Hóa học trong tách trà

Khi cầm một tách trà lên tay, có bao giờ bạn nghĩ đến những điều thú vị trong đó. Hơn cả một tách trà, đó là một dung dịch phức tạp về mặt hóa học.

Trà trắng, thứ trà hàng đầu thế giới do Twinings, công ty trà Anh được thành lập từ đầu thế kỷ 18, cung cấp. Kathryn Sinclair, đại sứ nhãn hàng, cho biết trà trắng được làm từ những lá trà non giàu chất ô xy hóa và có hàm lượng caffeine cao nhất trong các loại trà bởi quá trình chế biến tối giản nhất. “Trà trắng là loại tinh túy nhất của trà”, cô giải thích.

Có rất nhiều loại trà trên thế giới. Trà trắng hay trà vàng đều là những dạng trà hiếm mang hương vị đặc biệt, được chế biến từ những cây trà ở một số vùng trồng, tất cả đều ở Trung Quốc. Tiếp theo là trà xanh, mạt trà, của Nhật Bản hầu như được chế biến bằng tay và có phảng phất vị tảo. Ngoài ra, phải kể đến trà đen (những người uống trà ngoài châu Á có thể coi đó là trà ‘thông thường’) và cuối cùng trong danh sách trà đen có trà Phổ Nhĩ, một loại trà cho nước màu sẫm với hương vị rất mạnh và được nhiều người châu Âu cho là mang mùi của đất.

Sinclair giải thích, mỗi loại trà đều phụ thuộc vào nơi trồng và điều kiện trồng trọt. Trà của Trung Quốc chủ yếu từ giống Camellia sinensis, hay còn được gọi là sinensis – nghĩa là ‘Trung Quốc’ trong tiếng Latinh, dạng cây bụi và được ưa thích vì khí hậu lạnh, thông thường do độ cao. Trà Ấn Độ từ vùng Assam cũng thuộc giống Camellia sinensis và mang tên assamica, những cây cao khoảng trên năm mét, phù hợp với vùng thấp hơn, độ ẩm cao hơn và nóng hơn. Tất cả mọi thứ từ đất, nhiệt độ, độ ẩm và lượng mưa sẽ ảnh hưởng đến chất lượng và hương vị. “Trà rất nhạy cảm với môi trường. Nó cần những điều kiện tối ưu để sống sót”, cô nói.

Tuy nhiên, cuối cùng sự khác biệt giữa các loại trà là hóa học, và cái hóa học này chịu ảnh hưởng của việc trồng trọt, môi trường, thời tiết và quan trọng là quá trình chế biến. ‘Từ góc nhìn hóa học, trà là một vấn đề bí ẩn và thách thức với các nhà hóa thực phẩm và hóa phân tích”, Nikolai Kuhnert, một nhà hóa học tại trường Đại học Jacobs ở Bremen, Đức, nói. “Không vật liệu thực phẩm nào lại hấp dẫn, đa dạng và phức tạp về mặt hóa học hơn trà”.

Đóng gói nhiều hợp chất

Lá trà tự nó đã đóng gói bằng các loại hợp chất khác nhau, trong đó chủ yếu từ các polyphenol, có thể chiếm tới 40% khối lượng khô của lá. Nó cũng có các amino acids, enzymes, methylxanthines như caffeine, khoáng chất, vitamin và hơn 700 hợp chất tạo mùi thơm.

Vẻ đẹp của trà là quá trình ô xy hóa có thể được điều khiển và kiểm soát để thay đổi sự xuất hiện của hương thơm, mùi vị, qua đó đem lại những dạng trà khác nhau với những thành phần hóa học khác nhau. Sự khác biệt chủ yếu giữa các dạng trà là dựa trên nồng độ chất ô xy hóa.

Polyphenol – cũng được biết như tannin– là nhóm hợp chất lớn nhất của lá trà. Trong một tách trà, chúng chủ yếu đem lại chất làm se, đem lại cảm giác khô miệng sau khi uống, trong khi cũng đem lại cả màu sắc và hương vị. Chúng được tin là có các đặc tính chống bệnh tật và chống ô xy hóa. Một tách trà đậm có thể có khoảng 240mg polyphenol.

Nhóm polyphenol quan trọng nhất của flavonoids trong trà là flavonoids, gồm các flavanols chứa catechins, được nghiên cứu là có lợi cho sức khỏe. Nhiều hương vị và màu sắc của trà là kết quả của hai chất phenolic là theaflavins và thearubigins, được hình thành từ flavanols khi chế biến trà. Ngày nay, người ta vẫn còn biết quá ít về các hợp chất này, dẫu đã có nhiều nghiên cứu được tiến hành. Các dạng flavonoids khác như các flavones và anthocyanins, cũng được thấy trong trà.

Bên cạnh các chất ô xy hóa có lợi cho sức khỏe, trà còn được biết nhiều đến với các đặc điểm có tính chất kích thích khác từ caffeine có trong lá ở hàm lượng từ 1% đến 6% khi khô. Theobromine và theophylline la hai hợp chất tương tự caffeine, và có ba methylxanthines nữa đem lại vị đắng cho trà. Thông thường, hàm lượng caffeine trong một tách trà từ 20 đến 70mg trên 170ml được pha từ 2,5g lá trà nhưng phụ thuộc vào thời gian pha và dạng trà. Để so sánh thì một cốc cà phê có 40 đến 155mg caffeine trong 170ml.

Nhưng caffeine không chỉ là hợp chất tác động đến thần kinh trong trà – amino acid theanine chiếm 1% of tea trong lá trà khô. Những gì đem lại sự độc đáo của trà, theo Nigel Melican, giám đốc bộ phận tư vấn của công ty Teacraft, là caffeine và theanine kết thành một hiệu ứng đầy năng lượng và cân bằng của sự kích thích và thư giãn. Nơi caffeine kích thích và khuấy động con người khỏi trạng thái uể oải, theanine đem đến một sự tỉnh táo, giảm thiểu sự căng thẳng tinh thần và tạo ta một cảm giác khỏe khoắn bằng việc tăng cường bộ não sản xuất ra axit gamma-aminobutyric, chất ức chế dẫn truyền thần kinh chính trong hệ thống thần kinh trung ương nhằm làm giảm sự kích thích thần kinh, và thúc đẩy hoạt động của sóng não alpha. “Điều này giải thích tại sao theanine lại làm cân bằng sự kích thích do caffeine đem lại”, Melican nói. Amino acid này cũng cải thiện vị trà bằng việc ảnh hưởng đến chất làm se astringency ở một số cách pha trà, ông cho biết thêm.

Các kỹ thuật phân tích hiện đại, như khối phổ phân giải cao, cho phép làm sáng tỏ bản chất hóa học của nhiều thành phần trà, Kuhnert nói. Thậm chí, trà xanh đã được nghiên cứu sâu hơn. Tuy nhiên trà vẫn còn quá phức tạp với nhiều hợp chất chưa biết, cụ thể là hóa học trong quá trình chế biến trà đen. Ví dụ, nhiều hợp chất thơm dễ bay hơi mang đến hương vị cho trà, không tồn tại trong lá chè tươi và chỉ xuất hiện trong quá trình chế biến. “Trà đen khiến các nhà khoa học sự sống chật vật do sự phức tạp của nó và thiếu hiểu biết về thành phần của nó”, Kuhnert giải thích. “Trong trà đen có khoảng 30.000 phân tử trong quá trình lên men và chỉ có một số ít trong đó đã được nghiên cứu”.

Làm trà

Quá trình chế biến trà tạo ra sự hấp dẫn hóa học của nó. Lên men thường được sử dụng để miêu tả quá trình làm trà nhưng về cơ bản đó là một quá trình ô xy hóa: các polyphenols được phơi nhiễm với ô xy và các enzyme oxidase để chuyển đổi thành theaflavins và thearubigins. Sự ô xy hóa xuất hiện sau khi trà được hái và các thành tế bào bị phá vỡ về mặt cơ học sau khi bị héo đi. Quá trình này trộn lẫn catechins và enzyms, dẫn đến kết quả là chuyển đổi các enzym trong lá và phát triển hương vị mới.

Vẻ đẹp của trà là quá trình ô xy hóa có thể được điều khiển và kiểm soát để thay đổi sự xuất hiện của hương thơm, mùi vị, qua đó đem lại những dạng trà khác nhau với những thành phần hóa học khác nhau. Bằng việc gia nhiệt, ví dụ, quá trình ô xy hóa bị khử bởi các enzyme. “Bằng cách nào mà sự thay đổi về mặt hóa học hoặc pha trộn với nhau lại phụ thuộc hoàn toàn vào các điều kiện chế biến mà chúng ta áp dụng cũng như thời gian và trình tự chúng ta áp dụng? Liệu có phải thế không?”, Melican đặt câu hỏi.

Nhiều nghiên cứu khác cũng tìm thấy thời gian pha trà lâu hơn dẫn đến nước trà có hàm lượng caffeine cao hơn trong khi polyphenol mất nhiều thời gian khuếch tán hơn khiến trà có vị đắng không mong đợi trong khi pha quá lâu.

Ví dụ, các điều kiện chế biến và kỹ thuật khác nhau có thể làm thay đổi trà và các thành phần hóa học của nó, A K Barooah – giám đốc tổ chức Liên minh nghiên cứu trà Tocklai ở Ấn Độ, nói. Có hai dạng kỹ thuật làm trà maceration – trà truyền thống OTD và trà CTC (những phong cách chế biến trà chính được của Ấn Độ) đã tạo ra các thành phần hóa học khác nhau, ông nói. Trà truyền thống OTD được khai thác và chế biến bằng tay trên toàn bộ lá trà trong khi trà CTC (viết tắt của cụm từ cắt, nghiền, cuộn) được xử lý trong một cái máy có nhiều răng nhọn để xé, nghiền lá trà. “Trà truyền thống OTD hương vị mạnh hơn và màu nhạt hơn còn trà CTC cho nước sẫm hơn với hương vị dịu hơn”, Barooah giải thích. Trà truyền thống OTD thường được coi là loại phẩm cấp cao và do đó, đắt hơn. Các túi trà chứa nhiều vụn thì không được giá lắm.

Sự khác biệt chủ yếu giữa các dạng trà là dựa trên nồng độ chất chống ô xy hóa. Ví dụ trà đen thì hầu như toàn chất chống ô xy hóa. Lá trà đầu tiên được làm héo và sau đó được cuộn lại khiến lá trà giải phóng các hóa chất để bắt đầu quá trình ô xy hóa. Lá trà sau đó được đưa vào quá trình ô xy hóa trong một nhiệt độ – và độ ẩm trong một không gian được kiểm soát, chuyển sang hoàn toàn màu sẫm trước khi khô hẳn. Bởi vì quá trình này, trà đen ít polyphenol catechin hơn các loại trà khác nhưng chứa tới 20% thearubigin và khoảng 2% theaflavins được hình thành trong quá trình ô xy hóa. Trong khi đó, bisflavanols được hình thành từ flavanols, vốn trải qua phản ứng trùng hợp ô xy hóa polyphenol.

Trà xanh, nói cách khác, không bị ô xy hóa bởi vì quá trình sao bằng nhiệt – về tổng thể làm bay hơi nước hoặc sao trên chảo – diễn ra rất nhanh sau khi thu hoạch. Kết quả là các catechins xanh không bị ô xy hóa và màu của lá trà được giữ nguyên. Trà vàng và trà trắng cũng ít bị ô xy hóa, và những loại trà này chứa hàm lượng polyphenols cao hơn trà đen, với tỷ lệ tương tự với lá chè tươi. Số polyphenols chính trong trà xanh là catechins, chiếm khoảng 30 đến 42%, trong khi caffeine là 3,5%.

Trà Ô long cũng bị ô xy hóa trong quá trình làm héo; ngay sau đó được cuộn lại rồi gia nhiệt để ngừng quá trình ô xy hóa. Vì vậy trà ô long – như trà xanh, trà trắng và trà vàng – có hàm lượng polyphenol cao hơn trà đen. Trà Ô long chứa một dạng flavonoid độc đáo mà người ta gọi là oolonghomobisflavins, số lượng catechins và thearubigins phụ thuộc vào mức độ ô xy hóa trong quá trình làm trà.

Hóa học trong nhà bếp

Quá trình làm trà không cần đến bất cứ loại hóa chất nào. “Trong quá trình này, không có gì được đưa vào và chỉ có loại nước khỏi lá trà”, Melican nói. “Trà là một trong những thực phẩm tinh túy nhất mà chúng ta đưa vào miệng”. Nhưng một khi trà được sản xuất ra thì có vô số các phụ gia có thể được bổ sung, từ việc pha trộn thêm hương vị khác như táo hoặc cam, ví dụ trà Earl Grey.

Các quá trình đến sau này không làm thay đổi hóa học của trà; trớ trêu là điều này lại xảy ra trong nhà bếp. Ví dụ, thời gian pha trà và nhiệt độ có thể tác động đến thành phần của tách trà mà bạn uống. Khi nước nóng được đổ vào ấm trà, lớp phenolics trong trà được tách ra trong pha nước cùng với các hóa chất khác của trà, Kuhnert giải thích với những hiểu biết của người hiện đang khám phá những thay đổi về thành phần hóa học trong quá trình pha trà. ‘Caffeine được tách ra đầu tiên, sau đó là phenolics. Ở mức nhiệt độ cao, tất nhiên sẽ có vị đắng hơn. Vì vậy để ít có vị đắng hơn thì cần pha trà ở nhiệt độ thấp hơn”, ông nói.

Polyphenol có thể bị phân rã và biến mất trong quá trình pha trà bằng nước nóng, theo Shiming Li, giáo sư thỉnh giảng tại ĐH Rutgers ở Mỹ. Đó cũng là kết quả của nghiên cứu về các đặc tính chống ô xy hóa trong trà trắng, xanh và đen của trường ĐH Malaya; họ phát hiện ra mức nhiệt và thời gian hiệu quả nhất của từng loại trà. Ví dụ trà đen có mức ô xy hóa cao trong nước nóng nhưng giảm đi theo thời gian, trà trắng có mức ô xy hóa lâu hơn trong khi pha còn trà xanh cũng rất nhạy với nhiệt độ.

Nhiều nghiên cứu khác cũng tìm thấy thời gian pha trà lâu hơn dẫn đến nước trà có hàm lượng caffeine cao hơn trong khi polyphenol mất nhiều thời gian khuếch tán hơn khiến trà có vị đắng không mong đợi trong khi pha quá lâu. Còn các lá trà có kích thước nhỏ khuếch tán nhanh hơn và có xu hướng mang hương vị mạnh hơn lá trà kích thước lớn.

Ở Anh, nhiều người cho thêm sữa vào trà. Có nhiều nghiên cứu có kết quả mâu thuẫn nhau về sự thay đổi về mặt hóa học khi pha thêm sữa. Barooah nói các protein trong sữa có thể hình thành các phức hệ với polyphenol của trà và một số chuyên gia thì tin là điều này có thể làm ảnh hưởng lợi ích sức khỏe do suy giảm sự sẵn sàng về mặt sinh học của các polyphenol. Một nghiên cứu vào năm 2010 của Lisa Ryan và Sebastien Petit tại trường ĐH Oxford Brookes tại Anh đã khám phá ra điều này với những dạng và dung lượng sữa khác nhau. Họ tìm thấy sữa không kem làm giảm tác động chống ô xy hóa của trà một cách đáng kể hơn so với sữa nguyên kem. Các nhà nghiên cứu kết luận là trà đen là nguồn chống ô xy hóa có giá trị và tác động của sữa lên khả năng chống ô xy hóa của trà có thể liên quan đến hàm lượng chất béo trong sữa.

Uống vì sức khỏe

Một số phát hiện khoa học thú vị nhất về cơ chế sinh hóa trong quá trình chế biến, theo Barooah, và điều đó đã dẫn đường cho những nghiên cứu tìm hiểu lợi ích sức khỏe của trà. “Trà có thể được coi là thực phẩm chức năng do giá trị chống ô xy hóa của nó”, Barooah nói. “Catechins, theaflavins, thearubigins và polysaccharides hiện diện trong trà là các dược chất, và các phát hiện hấp dẫn nhất về khía cạnh sức khỏe còn tùy thuộc vào độ hoạt hóa chống chất gây ung thư, tiểu đường và tăng huyết áp.

Thậm chí có một số nghiên cứu đề xuất là trà có lợi ích sức khỏe tiềm năng, bao gồm giảm nguy cơ rủi ro về bệnh tim mạch, đột quỵ, viêm nhiễm, loãng xương và ung thư cũng như các tác động vê sức khỏe  qua đường tiêu hóa, thậm chí chống virus. Ví dụ, các nhà khoa học ở Bệnh viện Đa khoa Vũ Di Sơn, Trung Quốc, phát hiện ra là những người uống trà thường xuyên – uống khoảng hơn 10g trà mỗi ngày trong vòng sáu năm hoặc hơn – gồm ít người có thành động mạch dày và mất độ mềm dẻo nhất so với bốn nhóm uống trà (bốn nhóm là những người uống trà trong vòng 10 năm, sáu đến 10 năm, một đến năm năm  và không uống trà), do đó giảm nguy cơ mắc bệnh tim. Catechins được tin là đem lại lợi ích sức khỏe, các nhà khoa học này cho biết.

Trà xanh, với nồng độ catechins cao, được các nhà khoa học quan tâm và hiện tập trung vào một loại catechins là epigollocatechin gallate. Các nhà khoa học Brazil tìm thấy hàm lượng của chất này cao trong ống nghiệm có tể ngăn hơn 90% virus zika khỏi bám vào tế bào. Trong khi đó, ở trà đen, theaflavins là các hóa chất được quan tâm với đặc tính chống ô xy hóa và chống viêm nhiễm.

Li của ĐH Rutgers trước đây dẫn dắt nhóm nghiên cứu hóa phân tích và hợp chất thiên nhiên ở WellGen, một công ty công nghệ sinh học tập trung vào thực phẩm có tính chất chữa bệnh. Trong nhiệm kỳ của mình, ông đã chế tạo ra một sản phẩm trà đen có lợi cho sức khỏe chứa 40% theaflavins. ‘Sau hàng ngàn năm, việc uống trà đã trở thành một truyền thống và việc nghiên cứu hiện tại cho thấy các lợi ích sức khỏe thực sự. Nó cũng được ghi nhận ít kích ứng với nhiều loại thuốc”, ông nói. Thậm chí ông tin là trà là một loại thực phẩm thực phẩm dinh dưỡng có thể dùng cho mục đích y tế (medical food) trong tương lai, với phổ ứng dụng rộng nhờ hàm lượng polyphenol cao dưới dạng trà và thay thế các chất chống ô xy hóa nhân tạo, làm chất bảo quản trong dầu ăn và các loại thực phẩm khác.

Tuy nhiên vẫn cần nhiều nghiên cứu khác về các đặc tính có lợi cho sức khỏe cụ thể trong trà và các thành phần hóa học của nó. Vẫn còn có lo ngại về tác động với sức khỏe của caffeine, Melican nói. ‘Về mặt cá nhân thì tôi uống khoảng một phần tư lít trà mỗi ngày. Tôi đã 75 tuổi, khỏe mạnh, vẫn năng động và làm việc 50 giờ mỗi tuần – vì vậy có thể tôi được hưởng lợi ích từ trà chăng”.

Việc uống trà đã trở nên phổ biến nhưng khoa học mới chỉ bắt đầu tìm hiểu về bản chất hóa học đầy phức tạp của món uống khoái khẩu của chúng ta. ‘Trong loạt phim khoa học viễn tưởng Đường tới dải Ngân hà, cỗ máy Nutri Matic thậm chí còn không thể pha cho nhân vật chính Arthur Dent một tách trà ngon và bổ nữa cơ”, Kuhnert nói. ‘Vì nó quá phức tạp”. □

Anh Vũ dịch

Nguồn: https://www.chemistryworld.com/features/the-chemistry-in-your-cuppa/2500010.article