В новом исследовании ученые Северо-Западного университета в Иллинойсе, США, продемонстрировали, что заваривание чая естественным образом адсорбирует тяжелые металлы, такие как свинец и кадмий, эффективно отфильтровывая опасные загрязнители из напитков. Ионы тяжелых металлов прилипают или адсорбируются на поверхности чайных листьев, где они остаются в ловушке до тех пор, пока использованный чайный пакетик не будет утилизирован. Исследование опубликовано в журнале ACS Food Science & Technology.
«Мы не предлагаем всем начать использовать чайные листья в качестве фильтра для воды, - сказал Винаяк Дравид из Северо-Западного университета, старший автор исследования. - Целью этого исследования было измерить способность чая адсорбировать тяжелые металлы. Количественно оценив этот эффект, наша работа подчеркивает непризнанный потенциал потребления чая в качестве пассивного вклада в снижение воздействия тяжелых металлов на население во всем мире».
«Я не уверен, что в чайных листьях как материале есть что-то уникальное и примечательное, - добавляет сказал Бенджамин Шиндель, первый автор исследования. - Они имеют большую активную площадь поверхности, что является полезным свойством для адсорбирующего материала и позволяет чайным листьям быстро выделять ароматические вещества в воду. Но особенность в том, что чай является самым потребляемым напитком в мире. Вы можете измельчать всевозможные материалы, чтобы получить аналогичный эффект очистки от металлов, но это не обязательно будет практичным. С чаем людям не нужно делать ничего дополнительного. Просто положите листья в воду и заварите их, и они естественным образом удалят металлы».
Эксперт по сорбирующим материалам и предприниматель в области губок, Дравид - профессор материаловедения и инженерии имени Авраама Харриса в Школе инженерии Маккормика Северо-Западного университета. Во время исследования Шиндель был аспирантом в лаборатории Дравида, сейчас он работает в Национальной лаборатории энергетических технологий Министерства энергетики США.
Для проведения исследования команда изучала, как различные виды чая, чайные пакетики и методы заваривания влияют на адсорбцию тяжелых металлов. Различные протестированные сорта включали «настоящие» чаи, такие как черный, зеленый, улун и белый, а также ромашковый и ройбуш. Они также исследовали различия между листовым и коммерчески пакетированным чаем.
Исследователи создали водные растворы с известным количеством свинца и других металлов (хрома, меди, цинка и кадмия), а затем нагрели растворы до температуры чуть ниже кипения. Затем они добавили чайные листья, которые заваривались в течение различных промежутков времени - от нескольких секунд до 24 часов.
После заваривания команда измерила, сколько металла осталось в воде. Сравнивая уровни металла до и после добавления чайных листьев, они смогли рассчитать, сколько металла было эффективно удалено.
После многочисленных экспериментов Дравид, Шиндель и их команда выявили несколько тенденций. Прежде всего, пакет имеет значение. Протестировав различные типы пакетов без чая внутри, исследователи обнаружили, что хлопковые и нейлоновые пакеты адсорбируют лишь незначительное количество загрязняющих веществ. Однако пакеты из целлюлозы работали невероятно хорошо.
Ключ к успешному сорбирующему материалу - большая площадь поверхности. Подобно тому, как магнит прикрепляется к дверце холодильника, ионы металла прилипают к поверхности материала. Поэтому, чем больше площадь для прилипания частиц, тем лучше. Шиндель утверждает, что целлюлоза, которая является биоразлагаемым натуральным материалом, изготовленным из древесной массы, имеет большую площадь поверхности - и, следовательно, больше мест связывания - чем более гладкие синтетические материалы.
«Хлопковые и нейлоновые мешки практически не удаляют тяжелые металлы из воды, - рассказал Шиндель. - Нейлоновые чайные пакетики уже сами по себе являются проблемой, поскольку они выделяют микропластик, но большинство чайных пакетиков, используемых сегодня, изготавливаются из натуральных материалов, таких как целлюлоза. Они могут выделять микрочастицы целлюлозы, но это всего лишь волокна, с которыми наш организм может справиться».
Сравнивая различные сорта чая, исследователи обнаружили, что тип чая и помол играют второстепенную роль в адсорбции загрязняющих веществ. Мелко измельченные чайные листья, особенно листья черного чая, адсорбировали немного больше ионов металлов, чем цельные листья. Опять же, исследователи приписали это площади поверхности.
«Когда чайные листья перерабатываются в черный чай, они сморщиваются, и их поры открываются, - пояснил Шиндель. - Эти морщины и поры увеличивают площадь поверхности. Измельчение листьев также увеличивает площадь поверхности, обеспечивая еще большую способность к связыванию».
Изображение листьев черного чая, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, увеличенное в 300 раз. Черный чай, который завял и полностью окислился, имеет морщинистую и шероховатую поверхность, что потенциально увеличивает доступную площадь поверхности для адсорбции. Источник фото: Vinayak P. David Group/Northwestern University.
Из всех экспериментов один фактор выделялся больше всего. Время настаивания играло самую важную роль в способности чайных листьев адсорбировать ионы металлов. Чем дольше время настаивания, тем больше загрязняющих веществ адсорбировалось.
«Любой чай, который заваривается дольше или имеет большую площадь поверхности, эффективно очистит больше тяжелых металлов, - сказал Шиндель. - Некоторые люди заваривают чай всего за несколько секунд, и они не получат большого очищения. Но заваривание чая в течение более длительного времени или даже в течение ночи - как холодный чай - очистит большую часть металла или, возможно, даже почти весь металл из воды».
По результатам своих экспериментов исследователи подсчитали, что приготовление чая может удалить около 15% свинца из питьевой воды, даже при концентрации свинца до 10 частей на миллион. Эта оценка применима только к «типичной» чашке чая, которая включает одну кружку воды и один пакетик чая, заваренный в течение трех-пяти минут.
Изменение параметров устраняет различные уровни свинца. Например, замачивание дольше пяти минут адсорбирует больше свинца по сравнению со средним временем замачивания.
«Десять частей свинца на миллион, очевидно, невероятно токсичны, - сказал Шиндель. - Но при более низких концентрациях свинца чайные листья должны удалять аналогичную долю содержания металла в воде. Основным ограничивающим фактором является то, как долго вы завариваете чай».
В богатых ресурсами регионах мира маловероятно, что концентрации достигнут таких высоких уровней. А если возникнет водный кризис, заваривание чая не решит проблему. Но Шиндель сказал, что результаты исследования предоставляют полезную новую информацию, которую можно применить в исследованиях общественного здравоохранения.
«Если бы люди выпивали на одну дополнительную чашку чая в день, со временем мы, возможно, увидели бы снижение числа заболеваний, тесно связанных с воздействием тяжелых металлов. Или это может помочь объяснить, почему у групп населения, которые пьют больше чая, могут быть более низкие показатели заболеваемости сердечными заболеваниями и инсультами, чем у групп населения, которые потребляют меньше чая», - заключил ученый.
Источник: Northwestern University. Фото: Vinayak P. David Group/Northwestern University.
