煙用功能水技術研究進展

摘要:通過對水進行物理、化學等方法處理，達到將大聚集態形態結構的水分子簇拆散為微聚集態形態結構，從而使水具有活性大、滲透力強、溶解度高、能量大、與細胞親和性好等特性。通過對功能水的研究來提高卷煙產品的綜合品質。論述了煙用功能水的形成原理、制備方法、基本功效及其在卷煙中的應用，著重從電解、磁化、電場處理等方面進行了詳細闡述，并對其原理分別進行了分析。

關鍵詞:煙用功能水;制備;功效;應用

中圖分類號:C93文獻標志碼:A文章編號:1673-291X(2010)06-0184-03

引言

功能水已被稱為21世紀的魔水，國內外許多專家學者正在關注其生成機理及應用。中國對功能水的研究開始于20世紀90年代初期，中國農業大學李里特教授從1994年率先開展功能水的研究。功能水是指不改變水的本質，不加入任何添加劑，只采用物理方法處理，使水的某種功能得以強化，常用的物理方法如磁場、電場、核輻射、紅外線、超聲波等。

由于單一的補水功能僅是全部水功能的部分，更多的功能卻因為水分子物理結構的單一而長期未受到研究人員的重視，致使對水的結構和功能的研究裹足不前，水功能的開發也就沒有受到主流研究力量的關注，同時，煙草行業也未見相關的研究報道。由于水分是煙草中一種重要成分，水分直接影響到煙葉的彈性、韌性、填充性和燃燒性等物理特性，也會影響到顏色、光澤、香氣、吃味等外觀和內在質量。因此，通過對功能水的研究來提高卷煙產品的綜合品質，同時對相關領域的研究和發展也具有重要意義。

一、功能水的制備

通過破壞水分子間的氫鍵可以實現水分子團簇結構的改變，就必須提供一定的能量，在水分子的自身運動的同時，將其轉化為分子的自身熱運動能量，從而達到將大聚集態形態結構的水分子簇拆散為微聚集態形態結構的目的。水分子團簇結構變小后，具有活性大、滲透力強、溶解度高、能量大、與細胞親和性好等特性，作用于生物體，能產生多種生物效應，在很多方面能夠改善生物體的生理機能。

通過計算氫鍵強度及自由能的大小，得出環狀六水分子簇具有最穩定結構的結論。各種理論計算和實驗研究都證明:在自然條件下，水是以分子簇形式存在的，而且水的微觀結構具有重要的生物功能。因此，許多科學家[1～2]認為，改變水分子簇的大小可以使水在生物體中的作用發生改變，例如，減少水分子簇中的分子個數，可以增加水的生物膜透過率，增強生物體的新陳代謝功能，達到改善生物體機能的效果。

Rotzinger 發現六元水絡合體具有特殊的運載功能[3]，如能控制一定物理化學條件，在制備功能水上將有極大價值。最近Barbour等人提出了在Cu(NO) 溶液中， 水分子簇具有自組織作用[4]。

水分子是由2個正電性強的氫和一個負電性極強的氧組成的，由于兩個共價鍵(OH)相交為105°，所以水分子的電荷不是中性的，它具有一個很強的電偶極矩。實驗測定，OH鍵的偶極矩為1.52 Debye，整個水分子具1.84 Debye的電偶極矩，這就是說每一個水分子都是極化的。因此，可以通過施加不同的能量場來處理水，從而獲得功能水。

1.電解。離子功能水是在含有微量電解質的水中插入兩個電極，外加一定的直流電壓時，在陽極、陰極分別發生電極反應，使陽極室、陰極室中水的pH值、氧化還原電位(ORP值)等指標發生改變而產生的具有特殊功能的酸離子水和堿離子水的總稱，反應如下[5]:

陽極:HO-e→H+#8226;OH

2HO-4e→4H+O↑ 4OH-4e→2 HO +O↑

2Cl+2O-e→Cl +3O↑

2Cl-2e→Cl↑

3HO-6e→O↑+6HO +HO-2e→O↑+2H

OH+ Cl-2e→HOCl 2HO+Cl-2e→2HOCl+2H

陰極: 2HO+2e→2OH+H↑ 4H+4e→2H↑

由于水對電的反應強烈，只要遇到電流就可以產生氫，通過人工手段可以在瞬間制造大量的活性氫和堿離子水。活性氫是以原子狀態存在的氫，它和導致各種疾病的活性氧發生反應生成水，能夠消除活性氧的毒性[6～9]。堿離子水的水分子團由5～6個水分子組成，呈六角形，與人體組織細胞內的水結構相似，這種水滲透力強，溶解力好，有較強的活性與能量，可提高肌體免疫力。

2.磁化。磁場對水的偶極分子發生定向極化作用后，電子云會發生變化，造成氫鍵的彎曲和局部斷裂，破壞水中原來的團簇結構，使較大的締合水分子集團變小，甚至產生單個的水分子。這些“自由化”的水分子占據了溶液的各個空隙，能抑制晶體的形成，并使水的整體性能發生變化。從本質上來講，磁場處理使得水分子間的氫鍵遭到破壞[10]。氫鍵是水分子間最強的作用力，只有氫鍵受到破壞，才會引起水內部結構大的變化。由于一般磁場所能提供的能量遠小于破壞氫鍵所需要的能量，因此，磁場可能只是促使氫鍵向斷開的方向變化，并不需要提供斷開氫鍵所需要的所有能量[11]。

磁場除了可以將較大的水分子簇集團變成較小的集團外，還會破壞水合離子的水合狀態，當水合離子通過磁場時，受洛侖茲力的影響，與離子結合較弱的二級水化層受到破壞，然后內水化層也受到影響。因此相對于純水來說，水溶液更容易受到磁場的影響[12]。磁場處理水的滲透壓、表面張力、黏滯系數、pH、介電常數和電導率等均有不同程度的變化。

3.電場處理。電場對水的結構也會產生一定的影響。因為水是一種極性分子，分子間氫鍵形成的主要原因就是水分子間存在的電偶極相互作用，外加電場可以改變水分子簇的動態氫鍵網絡體系，破壞水分子間氫鍵，從而達到改變水分子簇結構的目的[13～14]。利用某些物理、化學的測試方法(如紫外透光率)，可以測量經過電場處理前后水的物化性質的變化，通過宏觀上水的性質的變化，推測出水分子簇在微觀結構上的變化。

水經電場處理后，部分分解為H和OH，OH在電場催化下被水中的氧分子捕獲形成氧陰離子自由基，在水分子包圍下形成穩定的水合物。電場斷開氫氧鍵的方式不同，它能使空氣電離產生加速離子的能量高達7.5eV，足夠打開氫氧鍵(4.2eV)。實驗結果表明，電場和脈沖電場對水具有大致相同的處理效果。

4.遠紅外陶瓷處理。在室溫下條件下，實驗室環境保持中性，取定量的遠紅外陶瓷處理水，時間在5min以上。實驗結果表明，隨著遠紅外陶瓷的量的增加，處理后的水所呈現的堿性增加;隨處理時間的增加，處理后的水同樣呈堿性增加趨勢。

遠紅外陶瓷可以輻射4～14μm的遠紅外輻射，可以打斷部分分子之間賴以連接的氫鍵，使水的活性增強，大分子團被打破為6個水分子左右的小分子團，成為活化水;可以調節普通水的pH值在7以上，呈弱堿性水;遠紅外陶瓷可以產生負離子，使水變為負離子水，能夠中和帶正電荷的自由基清除體內的氧自由基，從而延緩人體的衰老進程。

5.激光輻射法。激光具有高單色性、高亮度及高相干性等特點。當一定波長的激光作用于水時，可以改變水分子簇的微觀結構，使水的物理化學性質發生變化。水分子的O-H鍵的伸縮振動和兩個O-H鍵之間的變形剪式振動及氫鍵振動頻率都在中紅外區(2.5 .25μm)附近，根據振頻相近快速傳能的原理，可以選擇頻率相近的激光作為輻射光源，以達到改變水分子簇結構的目的。

6.超聲波處理水。超聲波在液體媒質中傳播時，當聲強達到一定強度，液體中聲場作用區域形成局部的暫時負壓，使液體中的微氣泡生長、澎脹至突然破裂，導致氣泡周圍的液體中產生強烈的激波，形成局部點的高溫高壓，空化泡崩潰時，在空化泡周圍極小空間內產生5 000K的瞬態高溫和約50MPa的高壓。高溫高壓條件有利于反應物裂解成自由基，形成更為活潑的物種。超聲空化泡的崩潰所產生的高能量足以斷裂化學鍵，在水溶液中，空化泡崩潰產生氫氧基(OH)和氫基(H)，同有機物發生氧化反應。

7.加熱水。在一定溫度條件下，水分子團簇處于動態平衡中。當溫度升高時，水分子的動能迅速增加，在平衡位置處的振幅增大，會破壞水分子間的部分氫鍵，例如，冰熔化時約有15%的氫鍵斷裂[15];當溫度升高到72℃時，斷裂的氫鍵達到61% [16]。自來水在30℃的半幅寬為105Hz;20℃為140 Hz;而10℃時上升到175 Hz。由此可見，水分子簇值隨著溫度的上升而變小。

8.功能水的檢測。為了解水結構的變化，目前可以采取的方法有:核磁共振法、X射線衍射法、測定電導率和黏性率的熱力學方法、紅外線吸收光譜法和最近盛行的計算機模擬法等各種方法，主要采用的是17O核磁共振法。用核磁共振推算旋轉中的水分子中氫原子核的分布，可以知道水分子簇的大小，水分子不是單個存在，而是和氫化合，至少連接5個以上的分子，且其狀態不固定，不斷的集合、解體。

核磁共振設備可以掌握水分子運動的速度，利用核磁共振的寬度可以反映液態水團簇結構的平均相對大小，并能將其用周波數赫茲表示出來。譜線越寬，團簇越大;譜線越窄，團簇越小，分子運動越快，運動越活躍。

通過拉曼光譜、脂溶性、滲透性、表面張力、介電常數、電導率、溶解氧、氧化還原電勢、密度、硬度等檢測手段和初步數據積累，可以為煙用功能水檢測方法及其標準的建立奠定基礎，同時，可以直接為煙用功能水的研發提供指導性數據。

二、功能水的基本功效

強酸性電解水具有低pH(2.3～2.7)、高ORP值(1000～1150mV)，氧化能力強，具有殺菌作用，抑制雜菌繁殖，具有與次氯酸鈉同等以上的殺菌效果[17];弱酸電解水有緊致物質的能力，具有收斂作用，是很好的美容護膚產品;強堿性電解水具有高pH值(11.0以上)、低ORP值(-800mv以下)同樣具有殺菌的功能，可用于洗滌;弱堿性電解水是近些年來備受關注的功能水，是適合于飲用的保健水， pH值位于7.5～9.5之間，具有較強的溶解力，并能使食物充分發揮出本來的色、味。

磁化水可以促進傷口愈合，長期飲用可明顯改善生物體機能.對多種疾病有輔助醫療作用，尤其對尿路結石的化石作用更為許多文獻所報道。磁化水的其他功能較之除垢有更大的潛景。根據試驗結果，采用磁化水攪拌混凝土可明顯提高其強度。磁化水還可用于黏合物制品的生產、有用礦物的浮選、水和空氣的凈化、輕化工業、水利建設、農作物的灌溉、漫種、改良鹽堿土壤等領域。

電場處理過的水具有蒸發變慢和抑制霉菌生長的作用，還可以用于水果的保鮮、糧食的保存及種子發芽等方面。電場處理過的蘋果，14天后仍保持新鮮，而未經處理的蘋果表皮失去光澤而且生皺，還研究了谷物經電場處理后的保鮮效果[18]，結果表明電場水有著良好的保鮮性能。

遠紅外陶瓷處理的水成為活化水，飲用可以促進細胞內外水的交換，改善微循環，促進新陳代謝，提高免疫力，同時活化水可有效中和血液的酸性物質、降低血液粘度、軟化血管，有利于高血壓、高血脂、冠心病病人的保健;具有抑菌功能，抑菌率達到97%以上;具有降解有毒物質，減少污染物對人體毒害作用，有效抑制大腸桿菌、念珠菌、金黃色葡萄球菌等致病菌的滋生;具有吸附功能，對鉛、汞等重金屬離子的強烈吸附作用。

各種功能水均是在通過物理、化學等方法處理后，達到將大聚集態形態結構的水分子簇拆散為微聚集態形態結構，從而使水具有活性大、滲透力強、溶解度高、能量大、與細胞親和性好等特性，使得功能水在各領域更廣泛的應用。

三、功能水在卷煙中的應用

大部分卷煙的保潤類添加劑均有不易與現有香精香料良好融合、可能改變卷煙風格、通用性差等特點。功能水具有無色無味、通用性好、好的溶解性和滲透性等優勢，可以較好的提高卷煙的吸食舒適度、津潤度等卷煙感官質量，更有利于作為一種通用性添加劑普遍提高卷煙產品品質。

在卷煙產品中進行了大量應用試驗，試驗結果表明:不同的水對卷煙產品感官品質的影響均較顯著:與煙草協調性好，適當的用量下對卷煙的干擾很小，能改善吃味，增潤及減少煙氣干燥感，對煙草本香無明顯的壓抑、煙氣綿長厚實，并與煙香油較好的協調性。

功能水可在煙用香原料提取、煙用香精香料調制、卷煙制絲工藝的加料、加香等工序中應用，可以不同程度地改善卷煙的物理保潤性、卷煙感官品質、使溶解性差但對香氣增益效果好的香料香精可以更好地應用在卷煙中。進一步根據實際的應用效果對功能水的生產及理論改進完善，最終生產出適合的功能水，并逐步推進功能水在卷煙產品生產過程中的系統化應用。功能水在煙草育種方面也有顯著的作用，可以進一步研究其使用條件，并進行廣泛的應用。

目前，紅云紅河技術中心在功能水的研究中重點對創生水進行了研制并對其進行在卷煙中的應用試驗。通過對不同的制備條件做大量的梯度試驗，并以加料、加香的形式以不同比例分別添加到卷煙中。對其在卷煙中的不同功效，篩選出最佳比例進行添加實驗，通過加料、加香的形式加到紫云煙上，在降低紫云煙的刺激、提高甜潤感、細膩度、柔和性、提高香氣的清晰度、提高煙氣質量等方面均有較好的效果。對研制出的創生水進行了一系列的檢測，通過對比分析，已經達到小分子團的結構，并且pH值呈堿性。對創生水進行了脫煙毒實驗，結果表明水可以中和香煙產生的酸性物質，同時可以清除香煙產生的自由基。進一步做了油脂乳化實驗，實驗證明超能活水具有界面活化的能力，表面張力小，是小分子團，具有超強的滲透力，乳化力。并對穩定性進行了一定的研究，摸索出創生水合適的存放條件。

結語

關于功能水結構與功能的研究是一個涉及多門學科的交叉課題，具有極高的學術價值和廣泛的應用前景。到目前為止，這方面的研究雖然取得了一定的成績，但針對改變水分子團簇結構所誘發的生物功效、產生機理及其在卷煙中的應用，還需要更進一步的理論和實驗研究。

在功能水的研究手段上已不局限于單純的方法， 而是與其他處理方法結合在一起， 如紅外輻射、超聲波、投加化學藥劑等。同時，以中國豐富的草藥資源與結構化的分子簇水有機地結合起來，創造中國特色的21世紀的綠色功能水。并將功能水有效地應用到卷煙中，為重點骨干品牌的發展、壯大提供堅實的品質技術基礎，有利于促進云南煙草在“功能水”相關方面的應用研究，開創性深層次推動卷煙調香技術進步，尤其是卷煙保潤、提高舒適度的技術突破。

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