煙用功能水技術(shù)研究進(jìn)展

摘要:通過對水進(jìn)行物理、化學(xué)等方法處理，達(dá)到將大聚集態(tài)形態(tài)結(jié)構(gòu)的水分子簇拆散為微聚集態(tài)形態(tài)結(jié)構(gòu)，從而使水具有活性大、滲透力強(qiáng)、溶解度高、能量大、與細(xì)胞親和性好等特性。通過對功能水的研究來提高卷煙產(chǎn)品的綜合品質(zhì)。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(yīng)用，著重從電解、磁化、電場處理等方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并對其原理分別進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞:煙用功能水;制備;功效;應(yīng)用

中圖分類號:C93文獻(xiàn)標(biāo)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(jì)的魔水，國內(nèi)外許多專家學(xué)者正在關(guān)注其生成機(jī)理及應(yīng)用。中國對功能水的研究開始于20世紀(jì)90年代初期，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)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(zhì)，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(qiáng)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(bǔ)水功能僅是全部水功能的部分，更多的功能卻因?yàn)樗肿游锢斫Y(jié)構(gòu)的單一而長期未受到研究人員的重視，致使對水的結(jié)構(gòu)和功能的研究裹足不前，水功能的開發(fā)也就沒有受到主流研究力量的關(guān)注，同時(shí)，煙草行業(yè)也未見相關(guān)的研究報(bào)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(huì)影響到顏色、光澤、香氣、吃味等外觀和內(nèi)在質(zhì)量。因此，通過對功能水的研究來提高卷煙產(chǎn)品的綜合品質(zhì)，同時(shí)對相關(guān)領(lǐng)域的研究和發(fā)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(shí)現(xiàn)水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的改變，就必須提供一定的能量，在水分子的自身運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，將其轉(zhuǎn)化為分子的自身熱運(yùn)動(dòng)能量，從而達(dá)到將大聚集態(tài)形態(tài)結(jié)構(gòu)的水分子簇拆散為微聚集態(tài)形態(tài)結(jié)構(gòu)的目的。水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)變小后，具有活性大、滲透力強(qiáng)、溶解度高、能量大、與細(xì)胞親和性好等特性，作用于生物體，能產(chǎn)生多種生物效應(yīng)，在很多方面能夠改善生物體的生理機(jī)能。

通過計(jì)算氫鍵強(qiáng)度及自由能的大小，得出環(huán)狀六水分子簇具有最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的結(jié)論。各種理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)具有重要的生物功能。因此，許多科學(xué)家[1～2]認(rèn)為，改變水分子簇的大小可以使水在生物體中的作用發(fā)生改變，例如，減少水分子簇中的分子個(gè)數(shù)，可以增加水的生物膜透過率，增強(qiáng)生物體的新陳代謝功能，達(dá)到改善生物體機(jī)能的效果。

Rotzinger 發(fā)現(xiàn)六元水絡(luò)合體具有特殊的運(yùn)載功能[3]，如能控制一定物理化學(xué)條件，在制備功能水上將有極大價(jià)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(gè)正電性強(qiáng)的氫和一個(gè)負(fù)電性極強(qiáng)的氧組成的，由于兩個(gè)共價(jià)鍵(OH)相交為105°，所以水分子的電荷不是中性的，它具有一個(gè)很強(qiáng)的電偶極矩。實(shí)驗(yàn)測定，OH鍵的偶極矩為1.52 Debye，整個(gè)水分子具1.84 Debye的電偶極矩，這就是說每一個(gè)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(zhì)的水中插入兩個(gè)電極，外加一定的直流電壓時(shí)，在陽極、陰極分別發(fā)生電極反應(yīng)，使陽極室、陰極室中水的pH值、氧化還原電位(ORP值)等指標(biāo)發(fā)生改變而產(chǎn)生的具有特殊功能的酸離子水和堿離子水的總稱，反應(yīng)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(yīng)強(qiáng)烈，只要遇到電流就可以產(chǎn)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?；钚詺涫且栽訝顟B(tài)存在的氫，它和導(dǎo)致各種疾病的活性氧發(fā)生反應(yīng)生成水，能夠消除活性氧的毒性[6～9]。堿離子水的水分子團(tuán)由5～6個(gè)水分子組成，呈六角形，與人體組織細(xì)胞內(nèi)的水結(jié)構(gòu)相似，這種水滲透力強(qiáng)，溶解力好，有較強(qiáng)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(fā)生定向極化作用后，電子云會(huì)發(fā)生變化，造成氫鍵的彎曲和局部斷裂，破壞水中原來的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，使較大的締合水分子集團(tuán)變小，甚至產(chǎn)生單個(gè)的水分子。這些“自由化”的水分子占據(jù)了溶液的各個(gè)空隙，能抑制晶體的形成，并使水的整體性能發(fā)生變化。從本質(zhì)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(qiáng)的作用力，只有氫鍵受到破壞，才會(huì)引起水內(nèi)部結(jié)構(gòu)大的變化。由于一般磁場所能提供的能量遠(yuǎn)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(tuán)變成較小的集團(tuán)外，還會(huì)破壞水合離子的水合狀態(tài)，當(dāng)水合離子通過磁場時(shí)，受洛侖茲力的影響，與離子結(jié)合較弱的二級水化層受到破壞，然后內(nèi)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(shù)、pH、介電常數(shù)和電導(dǎo)率等均有不同程度的變化。

3.電場處理。電場對水的結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。因?yàn)樗且环N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(dòng)態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)體系，破壞水分子間氫鍵，從而達(dá)到改變水分子簇結(jié)構(gòu)的目的[13～14]。利用某些物理、化學(xué)的測試方法(如紫外透光率)，可以測量經(jīng)過電場處理前后水的物化性質(zhì)的變化，通過宏觀上水的性質(zhì)的變化，推測出水分子簇在微觀結(jié)構(gòu)上的變化。

水經(jīng)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(wěn)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(chǎn)生加速離子的能量高達(dá)7.5eV，足夠打開氫氧鍵(4.2eV)。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yuǎn)紅外陶瓷處理。在室溫下條件下，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境保持中性，取定量的遠(yuǎn)紅外陶瓷處理水，時(shí)間在5min以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著遠(yuǎn)紅外陶瓷的量的增加，處理后的水所呈現(xiàn)的堿性增加;隨處理時(shí)間的增加，處理后的水同樣呈堿性增加趨勢。

遠(yuǎn)紅外陶瓷可以輻射4～14μm的遠(yuǎn)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(qiáng)，大分子團(tuán)被打破為6個(gè)水分子左右的小分子團(tuán)，成為活化水;可以調(diào)節(jié)普通水的pH值在7以上，呈弱堿性水;遠(yuǎn)紅外陶瓷可以產(chǎn)生負(fù)離子，使水變?yōu)樨?fù)離子水，能夠中和帶正電荷的自由基清除體內(nèi)的氧自由基，從而延緩人體的衰老進(jìn)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(diǎn)。當(dāng)一定波長的激光作用于水時(shí)，可以改變水分子簇的微觀結(jié)構(gòu)，使水的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。水分子的O-H鍵的伸縮振動(dòng)和兩個(gè)O-H鍵之間的變形剪式振動(dòng)及氫鍵振動(dòng)頻率都在中紅外區(qū)(2.5 .25μm)附近，根據(jù)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(dá)到改變水分子簇結(jié)構(gòu)的目的。

6.超聲波處理水。超聲波在液體媒質(zhì)中傳播時(shí)，當(dāng)聲強(qiáng)達(dá)到一定強(qiáng)度，液體中聲場作用區(qū)域形成局部的暫時(shí)負(fù)壓，使液體中的微氣泡生長、澎脹至突然破裂，導(dǎo)致氣泡周圍的液體中產(chǎn)生強(qiáng)烈的激波，形成局部點(diǎn)的高溫高壓，空化泡崩潰時(shí)，在空化泡周圍極小空間內(nèi)產(chǎn)生5 000K的瞬態(tài)高溫和約50MPa的高壓。高溫高壓條件有利于反應(yīng)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(chǎn)生的高能量足以斷裂化學(xué)鍵，在水溶液中，空化泡崩潰產(chǎn)生氫氧基(OH)和氫基(H)，同有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)。

7.加熱水。在一定溫度條件下，水分子團(tuán)簇處于動(dòng)態(tài)平衡中。當(dāng)溫度升高時(shí)，水分子的動(dòng)能迅速增加，在平衡位置處的振幅增大，會(huì)破壞水分子間的部分氫鍵，例如，冰熔化時(shí)約有15%的氫鍵斷裂[15];當(dāng)溫度升高到72℃時(shí)，斷裂的氫鍵達(dá)到61% [16]。自來水在30℃的半幅寬為105Hz;20℃為140 Hz;而10℃時(shí)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(jié)構(gòu)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(dǎo)率和黏性率的熱力學(xué)方法、紅外線吸收光譜法和最近盛行的計(jì)算機(jī)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(zhuǎn)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(gè)存在，而是和氫化合，至少連接5個(gè)以上的分子，且其狀態(tài)不固定，不斷的集合、解體。

核磁共振設(shè)備可以掌握水分子運(yùn)動(dòng)的速度，利用核磁共振的寬度可以反映液態(tài)水團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的平均相對大小，并能將其用周波數(shù)赫茲表示出來。譜線越寬，團(tuán)簇越大;譜線越窄，團(tuán)簇越小，分子運(yùn)動(dòng)越快，運(yùn)動(dòng)越活躍。

通過拉曼光譜、脂溶性、滲透性、表面張力、介電常數(shù)、電導(dǎo)率、溶解氧、氧化還原電勢、密度、硬度等檢測手段和初步數(shù)據(jù)積累，可以為煙用功能水檢測方法及其標(biāo)準(zhǔn)的建立奠定基礎(chǔ)，同時(shí)，可以直接為煙用功能水的研發(fā)提供指導(dǎo)性數(shù)據(jù)。

二、功能水的基本功效

強(qiáng)酸性電解水具有低pH(2.3～2.7)、高ORP值(1000～1150mV)，氧化能力強(qiáng)，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(zhì)的能力，具有收斂作用，是很好的美容護(hù)膚產(chǎn)品;強(qiáng)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(guān)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(qiáng)的溶解力，并能使食物充分發(fā)揮出本來的色、味。

磁化水可以促進(jìn)傷口愈合，長期飲用可明顯改善生物體機(jī)能.對多種疾病有輔助醫(yī)療作用，尤其對尿路結(jié)石的化石作用更為許多文獻(xiàn)所報(bào)道。磁化水的其他功能較之除垢有更大的潛景。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采用磁化水?dāng)嚢杌炷量擅黠@提高其強(qiáng)度。磁化水還可用于黏合物制品的生產(chǎn)、有用礦物的浮選、水和空氣的凈化、輕化工業(yè)、水利建設(shè)、農(nóng)作物的灌溉、漫種、改良鹽堿土壤等領(lǐng)域。

電場處理過的水具有蒸發(fā)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(fā)芽等方面。電場處理過的蘋果，14天后仍保持新鮮，而未經(jīng)處理的蘋果表皮失去光澤而且生皺，還研究了谷物經(jīng)電場處理后的保鮮效果[18]，結(jié)果表明電場水有著良好的保鮮性能。

遠(yuǎn)紅外陶瓷處理的水成為活化水，飲用可以促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)外水的交換，改善微循環(huán)，促進(jìn)新陳代謝，提高免疫力，同時(shí)活化水可有效中和血液的酸性物質(zhì)、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(dá)到97%以上;具有降解有毒物質(zhì)，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(qiáng)烈吸附作用。

各種功能水均是在通過物理、化學(xué)等方法處理后，達(dá)到將大聚集態(tài)形態(tài)結(jié)構(gòu)的水分子簇拆散為微聚集態(tài)形態(tài)結(jié)構(gòu)，從而使水具有活性大、滲透力強(qiáng)、溶解度高、能量大、與細(xì)胞親和性好等特性，使得功能水在各領(lǐng)域更廣泛的應(yīng)用。

三、功能水在卷煙中的應(yīng)用

大部分卷煙的保潤類添加劑均有不易與現(xiàn)有香精香料良好融合、可能改變卷煙風(fēng)格、通用性差等特點(diǎn)。功能水具有無色無味、通用性好、好的溶解性和滲透性等優(yōu)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(zhì)量，更有利于作為一種通用性添加劑普遍提高卷煙產(chǎn)品品質(zhì)。

在卷煙產(chǎn)品中進(jìn)行了大量應(yīng)用試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明:不同的水對卷煙產(chǎn)品感官品質(zhì)的影響均較顯著:與煙草協(xié)調(diào)性好，適當(dāng)?shù)挠昧肯聦頍煹母蓴_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(shí)，并與煙香油較好的協(xié)調(diào)性。

功能水可在煙用香原料提取、煙用香精香料調(diào)制、卷煙制絲工藝的加料、加香等工序中應(yīng)用，可以不同程度地改善卷煙的物理保潤性、卷煙感官品質(zhì)、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(yīng)用在卷煙中。進(jìn)一步根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用效果對功能水的生產(chǎn)及理論改進(jìn)完善，最終生產(chǎn)出適合的功能水，并逐步推進(jìn)功能水在卷煙產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的系統(tǒng)化應(yīng)用。功能水在煙草育種方面也有顯著的作用，可以進(jìn)一步研究其使用條件，并進(jìn)行廣泛的應(yīng)用。

目前，紅云紅河技術(shù)中心在功能水的研究中重點(diǎn)對創(chuàng)生水進(jìn)行了研制并對其進(jìn)行在卷煙中的應(yīng)用試驗(yàn)。通過對不同的制備條件做大量的梯度試驗(yàn)，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(jìn)行添加實(shí)驗(yàn)，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(xì)膩度、柔和性、提高香氣的清晰度、提高煙氣質(zhì)量等方面均有較好的效果。對研制出的創(chuàng)生水進(jìn)行了一系列的檢測，通過對比分析，已經(jīng)達(dá)到小分子團(tuán)的結(jié)構(gòu)，并且pH值呈堿性。對創(chuàng)生水進(jìn)行了脫煙毒實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明水可以中和香煙產(chǎn)生的酸性物質(zhì)，同時(shí)可以清除香煙產(chǎn)生的自由基。進(jìn)一步做了油脂乳化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(tuán)，具有超強(qiáng)的滲透力，乳化力。并對穩(wěn)定性進(jìn)行了一定的研究，摸索出創(chuàng)生水合適的存放條件。

結(jié)語

關(guān)于功能水結(jié)構(gòu)與功能的研究是一個(gè)涉及多門學(xué)科的交叉課題，具有極高的學(xué)術(shù)價(jià)值和廣泛的應(yīng)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(tuán)簇結(jié)構(gòu)所誘發(fā)的生物功效、產(chǎn)生機(jī)理及其在卷煙中的應(yīng)用，還需要更進(jìn)一步的理論和實(shí)驗(yàn)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(jié)合在一起， 如紅外輻射、超聲波、投加化學(xué)藥劑等。同時(shí)，以中國豐富的草藥資源與結(jié)構(gòu)化的分子簇水有機(jī)地結(jié)合起來，創(chuàng)造中國特色的21世紀(jì)的綠色功能水。并將功能水有效地應(yīng)用到卷煙中，為重點(diǎn)骨干品牌的發(fā)展、壯大提供堅(jiān)實(shí)的品質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)，有利于促進(jìn)云南煙草在“功能水”相關(guān)方面的應(yīng)用研究，開創(chuàng)性深層次推動(dòng)卷煙調(diào)香技術(shù)進(jìn)步，尤其是卷煙保潤、提高舒適度的技術(shù)突破。

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