شاي سريع التحضير

الشاي سريع التحضير هو مزيج مسحوق يُضاف إليه الماء لتحضير كوب من الشاي . طُوّر أول شكل من أشكال الشاي سريع التحضير في المملكة المتحدة عام ١٨٨٥. ^{[ ١ ] : ٥٣٨} مُنحت براءة اختراع لمعجون مصنوع من خلاصة الشاي المركزة والسكر والحليب المبخر ، والذي يتحول إلى شاي عند إضافة الماء الساخن. مع ذلك، لم تُحرز أي تطورات ملحوظة حتى سمحت تقنية التجفيف بالرش بتجفيف مركزات الشاي عند درجة حرارة لا تُؤثر على نكهة المنتج.

مسحوق الشاي الفوري هو في حد ذاته عبارة عن مركبات مجففة للنكهة والرائحة واللون الموجودة في الشاي. عند تسويقه، يمكن إضافة مكونات أخرى، مثل السكر لتحسين المذاق، وحمض الستريك لإضفاء الحموضة، ^{[ 2 ]} ونكهات أخرى لا توجد عادةً في أوراق الشاي، مثل نكهات التوت أو الليمون. من الناحية الفيزيائية، يتكون الشاي المُعاد تكوينه في معظمه من الماء مع مركبات مذابة فيه لإضفاء نكهة معينة. وهذا يعني أن الشاي يُصنف ضمن فئة السوائل النيوتونية . إن توزيع مركبات النكهة واللون بالتساوي عند إضافة الماء يدل على أن الشاي المُعاد تكوينه عبارة عن خليط متجانس. بينما يحتوي الشاي التقليدي المُحضر باستخدام أوراق الشاي والماء الساخن على مركبات غير قابلة للذوبان تجعله معلقًا أيضًا ، يُصنع الشاي الفوري بهدف الذوبان في الماء.

يمكن تقسيم إنتاج الشاي الفوري إلى ست خطوات رئيسية: اختيار المواد الخام، والاستخلاص، وإزالة النكهة، ومعالجة كريمة الشاي، والتركيز، والتجفيف.

يتم اختيار أوراق الشاي بما يحقق مصلحة كل من المُصنِّع والمستهلك النهائي. ونظرًا لبعض القيود القانونية في الدول المنتجة للشاي، يُعد استخدام أوراق الشاي الأسود المُخمَّرة غير المُجفَّفة الخيار الأمثل من حيث التكلفة للمُصنِّعين، إذ لا تخضع هذه الأوراق للمزادات العامة، وبالتالي تكون أرخص. ^{[ 1 ] : 538} ولا يتم التضحية بالجودة، فقد أظهرت الأبحاث أن هذا النوع من الأوراق يتمتع بنكهة مماثلة لنكهة أوراق الشاي الأسود المُجفَّفة. ^{[ 3 ]}

تُجرى عملية الاستخلاص بهدفين رئيسيين: كمية المواد الصلبة المستخلصة من أوراق الشاي، وتركيز محلول المستخلص. ^{[ 1 ] : 539} وقد أظهرت الأبحاث أن المواد الذائبة في أوراق الشاي في جهاز استخلاص عمودي يمكن وصفها بنظام من ثلاثة مكونات، يخضع كل منها لقانون الذوبان من الدرجة الأولى. ^{[ 4 ]} ويستند تفسير تصنيف المركبات الذائبة إلى هذه الفئات الثلاث إلى مدى سهولة الوصول إليها. فالمركبات سريعة الذوبان غالبًا ما تكون موجودة على سطح الورقة، ولذلك تُستخلص أولًا. أما المكونات سريعة الذوبان، فيُعتقد أنها من داخل الأوراق، حيث تُبطئ بنية الخلايا المتكسرة من معدل دخول المذيب وخروج المذاب. ومن المتوقع أن تكون المركبات الأبطأ ذوبانًا إما ذات كتلة جزيئية عالية، مما يستغرق وقتًا أطول للتحرك عبر مصفوفات خلايا الأوراق، أو نواتج تتشكل أثناء التحلل المائي خلال عملية الاستخلاص. تتعدد الطرق والآلات المستخدمة في عملية الاستخلاص، لكن الفكرة العامة تقوم على معالجة الأوراق بمذيب لاستخلاص المركبات الموجودة فيها. في الدراسة المذكورة آنفًا، ذُكر أن أقصى نسبة استخلاص للمواد الصلبة تبلغ 35%. ومع مرور الوقت، تم اكتشاف طرق كيميائية أخرى لزيادة نسبة الاستخلاص، مثل استخدام بيروكسيد الهيدروجين على الأوراق المستخلصة للحصول على نسبة استخلاص تصل إلى 42%. ^{[ 5 ]} بعد عملية الاستخلاص، يُصفّى المحلول بتمريره عبر جهاز فصل ، أو جهاز طرد مركزي ، أو مكبس ترشيح . ^{[ 1 ] : 544}

التجريد هو عملية فصل فيزيائي يتم فيها إزالة المكونات من تيار سائل باستخدام تيار بخاري. ^{[ 6 ]} يمر غاز التجريد، وعادةً ما يكون بخار الماء أو النيتروجين أو ثاني أكسيد الكربون، عبر المحلول السائل ويذيب المركبات العطرية الموجودة فيه. تتبخر المركبات العطرية بسهولة في الهواء، ولذلك، فإن تمرير الغاز عبر السائل يوفر ظروفًا مواتية لخروج هذه المركبات من السائل. معادلة تحديد معدل انتقال الكتلة بين الطعام والطور الغازي هي:

${\displaystyle {dm \over dt}=2({{D_{c}}/\pi t_{c}})^{1 \over 2}A_{gc}[{c_{e}}^{i}(t)-{c_{e}}(t)]}$أو${\displaystyle {dm \over dt}=h_{D}A_{gc}[{c_{e}}^{i}(t)-{c_{e}}(t)]}$^{[ 7 ]}

حيث يمثل h _D معامل انتقال الكتلة الكلي ويتم استبداله بـ${\displaystyle 2({{D_{c}}/\pi t_{c}})^{1 \over 2}}$

المتغير${\displaystyle {dm \over dt}}$يمثل معدل انتقال الكتلة إلى الطور الغازي، وD_{_c} هو متوسط ​​معامل انتشار جزيئات النكهة الحرة في المستحلب، و A _{_gc} هي مساحة سطح التماس بين الغاز والغذاء، وt_{_c} هو الزمن الذي تتعرض فيه عناصر السطح للسطح، و${\displaystyle {c_{e}}^{i}(t)}$و${\displaystyle {c_{e}}(t)}$تمثل هذه القيم تركيزات المركبات العطرية في السطح البيني والمستحلب، على التوالي.

فيما يتعلق بعملية التجريد، فإنّ A _gc له التأثير الأكبر على معدل انتقال الكتلة. ويتم تعظيم مساحة السطح لانتقال الكتلة باستخدام أصغر الفقاعات الممكنة أثناء عملية التجريد. وبافتراض الشكل الكروي للفقاعات، تُعطى مساحة السطح بالعلاقة التالية:${\displaystyle 4\pi r^{2}}$والحجم يُعطى بالعلاقة التالية:${\displaystyle {4 \over 3}{\pi r^{3}}}$هذا يعني أنه مع أي زيادة في نصف القطر، يزداد الحجم بمعامل أكبر من مساحة السطح. ويعني هذا أيضًا أنه عند أصغر حجم ممكن، ستكون نسبة مساحة السطح إلى الحجم هي الأكبر، مما يوفر مساحة سطح أكبر للتفاعلات. يُفضّل استخدام الغاز الخامل لأنه يمنع الأكسدة، وبالتالي تدهور مركبات الرائحة. ^{[ 1 ] : 544}

يحتوي الشاي الأسود على مركبات ذات قابلية ذوبان منخفضة، والتي تميل إلى الارتباط ببعضها البعض. يصبح المحلول عكراً ويتغير لونه إلى بني فاتح.تُعرف هذه الظاهرة باسم "تكتل الشاي". وقد أظهرت الأبحاث أن هذه المادة عبارة عن مادة غروانية تحتوي على العديد من المركبات التي تُساهم في لون ونكهة الشاي الأسود، وقد تصل نسبتها إلى 30% من إجمالي المواد الصلبة. ^{[ 8 ]} ويعود السبب الرئيسي لتكوّن هذه المادة إلى عدم ذوبان الثيافلافين والبوليفينولات ، والتي تتحد معًا من خلال تفاعلات مجموعة الغالويل. ^{[ 9 ]} تتميز الثيافلافينات بخصائص حمضية تجعلها تحمل شحنة سالبة عند درجة حموضة الشاي الأسود، والتي تبلغ حوالي 4.9. ^{[ 8 ]} في الوضع الطبيعي ، يؤدي ذلك إلى تنافر كهروستاتيكي بين الجزيئات، مما يُثبّت المادة الغروانية. ومع ذلك، فإن وجود أيونات الكالسيوم (Ca2 ⁺ ) يُمكن أن يُعادل هذه الشحنات، مما يُعزز التكتل. كما توجد أيونات معدنية مشحونة أخرى، مثل المغنيسيوم والألومنيوم، بتراكيز عالية في الشاي، ولكن لا تتوزع هذه الأيونات في الشاي بنفس كفاءة أيونات الكالسيوم. وُجد أن إضافة جزيئات السكر إلى المحلول تزيد من ذوبان البوليفينولات وتُضعف ارتباطها الذاتي. ^{[ 8 ]} يُعزى ذلك إلى أن الحجم الكبير لجزيء السكر يُصعّب تفاعل الجزيئات الأخرى مع بعضها. في السوق الأمريكية، يتوقع المستهلك أن يكون الشاي سريع التحضير صافيًا بعد إعادة تكوينه، مما يجعل وجود الكريمة غير مقبول. صناعيًا، تم تسجيل براءات اختراع لعدة طرق لمعالجة هذه المشكلة، مثل استخدام إنزيم التاناز لإذابة الكريمة. ^{[ 10 ]} كما طُوّرت طريقة أخرى تعتمد على تحديد فئتين في الكريمة: مركبات ذات وزن جزيئي منخفض، مثل البوليفينولات التي تُساهم في النكهة، ومركبات ذات وزن جزيئي أعلى، مثل السكريات المتعددة والببتيدات والبروتينات . [ ^{11 ] تُزيل} هذه العملية المركبات ذات الوزن الجزيئي العالي من خلال الترشيح الفائق أو كروماتوغرافيا الامتصاص أو الترشيح الزيتي. تبقى مركبات النكهة ولا تُضاف إلى الكريمة.

بعد عمليتي الاستخلاص وفصل الشاي، يظل محلول الشاي مخففًا جدًا بحيث لا يمكن تجفيفه. التجفيف في هذه المرحلة مكلف للغاية مقابل فائدة ضئيلة، وأي نوع من التجفيف بالرش أو التجميد سيؤدي إلى انخفاض كثافة المسحوق الناتج. الحل هو تركيز المحلول أولًا إلى ما يُقارب 40% من المواد الصلبة قبل التجفيف، والذي يتضمن إزالة الماء عن طريق التبخير. ^{[ 1 ] : 547} يتم تركيز الشاي عادةً عن طريق خفض الضغط. عند درجات الحرارة العالية، تتحول الثيافلافينات الموجودة في المحلول إلى ثياروبيجينات وتتكرمل الكربوهيدرات. كانت أنظمة التبخير القسري تُسبب بقعًا ساخنة تؤدي إلى خصائص حسية غير مرغوب فيها مثل النكهات المطبوخة والمحترقة. يمكن للمبادلات الحرارية الصفيحية أن تُحقق التبخير المطلوب عند حوالي 45  درجة مئوية، مع فترات بقاء قصيرة تُقلل من خطر التلف الحراري. تُنتج هذه الطريقة مستخلصًا بنسبة 45% من المواد الصلبة. يتم إجراء عملية إزالة الروائح قبل التركيز، لأن هذه المركبات معرضة لخطر الفقدان أثناء التبخر.

يُعدّ التجفيف بالرش الخطوة الأخيرة في إنتاج الشاي سريع التحضير، متجاوزًا نقاط التحكم والتعبئة والتغليف. وهو الأسلوب المُفضّل للتجفيف مقارنةً بالتجفيف بالتجميد، نظرًا لانخفاض تكلفته دون المساس بالجودة. ويعتمد مبدأ التجفيف بالرش على مبدأ مشابه لاستخلاص النكهة، حيث تتميز الجزيئات الأصغر بنسبة سطح إلى مساحة أكبر. وبدفع المستخلص السائل عبر فوهة، يتحول المحلول إلى رذاذ، أو قطرات دقيقة جدًا. وتواجه هذه القطرات تيارًا معاكسًا من الغاز الساخن، مما يؤدي إلى تبخرها وبقاء المواد الصلبة فقط. ويتم تجفيف القطرات عادةً إلى حوالي 3-5%، لأن أي نسبة أقل من ذلك تزيد من خطر الاحتراق، وأي نسبة أعلى من ذلك قد تُقلل من مدة الصلاحية نتيجةً لزيادة نشاط الماء. ^{[ 1 ] : 550}