水分子結構及其應用研究綜述

黎禮麗 朱伯和 黃靜文

摘 要：水是生命之源，水分子的3個原子成104.5°角（V型結構），這種V型結構使水分子具有較強的極性，極性使水分子之間形成氫鍵。在自然界中，液態水是以由若干個水分子通過氫鍵作用聚集在一起的水分子團簇的形式存在的。本文分析了水的分子結構、小分子水的形成原理、制備方法及其與人體健康的關系，簡單論述了小分子水在食品和煙草行業中的應用。

關鍵詞：氫鍵;分子團簇;小分子水;定向調控;應用

中圖分類號：S-3 ? ? ? 文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190830017

引言

水是地球表面最多的分子，是生命生存的重要資源，也是生物體最重要的組成部分。H2O是有2個氫原子和1個氧原子構成的，氫原子和氧原子通過分享1對電子形成氫鍵，3個原子形成104.5°角，呈V型結構，這種V型結構使水分子正負電荷向兩端集中，使水分子具有較強的極性，極性使水分子之間形成氫鍵。

自然界中的液態水并不是以單個分子（H2O）的形式存在的，而是以若干個水分子通過氫鍵作用而聚集在一起的水分子團簇的形式存在，常稱為“水分子團”。所以，不同種類水的分子團簇大小是不一樣的。

水自身是沒有磁性的，但是水的原子核能感受外部磁性，且能做出一定的反應，所以可以利用核磁共振技術來測定水分子團簇的大小。目前，通常以核磁共振測定的水震動頻率的半幅寬度來表示水分子團簇的大小，半幅寬越大，水分子團簇越大，半幅寬越小，水分子團簇越小[1]。想要改變水分子的團簇結構，就必須破壞水分子之間的氫鍵。水分子的團簇結構改變，水的物理性質也會發生不同的變化，如其滲透力、溶解力變強/弱，pH值、密度、電導率增大/減小等[2-5]。

1 小分子水（活性水）

水在自然界中以3種形態存在：固態、液態和氣態。標準狀況下，水在氣體和液體之間保持動態平衡。水分子間的氫鍵是一種分子間的力，在液態的水中，處于一種不停地斷開、結合的動態平衡中。水的締合大分子團發生裂解分離，由原來的數十個或更多分子組成的水分子團簇變成由6～8個水分子組成的小團簇，即小分子團水[3，4，7]。水分子越小，其活性越大，小分子團水呈弱堿性，具有較強的滲透性、溶解力和擴散力[5]。日常生活中的水是由15～40個水分子組成，常稱為“大分子團水”，如自來水由12～13個水分子組成，121Hz;純凈水由30～40個水分子組成，其半幅寬為149Hz[6]。巴馬長壽村的水、冰川水均為天然小分子水，由3～6個水分子組成，其半幅寬為61～66Hz[1]。海水，胎兒的羊水也都是小分子團水。

2 破壞水分子結構的方式

在室溫下，水一般是以30～40個水分子締合成分子團簇結構存在的，水分子之間依靠氫鍵形成團簇結構。水的分子團簇結構是一種不停地斷開、結合的動態平衡，其只能穩定存在10～12s左右。破壞水分子間的氫鍵，就可以改變水分子的團簇結構。水分子的氫鍵具有2.7～4.1μm的光子能量，要破壞水分子間的氫鍵，必須用大于氫鍵的能量，使大分子團水變為小分子團水[6]。

2.1 加熱

水分子簇的大小與水的溫度、離子濃度及環境的變化有關，改變水分子團簇中水分子的數量，最簡便的方法之一是加熱，溫度越高，分子運動速度越快，越不利于氫鍵的形成，當加熱溫度達到100℃時，液態水就會變成水蒸氣，水蒸氣為接近單分子或小分子結構的水[7]。

2.2 外加能量場

氫鍵的存在使水分子間形成獨特而易變的結構，可通過外加能量場如電場、磁場、遠紅外線等破壞水分子氫鍵，改變分子團簇的大小。外加磁場可使水中氫鍵網絡的電子云產生微弱變形或者擾動，部分氫鍵被破壞[8];外加電場可使水分子的部分氫鍵斷裂，水中出現過量的超氧陰離子自由基、過氧化氫及自由質子，水中生成的離子具有較強的順磁性[9]。遠紅外線（波長4～400μm）是一種電磁波，也是一種光電子流，水分子的O-H鍵的伸縮振動和2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，水分子在遠紅外輻射能量的作用下，水的大分子結構可發生裂解，形成由較少水分子組成的小水分子團簇[10]。

3 小分子團水與人體健康

小分子團水具有較小的分子結構，能順利通過水通道進入細胞，因表面張力使其緊緊地附著于細胞膜上，不產生正負電荷相吸效應，水分子內聚高能電荷量，增加細胞的膜電位，促進細胞的新陳代謝和自我修復能力，從而增強機體免疫力。小分子團水呈弱堿性，其溶氧量可達到9.6mg/L，具有較強的滲透性，能夠迅速的進入人體組織及細胞，加快廢物的排出和養分的補充，改善微循環，使人體體液酸堿平衡，增加細胞活力，促進新陳代謝。小分子團水具有較強的溶解性，能溶解血管壁上的雜質，恢復血管彈性，促進礦物質和微量元素電解為離子，提高其吸收率，可預防高血壓、動脈硬化等疾病[11]。

4 水分子定向調控技術在食品及煙草行業上應用 ?在食品行業，為提高產品質量、縮短加工時間、降低原料損耗等目的，工人們會根據食品的種類和需要采用合適的方法處理加工用水[12]。例如，在啤酒生產中，采用磁場強度為2000～3000Gs的磁化水可以顯著提高大麥發芽力，增強麥芽和酵母的活力，縮短發酵時間，加速酒的后熟[13]。采用中空纖維真空脫氣裝置，通過氣體分離膜除去溶解在水中能影響食品質量的氧、氮和二氧化碳等氣體;脫氣水具有較好的滲透性，在豆腐、豆乳制造過程中，可提高原料利用率及生產效率。蔬菜、魚貝經麥飯石處理，不易變色，組織堅實，可延長保鮮期[14]。

水可理解為卷煙工藝上最大的香精香料。在煙草行業，有相關的研究團隊將市售各種功能水、有關科研機構生產的特殊功能水、日常生產生活用水等應用在卷煙產品生產中，評價不同水對產品感官品質的影響。結果表明，大部分水對卷煙產品感官品質呈正面影響，部分經過處理后的水能提高卷煙香氣的豐滿度、柔和煙氣、提高舒適性等[15]。為豐富煙梗預處理工藝，節約生產能源，王學軍等[16]利用永久強磁小分子團水處理器處理浸梗用水，其用處理后的水浸梗后，不經過蒸梗工序，煙梗的回透率可達到99.3%。由此可見，卷煙加工用水的質量能直接或間接地影響卷煙的內在質量。

5 結束語

目前很多企業在線生產用水均采用自來水，水的利用還停留在較低層次和較粗放的水平上，這難免會給產品加工質量帶來負面影響。補水功能只是水全部功能的一小部分，因此，在日常生活中，應該根據需要選擇適當的水處理方法，這對于提高水的綜合利用效能、提升產品內在品質以及精益制造水平具有重要價值。

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