有没有发现图中的两杯红茶有点不一样呢？
左边这一杯，茶汤清冽，色泽均匀，抿一口，如兰在舌，齿颊留香；右边这一杯，茶水浑浊，表面甚至浮着一层白膜，让人瞬间丧失了品茶的欲望。
白膜是水垢吗？水质会影响茶的品质吗？如何减少这层白膜的出现？
你想问的，研究人员也在努力解决。最近，来自苏黎世联邦理工学院的研究人员用双锥界面流变测定法评估了这层令人不适的水-空气界面膜，发现水的硬度、添加的糖、牛奶乃至柠檬汁的存在、茶浓度和冲泡温度都会影响这种薄膜的形成，为如何泡好一杯茶、让人们喝到更高品质奶茶做出了卓越的贡献。相关成果近日发表在Physics of Fluids 上。
最初人们普遍认为这层茶膜来自茶叶上的蜡质涂层，经过前人初步研究膜的厚度、动力学形成和组成后，发现茶薄膜由氧化茶多酚、碳酸钙和其他盐类组成。
所有的茶叶都来自同一种植物——Camellia sinensis （山茶属中国种），虽然存在不同品种，但茶叶的加工工艺才是决定茶叶品种的原因，如发酵、氧化、翻炒、蒸制和干燥。另一个因素则是水。水质可以根据许多特性来评估，如pH值、总溶解固体（TDS）和硬度。对于饮用水来说最关键指标就是硬度，即每升水中溶解的碳酸钙CaCO3含量。
对于泡茶的选水原则相当有门道。理想的CaCO3溶解量被认为在17-68 mg/L之间。低于此值，则茶的涩味更明显，而高于120 mg/L，则茶的风味就会被煮沸后产生的水垢所掩盖。
研究人员对茶水表面白膜这层空气-水界面的弹性模量Gi’和粘性模量Gi’’进行了流变学测量，以研究不同CaCO3含量对白膜强度的影响，同时也评估了糖、奶、柠檬酸等常用红茶调味品的影响（毕竟是欧洲人做的研究，笔者喝红茶从来不放这些），从而确定了白膜形成的时间、稳定膜的流变模量、形成膜所需的力，和各种硬度条件下使茶水白膜开裂所需的力。对茶水白膜强度的深入了解可能有助于商业茶饮料的生产，以及减少工业茶叶制备设备上留下的薄膜残留物和污渍。
水硬度（碳酸钙含量）对于茶水白膜的影响
不同浓度碳酸钙添加对于红茶白膜界面模量的影响，实心圆是界面弹性模量Gi’，空心圆是粘性模量Gi’’。图片来源：Phys. Fluids
研究人员分别制备了0、10、25、50、100和200 mg/L的碳酸钙水溶液，并测试了2小时的界面弹性和粘性模量。界面弹性模量给出了膜层强度的弹性成分，模量越大，膜层则越强。在界面剪切应变为0.3%时，对于50、100和200 mg/L的浓度，弹性模量超过粘性力模量，即实心圆曲线在空心圆上方。而对于0、10和25 mg/L的低浓度，粘性力则更占优势，此时薄膜的微观结构更具柔性。
当然对于没有碳酸钙添加的超纯水，并没有观察到薄膜出现，这是因为超纯水中缺少可以阻止表面迁移和参与茶水白膜形成的离子。不过用超纯水泡的茶，茶的苦味会更加明显。
茶水白膜的界面模量。图片来源：Phys. Fluids
搅动这层白膜后发现，用较硬的水（CaCO3 100 mg/L、200 mg/L）沏的红茶需要几乎相同的剪切应变（0.5-0.6%），才能使茶水白膜的粘性模量超过弹性模量，此时界面薄膜就像海冰一样破裂成小碎块，表现出较脆的机械性能，正如文章开头那杯漂浮着碎裂薄膜的茶。而用较软的水（CaCO3 10 mg/L、25 mg/L）沏的茶，茶水白膜则没有表现出明显的屈服点。
白糖、牛奶、柠檬，谁产生的茶水白膜最强？
白糖、牛奶、柠檬对红茶茶水白膜的影响。图片来源：Phys. Fluids
用硬水（CaCO3 200 mg/L）与用较软的水（100 mg/L）泡茶，分别添加1 g糖、3 ml柠檬酸溶液、3 ml牛奶（乳脂含量为3.25%），分别进行研究。当加入糖时，茶水白膜的强度在界面弹性或粘性模量方面没有显示出很大的差异。由于糖的亲水性，通常溶解在水里而不是漂在表面，所以薄膜的组成很少受到糖的影响。而柠檬酸的加入导致两种水冲泡的红茶的白膜模量强度下降了两个数量级，这可能是由于钙离子与柠檬酸的复合作用导致。虽然奶茶是唯一一种能够产生肉眼可见白膜的茶饮料，但可能只是折射率变化玩弄的小伎俩。从上图可看到，牛奶的加入大大削弱了界面模量，甚至超过了仪器的下限，可见牛奶中的脂质或者蛋白质成分对于薄膜性质的影响非常大。
柠檬酸和糖的添加对茶水白膜的影响。图片来源：Phys. Fluids
至于柠檬酸和糖的添加对茶水白膜剪切应变影响，柠檬酸的加入可以大大增加茶膜的弹性，使硬水（CaCO3 200 mg/L）沏茶的膜表现得与软水（CaCO3 50 mg/L）产生的茶膜相似，在1.5%的较大剪切应变下才发生破裂。
虽然研究人员也使用气泡压力法进行了表面张力测量，但并没有发现张力与水硬度或添加剂有关的差异。因此茶水白膜的厚度和强度是由界面流变学而不是表面能量决定的。
界面流变学测量可以检测出人眼难以察觉的薄膜。既然这层薄膜无论怎样都会产生，那就生成机械强度最高的吧！以免碎成一块块影响心情。而且，形成最强膜的条件可能对包装茶饮料的货架稳定性和奶茶产品的乳化稳定非常有用。
茶水白膜的厚度与强度没有直接关系，普遍情况薄膜在大约1%的剪切应变下就会破裂。加入糖并不能产生比单纯用硬水冲泡的茶叶更脆的薄膜，断裂时的应变不受影响。柠檬酸可添加到茶中，以软化茶水白膜，使其不那么脆，只在约2%的界面剪切应变下断裂，既能减少碎裂白膜的出现，又能为红茶增加风味。（嗯，这难道是柠檬茶大行其道的原因之一？）
为了让读者好好观察茶水白膜这种界面现象，贴心的研究人员建议用较硬的自来水泡茶，而且不加白糖、柠檬汁、牛奶之类。冲泡完成后将茶叶拿出来，可以获得最佳的视觉效果。如果家里实在没有硬水，又想观察这一现象，作者建议人们不要清洗茶杯，让可溶解的矿物质在几次使用后积累起来。
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）
