Чайные церемонии химиков

Волшебный чай — замечательный ответ на все заморочки в жизни. О тебе распускают сплетни — а у тебя есть чашка чая, тебя уволили с работы — а у тебя есть чашка чая, от тебя ушла жена — а у тебя есть чашка чая.

Сесилия Ахерн, P.S. Я люблю тебя

В чем различие европейского и китайского «черного чая»? Что полезнее — улун или пуэр? Говорит ли окраска чая о качестве напитка и можно ли ее усилить, не добавляя новой заварки? При какой температуре заваривать разные сорта чая? Чем полезен чай для здоровья и что происходит, когда к нему добавляет молоко? Современная химия простирает руки свои к самому популярному безалкогольному напитку человечества.

Типичный для Китая чайный куст Camellia sinensis sinensis

Зеленый, белый, красный

Есть много разновидностей чая, которые различаются цветом, ароматом и вкусом. Это разнообразие зависит в основном от способов обработки чайного листа, в частности от степени ферментации. Зеленый чай получают из листьев того же чайного куста, что и привычный для нас черный, но его подвергают минимальной окислительной ферментации (подробнее о ней мы расскажем дальше). Будущий зеленый чай окисляют не более двух дней, после чего процесс останавливают — в результате чай (если говорить точнее, его компоненты, способные к мягкому окислению кислородом воздуха в присутствии ферментов) окисляется на 3—12%. Белый чай по степени ферментации стоит на втором месте после зеленого. Свое название он получил по виду чайной почки, которая густо покрыта белым ворсом. В китайской народной медицине белый чай соответствует одному из пяти первоэлементов — «металлу», который традиционно ассоциируется с белым цветом. Белый чай наиболее богат антиоксидантами и кофеином. Производители элитных сортов считают его наичистейшим, хотя степень окислительной ферментации в нем 12—17%.

На третьем месте по степени ферментации находится очень редкий сорт — желтый чай, который изготавливают из сырья высокого качества исключительно в Китае, в провинциях Сычуань, Хунань, Чжецзян и Фуцзянь. Долгое время он был доступен только владыке Поднебесной и его ближайшему окружению, желтый чай скрывали от иностранцев, а за разглашение тайны его производства строго карали. Следующий по степени ферментации — улун (черный дракон), который в идеальном варианте ферментируется на 50%. При получении улуна ферментацию не доводят до конца, окисляя не весь чайный лист, а лишь его края и часть поверхности. Считается, что улун объединяет в себе свойства зеленого (яркий аромат) и черного чая (насыщенный вкус). Знакомый нам всем черный чай (который многие считают «нормальным» или «обычным») на родине чая, в Китае, называют красным. Для его получения листья по традиционной технологии ферментируют от двух недель до месяца. И наконец, наиболее глубоко ферментированный, или постферментированный, чай (в процессе участвуют плесневые грибки Aspergillus acidus) — пуэр. Китайцы называют его черным, и он известен своим темным цветом и характерным земляным привкусом и ароматом.

Конечно, помимо обработки, вкус и аромат чая зависят от страны произрастания растения, чьи листья превращаются в заварку. Так, в Китае растет подвид чайного куста Camellia sinensis sinensis, который предпочитает высокогорья и относительно низкие температуры. Чайный куст из индийского штата Ассам относится к подвиду Camellia sinensis assamica, и это уже не чайный куст, а скорее чайное дерево — оно может достигать пятиметровой высоты. Ассамский чай любит расти на равнинах, при высоких температурах и высокой влажности. Чай очень восприимчив к условиям окружающей среды. Почва, влажность воздуха, среднесуточная температура, количество солнечных дней и частота выпадения осадков — все это влияет на качество чая и его вкус, которые, естественно, определяются его химическим составом.

Таким образом, вкус чая создают и условия произрастания, и особенности возделывания, и, конечно, способ ферментации листов или почек. С точки зрения химика, чай — сложная загадка, ведь редко какой продукт может похвастаться такой вариабельностью состава.

Не напиток, а сплошная химия

В чайном листе содержится огромное количество химических веществ. Основная масса сухого чайного листа (до 40%) приходится на полифенолы. Остальные 60% — это аминокислоты, белки, в том числе, естественно, ферменты, метилксантины, к которым относятся кофеин, витамины и неорганические вещества. А еще в чайных листьях содержатся в следовых количествах около 700 летучих органических соединений, в значительной мере определяющие вкус и аромат напитка.

Больше всего в чашке чая полифенолов, а точнее, танинов (разновидность полифенолов растительного происхождения). Именно они отвечают за терпкий вкус, окраску и аромат. Считается, что танины чая полезны ярко выраженными антиоксидантными свойствами. По строению они напоминают витамин Р и так же, как и он, укрепляюще действуют на сосуды. В одной чашке крепкого чая может содержаться до 240 миллиграммов танинов. В цейлонском, индийском и яванском сортах концентрация танинов выше, отсюда их особый привкус. Чайные листья, собранные в июле или августе, содержат значительно больше танинов, чем майские или сентябрьские. Возраст листа также имеет значение: количество дубящих веществ максимально не в молоденьких побегах, а в листьях постарше.

Бо́льшая часть чайных танинов — это конденсированные танины­-флавоноиды, не разрушающиеся в воде, точнее, димеры 3,4­-флавондиола или 3­-флавонола. Значительный вклад в цвет и аромат чашки чая вносят два класса веществ фенольной природы — теафлавины и теарубигины, которые образуются из флавонолов при обработке чайных листьев.

К флавоноидам чая также относятся антоцианины, которые меняют свою окраску в зависимости от кислотности среды: в кислой среде они бледнеют, а при увеличении щелочности темнеют. Именно поэтому свежезаваренный чай теряет цвет, когда вы добавляете в него кусочек лимона. И те же самые антоцианины помогают некоторым недобросовестным проводникам поездов дальнего следования продавать жидкий чай. Рецепт прост: бессовестный работник РЖД добавляет в заварочный чайник немного соды, карбонат­ион гидролизуется до гидрокарбоната и иона ОН^–, защелачивание вызывает потемнение заварки, и разбавленный чай принимает приличный товарный вид (чего, конечно, нельзя сказать о вкусе и аромате).

Не только возбуждает, но и успокаивает

Физиологическое воздействие напитка из листьев Camellia sinensis не ограничивается его антиоксидантным эффектом. С древних времен известно его стимулирующее действие, а обеспечивает его кофеин (1—6% от сухой массы чайного листа). В мозге кофеин связывается с рецепторами аденозина — вещества, которое в норме вызывает сон и подавляет возбуждение (подробнее см. «Химию и жизнь», 2015, 11). Еще два соединения, похожих на кофеин, как и он, относящихся к метилксантинам и тоже стимулирующих нервную систему, — теобромин (кстати, в шоколаде его гораздо больше) и теофиллин. Они придают чаю горьковатый вкус. Если заварить 2,5 грамма чая, то в чашке напитка 20—70 миллиграммов кофеина — точное количество зависит от сорта чая и времени заваривания. Для сравнения, в чашке кофе объемом 170 мл содержится 40—155 миллиграммов кофеина, то есть в крепком чае его может быть больше, чем в слабом кофе.

Кофеин с теофиллином и теобромином — не единственные компоненты чая, способные влиять на психику. В нем содержится аминокислота теанин (до 1% от массы сухих листьев). Совместное присутствие кофеина и теанина уравновешивает стимулирующее и расслабляющее действие напитка, поэтому чай в этом плане уникален. Если кофеин отгоняет сон, то теанин понижает уровень тревожности человека, поскольку стимулирует выработку в мозге гамма-­аминомасляной кислоты (ГАМК), самого известного тормозного медиатора — кстати, препараты на его основе обладают успокоительным и ноотропным действием. Нервная система возбуждается «правильнее», и человек функционирует гораздо более продуктивно после чашки чая, чем после чашки кофе. Теанин также облагораживает вкус чая, делает его не таким вяжущим.

Черный, зеленый, собранный вручную: в чем разница?

Современные методы аналитической химии, например, масс­-спектрометрия высокого разрешения, позволили установить химическое строение многих веществ, входящих в состав чая. Лучше всего изучен зеленый чай, но в целом этот напиток все еще остается уравнением со многими неизвестными. Например, плохо изучены химические процессы, протекающие при получении пуэра. Многие летучие органические вещества, отвечающие за запах и аромат чая, возникают только в ходе ферментации. Как мы помним, чтобы сделать пуэр, нужна длительная ферментация с участием микроорганизмов, и в результате образуется огромное количество веществ — по оценкам экспертов, около 30 тысяч, из которых изучено менее 5%.

В стандартной чашке чая содержится 20—70 миллиграммов кофеина

Рассмотрим подробнее этот загадочный процесс. Строго говоря, ферментация чайных листьев — это окисление: полифенолы, содержащиеся в свежих чайных листьях, подвергаются воздействию кислорода воздуха в присутствии ферментов­оксидаз и превращаются в теафлавины и теарубигины. Окисление начинается сразу после сбора и ускоряется при механическом разрушении клеточных стенок листьев из-­за их естественного увядания или принудительного завяливания — полифенолы, ферменты и кислород смешиваются и легче контактируют. Простым глазом мы видим, что чайные листья темнеют, а на молекулярном уровне — появляются новые вещества, отвечающие за аромат и вкус чая.

К счастью, окислением-­ферментацией можно управлять, изменяя внешний вид, аромат и вкус напитка. В результате список сортов чая гораздо обширнее, чем знакомый автору статьи и многим читателям с детства и юности, — «Тридцать шестой» и «Индийский со слоном». Например, нагревая листья в процессе ферментации, можно затормозить процесс окисления — высокие температуры дезактивируют оксидазы. Так, ферментацию зеленого чая останавливают, обрабатывая его струей водяного пара с температурой 150—180^оС.

Химический состав обработанных чайных листьев, а значит, и цвет, и аромат чая также зависят и от того, вручную или машинным способом измельчали (мацерировали) чайные листья. Существует два типа мацерации: традиционный — много-­много людей сидят и разрывают листья на половинки и более мелкие кусочки, и машинный — чайные листья измельчают и свертывают с помощью специального оборудования с ножами. Во втором случае клеточные стенки разрушаются менее деликатно, повреждений намного больше. Как результат, при одинаковых условиях заваривания (соотношение воды к заварке, температура воды, время настаивания) напиток из чайных листьев, обработанных вручную, более ароматный, но светлее, тогда как чай из листьев, измельченных машинным способом, сильнее окрашен, но гораздо менее ароматен. Понятно, что чай с машинной обработкой дешевле, а чай, измельченный вручную, считается высококачественным и стоит соответственно.

Что же касается одноразовых чайных пакетиков, то иногда их заполняют так называемой высевкой (очень мелко искрошенным листовым чаем) или даже чайной пылью — самым мелким и дешевым чайным сырьем. Эта чайная мелочь хотя и обеспечивает хороший цвет чашке чая на работе (а иногда и придает стойкий цвет самой чашке), однако не может похвастаться вкусом и ароматом. Возможно, что «чайное мировоззрение» многих читателей сейчас даст трещину или перевернется, но действительность такова: интенсивная окраска чая отнюдь не говорит о его благородстве (люди, знакомые с «улучшением» чая добавками соды, давно это знают).

Как уже говорилось, именно глубина окисления чайного листа дает основную разницу между сортами чая. Наиболее окисленные сорта — это черный чай (красный в китайской терминологии) и пуэр (который китайцы считают черным). При получении этих сортов листьям сначала дают пожухнуть, после чего их «раскатывают», в результате чего листья растираются и размалываются — тем самым обеспечивается эффективный контакт полифенолов, окислителя и ферментов и начинается особо интенсивное окисление. Затем, если хотят получить черный чай, дальнейшее окисление идет в камере с контролируемой влажностью и температурой, пока листья не приобретут коричневую окраску. После окисления в черном чае остается гораздо меньше полифенолов катехиновой структуры зеленого цвета, чем в других сортах, но зато в сухом веществе привычного нам черного чая содержится до 20% теарубигинов и около 2% теафлавинов, образующихся в ходе окисления. Окисление также приводит к тому, что за счет окислительной олигомеризации и полимеризации флавонолы превращаются в бисфлавонолы и производные с большим числом повторяющихся структурных флавоноловых единиц.

Что касается зеленого чая, то при его получении чайные листья практически не окисляются — ферментацию останавливают нагреванием (иногда не водяным паром, а просто на обычной сковороде) почти сразу же после сбора листьев. Принудительная остановка не дает катехинам вступать в химические превращения, и их зеленый цвет сохраняется. Желтый и белый чаи также окисляются незначительно, и эти сорта содержат больше полифенолов, чем черные сорта чая, — почти столько же, сколько в свежесобранном и необработанном листовом чае. Кстати, если надо быстрее взбодриться, то пейте зеленый чай — он обычно содержит больше кофеина, чем черный.

При получении улуна чайные листья обычно успевают окислиться в процессе завяливания. Процедура такова: завяленные листья скручивают, после чего нагревают, опять же чтобы остановить окисление. Вот почему полифенолов в улуне больше, чем в традиционном черном чае. В улуне также содержатся уникальные и характерные только для него флавоноиды — улунгомоисфлавины, а еще для него характерно переменное содержание катехинов и теарубигинов, зависящее от того, насколько глубоко зашло окисление. Эти вещества придают улуну особый привкус и аромат, который нельзя ощутить у черного чая.

Как видим, в производстве чая не применяют реагенты или растворители (кислород воздуха не в счет). Единственные побочные продукты окисления — вода и углекислый газ. Поэтому чай можно считать самым чистым продуктом из всех, которые мы потребляем. Впрочем, в некоторые сорта чая производители добавляют компоненты, привносящие оригинальные вкусовые оттенки, — бергамот, цедру цитрусовых, мяту и прочие.

Заваривать нужно правильно

И бергамотовый чай, и чай с ароматом лесных ягод, и тот, что не содержит ничего, кроме сухих чайных листьев той или иной степени окислительной ферментации, вступают на нашей кухне в абсолютно одинаковые химические и физические превращения. На то, что мы в конечном счете будем пить, влияют температура воды, которую мы используем для заваривания, и время заваривания. Когда мы добавляем к чаю горячую воду, происходит экстракция фенольных производных и других веществ. В первую очередь вода извлекает из сухих чайных листьев кофеин, затем наступает очередь полифенолов; при обработке заварки очень горячей водой первыми в чашку попадают полифенолы, и тогда чай получается более горьковатый и вяжущий. Чтобы не пить очень горький чай, рекомендуют брать для заваривания воду с температурой 80—90^оС (она вполне справится с экстракцией компонентов чайного листа).

Горячая вода может также приводить ко вторичным реакциям полифенолов, и, как следствие, в чае их станет намного меньше. Как показывают исследования чайных антиоксидантов, для того, чтобы различные сорта напитка сохраняли полезные свойства, необходимо различное время заваривания. Например, черный чай лучше пить свежим — наиболее высокое содержание антиоксидантов в нем наблюдается сразу после приготовления заварки, а со временем их количество уменьшается. Белый чай, напротив, должен отстояться — его антиоксидантная способность тем выше, чем дольше чайные листья контактировали с водой. Для антиоксидантов зеленого чая время заваривания не определяющий фактор, в этом случае экстракция полезных веществ больше зависит от температуры воды, и, чтобы предотвратить их термическое разрушение, рекомендуется брать кипяченую воду с температурой 60—85^о С. А вот кипятком зеленый чай можно только испортить.

Исследования показывают также, что при длительном контакте горячей воды с чайными листьями в чашке незначительно повышается содержание кофеина и в большей степени — полифенолов, которым требуется больше времени для экстракции (это олиго­- и полимеризованные теарубигины с большой молекулярной массой), причем последние придают напитку неприятный затхлый привкус. Сильнее измельченные чайные листья (в первую очередь те, которыми наполняют пакетики) имеют бо́льшую площадь соприкосновения с водой, поэтому компоненты чая экстрагируются из них с большей скоростью — чай из пакетика заваривается существенно быстрее, чем крупные листья в заварочном чайнике или френч­-прессе.

Эпигаллокатехин­-3-­галлат, который дезактивируется молоком

Многие любят пить чай с молоком, в Британии это вообще считают национальной традицией. О вкусах не спорят, однако надо иметь в виду, что добавка молока в чай уменьшает его полезное действие. Содержащиеся в молоке белки­казеины образуют комплексы с полифенолами чая, затрудняя их усвоение (но зато чай будет менее горьким). На антиоксидантную активность чая влияет и жирность молока — чем она выше, тем меньше полезных веществ остается в чашке.

Исследований, посвященных полезному влиянию чая на организм человека, сейчас не меньше, чем статей о его ферментации. Огромное количество соединений, входящих в состав чая, интересны не только благодаря антиоксидантным и бодрящим свойствам. Катехины, теафлавины, теарубирины и полисахариды чая, как оказалось, проявляют противоопухолевую активность, они способны корректировать давление, увеличивать эластичность сосудов. Так, например, содержащийся в чае эпигаллокатехин­-3-­галлат оказывает расслабляющее действие на сосуды и расширяет их, снижая тем самым риск закупорки артерий и сердечно­-сосудистых заболеваний. 

Есть результаты медицинских исследований, подтверждающие, что у людей, регулярно потребляющих черный чай в течение шести и более лет (при среднесуточном расходе заварки 10 граммов на человека), увеличивается эластичность сосудов и реже наблюдается истончение артерий, чем у тех, кто пьет чай от случая к случаю или предпочитает другие напитки. Считают, что этим полезным свойствам черный чай обязан катехинам (они также могут образовывать комплексы с казеинами молока). Но все­-таки больше изучают теафлавины черного чая — они обладают противовоспалительными и антиоксидантными свойствами. Большой интерес у медиков и специалистов по фармацевтической химии вызывает зеленый чай, поскольку в нем очень много неокисленных катехинов, в частности того же эпигаллокатехин­-3-­галлата. В 2016 году бразильские ученые даже обнаружили (правда, in vitro), что высокие концентрации этого вещества существенно затрудняют проникновение в клетку вируса Зика.

Артуру Денту не нравится чай, приготовленный автоматическим синтезатором пищи. (Кадр из фильма "Автостопом по галактике")

Человечество пьет чай на протяжении тысяч лет, но только в последние десятилетия химикам удается приоткрыть завесу тайны, скрывающей его сложный химический состав. В романе Дугласа Адамса «Автостопом по галактике» нутримат — невежественный автоматический синтезатор пищи, по его собственным заверениям, способный приготовить все что угодно, подсовывал Артуру Денту чашку с жидкостью, которая почти ничем не отличалась от абсолютной противоположности чая. Возможно, виной тому были не программный сбой или дурной характер нутримата — чудо-­аппарат просто не мог воспроизвести всю сложную химию столь популярного у землян напитка.