有句话叫做一花一世界，而在科学家的眼中，一茶也能窥见万般的科学奇妙。
 
近日，来自瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员在权威期刊 Physics of Fluids 上发表了关于茶叶界面的研究成果。
 
在一杯茶中可以直观地观察到界面现象，形成的表面膜很脆，有轻微的彩虹色，当受到扰动时，它会像浮冰一样破裂。
 


图 | 用自来水冲泡的红茶，茶可以明显地在与空气接触的地方生成一层薄膜（来源：Physics of Fluids）
 
任何人都可以用水和茶叶泡出一杯茶，但在日常饮茶者的眼中，这个薄膜似乎是随机形成的。然而，在实验室环境中，这种薄膜可以被小心地控制。研究者们研究了不同碳酸钙浓度的茶膜的流变性能，以及由一些文化茶艺活动引起的添加的影响。
 
早期对茶膜的研究主要集中在厚度、动力学形成和膜的组成，但是仅限于红茶。人们还对常见的茶中加物进行了测试，包括糖、牛奶和柠檬。


此前的研究表明这种薄膜不是来自于蜡涂层，研究专注于化学成分和物理厚度，然后根据传输现象和pH值变化预测厚度偏差，来评估这些薄膜茶膜由氧化茶多酚、碳酸钙和其他盐组成。
 
然而，一杯茶只有两种成分：茶叶和水。
 
所有的茶叶都来自同一种植物——山茶。虽然茶树有不同的品种，但茶叶的加工过程决定了茶叶的品种，如发酵、氧化、滚制、蒸制和干燥。全球消费的茶63%是红茶，另外30%是绿茶。
 
水质可以通过许多特性来判断，包括 pH 值、总溶解固体和硬度溶解碳酸钙是水硬度测量中考虑的主要成分。水的硬度在地下水中有自然的变异性，并且根据当地的水资源和处理方式可以有很大的变化。在不同的地区，甚至在不同的城市，水样中的碳酸钙含量会有所不同。


软水的 CaCO3 含量低于 60 毫克/升。61-120 被归类为中等硬度，121-180 被归类为硬度，超过 180 毫克的 CaCO3/L 被归类为非常硬度。以泡茶为目的时，理想的 CaCO3 浓度被认为是 17 到 68 毫克 CaCO3/L。低于这个浓度，茶会收敛，高于 120 毫克碳酸钙/升，味道就会减弱。
 
已知最早的关于茶的专著是公元 762 年陆羽编写的《茶经》系列卷轴。在他的沏茶著作中，陆羽提出了以下建议:“在第一次煮沸时，加入适量的盐，以调和味道。”


盐茶在蒙古、西藏、哈萨克和喜马拉雅地区的传统中仍然很常见，但在这些地区以外并没有普及。虽然陆羽(湖北人)并不是来自一个现在有大量盐茶传统的地区，但人们认为，他在烹饪过程中使用盐的目的是为了澄清水，而不是提供咸味。
 
没人知道陆羽为什么要进行放盐的这个步骤，但研究者们推测，这个步骤将蛋白质盐化，杀死微生物，或平衡 pH 值。


水盐化步骤将对水中的离子含量有很大的影响。盐的加入保持 pH 值在酿造过程中更恒定，并改变了可用于薄膜组成的盐。泡茶本身会降低溶液的pH值，因为茶多酚会分散在溶液中。
 
虽然水会影响冲泡的茶的浑浊度、颜色和黄烷醇含量，但大多数每天饮茶的人仍然使用当地的自来水。各地的自来水各不相同。


然而，欧洲联盟饮用水指令规定，从健康角度来看，40 和 80 毫克钙/升是最佳的，所使用的水的离子含量已被证明对产生的茶膜质量有影响，以至于去离子水不能形成可收集的膜。
 
膜主要由氧化多酚、盐和碳酸钙组成，降低 pH 值已被证明对从红茶中提取茶黄素(一种多酚)有积极作用。由于氢离子丰富的环境允许改进茶黄素的提取，人们可以假设，在酸性更强的茶冲泡中可以找到更多可能形成表面膜的物质。


然而，表面膜含有其他尚未完全阐明的化合物。另外，pH 值越低，茶膜越薄。由于钙离子与柠檬酸的络合作用，柠檬汁的加入形成了比这个方程预测的更薄的膜。
 
CaCO3 被认为是茶膜形成的关键成分，但是在不同的 CaCO3 浓度下，还没有测量到茶膜的物理厚度。添加糖对茶膜的物理厚度也有稀释作用，牛奶的添加会影响形成的薄膜的组成，但事实证明，在茶中加入少量牛奶会使薄膜更厚。


我们通过测量界面流变性能来研究 CaCO3 对茶膜强度的影响，并比较添加了添加剂的茶膜强度与之前对添加添加剂形成的茶膜物理厚度的研究。
 
研究者们对茶膜的空气-水界面的界面弹性和粘性模量 Gi’ 和 Gi″ 进行了流变学测量，以加深对形成的薄膜的脆性性质的了解。研究确定了形成的持续时间，稳定膜的流变模量，以及在各种硬度条件下开裂茶膜所需的力。


糖、牛奶和柠檬酸对薄膜的影响也被测量。对茶膜强度的了解可能有助于商业茶饮料的生产，以及在工业泡茶设备上留下的茶膜残留物和污渍。
 
界面流变学测量可以检测人眼难以察觉的薄膜。茶膜厚度与茶膜强度没有直接关系。在振荡界面剪切应变扫描中，茶膜在剪切应变约为 1% 时破裂。在茶中加入柠檬酸可以软化茶膜，使茶膜不那么脆，只有在界面剪切应变约为 2% 时才会断裂。


加糖并不会产生比单纯用硬水沏茶更透明的薄膜，也不会影响到茶汤破裂时的张力。形成最强薄膜的条件可以在工业上用于包装茶饮料，以获得更好的货架稳定性和奶茶产品的乳液稳定性。
 
那么我们怎么泡一杯更好的茶呢？研究者们建议用硬的自来水泡茶，不添加任何添加剂，以便更好地观察厨房中的这种界面现象。


一旦冲泡完成，就把茶叶移走，这样可以提供最好的能见度。要在没有硬水的情况下观察这种现象，也可以不清洗茶杯，让可溶解的矿物质在几次使用后积累起来。