充氮技术对天然矿泉水品质的影响

吴木生 周欣欣 李爱梅 晏日安 姜新慧

（1.广东鼎湖山泉有限公司，广东 肇庆 526070；2.暨南大学食品科学与工程系，广东 广州 510632）

天然矿泉水中富含矿物质和微量元素，长期饮用可预防心脏病、高血压、糖尿病、冠心病、心血管疾病、癌症等疾病的发生［1，2］。例如，天然矿泉水中的偏硅酸，可软化血管，保持血管壁的弹性和强度，缓解动脉硬化，降低心脏病的发病率，同时能够加快骨骼的钙化，促进骨骼的生长发育［3］；天然矿泉水中的锶是组成人体骨骼和牙齿的重要元素，参与钙的代谢，对骨骼和牙齿起到加固作用，能有效预防龋齿和骨质疏松症，还能增强机体的兴奋性和预防心血管疾病［4－6］。液态水分子通过氢键缔合成团簇结构，水分子团簇结构是决定黏度、沸点、熔点、表面张力的主要因素，水的团簇结构也会影响水的功能，17O谱线宽度可以用来表征水样的水分子团簇大小，在同一温度下，谱线宽度越小，水分子团簇越小，水质就越好［7］。

充氮包装是一种新兴的包装技术［8］，已广泛用于油脂食品［9－11］、军用 光 电 器 材［12］、档 案 保 藏 等 领 域［13］。饮 料 瓶 等容器中充入液氮可杜绝外界空气、水分、细菌进入包装容器，延长保质期，同时还能产生内外压强差，使包装容器外表坚挺、质感良好、降低包装成本。在包装饮用水行业，市场上可见充氮轻量化的饮用纯净水（冰露饮用纯净水）和矿物质水（康师傅优悦矿物质水），未见其应用于天然矿泉水中。本研究拟探究充氮技术对天然矿泉水的感官指标、矿物质、理化指标及水分子团簇结构的影响，为液氮在天然矿泉水轻量化包装中的应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料及仪器

天然矿泉水：3个不同的水源标记为1，2，3号，广东鼎湖山泉有限公司；

循环水式真空泵：SHD－D（Ⅲ）型，英峪予华仪器巩义有限公司；

电热鼓风干燥箱：DHG－9070A型，一恒科学技术上海有限公司；

恒温水浴锅：B－260型，亚荣生化仪器上海有限公司；

电子天平：EL104型，梅特勒—托利多上海有限公司；

真空干燥箱：DZF－6030A型，一恒科学技术上海有限公司；

精密pH计：PHS－3C型，雷磁仪器上海有限公司；

ICP 光 谱 仪：Optima－2000DV 型，PerkinElmer上 海公司；

核磁共振波谱仪：AVANCEⅢ（500MHz）型，布鲁克瑞士公司。

1.2 试验方法

取一定体积3种（1，2，3号）水样，置于密闭的高压反应釜中，向高压反应釜中充入氮气，产生氮气压强，根据产品的包装材料特点及保质期要求取3个压强试验点：0.4，0.8，1.2MPa，每种水样在每个压强点均分别承压1，10，25d，反应温度为室温，采用控制变量法控制氮气压强和承压时间，得到在不同氮气压强和承压时间下的1，2，3号待测水样。检测充氮前后，水样的感官指标（色度、浑浊度、臭和味、可见物）、pH值、偏硅酸、碳酸盐和碳酸氢盐、溶解性总固体、钾、钠、钙、镁、锶、水分子团簇结构等指标的变化情况。

1.3 检测方法

1.3.1 色度、臭和味、肉眼可见物、pH值、碳酸盐和碳酸氢盐、溶解性总固体 按GB/T 8538—2008《饮用天然矿泉水检验方法》相应的方法检测。

1.3.2 偏硅酸 采用 GB/T 8538—2008《饮用天然矿泉水检验方法》硅钼黄法比色法测定。

1.3.3 钙、钾、镁、钠、锶 采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）测定。光谱仪工作条件：雾化器气流量0.8L/min，等离子体气流量15L/rain，辅助气流量0.2L/min，射频功率1 100W。

1.3.4 水分子团簇 采用核磁共振仪测定。水样经处理过滤除杂后，注入核磁管，用封闭于毛细管中的重水做内标，锁定磁场。核磁共振仪工作温度25℃，扫描次数1 000次，磁场强度67.810MHz。

2 结果与讨论

2.1 充氮对感官指标的影响

2.1.1 色度变化 检测不同氮气压强和承压时间下，3种水样色度的变化，结果表明：3种水样在充氮处理前后色度均低于5度，色度未发生明显变化。说明充氮处理对天然矿泉水的色度没有影响。

2.1.2 臭和味的变化 检测不同氮气压强和承压时间下，3种水样臭和味的变化，结果表明：氮处理前后水样均没有异臭和异味，臭和味未发生明显变化。说明充氮处理对天然矿泉水的臭和味没有明显影响。

2.1.3 肉眼可见物的变化 检测不同氮气压强和承压时间下，3种水样肉眼可见物的变化，结果表明：3种水样在充氮处理前后均未发现明显的可见物。说明充氮处理对天然矿泉水中肉眼可见物指标无影响。

2.2 充氮对pH值的影响

不同氮气压强和承压时间下，3种水样pH值的变化见表1。

由表1可知，3种水样pH值不随氮气压强和承压时间的变化而变化。说明天然矿泉水中充氮对其pH值没有影响。

2.3 充氮对矿物质成分的影响

2.3.2 对溶解性总固体的影响 不同氮气压强和承压时间下，3种水样溶解性总固体的变化见表3。

表1 氮气压力和反应时间对pH值的影响Table 1 pH under different pressure and time of N2

表2 氮气压力和反应时间对碳酸氢盐含量的影响Table 2 HCunder different pressure and time of N2

表2 氮气压力和反应时间对碳酸氢盐含量的影响Table 2 HCunder different pressure and time of N2

不同氮气压强和承压时间下，3种水样中C浓度始终为0mol/L。

号样承压时间/d压强/MPaHCO－3/（mol·L－1 1）2号样承压时间/d压强/MPaHCO－3/（mol·L－1）3号样承压时间/d压强/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 氮气压力和承压时间对溶解性总固体的影响Table 3 Total dissolved solids under different pressure and time of N2

由表3可知，随着氮气压力和承压时间的增大，3种水样的溶解性总固体含量变化不大。故天然矿泉水中充氮对溶解性总固体含量没有影响。

2.3.3 对偏硅酸的影响 偏硅酸标准曲线图见图1。不同氮气压强和承压时间下，3种水样中偏硅酸的变化见表4。

由表4可知：不同氮气压强和承压时间下，3种水样偏硅酸含量值变化不超过5%，试验存在检测误差，可基本判定天然矿泉水中充氮，对偏硅酸含量几乎无影响。

2.3.4 对金属离子的影响 不同氮气压强和承压时间下，3种水样中金属离子的变化见表5。

由表5可知，不同氮气压强和承压时间下，3种水样中的主要金属离子含量基本保持不变。说明充氮对天然矿泉水中金属离子含量几乎无影响。

图1 偏硅酸标准曲线图Figure 1 Standard curve of metasilicic acid

表4 氮气压力和承压时间对偏硅酸的影响Table 4 Metasilicic acid under different pressure and time of N2

表5 氮气压力和承压时间对金属离子的影响Table 5 Metal ions of mineral water under different pressure and time of N2

2.4 对水分子团簇的影响

不同氮气压强和承压时间下，3种水样水分子团簇的变化见表6。

由表6可知，不同氮气压强和承压时间下，3种水样的17O－NMR谱半峰宽度的大小变化不明显。说明充氮技术对水分子团簇结构影响不明显，充氮技术不会影响水的黏度、沸点、熔点、表面张力及功能性。

3 结论

（1）天然矿泉水中充氮，其感官指标（色度、臭和味、可见物）、pH值、碳酸盐和碳酸氢盐、溶解性总固体、偏硅酸、金属离子（钾、钠、钙、镁、锶）、水分子团簇结构均不随氮气压强及承压时间的变化而变化。

（2）天然矿泉水中充氮，不会引起天然矿泉水理化性质的变化。以充氮为技术要点的轻量化包装技术可以应用到天然矿泉水的生产中。

（3）本研究以在高压反应釜中加入氮气的形式研究对天然矿泉水影响，下一步将对实际生产中液氮添加技术的应用进行进一步的研究。

表6 氮气压力和承压时间对17 O－NMR核磁共振半峰宽的影响Table 6 Peak half width of 17 O－NMR under different pressure and time of N2

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