От 
martovski_zajac поступил весьма интересный с химической точки зрения вопрос:
"Если заваривать чай в чашке, когда лучше класть сахар: одновременно с чаем или непосредственно перед питьем?"
Если перевести вопрос в кулинарно-химическую область, то я бы перефразировал его так: "Как введение в чай сахара и его концентрация сказывается на его крепости?"
Итак, с химической точки зрения заваривание чая - это твёрдо-жидкостная экстракция, при которой экстрагируемые вещества чая (ЭВЧ), к которым относятся алкалоиды (кофеин, теобромин, теофиллин и др.), дубильные вещества, ароматические вещества, пигменты и проч. переходят из твёрдой фазы (ТФ) в жидкую фазу (ЖФ). Стоит также заметить, что субъективность понятий "лучше" (в большей мере) и "крепость" (в меньшей мере) значительно усложняет
решение поставленной задачи. Традиционный критерий качества заваренного чая предполагает максимальное извлечение всей группы ЭВЧ за исключением большого количества горького кофеина. С другой стороны, столь размытая
постановка вопроса позволяет формулировать множества частных проблем, имеющих важное практическое значение, например: подбор добавки (соэкстрагента), позволяющей селективно экстрагировать требуемые ЭВЧ (или затруднять экстракцию ненужных ЭВЧ, а этом случае добавку называют депрессант).
Возможность и степень перехода ЭВЧ из ТФ в ЖФ (коэффициент экстракции) определяется разностью термодинамических потенциалов: вещество из фазы с высоким термодинамическим потенциалом переходит в фазу с низким термодинамическим потенциалом.
Таким образом, термодинамическую часть выше обозначенной задачи можно сформулировать следующим образом: каково влияние сахарозы на термодинамический потенциал ЭВЧ?
Известно, что термодинамический потенциал растворённого вещества определяется его активностью:
μ = μ°+R×T×lna,
где:μ – термодинамический потенциал, дж/моль;
μ° - стандартный термодинамический потенциал, дж/моль;
R – газовая постоянная, дж/(моль×К);
T – абсолютная температура, К;
а – активность ЭВЧ.
Приведённое выше соотношение позволяет также выявить ещё один фактор, изменение которого вызывает добавление в чай сахара - температура. Для дальнейших рассуждений в первом приближении влиянием добавления сахара на температуру экстрагента придётся пренебречь.
Таким образом, в первом приближении следует рассмотреть влияние сахарозы на активность ЭВЧ. Заметим, что и сахарозу, и ЭВЧ можно отнести к неэлектролитам.
Активность (a) связана с концентрацией (C) через коэффициент активности k:
a = k×C.
Очевидно, проблема разбивается на следующие подпроблемы:- каково влияние добавки сахарозы на концентрацию?
- каково влияние добавки сахарозы на коэффициент активности?
Сложность решаемой задачи побуждает к проведению экспериментальных исследований, дизайн которых будет определяться множеством факторов, что обусловит и выбор методов для измерения качества заваренного чая (от спектрофотометрического анализа и хроматографии до органолептической оценки).
Рассмотрим влияние сахарозы на концентрацию ЭВЧ. Очевидно, если пренебречь изменением объёма раствора при введении сахарозы, то можно пренебречь и изменением концентрации ЭВЧ. Таким образом, влияние сахарозы на коэффициент активности и будет решающим фактором влияния её на активность ЭВЧ и, соответственно, коэффициент экстракции, т.е. параметр, определяющий степень извлечения ЭВЧ из заварки.
В идельном растворе k=1. Если сахароза повышает сродство ЭВЧ к ЖФ, то k<1, если понижает, то k>1. Естественно, коэффициент активности ЭВЧ есть функция концентрации сахарозы. Оценим её молярную концентрацию. Если принять объём стандартной кружки 300 мл, а число добавляемых чайных ложек сахара двум, то масса добавленного сахара примерно составит 10 г. Молярная масса сахарозы 342 г/моль, концентрация сахарозы в чае составит (10/342)/0,3 = 0,1 моль/л, т.е. исследуемая концентрационная область добавки сахарозы относится к области разбавленных растворов, поэтому кардианальных различий в извлечениеи ЭВЧ с добавкой сахарозы и без неё не стоит.
Очевидно, дальнейшая количественная интерпретация изучаемого явления становится затруднительной, и стоит перейти к качественному рассмотрению межмолекулярных взаимодействий в тройной системе ЭВЧ-сахароза-вода, насколько это представится возможным.
Итак, вероятно, что высокая растворимость сахарозы в воде (или, в термодинамических терминах, высокое её сродство к ней) объясняется энергетическим выигрышем при образовании системы водородных связей между молекулами воды и гидроксильными группами сахарозы. Видимо, энтропия при растворении сахара в воде увеличивается - кристалл превращается в газ, происходит разупорядочивание структуры воды. На последнее моё предположение указывает рост растворимости сахарозы с повышением температуры.
Учитывая, что растворимость кофеина (основного алкалоида чая) с повышением температуры также резко растёт (хотя сама по себе достаточно мала при нормальной температуре и составляет чуть менее 2 %), стоит предположить, что энтропийный фактор его растворимости является превалирующим. Качественное рассмотрение экстракции других ЭВЧ затруднено отсутствием эмпирических данных о связи их растворимости с температурой.
Учитывая главным образом энтропийную природу растворимости кофеина, предположительно можно говорить о слабом влиянии сахарозы на коэффициент его экстракции.
Но на этом теоретические физико-химические изыскания не оканчиваются. Выше сделана попытка рассмотрения термодинамической стороны вопроса. Однако немаловажную роль играет и влияние сахарозы на скорость извлечения ЭВЧ в ЖФ. Единственной, по мнению автора, теоретической предпосылкой к снижению скорости экстракции в присутствии сахарозы может служить повышение вязкости экстрагента. Однако и эта гипотеза нуждается в экспериментальной проверке.
Ну скажите, товарищи, чем мы в студенчестве не развлекались, но как мы не додумались поисследовать, хотя бы теоретически, такой важный для каждого студента-химика вопрос, а? ;-)
Комментарии (0)