充氮技術(shù)對(duì)天然礦泉水品質(zhì)的影響

吳木生 周欣欣 李愛梅 晏日安 姜新慧

（1.廣東鼎湖山泉有限公司，廣東 肇慶 526070；2.暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系，廣東 廣州 510632）

天然礦泉水中富含礦物質(zhì)和微量元素，長(zhǎng)期飲用可預(yù)防心臟病、高血壓、糖尿病、冠心病、心血管疾病、癌癥等疾病的發(fā)生［1，2］。例如，天然礦泉水中的偏硅酸，可軟化血管，保持血管壁的彈性和強(qiáng)度，緩解動(dòng)脈硬化，降低心臟病的發(fā)病率，同時(shí)能夠加快骨骼的鈣化，促進(jìn)骨骼的生長(zhǎng)發(fā)育［3］；天然礦泉水中的鍶是組成人體骨骼和牙齒的重要元素，參與鈣的代謝，對(duì)骨骼和牙齒起到加固作用，能有效預(yù)防齲齒和骨質(zhì)疏松癥，還能增強(qiáng)機(jī)體的興奮性和預(yù)防心血管疾病［4－6］。液態(tài)水分子通過(guò)氫鍵締合成團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)是決定黏度、沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、表面張力的主要因素，水的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)也會(huì)影響水的功能，17O譜線寬度可以用來(lái)表征水樣的水分子團(tuán)簇大小，在同一溫度下，譜線寬度越小，水分子團(tuán)簇越小，水質(zhì)就越好［7］。

充氮包裝是一種新興的包裝技術(shù)［8］，已廣泛用于油脂食品［9－11］、軍用 光 電 器 材［12］、檔 案 保 藏 等 領(lǐng) 域［13］。飲 料 瓶 等容器中充入液氮可杜絕外界空氣、水分、細(xì)菌進(jìn)入包裝容器，延長(zhǎng)保質(zhì)期，同時(shí)還能產(chǎn)生內(nèi)外壓強(qiáng)差，使包裝容器外表堅(jiān)挺、質(zhì)感良好、降低包裝成本。在包裝飲用水行業(yè)，市場(chǎng)上可見充氮輕量化的飲用純凈水（冰露飲用純凈水）和礦物質(zhì)水（康師傅優(yōu)悅礦物質(zhì)水），未見其應(yīng)用于天然礦泉水中。本研究擬探究充氮技術(shù)對(duì)天然礦泉水的感官指標(biāo)、礦物質(zhì)、理化指標(biāo)及水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的影響，為液氮在天然礦泉水輕量化包裝中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器

天然礦泉水：3個(gè)不同的水源標(biāo)記為1，2，3號(hào)，廣東鼎湖山泉有限公司；

循環(huán)水式真空泵：SHD－D（Ⅲ）型，英峪予華儀器鞏義有限公司；

電熱鼓風(fēng)干燥箱：DHG－9070A型，一恒科學(xué)技術(shù)上海有限公司；

恒溫水浴鍋：B－260型，亞榮生化儀器上海有限公司；

電子天平：EL104型，梅特勒—托利多上海有限公司；

真空干燥箱：DZF－6030A型，一恒科學(xué)技術(shù)上海有限公司；

精密pH計(jì)：PHS－3C型，雷磁儀器上海有限公司；

ICP 光 譜 儀：Optima－2000DV 型，PerkinElmer上 海公司；

核磁共振波譜儀：AVANCEⅢ（500MHz）型，布魯克瑞士公司。

1.2 試驗(yàn)方法

取一定體積3種（1，2，3號(hào)）水樣，置于密閉的高壓反應(yīng)釜中，向高壓反應(yīng)釜中充入氮?dú)猓a(chǎn)生氮?dú)鈮簭?qiáng)，根據(jù)產(chǎn)品的包裝材料特點(diǎn)及保質(zhì)期要求取3個(gè)壓強(qiáng)試驗(yàn)點(diǎn)：0.4，0.8，1.2MPa，每種水樣在每個(gè)壓強(qiáng)點(diǎn)均分別承壓1，10，25d，反應(yīng)溫度為室溫，采用控制變量法控制氮?dú)鈮簭?qiáng)和承壓時(shí)間，得到在不同氮?dú)鈮簭?qiáng)和承壓時(shí)間下的1，2，3號(hào)待測(cè)水樣。檢測(cè)充氮前后，水樣的感官指標(biāo)（色度、渾濁度、臭和味、可見物）、pH值、偏硅酸、碳酸鹽和碳酸氫鹽、溶解性總固體、鉀、鈉、鈣、鎂、鍶、水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)等指標(biāo)的變化情況。

1.3 檢測(cè)方法

1.3.1 色度、臭和味、肉眼可見物、pH值、碳酸鹽和碳酸氫鹽、溶解性總固體 按GB/T 8538—2008《飲用天然礦泉水檢驗(yàn)方法》相應(yīng)的方法檢測(cè)。

1.3.2 偏硅酸 采用 GB/T 8538—2008《飲用天然礦泉水檢驗(yàn)方法》硅鉬黃法比色法測(cè)定。

1.3.3 鈣、鉀、鎂、鈉、鍶 采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP）測(cè)定。光譜儀工作條件：霧化器氣流量0.8L/min，等離子體氣流量15L/rain，輔助氣流量0.2L/min，射頻功率1 100W。

1.3.4 水分子團(tuán)簇 采用核磁共振儀測(cè)定。水樣經(jīng)處理過(guò)濾除雜后，注入核磁管，用封閉于毛細(xì)管中的重水做內(nèi)標(biāo)，鎖定磁場(chǎng)。核磁共振儀工作溫度25℃，掃描次數(shù)1 000次，磁場(chǎng)強(qiáng)度67.810MHz。

2 結(jié)果與討論

2.1 充氮對(duì)感官指標(biāo)的影響

2.1.1 色度變化 檢測(cè)不同氮?dú)鈮簭?qiáng)和承壓時(shí)間下，3種水樣色度的變化，結(jié)果表明：3種水樣在充氮處理前后色度均低于5度，色度未發(fā)生明顯變化。說(shuō)明充氮處理對(duì)天然礦泉水的色度沒有影響。

2.1.2 臭和味的變化 檢測(cè)不同氮?dú)鈮簭?qiáng)和承壓時(shí)間下，3種水樣臭和味的變化，結(jié)果表明：氮處理前后水樣均沒有異臭和異味，臭和味未發(fā)生明顯變化。說(shuō)明充氮處理對(duì)天然礦泉水的臭和味沒有明顯影響。

2.1.3 肉眼可見物的變化 檢測(cè)不同氮?dú)鈮簭?qiáng)和承壓時(shí)間下，3種水樣肉眼可見物的變化，結(jié)果表明：3種水樣在充氮處理前后均未發(fā)現(xiàn)明顯的可見物。說(shuō)明充氮處理對(duì)天然礦泉水中肉眼可見物指標(biāo)無(wú)影響。

2.2 充氮對(duì)pH值的影響

不同氮?dú)鈮簭?qiáng)和承壓時(shí)間下，3種水樣pH值的變化見表1。

由表1可知，3種水樣pH值不隨氮?dú)鈮簭?qiáng)和承壓時(shí)間的變化而變化。說(shuō)明天然礦泉水中充氮對(duì)其pH值沒有影響。

2.3 充氮對(duì)礦物質(zhì)成分的影響

2.3.2 對(duì)溶解性總固體的影響 不同氮?dú)鈮簭?qiáng)和承壓時(shí)間下，3種水樣溶解性總固體的變化見表3。

表1 氮?dú)鈮毫头磻?yīng)時(shí)間對(duì)pH值的影響Table 1 pH under different pressure and time of N2

表2 氮?dú)鈮毫头磻?yīng)時(shí)間對(duì)碳酸氫鹽含量的影響Table 2 HCunder different pressure and time of N2

表2 氮?dú)鈮毫头磻?yīng)時(shí)間對(duì)碳酸氫鹽含量的影響Table 2 HCunder different pressure and time of N2

不同氮?dú)鈮簭?qiáng)和承壓時(shí)間下，3種水樣中C濃度始終為0mol/L。

號(hào)樣承壓時(shí)間/d壓強(qiáng)/MPaHCO－3/（mol·L－1 1）2號(hào)樣承壓時(shí)間/d壓強(qiáng)/MPaHCO－3/（mol·L－1）3號(hào)樣承壓時(shí)間/d壓強(qiáng)/MPaHCO－3/（mol·L－1）0 0.0 152.528 0 0.0 144.490 0 0.0 143.735 1 0.4 149.849 0.8 150.423 1.2 148.892 1 0.4 142.002 0.8 146.787 1.2 145.830 10 0.4 151.763 0.8 152.145 1.2 150.998 10 1 0.4 142.959 0.8 139.261 1.2 139.897 0.4 146.783 0.8 142.194 1.2 146.595 25 0.4 151.867 0.8 152.258 1.2 151.976 25 10 0.4 139.132 0.8 139.897 1.2 141.811 0.4 146.432 0.8 146.389 1.2 145.996 25 0.4 139.218 0.8 139.897 1.2 140.070

表3 氮?dú)鈮毫统袎簳r(shí)間對(duì)溶解性總固體的影響Table 3 Total dissolved solids under different pressure and time of N2

由表3可知，隨著氮?dú)鈮毫统袎簳r(shí)間的增大，3種水樣的溶解性總固體含量變化不大。故天然礦泉水中充氮對(duì)溶解性總固體含量沒有影響。

2.3.3 對(duì)偏硅酸的影響 偏硅酸標(biāo)準(zhǔn)曲線圖見圖1。不同氮?dú)鈮簭?qiáng)和承壓時(shí)間下，3種水樣中偏硅酸的變化見表4。

由表4可知：不同氮?dú)鈮簭?qiáng)和承壓時(shí)間下，3種水樣偏硅酸含量值變化不超過(guò)5%，試驗(yàn)存在檢測(cè)誤差，可基本判定天然礦泉水中充氮，對(duì)偏硅酸含量幾乎無(wú)影響。

2.3.4 對(duì)金屬離子的影響 不同氮?dú)鈮簭?qiáng)和承壓時(shí)間下，3種水樣中金屬離子的變化見表5。

由表5可知，不同氮?dú)鈮簭?qiáng)和承壓時(shí)間下，3種水樣中的主要金屬離子含量基本保持不變。說(shuō)明充氮對(duì)天然礦泉水中金屬離子含量幾乎無(wú)影響。

圖1 偏硅酸標(biāo)準(zhǔn)曲線圖Figure 1 Standard curve of metasilicic acid

表4 氮?dú)鈮毫统袎簳r(shí)間對(duì)偏硅酸的影響Table 4 Metasilicic acid under different pressure and time of N2

表5 氮?dú)鈮毫统袎簳r(shí)間對(duì)金屬離子的影響Table 5 Metal ions of mineral water under different pressure and time of N2

2.4 對(duì)水分子團(tuán)簇的影響

不同氮?dú)鈮簭?qiáng)和承壓時(shí)間下，3種水樣水分子團(tuán)簇的變化見表6。

由表6可知，不同氮?dú)鈮簭?qiáng)和承壓時(shí)間下，3種水樣的17O－NMR譜半峰寬度的大小變化不明顯。說(shuō)明充氮技術(shù)對(duì)水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)影響不明顯，充氮技術(shù)不會(huì)影響水的黏度、沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、表面張力及功能性。

3 結(jié)論

（1）天然礦泉水中充氮，其感官指標(biāo)（色度、臭和味、可見物）、pH值、碳酸鹽和碳酸氫鹽、溶解性總固體、偏硅酸、金屬離子（鉀、鈉、鈣、鎂、鍶）、水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)均不隨氮?dú)鈮簭?qiáng)及承壓時(shí)間的變化而變化。

（2）天然礦泉水中充氮，不會(huì)引起天然礦泉水理化性質(zhì)的變化。以充氮為技術(shù)要點(diǎn)的輕量化包裝技術(shù)可以應(yīng)用到天然礦泉水的生產(chǎn)中。

（3）本研究以在高壓反應(yīng)釜中加入氮?dú)獾男问窖芯繉?duì)天然礦泉水影響，下一步將對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中液氮添加技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

表6 氮?dú)鈮毫统袎簳r(shí)間對(duì)17 O－NMR核磁共振半峰寬的影響Table 6 Peak half width of 17 O－NMR under different pressure and time of N2

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