 bar verwendet, um einen CO2-Gehalt der Flüssigkeit von 12 g/l zu gewährleisten. Das Dalton´sche Absorptionsgesetz kann jedoch nur auf ideale Gase, d.h. für kleine Drücke, angewendet werden. Werden jedoch in der Getränkeherstellung geringe Imprägnierdrücke gewährleist, so sind nur kurze Druckentlastungszeiten und Vorspannzeiten bei der Herstellung bzw. Abfüllung der Getränke notwendig. Durch diese Maßnahme kann die Abfülleistung in der Getränkeindustrie erheblich gesteigert werden.
Der Absorptionskoeffizient stellt eine Funktion der Temperatur dar. Je niedriger die Temperatur ist, desto größer ist der Absorptionskoeffizient und somit die Löslichkeit des Gases. In Tabelle 3 sind die unterschiedlichen Löslichkeiten von CO2 in Abhängigkeit von der Temperatur bei normalem Luftdruck dargestellt. Da die Löslichkeit von CO2 bei sehr niedrigen Temperaturen besonders hoch ist, wird in der Schaumweinherstellung vor dem Imprägniervorgang die Flüssigkeit stark gekühlt. Auch während des Abfüllvorgangs von Schaumwein ist eine entsprechende Kühlung des Erzeugnisses von Vorteil. Kann eine Kühlung nicht erfolgen, so muß beim Anstieg der Temperatur auf die Flüssigkeit ein höherer Druck ausgeübt werden.
Tabelle 3
Löslichkeit von CO2 in Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur[20]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Eine gute Entlüftung des Wassers bzw. des Getränks ist Voraussetzung für eine innige Bindung der Kohlensäure. Darüber hinaus kann bei hohem Luftanteil des Wassers dieser nach der Druckentlastung bzw. nach dem Abfüllen spontan entweichen. Das bei dieser Reaktion mitgerissene CO2 führt zur Schaumbildung und hat eine Absenkung der Abfülleistung zur Folge. Darüber hinaus sinkt mit dem Überschäumen der CO2- Gehalt der Flüssigkeit.
In der Praxis ist oft nach der Enteisung das Wasser mit Luft gesättigt. Durch Abfüllapparate mit Vorevakuierung und CO2-Vorspann der Flasche können niedrige Sauerstoff- bzw. Luftwerte erreicht werden[20].
Die Zusammensetzung des verwendeten Wassers mit seinen verschiedenen Inhaltsstoffen kann auch das Bindungsvermögen von Kohlendioxid beeinflussen. Die im Wasser befindlichen Mineralien, Essenzen und gelösten Fremdgase gehen mit dem CO2 eine mehr oder weniger feste Bindungen ein, die entscheidend für die CO2- Sättigung des Wassers sind. Ein hoher Mineralsalzgehalt im zu imprägnierenden Wasser kann das Phasengleichgewicht verändern und die maximal lösbare CO2- Menge verringern. Mineral-, Quell- und Brunnenwasser sind nicht chemisch rein, sondern enthalten vielfältige gelöste Mineralsalze. Diese Salze können mit dem CO2 chemisch reagieren. Es entstehen z.B. Karbonate.(Mineral) Auch der Extraktgehalt hat Einfluß auf das Lösungsvermögen von CO2. Bei Schaumweinen steigt mit niedriger werdendem Extraktgehalt die Löslichkeit von CO2. Je niedriger der Extraktgehalt, desto länger kann der Sekt im Glas perlen.
2.5.2. Schaumpositive Inhaltsstoffe
Die für den Bierschaum wohl bedeutendste Substanzgruppe ist die der Polypeptide. Das Molekulargewicht, die Struktur und die Hydrophobizität der hochmolekularen Eiweißfraktionen der verwendeten Gerste sind für die Schaumausprägung ausschlaggebend. Ein Eiweißgehalt von 9,5 % bis 11 % erhöht die Schaumeigenschaften. Als Ergebnis verschiedener Versuchsreihen konnte ein Zusammenhang zwischen den Schaumwerten und dem Gesamt- und koagulierbaren Stickstoff der Würze des Bieres festgestellt werden[12]. Eine gute Korrelation zwischen Eiweiß- Stickstoff- Gehalt und Schaumzahl (nach Ross & Clark) wurde bei einem Molekulargewicht von 10000 bis 60000 Dalton gefunden[29]. Die Fraktion über 60000 besitzt keine eindeutig schaumpositiven Eigenschaften.
Auch in der Schaumweinherstellung sind oberflächenaktive Stickstoffverbindungen an der Schaumausprägung beteiligt. Stickstoffverbindungen, wie Aminosäuren und Eiweiße, findet man in allen Teilen der Rebe. Höhermolekulare Eiweiße setzen die Grenzflächenspannung zwischen Gasblasen und Flüssigkeit (z.B. Sekt oder andere Schaumweine) herab. Sekt kann unter diesen Bedingungen länger perlen und ein gutes Mousseux ausbilden.
Die Gruppe der schaumpositiven Stickstoffverbindungen ist jedoch keine homogene Gruppe. In vielen Getränken kommt sie in Verbindung mit Polyphenolen, Bitterstoffen und Kohlenhydraten vor. Bitterstoffe besitzen z.B. ein gutes Haftvermögen am Bierglas und können dadurch die Schaumeigenschaften positiv beeinflussen. Kohlenhydrate können sich durch Bindung an Polypeptide an der Flüssigkeitsoberfläche als Glycoproteine anreichern und durch ihre sperrige Struktur zur Verbesserung der Schaumwerte beitragen. Glycoproteide sind Eiweiß-Zucker-Verbindungen, die durch ihren Kohlenhydratrest die Oberflächenviskosität des Films der Schaumblasen erhöhen. Durch den oberflächenaktiven Molekülteil gelangen die Glycoproteide an die Blasen- bzw. Flüssigkeitsoberfläche. Je größer die Viskosität einer Flüssigkeit ist, um so mehr Widerstand wird ihr beim Zurücklaufen entgegengesetzt. Durch diesen Vorgang wird die Schaumstabilität verbessert und der Flüssigkeitsablauf aus den Schaumlamellen verzögert[7].
Der Zusammenhang zwischen dem Vorhandensein saurer Polysaccharide und einem erhöhten Schaumbildungsvermögen alkoholischer Getränke wurde bereits 1985 nachgewiesen[30]. Bei neueren Untersuchungen von Cider wurde festgestellt, daß auch 1-Propanol eine schaumpositive Wirkung besitzt[31]. Pentosane, ß-Glucan und Gerstengummistoffe erhöhen ebenfalls die Viskosität des Produktes und können die Schaumhaltbarkeit verlängern. Darüber hinaus treten sie als Schutzkolloide in Erscheinung. Kolloide können sowohl schaumpositiv als auch schaumnegativ wirken. Sie sammeln sich in größeren Mengen an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas an. Längere Kolloide können ein hydrophiles und ein hydrophobes Ende besitzen. Sie sind aber auch elektronegativ und elektropositiv. Es wird vermutet, daß kolloidale Weinbestandteile an der Grenzschicht miteinander chemische Verbindungen eingehen. Diese entstandenen unlöslichen Verbindungen können eine feste Haut bilden, die die Gasblasen umschließen und die Viskosität erhöhen. Die Vielzahl der Kolloide im Wein bietet Hypothesen verschiedenster Art reichlich Nährboden. Bis zu diesem Zeitpunkt konnte jedoch keine dieser Hypothesen durch exakte Untersuchungen sicher und zuverlässig bewiesen werden[14].
Auch die _-Säurewerte liefern Hinweise auf die Schaumstabilität. Iso-_-Säuren bewirken durch eine Erhöhung der Oberflächenviskosität eine Verbesserung der Schaumhaltbarkeit. Ein hoher Anteil an nichtisomerisierten _-Säuren ist dagegen vermutlich Indikator für eine ungenügende Ausscheidung an schaummindernden Stoffen[12].
Hochmolekulare Eiweißabbauprodukte mit einer Molekülgröße zwischen 10000 und 60000 Dalton sind oberflächenaktive Stoffe, die in der Lage sind, ein elastisches Häutchen zu bilden. Die hohe Hydrophobizität der höhermolekularen Eiweiße wirkt sich positiv auf den Bierschaum aus. Auch Hopfenbitterstoffe, Melanoidine und Polyphenole sind oberflächenaktive Stoffe. Durch Komplexbildung mit den Eiweißstoffen verstärken sie das von den Eiweißen gebildete Häutchen. Der kompakte Schaum dunkler Biere bestätigt den positiven Einfluß der Melanoidine. Niedermolekulare, grenzflächenaktive Stoffe setzen die Oberflächenspannung herab und erleichtern die Schaumbildung. Ethylalkohol kann aus diesem Grund in bestimmten Grenzen die Schaumbildungseigenschaften verbessern. Ethylalkohol ist jedoch durch seine Eigenschaften nicht in der Lage, den Schaum stark zu stabilisieren[3]
Eine signifikante Korrelation ließ sich zwischen der Stammwürze und der Schaumhaltbarkeit feststellen. Demnach verbessert sich die Schaumhaltbarkeit mit steigender Stammwürze. Durch eine Methode zur Bestimmung von Schaumproteinen mit Hilfe immunchemischer Technik (ELISA-Methode) konnte eine Korrelation zwischen dem Schaumproteingehalt und dem jeweiligen Bierschaum festgestellt werden[32]. Die Schaumfestigkeit kann durch die Verbindung von Proteinen und Isohumulonen enorm gesteigert werden[33].
In der alkoholfreien Getränkeherstellung sind es vor allem die Cola- oder Bittergetränke, die zu einer ungewünschten Schaumbildung neigen. Im Abfüllprozeß von Zitronenlimonaden werden die Schaumstoffe des Zuckers für die Schaumbildung verantwortlich gemacht. Der Zucker sollte daher vor seiner Verwendung gekocht bzw. abgeschäumt werden[34]. Auch bei der Zugabe bestimmter Zitronenessenzen kann eine erhöhte Schaumneigung beobachtet werden. Der Grund für diese Phänomene sind vor allem die ätherischen Öle, wie z.B. Terpene und Alpha- und Beta-Pinen, die durch zu wenig Alkohol in der Essenz nicht gelöst sind. Diese Stoffe bilden in der Flüssigkeit aktive Desorptionskeime für das gelöste CO2[16].
Der Kohlensäuregehalt hat bei allen CO2-haltigen Getränken eine große Bedeutung für die Schaumbildung bzw. für die Schaumhaltbarkeit. Steigt die Kohlensäurekonzentration in den Grenzen von 4 bis 5 g/l, so erhöht sich auch die Schaumhaltbarkeit proportional. Wenn genügend oberflächenaktive Substanzen in dem Getränk vorhanden sind, können sich auch mehr als 5 g/l CO2 positiv auswirken. Auf den Einfluß von CO2 auf die Schaumeigenschaften wurde bereits im Kapitel 2.6.1.: Kohlendioxid ausführlich hingewiesen.
2.5.3. Schaumnegative Inhaltsstoffe
Schäume werden durch Stoffe zerstört, die aufgrund ihrer Hydrophobizität schaumpositive Substanzen von der Gasblasenoberfläche verdrängen, ohne selbst einen stabilen Film bilden zu können. Schaumnegative Substanzen können aber auch Stoffe sein, die die Oberflächenspannung des Wassers erhöhen.
Niedermolekulare Stickstoffverbindungen verdrängen beim Bierschaum die Polypeptide aus dem häutchenbildenden Film an der Oberfläche. Bei Überschreiten eines bestimmten Wertes führen bestimmte Mengen an Aminosäuren, Alkohol oder Gärungsnebenprodukten zum Zusammenbrechen der Schaumlamellen. Die Schaumstabilität geht verloren. Eine hohe Konzentration an hydrophilen Aminosäuren bewirkt eine erhebliche Verminderung der positiven Schaumeigenschaften. Die Anwesenheit von hydrophoben Aminosäuren hat jedoch keinen großen negativen Einfluß. Alkoholfreie Biere weisen im Durchschnitt eine sehr gute Schaumhaltbarkeit auf. Durch den fehlenden Alkohol werden trotz der geringen Stammwürze und einem höheren wirklichen Extrakt gegenüber Vollbieren gute Werte bei der Schaumhaltbarkeit gemessen. Die Wirkungsweise von Alkohol ist jedoch ambivalent. Alkoholgehalte bis zu 10 % sind nicht schaumschädigend[8].
Eine weitere Stoffklasse, die sich negativ auf die Schaumhaltbarkeit des Bieres auswirkt, sind die Peptide. Hierzu zählen Glyceride, Stearine, Polyphenole und mittelkettige Fettsäuren. Schon 0,2 mg/l Mono- und Diglyceride wirken schaumstörend. Auch Sterine (ab 0,5 mg/l), gesättigte höhere Fettsäuren (ab 1 mg/l) und ungesättigte Fettsäuren (ab 0,3-0,5 mg/l) setzen die Schaumhaltbarkeit erheblich herab[33].
Die bei der Gärung entstandenen niedrigen freien Fettsäuren verschlechtern ebenfalls die Schaumeigenschaften. Die gesättigten, ungesättigten und freien Fettsäuren stammen in der Regel aus dem Sudhaus oder von der Hefe. Eine Schädigung der Schaumhaltbarkeit und des Schaumhaftvermögens kann durch das Entstehen einer Trübung aus Fettsäuren und Neutrallipiden eintreten. Diese Trübung entsteht beim Abziehen der Würze von unten bzw. beim Abläutern. Höhere Fettsäuren und Neutrallipide gelangen durch unzureichende Entfernung des Heißtrubs in den Gärprozeß. Auch in Verbindung mit Triglyceriden können sich die Neutrallipide (z.B. Phospholipide) schaumnegativ verhalten. Die Lipide verdrängen die Stickstoffsubstanzen als Schaumträger aus den Schaumblasen.
Biere mit gerbstoffärmeren Extrakten liefern stets bessere Schaumwerte als Extrakte mit hoher Gerbstoffkonzentration. Bestimmte Oxydationsstufen der Gerbstoffe und Anthocyanogene können eine Koagulation hervorrufen, die sich negativ auf die Schaumhaltbarkeit auswirkt. Das Verringern der Konzentration von Kolloiden, wie z.B. Eiweißgerbstoffverbindungen, Gummistoffe oder Hopfharze, verbessert die chemisch- physikalische Haltbarkeit, wirkt sich jedoch negativ auf das Schaumvermögen aus[13].
Auch die Zusammensetzung des Brauwassers bei der Bierherstellung hat einen indirekten Einfluß auf das Erscheinungsbild des Bierschaums. Eine hohe Restalkalizität erhöht den Maische-pH-Wert und verschlechtert damit die Schaumhaltbarkeit. Die Schaumstabilität kann auch durch Lysophosphatidylcholine (LCP) herabgesetzt werden. Die Konzentration der im Getreide als Amylose-Einschlußverbindungen vorkommenden LCP kann durch die Temperaturführung beim Maischprozeß reguliert werden[11].
Zitronenlimonaden enthalten zwar Zitronensäure und Alkohol (als Lösungsmittel in den Essenzen), die schaumpositiv wirken, geringste Mengen von Zitronenöl heben diese Eigenschaften jedoch wieder auf. Die aus dem Zitronenöl stammenden Terpene wirken bei Zitronenlimonaden schaumzerstörend. Bei trüben Limonaden entsteht während des Abfüllvorgangs verhältnismäßig wenig Schaum. Diese Limonaden enthalten ca. zwanzigmal soviel Terpene wie klare Limonaden. Die schaumbildenden Stoffe werden durch diese Inhaltsstoffe paralysiert und eine Abfüllung kann unproblematisch verlaufen[34].
In der Sekt- bzw. Champagnerherstellung sind die oben genannten Polyphenole unerwünschte Substanzen. Aus dem Saft und dem Fruchtfleisch der Trauben werden mit 100 bis 200 mg/l die "nichtflavonoiden" Polyphenole gebildet. Die unerwünschten "flavonoiden" Polyphenole kommen aus den Schalen, Kernen und Stielen der Trauben. Die Konzentration der unerwünschten Polyphenole (z.B. Leukoanthocyane, Catechine oder Gerbstoffe) steigt von ca.
20 mg/l auf über 100 mg/l, wenn das Lesegut unsachgemäß gelagert und verarbeitet wurde. Diese Stoffe können beim Schaumwein das Mousseux erheblich stören.
2.5.4. Schaummittel
Das Gleichgewicht zwischen schaumpositiven und schaumnegativen Substanzen kann mit Hilfe von Schaummitteln zugunsten einer guten Schaumausprägung verschoben werden. Der Einsatz von Schaummitteln bei der Bierherstellung ist in Deutschland gesetzlich verboten. In Ländern ohne Reinheitsgebot dürfen sie jedoch verwendet werden. Die Einteilung der Schaummittel, die den Bierschaum stabilisieren, kann in drei Gruppen erfolgen[35]:
a) Metallsalze
Schon 1936 konnte die schaumpositive Wirkung von verschiedenen Metallsalzen nachgewiesen werden. Versetzt man Bier mit Eisensalzen, ist eine deutliche Verbesserung der Schaumstabilität zu erwarten. Nach einiger Zeit verfärbt sich jedoch der Schaum durch Oxydationsvorgänge bräunlich. Der Biergeschmack wird durch die Zugabe der Salze leicht verändert. Auch die Kombination mit anderen Schwermetallen, wie Nickel oder Kobalt mit hochmolekularen Eiweißverbindungen, führt zu einer Verbesserung der Schaumeigenschaften. Die gebildeten Verbindungen sind in der Lage, das für die Schaumbildung notwendige Häutchen widerstandsfähiger zu machen. Aus gesundheitlichen Gründen sollten Kobalt- oder Nickelsalze jedoch nicht verwendet werden[13].
b) Eiweißstoffe
Eiweißstoffe können durch ihre oberflächenaktiven Eigenschaften positiv auf die Schaumausprägung wirken. Durch die Zugabe von 5 bis 10 g/hl Albumosen oder ca. 50 mg/l Gelatine kann die Schaumhaltbarkeit verbessert werden. Der erhöhte Eiweißgehalt hat unter Umständen negative Auswirkungen auf die Bierstabilität.
c) Hochmolekulare Nichteiweißstoffe
Ein Zusatz von Agar-Agar oder Alginsäure kann die Wirkung der schaumnegativen Inhaltsstoffe ebenso kompensieren wie ein Zusatz von Gummiarabicum. Durch diese hochmolekularen Nichteiweißstoffe wird die Viskosität der Flüssigkeit wesentlich erhöht. Auch dem Propylenglykolalginat wird ein positiver Einfluß auf den Bierschaum zugeschrieben. Durch die Zugabe von Alginatpräparaten verbessert sich jedoch bei nichtpasteurisierten Bieren lediglich der Anfangsschaumwert, der auf Grund enzymatischer Vorgänge negativ beeinflußt wurde. Die spätere Schaumverschlechterung gegenüber pasteurisierten Bieren kann hingegen nicht beeinflußt werden[36].
2.6. Technologische Einflußfaktoren auf die verschiedenen Schaumformationen
2.6.1. Bierschaum
Der Konsument erwartet von dem hergestellten Erzeugnis einen gleichbleibend gut ausgeprägten Bierschaum. Die Forschung beschäftigt sich diesbezüglich mit den Bierinhaltsstoffen, aber auch mit technologischen Maßnahmen, die während der Herstellung die Schaumqualität positiv beeinflussen. Schaumfördernde technologische Maßnahmen können sich jedoch auf andere Eigenschaften des Bieres, wie z.B. die Filtrierbarkeit und Eiweißstabilität, negativ auswirken. Es gilt, das richtige Maß für den Einsatz technologischer Einflußfaktoren zu finden.
a) Die Rohstoffe
Das Schaumvermögen eines Getränkes hängt unmittelbar mit der gewissenhaften Auswahl der erforderlichen Rohstoffe sowie einer fachgerechten Verarbeitung zusammen. Beim Bier ist das Malz der Hauptlieferant der schäumenden Substanzen. Die schaumpositiven Polyphenole stammen zu 70-90 % aus dem Malz. Der Anteil der löslichen Polyphenole steigt mit einer intensiveren Ausdarrung.
Aus den Sommergersten Nymphe und Hydra entstehen Biere mit guten Schaumeigenschaften. Der schlechte Schaum von Bieren aus Wintergerstenmalz ist auf den höheren Anteil an schaumnegativen Substanzen zurückzuführen.
Verschiedene Autoren haben die positive Beeinflussung des Bierschaums durch knapp gelöstes Malz aufgezeigt[37][38][39]. Der Grund für die positive Beeinflussung kann in dem wesentlich höheren Anteil der hochmolekularen Substanzen gesehen werden. Andere Autoren zeigen jedoch, daß bessere Schaumeigenschaften im Bier durch eine gute Lösung der verwendeten Malze erreicht werden können. Die gute Schaumhaltbarkei[40]. Durch den Zusatz von Spitzmalz kann die Viskosität erhöht und das Schaumvermögen positiv beeinflußt werden. Schaumpositive Malze haben jedoch oft Nachteile bezüglich der Extraktausbeute, der Trübungsneigung und der Filtrierbarkeit der Würze.
Bei der Bierherstellung soll die verwendete Hefe ein gutes Schaumbildungsvermögen bzw. eine gute Schaumhaltbarkeit gewährleisten. Im Vergleich zu Staubhefen können Bruchhefen bessere Schaumwerte aufweisen. Hefen verlieren durch ungenügende Vermehrung, verspätete Ernte oder Schädigung durch unsachgemäße Lagerung ihre guten Schaumeigenschaften.
Das Wasser hat im Gegensatz zu den oben genannten Rohstoffen einen eher geringen Einfluß. Das für den Brauvorgang verwendete Wasser sollte eine Restalkalität unter 5o dH aufweisen, um einen günstigen pH-Wert gewährleisten zu können[41].
b) Der Herstellungsproze ß
Neben den verwendeten Rohstoffen hat auch das eingesetzte Gärverfahren Einfluß auf die Schaumqualität. Gärtemperatur, Angärtechnologie, Nachgärung und die Anzahl der zugegebenen Hefezellzahlen sind diesbezüglich entscheidende Parameter. Die Anwendung wärmerer Gärtemperaturen oder eines höheren Drucks sind negativ zu bewerten. Durch die Gärtemperatur werden aber nicht nur die Eigenschaften des Schaumes, sondern auch der Geschmack des Bieres beeinflußt.
Positiv auf die Schaumeigenschaften wirken sich dagegen eine gute Würzebelüftung ( > 6 mg O2/l) und eine Gärtemperatur von ca. 9 oC aus. Eine geringe CO2- Anreicherung führt bei der kalten Gärung zu einem pH-Abfall und in der Regel zu einer Schaumverbesserung[12]. Nachteilig auf den Schaumhaltbarkeit wirken sich schlanke Gärgefäße aus[41].
Bei der Südhausarbeit fördern niedrige Einmaischtemperaturen von 50 bis 52 oC, ausgeprägte Rasten im Bereich von 45-55 oC bzw. ein niedriger Maische-pH-Wert den Abbau von Proteinen und der Stütz- und Gerüstsubstanzen. Gleichzeitig verringert sich die Konzentration der schaumpositiven Substanzen wie Glycoproteine, ß-Glucane und des hochmolekularen Stickstoffs. Bei hohen Einmaischtemperaturen von 60 bis 65 oC werden prozentual mehr hochmolekulare Eiweißprodukte gebildet. Besonders günstige Schaumwerte konnten bei einer Rast bei exakt 70 oC gemessen werden[7]. Ein Zusatz von Hefe oder Kieselgurrückständen zur Maische hat keinen Einfluß auf die Schaumhaltbarkeit.
Der Prozeß des Würzekochens beinhaltet zwei gegenläufig wirkende Prozesse. Bei einer längeren Würzekochung kommt es zu einer Ausfällung von koagulierbarem Stickstoff. Dieser Vorgang hat neben den negativen Auswirkungen auf die Filtrierbarkeit bzw. auf die Trübungsneigung auch schaummindernden Charakter. Darüber hinaus führt jedoch die Erhöhung des Isomerisierungsgrades der _-Säuren zu besseren Schaumwerten[33]. Mit dem neuen Kochverfahren "Merlin" konnte hinsichtlich der Schaumeigenschaften eine Verbesserung um 7-10 Punkte nach Ross & Clark erreicht werden. Vermutlich werden die schaumpositiven Stickstoffsubstanzen durch dieses Verfahren geschont[42].
Erfolgt die Kühltrubabtrennung mittels Flotation, werden bessere Schaumwerte gemessen. Bei diesem Vorgang wird Luft in der gekühlten und vorgespannten Würze gelöst. Im Flotationstank entbindet sich das Gas aus der übersättigten Lösung. Die entstandenen Gasblasen verbinden sich mit den Kühltrubspartikeln und bilden eine Schaumdecke. Bei der Verbesserung der Schaumwerte um 1-4 Schaumpunkte könnte die Ausscheidung von Lipiden an der Schaumdecke eine Rolle spielen. Im Gegensatz zur Kaltbelüftung ergab eine Heißbelüftung eine Verringerung um bis zu 9 Schaumpunkten[33].
Für das Erreichen guter Schaumwerte sollte auf die Behandlung mit Bentonit oder proteolytischen Enzymen, verzichtet werden. Stabilisierungsmittel, wie Alkalibentonite oder Enzyme verringern das Schaumvermögen des Bieres. Stoffe wie Fette, Öle bzw. Detergentien sollten auf Grund ihrer schaumnegativen Wirkung selbst in Spuren nicht in das Erzeugnis gelangen[12]. Auch die Verwendung von ölhaltiger Druckluft oder ölhaltigem Dampf werden als Ursachen für einen schlechten Schaum angegeben.
Hefen, die zu lange im Bier verweilen, exkretieren neben basischen Aminosäuren, Phosphaten, Nucleotiden und proteolytische Enzymen auch C6- bis C12-Fettsäuren [13]. Neuere Untersuchungen können die durch die Gärung bzw. durch die wärmere Lagerung bedingten negativen Einflüsse auf den Schaum nicht unmittelbar auf die Exkretion von mittelkettigen Fettsäuren durch die Autolyse der Hefe zurückführen [29][36]. Zürcher stellte bei Untersuchungen fest, daß der gefundene Fettsäureanstieg nur für die Abnahme von weniger als 20 Schaumpunkten verantwortlich war. Die tatsächlichen schlechteren Schaumwerte konnten allein mit den ausgeschiedenen Fettsäuren nicht erklärt werden. Während der Gärung und Reifung bzw. Lagerung wird von der Hefe Proteinase A exkreditiert. Hefe besitzt ein vergleichsweise geringes pH-Optimum und eine mäßige thermische Stabilität. Bei einem pH-Wert von 3,0 bis 5,0 baut sie schaumpositive Substanzen (z.B. Schaumproteine) ab und trägt zur Verschlechterung der Schaumeigenschaften bei. Bei Untersuchungen zeigte sich, daß die Schaumstabilität des Bieres um so schlechter ist, je höher die enzymatische Aktivität der Proteinase A befunden wurde[32]. Es ist zu vermuten, daß sich die Enzyme erst allmählich gegen Ende der Gärung bilden und an das Hefewachstum gekoppelt sind. Die Menge der freigesetzten mittleren Fettsäuren dient dabei als Indikator für die Autolyse der Hefe.
In der Literatur finden sich jedoch auch Angaben, die keinen Zusammenhang zwischen der Menge der Proteinasen im Bier und den Schaumwerten zulassen[9]. Reichenberger und Narziß begründeten die Schaumverminderung mit einer hohen Proteinaseausscheidung und den damit verbundenen Abbau schaumpositiver Polypeptide. Den Nachweis führten sie an Hand der Abnahme des mit Magnesiumsulfat fällbaren Stickstoffs[29].
Bei eiweißhaltigen Schäumen können die schaumpositiven Eigenschaften von
Proteinen durch physikalische bzw. chemische Modifikationen verbessert werden.
Eine partielle enzymatische Hydrolyse, die Einführung geladener oder neutraler Gruppen oder eine partielle thermische Denaturierung, wirkt sich meist positiv auf die Schaumbildung bzw. Schaumstabilität aus. Auch der Zusatz stark basischer Proteine steigert vermutlich die Assoziation des Proteins in den Filmen. Je schneller das Proteinmolekül zur Grenzfläche diffundieren und denaturiert werden kann, um so größer wird die Fähigkeit zur Schaumbildung ausgeprägt. Faktoren, die diese Fähigkeit beeinflussen, sind das Molekulargewicht und die Oberflächenhydrophobität.
Die Assoziation wird durch eine geringe Nettoladung begünstigt. Daher sollte der pH-
Wert des Systems möglichst im Bereich des isoelektrischen Punktes der beteiligten Proteine liegen[11].
c) Lagerung
Bei der Aufbewahrung von Bier kommt es bei hohen Lagertemperaturen von 25-30 oC zu einer mehr oder weniger starken Abnahme des Schaumes. Die Lagerung der abgefüllten Flaschen sollte daher bei niedrigen Temperaturen erfolgen. Das Bieralter selbst hat keinen signifikanten Einfluß auf die Schaumhaltbarkeit von pasteurisierten Bieren. Die meisten Biere weisen noch nach einer Aufbewahrungsdauer von 6-8 Monaten eine Schaumhaltbarkeit auf, die der von frischen Bieren gleichwertig ist. Bei der Messung der Schaumhaltbarkeit von älteren Bieren erhält man sowohl durch die NIBEM-Methode als auch bei der Methode nach Ross & Clark sehr niedrige Werte. Der durch den freien Fall entstandene Schaum älterer Biere unterscheidet sich jedoch nicht von dem jüngerer Biere. Der Grund für die unterschiedlichen Meßwerte konnte noch nicht hinreichend erklärt werden[8].
Im Gegensatz zu kurzzeiterhitzten oder pasteurisierten Bieren (wie oben beschrieben) kommt es nach der Lagerung von nichtpasteurisierten regelrecht zu einer Alterung der Schaumeigenschaften[36]. Die Halbwertszeiten des Schaumes von pasteurisierten gegenüber nichtpasteurisierten Bieren können um 0,7 bis 3 % pro Woche abnehmen. Durch den Pasteurisationsvorgang werden die im Bier befindlichen Proteinasen zerstört und können auf den Schaum keinen negativen Einfluß mehr ausüben. Der Wirkungsweise der Enzyme ist lange Zeit nicht genug Aufmerksamkeit geschenkt worden. Ein Grund ist sicherlich in der weiten Verbreitung des Pasteurisationsvorgangs bei der Bierherstellung zu suchen, der diese Enzyme inaktiviert[29].
Gute Schaumzahlen lassen sich nur mit sehr gut nachgespülten Gär- und
Aufbewahrungsbehältern erreichen. Verunreinigung oder Reinigungsmittelrückstände müssen aus dem Leitungssystem vollständig entfernt werden. Auch beim Verbraucher können schlecht gereinigte Bierleitungen und ungeeignete Ausschanktemperaturen zu einer Verschlechterung des Bierschaumes führen.
d) Abfüllung
Das blasenfreie Weiterleiten des Bieres im Herstellungs- und Abfüllprozeß ist Voraussetzung für den Erhalt der guten Schaumeigenschaften des Bieres. Häufig sind es Druckschwankungen im Abfüllprozeß, die sich negativ auf die Schaumeigenschaften von Bier auswirken. Auch beim Bierausschank führt eine Unterschreitung des Kohlensäuredruckes im Leitungssystem zu einer Verschlechterung der Schaumeigenschaften. Ein Verschneidbock ist eine Vorrichtung, die einen nahtlosen Übergang von einem Tank zum anderen vornimmt und dem Füller zuleitet. Mit Hilfe dieser Vorrichtung können verschiedenen Biere miteinander blasenfrei verschnitten werden.
Während der Entlüftungsphase steigt vor allem im Sommer die Temperatur der Flüssigkeit. Diese Temperaturerhöhung vollzieht sich jedoch im Tank nicht gleichmäßig und führt zu einer unruhigen Abfüllung bzw. erhöhter Schaumbildung. Die reguläre Füllhöhe der Flaschen kann nicht mehr erreicht werden. Um einen reibungslosen Abfüllprozeß zu garantieren, ist die Kühlung der Abfüllanlage zu gewährleisten.
2.6.2. Mousseux
Schaumweinmarken sind als Warenzeichen eingetragen. Durch diese Eintragung garantiert der Hersteller, daß der bezeichnete Artikel unabhängig von Zeit und Ort des Kaufes stets die gleiche Qualität besitzt. Jahrgangsbedingte Qualitätsschwankungen müssen durch die "Winzerkunst" weitgehend ausgeglichen werden. Das Mousseux eines Schaumweines wird wesentlich von den verwendeten Rohstoffen und den technologischen Faktoren während der Herstellung bestimmt. Aber auch äußere Bedingungen beim Ausschank können ein ursprünglich gutes Erscheinungsbild sehr stark negativ beeinflussen. Bis heute kann man das Bild des Mousseux jedoch durch technologische Maßnahmen noch nicht gezielt beeinflussen. Aus diesem Grund ist es um so wichtiger, die für die Schaumweinherstellung benötigte Rohstoffqualität zu gewährleisten.
a) Rohstoffe
Bei der Champagnerherstellung wurde schon frühzeitig erkannt, daß durch unsachgemäße Lese und Lagerung die Schalen der Trauben zerstört werden können und Polyphenole vermehrt in den Most gelangen. Dom Pèrignon achtete schon im Jahre 1700 auf den schonenden Umgang mit den Trauben, so daß die Schalen bis zuletzt verschont blieben. Wenn das Lesegut unsachgemäß gelagert bzw. verarbeitet wurde, kann die Konzentration der unerwünschten Polyphenole, wie z.B. Leukoanthocyane, Catechine oder Gerbstoffe, auf über 100 mg/l ansteigen. Diese Substanzen wirken sich negativ auf die Ausprägung des Mousseux aus.
b) Lagerung und Ausschank
Vor dem Ausschank benötigen Sekt- bzw. Champagnerflaschen eine Ruhephase. Die Flaschen werden während dieser Zeit liegend gelagert. Die Ausschanktemperatur beträgt 8 bis 10 oC. Grundsätzlich sollten die Sekt- bzw. Champagnerflaschen vorsichtig geöffnet werden. Ein gereinigtes und spülmittelfreies Glas ist bereitzustellen. Ein blasenfreies Einschenken kann durch die stark geneigte Haltung des Sektglases und das langsame, wirbelfreie Eingießen des Sektes realisiert werden. Die durch das Einschenken des Schaumweines an die Oberfläche gelangten grenzflächenaktiven Substanzen bewirken eine deutliche Verminderung der Oberflächenspannung. In einem bestimmten Rahmen gilt: Je kleiner die Oberflächenspannung, desto schwächer ist das Erscheinungsbild des Mousseux.
Schon bei der Anwesenheit kleinster Mengen von Reinigungsmitteln (z.B. Pril) kann sich die Grenzflächenspannung deutlich vermindern[19]. Zurückgebliebene Spülmittelreste im Sektglas verhindern grundsätzlich die Entfaltung des Mousseux. Die Gläser sollten nach dem Waschgang mit klarem Wasser nachgespült und an der Luft getrocknet werden. Durch die Benutzung von Geschirrtüchern können feine Fasern und Fettspuren an der Glaswand zurückbleiben, die sich ebenfalls negativ auf das Mousseux auswirken können. Ein langsamer Gasaustritt aus der Flüssigkeit gibt einen Hinweis auf ein gutes Mousseux und das Vorhandensein von einer erhöhten Konzentration schaumbildender Stoffe bzw. Substanzen, die eine Gasdiffusion verzögern. Auch die Form und die Beschaffenheit der Oberfläche des benutzten Sektglases spielen bei der Entfaltung des Mousseux eine wesentliche Rolle. Es werden in der Regel hohe Gläser, die am Grunde mit einer feinen Aufrauhung versehen sind (Moussierpunkt), benutzt.
2.6.3. Gushing
Das Entstehen des Gushingphänomens kann in seinen Einzelheiten noch nicht vollständig geklärt werden. Trotzdem wird versucht, die Gushingwahrscheinlichkeit aller Getränke zu minimieren. Vor allem im Herstellungsprozeß sind die Ursachen für diese unerwünschte Erscheinung zu suchen, aber auch die Güte der Weinbeeren sowie die Wasserqualität spielen diesbezüglich eine Rolle.
a) Rohstoffe
Durch eine sachgerechte Weinlese, Weinbereitung und Schaumweinherstellung kann das unerwünschte Entweichen von CO2 minimiert werden. Die Gushingneigung von Bieren wird eindeutig durch den Zustand der Rohware bestimmt. Um den Gesamtphenolgehalt niedrig zu halten und dadurch das Entstehen einer Haut aus kondensierten oder polymerisierten phenolischen Verbindungen entgegenzuwirken, sorgt man bei der Lese und Lagerung für unverletzte Weinbeeren. Ein Befall der Gerste mit Schimmelpilzen (Fusarium graminearum und Fusarium culmorum), der durch ungünstige Witterungsbedingungen bzw. unsachgemäße feuchte Lagerung noch begünstigt wird, kann als Grund für das Auftreten des Gushings genannt werden. Es können jedoch weder die Ausscheidungsprodukte des Pilzes noch ein flüssiger Inhaltsstoff seiner Zellsubstanz für den Gushingvorgang verantwortlich gemacht werden. Über die genaue Wirkungsweise der Fusarienpilze ist bisher kaum etwas bekannt[15].
Oberflächenaktive Substanzen, wie z.B. hochmolekulare Eiweißabbauprodukte im Bier, bilden an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Luft eine zusammenhängende unlösliche Haut. Diese Haut gewährleistet auch nach längeren Ruhezeiten noch das Vorhandensein einer größeren Anzahl von Mikroblasen in der Flüssigkeit. Um die Gushingwahrscheinlichkeit zu minimieren, sollte man bemüht sein, die Bildung dieser Haut zu verhindern.
Auch Metallionen im Brauwasser haben Einfluß auf die Gushingneigung. Hier werden vor allem die Eisen- bzw. Nickelionen angegeben. Sie können mit dem Isohumulon einen oberflächenaktiven Komplex bilden, der in der Lage ist, die vorhandenen Mikroblasen zu stabilisieren. Diese Mikroblasen dienen, wie oben beschrieben, als Desorptionskeime für das Gushing. Eine Beigabe von Ethylendiamintetraessigsäure
(EDTA) führt zur Bildung eines besonders stabilen Komplexes, der das Gushing
unterbindet.
b) Herstellungsproze ß
Neben den verwendeten Rohstoffen sind aber auch die eingesetzten technologischen Faktoren für die Auftrittswahrscheinlichkeit des Gushings verantwortlich. Ein entscheidender Faktor für das Auftreten dieses Phänomens sind die oben beschriebenen Desorptionskeime. Grundsätzlich muß die Erzeugung von Mikroblasen bei der Getränkeherstellung vermieden werden, um die Entstehung von Makroblasen im Herstellungsprozeß bzw. beim Endverbraucher zu verhindern. Die Entfernung einmal eingebrachter Mikroblasen kann nur durch unerwünschten Blasenaufstieg erfolgen. Aber auch eingeschlossene Verunreinigungen können Desorptionskeime bilden. Pumpen und Rührwerk dürfen die Bildung bzw. das Einwirbeln von Luftblasen nicht unterstützen. Auch an Stopfbüchsen oder sonstigen Abdichtungen rotierender Achsen oder durch den Sogtrichter (bei niedrigem Flüssigkeitsstand) kann z.B. Luft in die Flüssigkeit gelangen. Rohrleitungen sollten nicht nur aus hygienischen Gründen dem Einlagern von Luftresten in tote Winkel bzw. Ecken von Ventilen oder Verschraubungen keinen Vorschub leisten.
In der Schaumweinherstellung wird bei der Entnahme der gefüllten Flaschen aus dem Füller der hohe Innendruck der Flasche erst auf normalen atmosphärischen Druck abgesenkt. Bei diesem Vorgang sinkt das Lösungsvermögen für CO2 in der Flüssigkeit erheblich. Beim Ablassen des Abfülldrucks des Schaumweins wird Kohlendioxid solange entweichen, bis der verbleibende CO2-Rest in der Flasche und das in der Luft enthaltene Kohlendioxid im Druckgleichgewicht stehen. Auch eine Einengung im Rohrsystem (Verjüngung) führt zu einer Absenkung des Gesamtdruckes und zu einem Anschwellen eventuell vorhandener Mikroblasen. In diese Mikroblasen kann CO2 eindringen und zu größeren Schaumblasen heranwachsen. Der entstandene Schaum behindert den Ablauf des Abfüllvorgangs erheblich.
Für den Abfüllprozeß sollten möglichst kurze Wege gewählt werden, um die Fließgeschwindigkeit gering zu halten. Das Gefälle beträgt in dieser Phase des Herstellungsprozesses 1 bis 1,5 %. Das verwendete Rohrmaterial hat eine glatte Innenfläche. So kann nicht nur den hygienischen Bestimmungen entsprochen, sondern auch die Entstehung bzw. Ansammlung von Gasblasen vermieden werden, die im Füller zu Komplikationen führen können. Für das Einfüllen des Erzeugnisses in die Flasche verwendet man möglichst ein langes Füllrohr, welches den Flüssigkeitsstrom an der Flascheninnenseite blasen- und wirbelfrei noch unten lenkt. Eine Flüssigkeit fließt um so ruhiger, je größer der Querschnitt und je geringer die Fließgeschwindigkeit ist. Die Fließgeschwindigkeit schwankt bei der Sektherstellung zwischen 0,5 m/s und 0,8 m/s. Unter diesen Voraussetzungen werden möglichst wenig Gasteilchen von der Glaswand der Flasche mitgerissen. Unter günstigen Voraussetzungen werden die Gase an der Flaschenoberfläche durch den einfließenden Schaumwein restlos verdrängt. Treten jedoch Verunreinigungen an der Glaswand auf, kann der Wein das Glas nicht vollständig benetzen. Unter den Verunreinigungen bzw. in feinen Rissen der Glaswand verbleiben Luftreste. Aus diesen Mikroblasen entsteht während der Entlastungsphase im Füller unerwünschter Schaum, so daß die Flasche nur teilweise gefüllt werden kann. Die im Herstellungsprozeß von Schaumweinen verwendeten Membran-Kerzen-Filter vor dem Füller halten vermutlich die Mikroblasen zurück und verhindern ein späteres Auftreten des Gushings[14]. Bei der Filtration von Schaumwein wird ein wesentlicher Teil der Schutzkolloide, wie z.B. Eiweiße, Polyphenole und Polysaccharide, von dem Erzeugnis getrennt. Die an der Grenzfläche konzentrierten Kolloide werden mit Mikroblasen im Filter festgehalten. Schutzkolloide behindern an der Grenzfläche die Diffusion des CO2- Gases. Kolloide gelten als eine Ursache des Gushings. Um ein ungewolltes Entweichen von CO2 bei der Filtration zu vermeiden, erfolgt dieser Vorgang in der Kälte. Durch die Kühlung wird jedoch die Filterleistung auf Grund der Erhöhung der Viskosität der Flüssigkeit vermindert.
c) Hilfsmittel
Um bei der Bierherstellung die Bildung von Calciumniederschlägen aus Calcium und Oxalsäure zu verhindern, sind bereits Vorbeugemaßnahmen im Sudhaus zu gewährleisten. Eine Zugabe von Calcium in Form von Calciumchlorid oder Calciumsulfat ist für eine Bildung von Calciumoxalat noch vor der Filtration zu empfehlen. Durch diese Maßnahme kann die nachträgliche Bildung des gushingfördernden Calciumoxalates weitgehend minimiert werden. Gibt man jedoch größere Mengen Calciumchlorid hinzu, kann beim Endprodukt ein "salziger" Beigeschmack auftreten. Kleinere Mengen sind geschmacklich jedoch unbedenklich [43]. Nach der Filtration sollte jede Zugabe von Calciumionen vermieden werden. Bei der Herstellung von Bier gelingt es nur bedingt, durch Zugabe von Stabilisierungsmitteln die Gushingneigung zu verhindern, ohne dabei gleichzeitig eine negative Beeinträchtigung der Bierqualität zu erreichen[12].
d) Lagerung und Ausschank
Die Gushingneigung reduziert sich erheblich, wenn man die Turbulenzen an der Flüssigkeitsoberfläche minimiert. Eine vollständig gefüllte Flasche zeigt keine Gushingneigung, da hier keine Grenzfläche zwischen einem flüssigen und einem gasförmigen Medium existiert. Mikroblasen können unter diesen Umständen nicht in die Flüssigkeit eingebracht werden. Die Wahrscheinlichkeit für das Entstehen von Gushing ist unter diesen Bedingungen gering[15]. Durch eine Druckerhöhung im Kopfraum der Flasche unmittelbar vor dem Öffnen kann auch starkes Gushing unterdrückt werden. Der höhere Druck zwingt die Mikroblasen in Lösung zu gehen. Eine Erhöhung der Temperatur hat eine ähnliche Wirkung. Auch die Trink- bzw. Ausschenktemperatur (z.B. von Schaumweinen) hat Einfluß auf die Gushingneigung. Schaumweine sollten bei 8 bis 10 oC gelagert bzw. ausgeschenkt werden. Bei dieser niedrigen Temperatur kann das Kohlendioxid langsam aus der Flüssigkeit entweichen. Die Wahrscheinlichkeit der Gushingbildung wird minimiert.
2.6.4. Schäume in alkoholfreien Getränken
Das Schaumvermögen von alkoholfreien Getränken ist recht unterschiedlich. Die Ursachen bzw. die Vermeidung des Schäumens sind bisher noch nicht hinreichend erforscht. Die alkoholfreien Getränke unterliegen jedoch bei der Schaumentstehung ähnlichen technologischen Einflußfaktoren bzw. Gesetzmäßigkeiten wie die alkoholischen.
Bei der Abfüllung von alkoholfreien Getränken kann es durch Verwirbelungen zum Einschluß von Luft und zu einer mäßigen bis heftigen Schaumentwicklung kommen. Bei der Druckentlastung gibt es hinsichtlich der Stabilität der Flüssigkeit jedoch ein bestimmtes Zeitphänomen: Nutzt man die Strahlendüsen-Imprägnierung für die Mischung von unimprägniertem Cola-Sirup mit imprägniertem Wasser, so kann man das Getränk ohne Zwischenpufferung sofort abfüllen. Die Stabilität der Flüssigkeit verändert sich jedoch, wenn man mit gleichem Imprägnierverfahren erst das fertig ausgemischte Cola-Produkt mit CO2 imprägniert. Die Cola muß vor der Abfüllung im Ausgleichskessel 20 bis 30 Sekunden zwischengepuffert werden. Vermutlich gerät durch die Turbulenzen die Struktur des Getränkes derart durcheinander, daß es einige Zeit dauert, bis die Hydratstruktur im Wasser wieder hergestellt wurde[16].
Apfelsaft wird daher nicht in turbulenter Strömung, sondern über Füllkörper-Kolonnen imprägniert, da sonst bei der Abfüllung eine unerwünschte Schaumbildung auftreten würde. Bei der Imprägnierung mittels Füllkörper-Kolonnen fließt das Produkt relativ langsam. Die Stabilität des Getränkes bleibt durch die auftretende laminare Strömung weitgehend ungestört. Im Abfüllprozeß verhindert eine langsame, mehrstufige Druckentlastung der Flasche das Überschäumen der Flüssigkeit. Der Druckentlastungsvorgang kann durch eine genügende Lagerung des Getränks im Vorratsbehälter verkürzt werden[18].
Die Minimierung von Desorptionskeimen in der Flüssigkeit wird u.a. durch die vollständige Entlüftung des Wassers gewährleistet. Für die Extrahierung aller Fremdgase ist es notwendig, die Partialdrücke dieser Gase möglichst gering zu halten. Die Entlüftung ist um so erfolgreicher, je höher das angelegte Vakuum ist. Auch die Temperatur hat Einfluß auf eine erfolgreiche Entlüftung. Mit steigender Temperatur der Flüssigkeit wird auch der Absorptionskoeffizient kleiner. Durch diesen Vorgang nimmt der Entlüftungsgrad der Flüssigkeit ab. Die Temperatur ist auch bei der Getränkeabfüllung eine entscheidende Größe. Bei CO2-haltigen alkoholfreien Getränken mit hoher Schaumneigung, wie Cola- oder Bitterlimonaden, erfolgt die Abfüllung bei Temperaturen von 4 bis 8 oC. Mit dieser Maßnahme kann der Getränkeverlust, in Folge einer Schaumbildung, gering gehalten werden. Schon bei einer Abfülltemperatur von 10 oC kann bei Zitronenlimonaden ein Leistungsverlust bis zu 20 % (bei kleinen Flaschen) entstehen[2].
2.7. Schlußfolgerungen aus der Theorie
Für die Untersuchung des Schaumverhaltens alkoholfreier Getränke war die Betrachtung der schon bekannten Schaumphänomene bei alkoholischen Getränken notwendig. Bei dem Vergleich der einzelnen Schaumformen, wie z.B. Bierschaum, Mousseux oder Gushing, konnte festgestellt werden, daß die Ursachen der jeweiligen Schaumentstehung Ähnlichkeiten aufweisen. Die Schaumentstehung selbst hängt vor allem von den in der Flüssigkeit befindlichen Inhaltsstoffen ab. Man unterscheidet die Inhaltsstoffe in schaumpositive bzw. schaumnegative Substanzen. Der Kohlendioxidgehalt des Getränkes hat ebenfalls großen
Einfluß auf die Entstehung des Schaumes. Für die Schaumhaltbarkeit sind bei allen beschriebenen Schaumarten die Größen "Oberflächenelastizität" und "Oberflächenviskosität" entscheidend. Das Vorhandensein schaumpositiver bzw. die Abwesenheit schaumnegativer Inhaltsstoffe eines Getränkes sind größtenteils von der Qualität der Rohstoffe abhängig. Darüber hinaus können jedoch technologische Maßnahmen zu einer Verschlechterung der Schaumeigenschaften oder zum ungewollten Hervortreten des Schaumes (Gushing) führen. Das Vorhandensein guter Schaumeigenschaften setzt die Auswahl qualitativ hochwertiger Rohstoffe, aber auch eine schonende Verarbeitung voraus.
Für die Messung der Schaumeigenschaften können verschiedenen Methoden angewandt werden. Die bekanntesten Meßmethoden sind u. a. die Ross & Clark-Methode, die NIMEMMethode und die Einschenkmethode. Die Methode des maximalen Blasendrucks, die Steighöhenmethode, die Tropfengewichtsmethode und die Abreißmethode sind die verbreitetsten Methoden zur Messung der Oberflächenspannung.
3. Literaturverzeichnis
[...]
1 RAMMERT, M; PAHL, M.H.: Entlastung der Flasche - Maßnahmen zur Vermeidung des Aufschäumens bei der Abfüllung CO2-haltiger Getränke - Teil 1. In: Getränkeindustrie Nr.12, 1992, 999 ff.
2 SCHOBINGER, U.: Frucht- und Gemüsesäfte - Handbuch der Lebensmitteltechnologie. Stuttgart: Eugen Ulmer GmbH, 1987.
3 TSCHEUSCHNER, H.-D.: Grundzüge der Lebensmitteltechnik. Hamburg: Behr`s Verlag, 1996.
4 FATH, R.; SOMMER, K.: Physikalische Aspekte der Schaumstabilität. In: Monatsschrift für Brauwissenschaft Nr.3, 1985, 116 ff.
5 EISENBRAND, G.: Römpp - Lexikon der Lebensmittelchemie. Stuttgart - New York: Thieme Verlag, 1995.
6 RUSANOV, A. I.: Phasengleichgewichte und Grenzflächenerscheinungen. Berlin: Akademie-Verlag, 1978.
7 NARZIß, L.; REICHENEDER, E.; BARTH, D.: Über den Beitrag von hochmolekularen Proteinfraktionen und Glykoproteiden zum Bierschaum. In Monatsschrift für Brauwissenschaft Nr. 9, 1982, 213 ff.
8 WEYH, H.; HAGEN,W.: Bieralter und Schaumstabilität. In: Brauwelt Nr.10/11, 1995, 513-518.
9 HAGEN, W.; WEYH, H.: Zur Bestimmung der Schaumhaltbarkeit und Schaumstabilität von Flaschenbier. In: Brauwelt Nr.42, 1992, 1980 ff.
10 BIKERMAN, J. J.: Foams. Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 1973.
11 BELITZ, H.-D.; GROSCH, W.: Lehrbuch der Lebensmittelchemie. Berlin: SpringerVerlag, 1992.
12 HEYSE, K.-U.: Handbuch der Brauerei-Praxis. Nürnberg: Getränke-Fachverlag, 1995.
13 NARZIß, L.: Abriß der Bierbrauerei. Stuttgart: Ferdinand Enke Verlag, 1995.
14 TROOST, G.; BACH, H. P.; RHEIN, O. H.: Sekt, Schaumwein, Perlwein. Handbuch der Lebensmitteltechnologie. Geisenheim - Trier - Wiesbaden: Eugen Ulmer GmbH, 1995.
15 DRAEGER, M.: Physikalische Überlegungen zum Thema Gushing. In: Brauwelt Nr. 6, 1996, 259 ff.
16 NAECKER, J; GÖTTSCHE, R.: Imprägnierung von Mineralwasser und Süßgetränken. In: Der Mineralbrunnen Nr.3, 1973, 600 ff.
17 CURTIS, N.; MARTINDALE, L.: Studies on Gushing. J. Inst. Brew. Nr. 67, 1961, 417 ff.
18 FRANKE, D; PAHL, M; VESTING, M.: Theorie zur Existenz von Mikroblasen in
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Fokus dieser Abhandlung über Schaumphänomene?
Diese Abhandlung befasst sich umfassend mit Schäumen, insbesondere im Kontext der Getränkeindustrie. Sie untersucht erwünschte und unerwünschte Schaumbildung, die zugrunde liegenden theoretischen Prinzipien, Methoden zur Messung von Schaumeigenschaften und die verschiedenen Faktoren, die das Schaumverhalten beeinflussen.
Welche Getränkearten werden in Bezug auf Schaumbildung diskutiert?
Die Abhandlung betrachtet eine Vielzahl von Getränken, darunter Bier (Bierschaum), Schaumwein (Mousseux), alkoholfreie Getränke (Cola, Limonade) und beleuchtet das Phänomen des Gushing (Überschäumen) in verschiedenen Getränketypen.
Welche Faktoren beeinflussen die Schaumbildung und -stabilität?
Zahlreiche Faktoren spielen eine Rolle, darunter Kohlendioxidkonzentration, schaumpositive (z.B. Proteine, Isohumulone) und schaumnegative (z.B. Lipide, Fettsäuren) Inhaltsstoffe, technologische Einflüsse während der Herstellung (z.B. Gärtemperatur, Abfüllprozess), Rohstoffqualität und sogar die Sauberkeit der Gläser.
Welche Methoden werden zur Messung von Schaumeigenschaften verwendet?
Die Abhandlung beschreibt verschiedene Messmethoden, darunter die Ross & Clark-Methode, die NIBEM-Methode und die Einschenkmethode nach Ullmann und Pfenninger. Jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile und liefert unterschiedliche Einblicke in die Schaumhaltbarkeit und -stabilität.
Was ist Gushing und wie kann es verhindert werden?
Gushing ist das plötzliche und heftige Überschäumen von kohlensäurehaltigen Getränken beim Öffnen. Es wird durch Desorptionskeime (Mikroblasen, Verunreinigungen) und gushingfördernde Substanzen verursacht. Die Prävention umfasst die Minimierung der Mikroblasenbildung während der Herstellung, die Verwendung hochwertiger Rohstoffe und die Vermeidung von Verunreinigungen.
Welche Rolle spielt Kohlendioxid (CO2) bei der Schaumbildung?
Kohlendioxid ist essenziell für die Schaumbildung. Die Löslichkeit von CO2 wird durch Druck, Temperatur und die Zusammensetzung der Flüssigkeit beeinflusst. Eine hohe CO2-Löslichkeit trägt zu einem größeren Schaumvolumen und einem besseren Mousseux bei.
Was sind schaumpositive und schaumnegative Inhaltsstoffe und wie wirken sie?
Schaumpositive Inhaltsstoffe, wie Proteine und Glycoproteide, erhöhen die Oberflächenviskosität und -elastizität und fördern die Schaumstabilität. Schaumnegative Inhaltsstoffe, wie Lipide und Fettsäuren, verdrängen schaumpositive Substanzen von der Gasblasenoberfläche und destabilisieren den Schaum.
Wie beeinflussen technologische Faktoren die Schaumeigenschaften?
Technologische Faktoren, wie Gärtemperatur, Würzekochung, Kühltrubabtrennung und Abfüllprozess, können die Schaumeigenschaften erheblich beeinflussen. Die Optimierung dieser Prozesse ist entscheidend für die Herstellung von Getränken mit gewünschten Schaumeigenschaften.
Gibt es Schaummittel, die eingesetzt werden können, und sind sie erlaubt?
Schaummittel, wie Metallsalze, Eiweißstoffe und hochmolekulare Nichteiweißstoffe, können zur Verbesserung der Schaumausprägung eingesetzt werden. Der Einsatz von Schaummitteln bei der Bierherstellung ist in Deutschland jedoch gesetzlich verboten.
Inwiefern unterscheidet sich die Schaumbildung in alkoholfreien Getränken von der in alkoholischen Getränken?
Obwohl ähnliche Prinzipien gelten, sind die spezifischen Ursachen und Einflüsse auf die Schaumbildung in alkoholfreien Getränken noch nicht vollständig erforscht. Insbesondere die Rolle von Polyphenolen und ätherischen Ölen in einigen Limonaden wird diskutiert.
- Citar trabajo
- Sebastian Loitsch (Autor), 2000, Untersuchungen zu Schaumphänomenen bei alkoholischen und alkoholfreien Getränken, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/98681
