Страшно, очень страшно, мы не знаем что это такое, если бы мы знали, что это такое, но мы не знаем, что это такое
Недавно собеседник спросил, знаю ли я что-то про «масляную пленку» образующуюся на чае. Спросил и заставил меня задуматься, ведь действительно, со всеми этими каркаде, ройбос&ханибуш и прочими матэ я сто лет не видел этот родненький «чайный налет». Даже специально пошел и купил пачку «первосортного» чая по цене <1$ за 50 пакетиков. Вспомнил из студенческих лет, что «хрестоматийная» пленка на чае формировалась из самого бросового пакетированного чая, не всякой ложкой ее можно было разрушить с первого раза. Вот прям невыносимо захотелось пощупать/понюхать/посмотреть 😀 Под катом толкование явления
Вначале давайте определимся с понятиями. Я под «чайная пленка» подразумеваю ту самую, матовую белесую, легко разрушающуюся на фрагменты напоминающие льдины во время ледохода на реке, пленку. Ее внешний вид представлен на КДПВ. Прошу ее отличать от различных радужных интерференционных пленок, которые тоже могут присутствовать в кружке чая.
Про радужные разводы на жидкостях
Причинами появления радужных разводов на воде является интерференция в тонких пленках. Интерференция в целом — это явление при котором любые волны накладываются друг на друга. Свет — это электромагнитная волна. Когда белый свет падает на пленку масла, часть света отражается от её верхней границы (масло-воздух), а часть проходит через масло, отражаясь от нижней границы (масло-вода). Эти два отражённых луча складываются, причём их фаза изменяется из-за разности хода, которая зависит от толщины пленки (она разная везде и эта разница создает разноцветные участки), от длины волны света (разные длины волн усиливаются или подавляются, что формирует радужный спектр), угла зрения (разный угол зрения дает разную цветовую картину). Радужная пленка образуется как сумма конструктивной интерференции (усиление определённых длин волн, самые яркие цвета) и деструктивной интерференции (подавление некоторых цветов, незаметные цвета). Стоит отметить, что радужные эффекты наблюдаются только в тонких пленках (толщина порядка 100 нм), т.е. там, где толщина сравнима с длиной волны видимого света. Так как толщина пленки разная, то в разных ее участках будет различное соотношение между конструктивной/деструктивной интерференцией. Неоднородность толщины пленки — это и есть причина возникновения радужных масляных разводов.
Радужные разводы в чашке чая конечно же могут иметь место. Но в отличие от героини моей заметки (которая вездесуща), они либо являются причиной каких-то огрехов в процессе производства чая (попадание растворителей или технических масел на растительное сырье), либо появляются в результате безалаберности при мытье посуды, когда на чашках остаются следы жиров/масел от других пищевых продуктов. Еще радужные разводы в некоторых очень редких случаях могут возникать и из-за гидрофобных эфирных масел. Во время ферментации чайного листа чего только не образуется.
Считается что черный чай содержит больше терпенов и фенольных соединений из-за окисления при ферментации, а зеленый чай сохраняет больше свежих альдегидов и эфиров. Примерами компонентов эфирных масел чая могут служить терпены (лимонен/пинен/мирцен — отвечающие за цитрусовые, древесные или хвойные нотки), и сложные эфиры (линалиацетат — цветочные ноты, метилсалицилат — ментоловые ноты), и альдегиды с кетонами (гераниаль/цитраль — лимонные ноты, нонанль — ноты свежести), и фенолы (эвгенол — ноты гвоздики, гваякол — древесные ноты), и еще куча жирорастворимых гидрофобных веществ, которые могут всплыть на поверхность чая и устроить вам радужную интерференцию.
Это аномалии и статья не про них. Статья про серую как повседневность, матовую пленку, которая возникает на поверхности заваренного чая, а потом мигрирует и на посуду, формируя т.н. чайный камень
Чайный камень — это плотный налет, образующийся на стенках чайников, кружек и другого посуды при регулярном заваривании чая.
Говорим же мы именно про матовую пленку, которая образуется на любом чае заваренном на обычной воде. Под чаем, кстати, подразумеваются сухие листья растения, Camellia sinensis.
Существуют различные сорта Camellia sinensis, чаще всего сорт чая обусловлен не только географическим положением плантаций, но и методиками обработка листьев (ферментация, сушка etc). Условно будем считать, что 60% потребляемого во всем мире чая — это черный чай, 30% — зеленый чай, а оставшиеся 10% — различные вариации (белый, пуэры и т.п.).
И вот если мы готовим водный настой растения Camellia sinensis, то мы получаем какой-то налет на поверхности жидкости. Иногда он заметен, иногда нет. Долгое время бытовало мнение о том, что эта матовая пленка на чае образуется из-за расплава растительных восков, которые всегда присутствуют на листьях растений (придают им блеск и собирают пыль). Примеры растительных восков — канделильский воск, карнаубский воск, софлорный, пальмовый и другие. Такой вариант в целом возможен, но только в низкокачественном сырье, с грубыми нарушениями технологических процессов. А в премиальном чае скорее всего такого не получится встретить. Тезис о том, что чайная пленка — это не растительный воск был подтвержден легендарными авторами Michael Spiro и Deogratlus Jaganyi. Легендарными потому что именно они выпустили в середине 1990х «энциклопедию чая» — серию статей Kinetics and equilibria of tea infusion в журнале Food Chemistry. Если не растительный воск, то что же?
А Ее Вездесущество Накипь. Вообще эта заметка пошла бы на роль отличного приквела к моей ранней хабра-статье.
Итак, «хрестоматийная» чайная пленка — это аморфный гибридный композит, состоящий из комплексов танинов чая (в т.ч. эпигалокатехина) и фрагментов карбонатов кальция и магния. Состав этого композита до конца никому не понятен. Его примерная брутто-формула звучит как C₁₉.₇H₂₆.₁ О₄₂.₈ Ca₀.₈₅N₀.₃₀Mg₀.₀₇Mn₀.₁₆Na₀.₀₇K₀.₀₆ Композит образуется с любым чаем, неважно черный он или зеленый. Главное чтобы использовалась вода с солями жесткости.
В классическом варианте «чайная накипь» состоит из неорганического карбонатного каркаса из CaCO₃ в форме орторомбического арагонита (подробнее см. Введение в минералогию накипи) с островами из гидрокарбонатов магния/марганца. В этот каркас вмонтированы цепи чайных полифенолов. Каких именно зависит от типа чая. В случае зеленого чая — это катехины, в случае черного (ферментированного) — это теафлавины. В целом полифенольный профиль чаев близок, и не играет особой роли при образовании чайной накипи
А вот что влияет, так это микроэлементный состав воды. Если вода дистиллированная или деминерализованная, то пленка/композит не формируется. Т.е. вода с солями жесткости — это первое обязательное условие. Второе обязательное условие — это кислород для окисления полифенолов на поверхности чая. Т.е. масса образующейся пленки тем больше, чем больше площадь поверхности контактирующей с воздухом (или потока воздуха) и никак не связана с общим объемом жидкости, хоть там 100 мл, хоть 10 литров
При заваривании в мягкой и средней жесткости воде (это примерно 0-2 °Ж) зеленый чай образует многослойную мягкую пленку, черный чай формирует однослойную жесткую пленку.
Что за °Ж такие
°Ж — это т.н. градусы жесткости воды, 1 °Ж = в 1 литре воды содержится 20 мг кальция и 12 мг магния. Для понимания 1 °Ж (Беларусь, Россия)= 5,005 °fH (Франция)= 2,804 dGH, °dH (Германия)= 2,924 gpg (США)= 50,05 ppm, mg/L (США)= 3,511 °e, °Clark (Великобритания). Подробнее про единицы измерения жесткости воды здесь
Если вода жесткая (2-7°Ж) и черный, и зеленый чай формируют однослойную жесткую пленку, причем у зеленого она более хрупкая.
Важно! Все исследования показывают, что убрать пленку ложкой не возможно. Более того, при перемешивании пленка самовосстанавливается, и делается нааамного прочнее. Вроде все и логично, перемешивая чай мы интенсифицируем процесс окисления полифенолов, улучшаем их контакт с кислородом воздуха. В итоге пленка не только самозалечивается, но и становится многослойной
Несмотря на то, что прочности могут различаться, черный чай в воде любой жесткости образует пленку толщиной ~ 20 нм. В лабораторных условиях у исследователей получалось выращивать «чайную пленку» большей толщины. На SEM-картинке ниже показан как раз такой образец (для ориентира размера — белая линия эквивалентна 100 мкм):
Рассчет на манжете
Интереса ради прикинул, сколько будет весить там пленка в кружке чая. Взял толщину в 20 нм (0,00000002 м) и плотность чайной пленки~плотности накипи в чайнике и равна 2 г/см³. Диаметр средней кружки примерно 90 мм. Получается что если всю поверхность чая в кружке (0.0064 м²) заполнит однородная пленка, то весить она в итоге будет целых 0,25 мг. Это «огромный вес«, примерно эквивалентный весу 5 зерен пыльцы ржи. Пленка гораздо меньше образуется в быстро остывающей чашке, чем внутри медленно остывающего чайника (помним про площадь контакта с воздухом), там уже может быть и 10-15 зерен пыльцы. В любом случае, желудок человека — это гибель для нашей пленочки. Истончение, растворение и возврат зафиксированных было ионов кальция и магния опять в ЖКТ. Кстати нужно отметить, что ни одно исследование не показало какой-либо корреляции между толщиной пленки «чайной накипи и ее прочностью…
Наличие пленки „чайной накипи“ не коррелирует с качеством чая, как бы копирайтеры сайтов различных чайных магазинов не пытались доказать обратное. Хотя, безусловно, косвенно пленка указывает на то, что в растительном сырье есть полифенолы, а в воде — ионы кальция и магния (»соли жесткости»). Ах да, еще темный цвет — это окисленные полифенолы, по интенсивности коричневого цвета пленки можно условно судить о динамике окисления соединений вашего чая кислородом воздуха.
А вот что точно влияет на морфологию и текстуру пленки «чайной накипи» так это различные вкусовые добавки в чай. Я провел небольшой «на коленке» эксперимент по культивированию пленки «чайной накипи». Реактивы: чай черный в пакетиках (<1$/уп), чай зеленый в пакетиках (~1,2$/уп). Заваривались одновременно 3 пакетика в воде 1,8 °Ж в течение 30 мин. Добавлялась 1 ст. л. сахара, сок половины лимона, 4 ст. л. молока 3% жирности. Все фотографировалось с внешним освещением 65 Лм. Результаты вы можете сравнить на картинке (кликабельно):
Отличия заметные невооруженным глазом. А если посмотреть вооруженным (что сделали уже упомянутые ранее исследователи), то окажется, что…
Сахар
Делает пленку более тонкой, стекловидной, но принципиально не влияет на ее прочность и устойчивость к разрыву. Просто визуально в вашей чашке чая пленка будет выглядеть более гладкой, глянцевой. При этом если вместо сахара использовать некоторые сахарозаменители, то можно добиться эффекта разрушения пленки.
В качестве примере можно привести например биоразлагаемый ингибитор накипеобразования на основе полисахаридов. В качестве примера реально работающего ЭКО-антискалянта можно привести карбоксиметилинулин (CMI). Он мешает формированию неорганического карбонатного каракаса, разрушая монолитность образующейся пленки. Достигается это за счет адсорбции антискалянтов на поверхности кристаллов, ингибирования зародышеобразования и снижения скорости осаждения. Это соединение было выделенно из корней Inula helenium, он же девясил высокий.
Самое интересное — что работает карбоксиметилинулин совсем неплохо. Подобными свойствами обладает и его младший брат — инулин — широко известный пребиотик и подсластитель, получаемый из цикория и топинамбура. Так что добавлять цикорий в чай имеет не только гастрономический, но и химический смысл.
Лимон
Его влияние на пленку весомо. Во-первых некоторые исследователи указывают на то, что наличие лимонной кислоты приводит к деградации сложных полифенолов до более простых, слабо агрегирующихся. Т.е. пленка если и будет образовываться, то в виде довольно нестабильной структуры. Во-вторых лимонная кислота действуя как комплексообразователь, т.е. переводит кальций и магний в растворимую форму, делает их «более растворимыми», снижает сродство катионов к образованию «чайной накипи».
В теории (не советую применять это на практике!) мешать образованию пленки «чайной накипи» будут и другие комплексообразователи (хелатирующие агенты). В водном растворе катионы металлов окружены защитными оболочками комплекса, который изменяет заряд иона с положительного на отрицательный и не позволяет им равно взаимодействовать ни с другим ионами, ни с полифенолами чая. Кроме лимонной кислоты доступным пищевым комплексообразователем могу служить добавки в чай каких-то овощных и фруктовых соков (или отрубей?), содержащих фитиновую кислоту:
Про фитиновую кислоту я упоминал давным-давно, в серии своих фитохимических заметок. Не зря видимо мне сразу понравилась симметричная форма этого химического соединения. Возможно в будущем именно фитиновая кислота заменит все другие комплексообразователи. Правда стоит помнить, что фитиновая кислота связывает в комплексы не только кальций/магний, но железо и цинк…
Кислые овощные/фруктовые соки
Они будут снижать рН чая и также выводить кальций/магний в растворимую форму, забирая их из каркаса пленки. А без неорганической основы сами по себе полифенолы, даже окисленные, удержаться на поверхности не смогут. Подкисление чая приводит к формированию тонкой, незаметной, но жесткой на разрыв пленки. Кстати кофе пленки на своей поверхности вообще не образует именно из-за низкого рН. Подобным действием будут обладать многие органические (в т.ч. многоосновные) кислоты, вроде глутаровой или «народной» янтарной (про нее см. Памятка по борьбе с алкоголем или Как пережить фуршеты)
Про органические кислоты. Выдержка из Памятки
Капуста (+ зелень и другие овощи, кислые фрукты и ягоды) является отличной закуской еще и потому, что содержит много трикарбоновых органических кислот, участвующих в цикле трикарбоновых кислот = цикле Кребса. Вот она, облагороженная схема 🙂
Цикл Кребса — это центральное звено метаболизма, цикл химических преобразований ответственный за клеточное дыхание. Соответственно, если мы вносим в систему (наш организм) дополнительные источники трикарбоновых кислот, мы ускоряем метаболизм и оптимизируем переработку алкоголя и всех его метаболитов, примесей и иже с ними. В качестве живых продуктов можно вспомнить мёд, лимоны, виноградный, яблочный сок. Можно использовать и сухую лимонную кислоту, но это рисковое дело, уж слишком она ядрена, как на мой вкус, плюс повышает кислотность желудка и вредно влияет на зубную эмаль. Сюда же можно отнести и янтарную кислоту, которую куда только не пытались впихнуть (даже водку с янтарной кислотой кто-то выпускал). Как и с лимонной кислотой это средство противопоказано язвенникам. Но никто не запрещает есть продукты с ее содержанием. Есть еще фумаровая кислота, то она настолько горька что сводит скулы :). Только в продуктах, никаких порошков.
В качестве «чайного антинакипина» может, кстати, выступать и привычная всем Сoca-Cola (интересно, кто-то вообще пробовал пить чай с Сoca-Cola?). За счет используемой в напитке в качестве основного подкислителя ортофосфорной кислоты H3PO4
Молоко
Молоко добавляет в наш гибридный композит молочные жиры и белки, полифенолы сшиваются с β-казеином через Ca²⁺ мостики. Получается упругая, подвижная, устойчивая к деформации пленка. Молоко делает пленку толстой, матовой, заметной невооруженному глазу (изменяя показатель преломления). Отличие «молочной пленки» от классической еще и в том, что вместо карбоната кальция CaCO₃ основа — силикат кальция CaSiO₃. Отмывать «молочно-чайную накипь» с посуды проще
Подытоживаем
- Пленка «чайной накипи» = функциональный аналог «чайного камня» = биокомпозит состоящий из карбонатного каркаса и сшитых с ним окисленных полифенолов из растения Camellia sinensis
- Пленка «чайной накипи» не несет какого-либо вреда человеческому организму, но влияет на эстетику чаепития
- Пленка «чайной накипи» не образуется в случае воды низкой минерализации (например, после установок обратного осмоса). Если вас устраивает вкус чая получаемого из такой воды — то это самый простой вариант избавления от «чайной накипи».
Чтобы избавиться от пленки «чайной накипи» нужно либо использовать пищевые комплексообразователи (лимонная или фитиновая кислота), либо снижать рН чая с помощью пищевых кислот (кислые фруктовые и овощные соки), либо заваривать чай в бутылке или вакууме/среде инертного газа (для минимизации окисления полифенолов кислородом воздуха). Можно баловаться и с пищевыми «ингибиторами накипеобразования» в виде инулина из цикория и его доступных производных.
