充氮技術對天然礦泉水品質的影響

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.暨南大學食品科學與工程系，廣東 廣州 510632）

天然礦泉水中富含礦物質和微量元素，長期飲用可預防心臟病、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度，緩解動脈硬化，降低心臟病的發病率，同時能夠加快骨骼的鈣化，促進骨骼的生長發育［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，對骨骼和牙齒起到加固作用，能有效預防齲齒和骨質疏松癥，還能增強機體的興奮性和預防心血管疾病［4－6］。液態水分子通過氫鍵締合成團簇結構，水分子團簇結構是決定黏度、沸點、熔點、表面張力的主要因素，水的團簇結構也會影響水的功能，17O譜線寬度可以用來表征水樣的水分子團簇大小，在同一溫度下，譜線寬度越小，水分子團簇越小，水質就越好［7］。

充氮包裝是一種新興的包裝技術［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 域［13］。飲 料 瓶 等容器中充入液氮可杜絕外界空氣、水分、細菌進入包裝容器，延長保質期，同時還能產生內外壓強差，使包裝容器外表堅挺、質感良好、降低包裝成本。在包裝飲用水行業，市場上可見充氮輕量化的飲用純凈水（冰露飲用純凈水）和礦物質水（康師傅優悅礦物質水），未見其應用于天然礦泉水中。本研究擬探究充氮技術對天然礦泉水的感官指標、礦物質、理化指標及水分子團簇結構的影響，為液氮在天然礦泉水輕量化包裝中的應用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器

天然礦泉水：3個不同的水源標記為1，2，3號，廣東鼎湖山泉有限公司；

循環水式真空泵：SHD－D（Ⅲ）型，英峪予華儀器鞏義有限公司；

電熱鼓風干燥箱：DHG－9070A型，一恒科學技術上海有限公司；

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，一恒科學技術上海有限公司；

精密pH計：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 試驗方法

取一定體積3種（1，2，3號）水樣，置于密閉的高壓反應釜中，向高壓反應釜中充入氮氣，產生氮氣壓強，根據產品的包裝材料特點及保質期要求取3個壓強試驗點：0.4，0.8，1.2MPa，每種水樣在每個壓強點均分別承壓1，10，25d，反應溫度為室溫，采用控制變量法控制氮氣壓強和承壓時間，得到在不同氮氣壓強和承壓時間下的1，2，3號待測水樣。檢測充氮前后，水樣的感官指標（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、水分子團簇結構等指標的變化情況。

1.3 檢測方法

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方法》相應的方法檢測。

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

1.3.3 鈣、鉀、鎂、鈉、鍶 采用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP）測定。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 水分子團簇 采用核磁共振儀測定。水樣經處理過濾除雜后，注入核磁管，用封閉于毛細管中的重水做內標，鎖定磁場。核磁共振儀工作溫度25℃，掃描次數1 000次，磁場強度67.810MHz。

2 結果與討論

2.1 充氮對感官指標的影響

2.1.1 色度變化 檢測不同氮氣壓強和承壓時間下，3種水樣色度的變化，結果表明：3種水樣在充氮處理前后色度均低于5度，色度未發生明顯變化。說明充氮處理對天然礦泉水的色度沒有影響。

2.1.2 臭和味的變化 檢測不同氮氣壓強和承壓時間下，3種水樣臭和味的變化，結果表明：氮處理前后水樣均沒有異臭和異味，臭和味未發生明顯變化。說明充氮處理對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 檢測不同氮氣壓強和承壓時間下，3種水樣肉眼可見物的變化，結果表明：3種水樣在充氮處理前后均未發現明顯的可見物。說明充氮處理對天然礦泉水中肉眼可見物指標無影響。

2.2 充氮對pH值的影響

不同氮氣壓強和承壓時間下，3種水樣pH值的變化見表1。

由表1可知，3種水樣pH值不隨氮氣壓強和承壓時間的變化而變化。說明天然礦泉水中充氮對其pH值沒有影響。

2.3 充氮對礦物質成分的影響

2.3.2 對溶解性總固體的影響 不同氮氣壓強和承壓時間下，3種水樣溶解性總固體的變化見表3。

表1 氮氣壓力和反應時間對pH值的影響Table 1 pH under different pressure and time of N2

表2 氮氣壓力和反應時間對碳酸氫鹽含量的影響Table 2 HCunder different pressure and time of N2

表2 氮氣壓力和反應時間對碳酸氫鹽含量的影響Table 2 HCunder different pressure and time of N2

不同氮氣壓強和承壓時間下，3種水樣中C濃度始終為0mol/L。

號樣承壓時間/d壓強/MPaHCO－3/（mol·L－1 1）2號樣承壓時間/d壓強/MPaHCO－3/（mol·L－1）3號樣承壓時間/d壓強/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 氮氣壓力和承壓時間對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，隨著氮氣壓力和承壓時間的增大，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溶解性總固體含量沒有影響。

2.3.3 對偏硅酸的影響 偏硅酸標準曲線圖見圖1。不同氮氣壓強和承壓時間下，3種水樣中偏硅酸的變化見表4。

由表4可知：不同氮氣壓強和承壓時間下，3種水樣偏硅酸含量值變化不超過5%，試驗存在檢測誤差，可基本判定天然礦泉水中充氮，對偏硅酸含量幾乎無影響。

2.3.4 對金屬離子的影響 不同氮氣壓強和承壓時間下，3種水樣中金屬離子的變化見表5。

由表5可知，不同氮氣壓強和承壓時間下，3種水樣中的主要金屬離子含量基本保持不變。說明充氮對天然礦泉水中金屬離子含量幾乎無影響。

圖1 偏硅酸標準曲線圖Figure 1 Standard curve of metasilicic acid

表4 氮氣壓力和承壓時間對偏硅酸的影響Table 4 Metasilicic acid under different pressure and time of N2

表5 氮氣壓力和承壓時間對金屬離子的影響Table 5 Metal ions of mineral water under different pressure and time of N2

2.4 對水分子團簇的影響

不同氮氣壓強和承壓時間下，3種水樣水分子團簇的變化見表6。

由表6可知，不同氮氣壓強和承壓時間下，3種水樣的17O－NMR譜半峰寬度的大小變化不明顯。說明充氮技術對水分子團簇結構影響不明顯，充氮技術不會影響水的黏度、沸點、熔點、表面張力及功能性。

3 結論

（1）天然礦泉水中充氮，其感官指標（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）、水分子團簇結構均不隨氮氣壓強及承壓時間的變化而變化。

（2）天然礦泉水中充氮，不會引起天然礦泉水理化性質的變化。以充氮為技術要點的輕量化包裝技術可以應用到天然礦泉水的生產中。

（3）本研究以在高壓反應釜中加入氮氣的形式研究對天然礦泉水影響，下一步將對實際生產中液氮添加技術的應用進行進一步的研究。

表6 氮氣壓力和承壓時間對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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