Mám rád teplý ovocný čaj, a jednou když jsem si ho chtěl ohřát a dolil do něj vroucí vodu – rázem ztratil červenou barvu. Tak jsem si řekl, že se jen hodně zředil, ale když jsem si do něj bezelstně přidal citrón, tak okamžitě zase zčervenal. A to mě přivedlo k tomu, prověřit vlastnosti ovocného čaje. Čeká vás lekce domácí chemie! (Opravdovým chemikům se omlouvám za případné nepřesnosti či zanedbání základních laboratorně-chemických zásad. Šlo spíše o hrubé testování hypotéz než seriózní experiment.😀)
Vybavení
Zkoumal jsem dva běžně sehnatelné, levné sáčkové ovocné čaje: Jemču Borůvka (označujme B; měl jsem ho už poslední sáček, tak to bylo na jeden pokus) a Jemču Borůvka a Jahoda (označujme BJ). Tady je jejich složení:
Na těchhle čajích je dobré to, že mají stejný základ: jablko, ibišek, borůvku (i když v jiných poměrech) a ostružinu. Liší se jen v pár přísadách. B má navíc lékořici, vyšší obsah borůvky, kys. citrónovou. BJ má jahodu a šípky. (Pomíjím aromata a džusy, protože už není možné přesněji určit jejich poměry a složení; vycházíme jen z druhů plodin, které jsou do směsi přidané, protože na to, zjistit víc, nemám vybavení.) Potom totiž můžeme porovnat, jestli se sledovaný jev bude dít jen u jednoho nebo obou čajů a podle toho určit přesněji, která složka čaje za to zvlástní chování může. Právě BJ bude můj hlavní objekt zkoumání, protože u toho jsem výše zmíněný jev pozoroval.
Po celou dobu nás bude provázet můj multimetr Düwi 07975 s elektronickým teploměrem. Jak je vidět na obrázku vlevo, začínáme na 22 °C pokojové teploty. Praktickou pravděpodobnou nejistotu měření teploty berme vždy 1 °C na vzduchu a 2 °C v kapalině. Na obrázku vpravo pak jsou ostatní pomůcky: 2 vymyté čajové konvice – levá bude vždy na B a pravá na BJ, kuchyňská odměrka na 1000 ml a hlavně je potřeba cedulka: „Pozor probíhá experiment!“ (aby si ten čaj náhodou někdo nenalil 😀).
Postup
Nejdřív jsem do obou konvic nalil čerstvě uvařenou vodu. Teplota velmi rychle klesala v souladu s Newtonovým ochlazovacím zákonem (v odkazu na str. 2, q s tečkou označuje derivaci tepla v čase), nesmírně umocněná vypařováním (pro zájemce, zde jsem našel studijní text z VŠCHT pojednávající o Newtonovi, vypařování i proudění). Teplota po naplnění obou konvic byla už „jen“ 79 °C. V obou konvicích počítejme přesný objem 500 ml převařené vody z kohoutku.
Hned nato, podle návodu, jsem hodil čaje do každé konvic, a nechal je namáčet přesně 6 minut. Zde je průběh po vhození, po 3 minutách a po 6 minutách, kdy už je bylo třeba vytáhnout.
Už po tak krátké době už teplota spadla na 61 °C.
A teď necháme vše zchladit až na pokojovou teplotu. To bude trvat docela dlouho, mezitím se seznamte s citrónovou šťávou:
Bohužel nemám jak změřit přesně kyselost citrónové šťávy a zde se budeme muset spolehnout na tabulkové hodnoty. Když dáme dohromady Wolfram|Alpha a dvě různá videa na Youtube (zde a zde), zdá se, že bude bezpečné odhadovat pH kolem 3. Hlavním zdrojem kyselosti citrónové šťávy je kyselina citrónová, karboxylová kyselina – tj. funkční skupinou v ní je ‒COOH. Můžeme si spočítat ze vzorce pro pH slabé kyseliny:
kde pKa1 je záporný logaritmus disociační konstanty pro první stupeň disociace kyseliny. Kys. citrónová má 3 karboxylové skupiny a když zanedbáme další disociační stupně, dostáváme z tohoto vztahu vztah pro koncentraci:
Při tabulkové hodnotě Ka1 = 7,4.10−4 při 25 °C (zdroj) a uvažovaném pH máme koncentraci kyseliny citrónové v řádu 10−3 mol/l.
Po 2 a půl hodinách jsou čaje zchlazené na pokojovou teplotu (těch 22 °C). Připravíme si novou horkou vodu, abychom ji začali přilévat do vychladlého čaje. Tato nová voda má příjemných 92 °C.
Nyní jsem přiléval po 100 ml horké vody do každé z konvic a tím čaj ředil. Připomínám, že původně v každé je 500 ml vychladlého čaje, vlevo B, vpravo BJ.
|
+100 ml (od původního, a to i v dalších) |
+200 ml | +300 ml |
 |
 |
 |
| +400 ml |
odlito, aby zbylo jen 500 ml nového roztoku |
ještě +100 ml |
 |
 |
 |
Je vidět, že BJ ztrácí barvu mnohem rychleji než B. I B mírně zrůžověl. Nyní přistoupíme k další fázi pokusu. K němu použijeme kapátko na 3 ml, které předtím vyčistím vodou a lihem.
Po jediné dávce 3 ml citrónové šťávy do BJ (připomeňme, že to je do 600 ml roztoku, ve kterém původní čaj má objemovou koncetraci pouze 46 %) vidíme okamžité zčervenání (koncentrace kyseliny citrónové je pak kolem 2.10-6 mol/l ⇒ pH zhruba 4,3 v BJ (pro něj ho počítám, protože v něm není přidaná kyselina citrónová ve složení), připomínám, že škála kyselosti podle pH je logaritmická, proto můžeme být stále tak daleko od neutrální 7):
A po přidání dalších 3 ml do BJ červená už jen slabě. B se drží. Po zdvojnásobení dávky už se stav moc nemění. Závěrečná teplota pro ty, kteří by chtěli argumentovat změnou teplot roztoku, je 44 °C.
Další den, nyní už pouze s BJ čajem, jsem zkusil opačný experiment. Nedal jsem do něj kyselinu – citrónovou šťávu, ale zásadu – jedlou sodu (NaHCO3). Pokud barvivo v tomto čaji reaguje na pH, je možné, že zásadité prostředí v něm vyvolá jinou reakci. A tady ho máme připravený, s teplotou 70 °C, očekávající první lžičky sody:
Jedna z nejvýraznějších změn v tomto experimentu, pohlédněte na konvici čaje před a po přidání jedné zarovnané lžičky sody, hmotnostně srovnatelné s jednou dávkou citrónové šťávy z kapátka (i když koncentrace čajového roztoku je 2× větší než předtím):
A ještě malý detail na odstíny, byla to tedy změna k tmavě hnědé, ve které zůstala slabě i červená:
Diskuze a závěry
Dělo se, co jsem očekával – v BJ se měnila barva, je však zajímavé, že v B skoro vůbec. Trochu jsem pohledal na internetu a dal dohromady pravděpodobná vysvětlení. Pojďme se podívat na vybraná barviva, která se v takových přísadách těchto čajů, které jsou obsaženy v každém jinak, vyskytují:
Borůvka: v řádu stovek mg/g mohou borůvky obsahovat směs anthokyaninů (vizte příslušný wiki článek), tj. organických barviv, strukturního vzorce na obrázku vpravo (přebráno z Wikimeda Commons, URL). Anthokyaniny mají na místech jednotlivých R# buď ‒OH, ‒H nebo ‒OCH3 skupinu. Podle toho, v jaké variaci, mají i různá jména: delfinidin, petunidin, europinidin a další. Jsou červenější v kyselejším prostředí, modré/fialové v neutrálním (borůvky). Jinak mohou být také žluté, zelené (v zásaditých), ale tyto barvy jsme přímo nepozorovali.- Jahoda: I jahody vděčí za svou barvu anthokyaninům, zejména kalistefinu a chryzanteminu. Celkové množství barviv je však v mnoha plodinách výrazně větší a směsi jsou složitější. Doporučuji k tomuto najít nějaké další zdroje či literaturu,
- Šípky: Ty jsou zase věrné druhé významné, známější skupině přírodních barviv: karotenoidům. Patří mezi ně například Lykopen. Nejjednodušší kartodenoid v tom smyslu, že (stejně jako všechny ostatní) obsahuje 40 atomů uhlíku, ale přitom ani jedno cyklické jádro (molekula se „nesvinula“, (nejen) tím se odlišují jednotlivé karotenoidy). Karotenoidy poskytují barvy převážně v teplých odstínech. Narozdíl od anthokyaninů, karotenoidy jsou stabilní v kyselém i zásaditém prostředí, a tedy zachovávají barvicí efekt. Odolávají také vysokým teplotám. Jsou zodpovědné za oranžovo-žluté barvy listů na podzim.
Strukturní vzorec lykopenu
Změny barvy se děly hlavně v BJ. Vzhledem k jejich stabilitě, nemůžeme vinit karotenoidy, že by byly zodpovědné za změnu barvy. Stálá barva B, za kterou však mohou být zodpovědné pouze anthokyaniny, ukazuje na možnost, že od výroby přidaná kyselina citrónová (jde mimochodem o pevnou látku) udržuje kyselost čaje, takže ve spojení s vyšším obsahem borůvkového barviva i po ředění čaj neztrácí barvu. V BJ naproti tomu nic nechrání červená barviva z jahod i z borůvek před působením kyselin a zásad. Citrónová šťáva podle očekávání mění barvu na červenou. Bylo novým pozorováním, že soda barvu změní na hnědou. Pravděpodobně jde ale spíše o směs více barev, zdánlivou hnědou, protože anthokyaniny nemohou být hnědé. Hnědou jde totiž (subtraktivně) složit z modré a červené nebo z fialové a žluté. Je možné, že jsme tak nepřímo pozorovali reakci anthokyaninů na zásadité prostředí, které jich část změnilo na žluté a část na fialové, což se mi zdá jako malý objev.😀
Zbývá poslední otázka, proč BJ ztrácel barvu přidáváním vroucí vody. Pouhé ředění nemůže být celou odpovědí, protože, jak je výše psáno, výsledná koncentrace čajového roztoku, když už téměř ztratil barvu, byl jen o málo pod 50 %. „Nevratný“ chemický rozklad barviv teplem to také nemůže být, protože citrónová šťáva přivedla neviditelná barviva opět k původnímu odstínu; předpokládám že šlo jen o dočasnou disociaci.
S vyšší teplotou se míra disociace zvyšuje a pH se snižuje. To se děje pro vodu, ale i pro kyselinu citrónovou. Nejde však o významný jev. Je třeba hledat jiné vysvětlení. Nakonec se můžeme ptát po dalších vlastnostech samotných barviv, a jak je jejich stabilita ovlivněna ne jen díky pH, ale právě teplotou. V jedné práci (viz níže v dalších zrojích jako 2.) se dočítáme o výrazné závislosti stability anthokyaninů obsažených v čiroku na teplotě. Nenašel jsem podobné tabulky pro právě ta barviva, která mě mohou zajímat, ale pro dnešek vše uzavřeme pracovní hypotézou, že teplem jsme červená barviva disociovali a spolupůsobením chlazení a kyselého prostředí je zpětně dali dohromady.
Upozorňuji, že všechno jsou jen mé hypotézy nezkušeného (ani amatérského) chemika – nezkoušejte to (třeba vařit si čaj) sami doma! 😀
Co si myslíte? Mám tam někde chybu? Víte více právě o reakcích, které nás zajímají? Dejte vědět do komentářů!
Poznámky do budoucna
- Pořídit si nějaký dobrý acidobazický indikátor.
- Nakoupit víc B čaje. 😀
- Nasypat sodu do B a zjistit, zda se jeho odolnost nesníží.
- Dodatek: V listopadu 2021 jsem se podíval opět na složení čaje BJ a kdovíproč přísady jsou stále stejné, jen jsou na obalu jinak řazené. 😀 Vyplatilo by se však prozkoumat jev, na základě kterého mě ono složení zajímalo: jednou jsem totiž měl tento čaj zase uvařený a přilil do něj slazený nálev z konzervy loupaného liči (myslím že bez přidaných barviv). Světe, div se, čaj zfialověl. Hypotéza je, že nálev potlačil červené jahodové barvivo a/nebo zesílil fialové borůvkové barvivo.
Další zdroje
- Winny Routray & Valerie Orsat: Blueberries and Their Anthocyanins: Factors Affecting Biosynthesis
and Properties, doi:10.1111/j.1541-4337.2011.00164.x - Suganya Devi P., Saravanakumar M. a kol.: The effects of temperature and pH on stability of anthocyanins from red sorghum (Sorghum bicolor) bran, doi:10.5897/AJFS12.052
Extra-věda 
