有沒有發(fā)現(xiàn)圖中的兩杯紅茶有點不一樣呢？
左邊這一杯，茶湯清冽，色澤均勻，抿一口，如蘭在舌，齒頰留香；右邊這一杯，茶水渾濁，表面甚至浮著一層白膜，讓人瞬間喪失了品茶的欲望。
白膜是水垢嗎？水質(zhì)會影響茶的品質(zhì)嗎？如何減少這層白膜的出現(xiàn)？
你想問的，研究人員也在努力解決。最近，來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員用雙錐界面流變測定法評估了這層令人不適的水-空氣界面膜，發(fā)現(xiàn)水的硬度、添加的糖、牛奶乃至檸檬汁的存在、茶濃度和沖泡溫度都會影響這種薄膜的形成，為如何泡好一杯茶、讓人們喝到更高品質(zhì)奶茶做出了卓越的貢獻(xiàn)。相關(guān)成果近日發(fā)表在Physics of Fluids 上。
最初人們普遍認(rèn)為這層茶膜來自茶葉上的蠟質(zhì)涂層，經(jīng)過前人初步研究膜的厚度、動力學(xué)形成和組成后，發(fā)現(xiàn)茶薄膜由氧化茶多酚、碳酸鈣和其他鹽類組成。
所有的茶葉都來自同一種植物——Camellia sinensis （山茶屬中國種），雖然存在不同品種，但茶葉的加工工藝才是決定茶葉品種的原因，如發(fā)酵、氧化、翻炒、蒸制和干燥。另一個因素則是水。水質(zhì)可以根據(jù)許多特性來評估，如pH值、總?cè)芙夤腆w（TDS）和硬度。對于飲用水來說最關(guān)鍵指標(biāo)就是硬度，即每升水中溶解的碳酸鈣CaCO3含量。
對于泡茶的選水原則相當(dāng)有門道。理想的CaCO3溶解量被認(rèn)為在17-68 mg/L之間。低于此值，則茶的澀味更明顯，而高于120 mg/L，則茶的風(fēng)味就會被煮沸后產(chǎn)生的水垢所掩蓋。
研究人員對茶水表面白膜這層空氣-水界面的彈性模量Gi’和粘性模量Gi’’進(jìn)行了流變學(xué)測量，以研究不同CaCO3含量對白膜強(qiáng)度的影響，同時也評估了糖、奶、檸檬酸等常用紅茶調(diào)味品的影響（畢竟是歐洲人做的研究，筆者喝紅茶從來不放這些），從而確定了白膜形成的時間、穩(wěn)定膜的流變模量、形成膜所需的力，和各種硬度條件下使茶水白膜開裂所需的力。對茶水白膜強(qiáng)度的深入了解可能有助于商業(yè)茶飲料的生產(chǎn)，以及減少工業(yè)茶葉制備設(shè)備上留下的薄膜殘留物和污漬。
水硬度（碳酸鈣含量）對于茶水白膜的影響
不同濃度碳酸鈣添加對于紅茶白膜界面模量的影響，實心圓是界面彈性模量Gi’，空心圓是粘性模量Gi’’。圖片來源：Phys. Fluids
研究人員分別制備了0、10、25、50、100和200 mg/L的碳酸鈣水溶液，并測試了2小時的界面彈性和粘性模量。界面彈性模量給出了膜層強(qiáng)度的彈性成分，模量越大，膜層則越強(qiáng)。在界面剪切應(yīng)變?yōu)?.3%時，對于50、100和200 mg/L的濃度，彈性模量超過粘性力模量，即實心圓曲線在空心圓上方。而對于0、10和25 mg/L的低濃度，粘性力則更占優(yōu)勢，此時薄膜的微觀結(jié)構(gòu)更具柔性。
當(dāng)然對于沒有碳酸鈣添加的超純水，并沒有觀察到薄膜出現(xiàn)，這是因為超純水中缺少可以阻止表面遷移和參與茶水白膜形成的離子。不過用超純水泡的茶，茶的苦味會更加明顯。
茶水白膜的界面模量。圖片來源：Phys. Fluids
攪動這層白膜后發(fā)現(xiàn)，用較硬的水（CaCO3 100 mg/L、200 mg/L）沏的紅茶需要幾乎相同的剪切應(yīng)變（0.5-0.6%），才能使茶水白膜的粘性模量超過彈性模量，此時界面薄膜就像海冰一樣破裂成小碎塊，表現(xiàn)出較脆的機(jī)械性能，正如文章開頭那杯漂浮著碎裂薄膜的茶。而用較軟的水（CaCO3 10 mg/L、25 mg/L）沏的茶，茶水白膜則沒有表現(xiàn)出明顯的屈服點。
白糖、牛奶、檸檬，誰產(chǎn)生的茶水白膜最強(qiáng)？
白糖、牛奶、檸檬對紅茶茶水白膜的影響。圖片來源：Phys. Fluids
用硬水（CaCO3 200 mg/L）與用較軟的水（100 mg/L）泡茶，分別添加1 g糖、3 ml檸檬酸溶液、3 ml牛奶（乳脂含量為3.25%），分別進(jìn)行研究。當(dāng)加入糖時，茶水白膜的強(qiáng)度在界面彈性或粘性模量方面沒有顯示出很大的差異。由于糖的親水性，通常溶解在水里而不是漂在表面，所以薄膜的組成很少受到糖的影響。而檸檬酸的加入導(dǎo)致兩種水沖泡的紅茶的白膜模量強(qiáng)度下降了兩個數(shù)量級，這可能是由于鈣離子與檸檬酸的復(fù)合作用導(dǎo)致。雖然奶茶是唯一一種能夠產(chǎn)生肉眼可見白膜的茶飲料，但可能只是折射率變化玩弄的小伎倆。從上圖可看到，牛奶的加入大大削弱了界面模量，甚至超過了儀器的下限，可見牛奶中的脂質(zhì)或者蛋白質(zhì)成分對于薄膜性質(zhì)的影響非常大。
檸檬酸和糖的添加對茶水白膜的影響。圖片來源：Phys. Fluids
至于檸檬酸和糖的添加對茶水白膜剪切應(yīng)變影響，檸檬酸的加入可以大大增加茶膜的彈性，使硬水（CaCO3 200 mg/L）沏茶的膜表現(xiàn)得與軟水（CaCO3 50 mg/L）產(chǎn)生的茶膜相似，在1.5%的較大剪切應(yīng)變下才發(fā)生破裂。
雖然研究人員也使用氣泡壓力法進(jìn)行了表面張力測量，但并沒有發(fā)現(xiàn)張力與水硬度或添加劑有關(guān)的差異。因此茶水白膜的厚度和強(qiáng)度是由界面流變學(xué)而不是表面能量決定的。
界面流變學(xué)測量可以檢測出人眼難以察覺的薄膜。既然這層薄膜無論怎樣都會產(chǎn)生，那就生成機(jī)械強(qiáng)度最高的吧！以免碎成一塊塊影響心情。而且，形成最強(qiáng)膜的條件可能對包裝茶飲料的貨架穩(wěn)定性和奶茶產(chǎn)品的乳化穩(wěn)定非常有用。
茶水白膜的厚度與強(qiáng)度沒有直接關(guān)系，普遍情況薄膜在大約1%的剪切應(yīng)變下就會破裂。加入糖并不能產(chǎn)生比單純用硬水沖泡的茶葉更脆的薄膜，斷裂時的應(yīng)變不受影響。檸檬酸可添加到茶中，以軟化茶水白膜，使其不那么脆，只在約2%的界面剪切應(yīng)變下斷裂，既能減少碎裂白膜的出現(xiàn)，又能為紅茶增加風(fēng)味。（嗯，這難道是檸檬茶大行其道的原因之一？）
為了讓讀者好好觀察茶水白膜這種界面現(xiàn)象，貼心的研究人員建議用較硬的自來水泡茶，而且不加白糖、檸檬汁、牛奶之類。沖泡完成后將茶葉拿出來，可以獲得最佳的視覺效果。如果家里實在沒有硬水，又想觀察這一現(xiàn)象，作者建議人們不要清洗茶杯，讓可溶解的礦物質(zhì)在幾次使用后積累起來。
Black tea interfacial rheology and calcium carbonate
Caroline E. Giacomin, Peter Fischer
Phys. Fluids, 2021, 33, 092105, DOI: 10.1063/5.0059760
（本文由Silas供稿）
