水中动结构、评价指标检测方案(核磁共振)

维普资讯 http：//www.cqvip.com/S20/山 东 轻 工 业 学 院 学 报JOURNAL OF SHANDONG INSTITUTE OF LIGHT INDUSTRYVol. 10 No.3Sept.1996第10卷第3期1996年9月 维普资讯 http：//www.cqvip.com26山 东 轻 工.业 学 院 学 报第10卷 0661.1 利用核磁共振对水的研究 赵 军 王维民 (美国加利福尼亚大学食品系) (山东轻工业学院食品工程系 济南 250100) A 摘要 本文对核磁共振技术及在食品工业中的应用做了介绍，对“集团水”及其作用，以及改变水频率引起水质变化进行了研究。这这提高饮料、酒、蔬菜贮藏等实际工作有一定指导意义。 关键词 核磁共振，集团水，食品，食品用水，水芡分析中图法分类号 TS201：Q661 1 水的动结构 在食品及其他行业中，水质对产品质量影响很大。目前现行的各项水指标，主要对微生物、矿物质、有害物质等作出了规定。但却无法说明以上指标相同的水，采用相同工艺，对酿酒、饮料及其他食品生产的不同影响。因此应对水的本质进行研究。 水不是以 H20 单分子形式存在，而是以键键结合形成“集团水"，否则按与之相似化合物的性质推断，水的沸点应是-80℃，融点为-100℃，显然与实际不符。 日本荒川泓用"5分子体——一分子"]混和模型，说明水的动结构，根据这个学说，水的动结构是以氢键结合的，在配位场反复振动离解和重新配位，液体水分子振动时间为10-13秒以下周期。水温度下降，5分子体集团水比例增大；水温度上升，5分子体集团水比例下降，单分子水随之而改变。Nemethy 提出"团结构和单分子状态”2]模型理论，认为水中存在比5分子体更大的集团水。采用超级电子计算机，模似水的动结构，发现水中存在从5个到40个分子的集团水运动。由此可见，水中一边产生大的集团水，一边又破坏成单分子水。变化的时间极快，目前还没有直接观察这样高速运动的计测技术。采用核磁共振技术(以下简称NMR)可以在10-秒秒水平测得水的动结构，是目前最好的计测技术之一。 NMR是利用某些原子核自旋产生的某种频率的磁场，在有外加磁场存在，对自旋体旋加无线电频率，自旋体当频率相同时会产生共振，形成核磁共振波谱，分分得到的波谱，就可了解物质的结构状态。这项技术只涉及原子核的磁性，所以是非破坏性的。 水的分子式为 HzO，原原子核磁力看，H是双极子，NMR检出感度高，但受水中金属离子影响大，自然界水中总会有各种金属离子存在，利用'H研究水的动状态无法进行。自然界中占大多数的是160.不具有磁力性质。故只能用占全部氧中0.0375%的''0，'0是4极子，水中金属离子对其影响很小，可忽略不计。利用 NMR 仪，仅需6分钟就可得到充足数据，进而了解水的动状态结构。 用'O的 NMR法(以下简称"ONMR)研究水，得到的波谱有宽、狭，即信号帽度有宽、狭， ( 收稿日期：1996-03-02 ) 它直接反映集团水的运动速度，信号号则集团水运动快，温度高，分子运动加快，信号变狭。按两个跨距缓和时间(表示为T).信号幅度A可用频率(赫兹)表示即： 在相同温度，水分子或集团水的运动速度在不同水中是不同的。表1是不同浓度庶糖水的状态，可看出蔗糖浓度越高，线幅越大，而耐HNMR 则与蔗糖浓度基本无关，不能解明水的状态。蔗糖溶于水后，因水合作用，会形成大的分子集团，使运动减慢。形成的大分子集团，经测定4，有Ⅰ型和Ⅱ型两种，Ⅰ型是12面体和14面体，Ⅱ型有12面体和16面体。见图1。 表1 蔗糖水溶液的动结构 样 品 PONMR(20℃) HNMR 5%蔗糖 90HZ 2. 8Sec 10%蔗糖 147HZ 2.6Sec 15%蔗糖 212 HZ 2.5Sec 目前计算集团水旋转1次的时间(用T表示)可表示为： 如青岛崂山水A=86 HZ，上海自来水A=123HZ，计算Ti前者为3.88×10-12秒，后者为5.56×10-12秒。崂山水比上海水分子运动快30%左右，崂山水中集团水比例较小，味道也是崂山水好些。 一般水中含有 Fe、Ni、cu 等金属，它们具有电子数不饱和的d轨道，在水中可显示出催化剂等特殊功能，形成错体，在错体中心有金属离子，其四周的配位与水相称，形成正8面体、正方形、正14面体等结晶状结构，在中心金属 图1 蔗糖与水酸的Ⅰ型、型分子集团结构O表示为分子，线表示氢键 不同。大多数人认为故乡水最美。 矿泉水则以水中含有的矿物质为评价依据，按该标准 Ca、K、SiO，离子含量高的水呈美味水，(见表2)对健康有益的水也含大量 Ca*2。 但采用电场、磁场、远红外、超声波、膜、净水器等方式处理的水，用原子吸收光谱分析后，看到矿物质的量基本没变，但水的味道却变化了，大多数人认为味道变好。对此情况采用通常的评价标准就不适宜了，为此应根据ONMR 为依据，制定以下标准。 2.1 含有正常的矿物质。 2.2 不含有害物质。除传统意义的致病菌、杂菌、重金属、农残等外，还有如自来水处理过程中由漂白粉而产生的游离氯等成分。游离氯经紫外线或阳光照射，会产生有致病源的活性氯并激活羟基，如人体修复细胞能力强不会造成危害，但非健康人则细胞修复能力差，就会造成细胞的破坏。 2.3 二氧化碳气体充分溶解。这些气体温度越低在水中溶解越多，味道也越好。 2.4 水的 pH呈弱碱性，在碱性水中氯会成为无害的氯离子。一般水的 pH为7.4较好。 2.5 水的集团水更小，集团水所占比例更小。根据世界长寿村饮水调查，发现20℃时"ONMR的线线以100 Hz 以上为好。 采用以上标准划分水的等级较好。 3 微能量处理水在食品工业的应用 利用电场、磁场、超声波等方式，可使水的频率改变，集团水比例下降，使水活性化，提高食品质量。 3.1 用于面包、火腿 在水槽装入长碳电极，加3KV特静电压，保持4小时，可把120 Hz自来水改变为55Hz活性水，用它制作面包、火腿在相同配方、工艺条件下，比用未处理水面包、火腿相比，弹性增强，面包经200小时，常温贮藏特水性高，基本没有老化。而一般水面包含水量只有17%，老化严重。火腿经60天后，常温贮藏特水性很好，肉质比用一般水的火腿更细嫩。 3.2 用于发酵酒 在生产过程中采用电场处理水或超声波处理水，可加快酒的成熟。一般酒生产后，需有一定时间存放，使酒成熟酯化。未经陈化的酒喝醉后要比喝醉陈化酒难受，并且味道也差些。给小白鼠投入超声波处理水的酒和未经处理的酒，每经一小时，用‘HNMR 测小白鼠的血清中残留的乙醇量，16小时出现明显差异，超声波处理水的酒在血清中残留乙醇少。这说明集团水含量低的酒在体内乙醇分解快。此外超声波处理水制成的酒具有与成熟酒相同的乙醇——水动结构。 3.3 用于蔬菜栽培 在大棚中栽培的黄瓜、西红柿等，虽有其特有形态，但几乎没有这些蔬菜的青臭味。青臭味是蔬菜生物体防御的一种能力，青臭味强抵御害虫能力强。采用陶瓷过滤器处理的水栽培黄瓜、西红柿，可得到基本与露天栽培蔬菜相同青臭味的蔬菜，鲜度保持性也得到提高，这可不用或少用农药，生产绿色蔬菜，又可提高贮藏性。由此可见，集团水比例小的水，可激发生物的生命力。 3.4 其他 超声波处理可改善水的味道(8)改善蛋白质物质?)，促进植物生长10，远红外处理水可促进发酵过程的成熟和促进植物生长 4 结论 利用NMR可研究水的动结构。这种结构对食品质量影响很大，以往人们对此注意不够，对水结构引起的问题，往往难以找到原因。如面包的抗老化，酒的陈化酯化等可利用水的动结构改变来实现。 用低功率超声波、电场、磁场等就可改变水的动结构，水中矿物质即使不变，水的性能味道也会变化。通过NMR 可以研究何种频率的水最适于那种食品，从而使食品各方面性质得到改善。 水的研究，涉及所有领域，许多发达国家的化学研究、生化研究、医学领域及大型食品公司正联手进行水及食品的基础研究，相信这必将给食品工业带来巨大的变化。 ( 参考文献 ) ( 荒.水、水溶液系的構造七物性，北海道大学囡刊行会、1989 ) ( 2G Nemethy and Scheraga H AJ. Chem.PhyS..1962，36：3382 ) ( 3 松下和弘.NMR分光法光注大水D状態，食品工業，1992.35(4)：762 ) ( 4 鈴木啟三.水书上伊水溶液.共立出版，1980 ) ( 5 大木介.量子生物学、(第27刷)、講談社，1989 ) ( 6 橘木獎.空气調和衛生工学，1989，63(1) ) ( 7 松下和弘等.磁共鸣上医学、1990，1：56 ) ( 8 松下和弘食品食開発，1989，24(7)：82 ) ( 9US Patent No.4675194.1987 ) ( 10 河村庚巳.生物研究沙统一.一業電化，1978.(3) ) ( 11 高店夫，食品工業，1988.31(22)：20 ) A Research on Water Quality By Nuclear Magnetic ResonancesZhao Jun ( Food Engineering Department， University of California， Davis，U.S.A)Wang Weimin (Food Engineering Department， Shandong Light Lndustry Lnstitute， Jinan 250100) Abstract In this article， the nuclear magnetic resonance technology is introducedconcernimg the research on the water qmality，ringed water and its function ，and the variation ofwater quality with the change of water frequency. It is of some significance for the improvement inthe quality of alcohol， bevrages and vegetables，etc. Key Words nuclear magnetic resonances， ringed watr， food