饮用水味感研究的现状及展望

徐 斌，唐利贞

(同济大学环境工程与科学学院，上海 200082)

随着人们生活水平和消费水准的提高，公众对饮用水的品质需求也在发生着变化，在满足饮用水安全卫生的前提下，饮用水的感官性状作为公众判定水质安全性的最直观指标，也是评价饮用水品质好坏的主要方法，直接影响消费者的使用选择。饮用水水源污染加剧以及饮用水处理和输送过程导致饮用水产生感官问题。鉴于消费者和市场对饮用水的感官评价提出了新的要求，饮用水的感官评价问题亟待研究[1-4]。饮用水感官评价中的味道(flavor)主要包括嗅(odors)、味(tastes)和口感(mouth feel)3个方面，国外对这3项划分出了相应的饮用水感官轮图[5-7]。近年来，有关饮用水味道的研究以嗅的问题为主，而对味和口感(统称味感)的研究则较少。通过对饮用水的来源、处理供给方式和饮用人群的途径研究分析，一般认为饮用水味感主要受3个方面的影响。其一，饮用水水源的污染，由于工农业生产的快速发展，大量的污染物质进入饮用水水源，导致饮用水味感改变；其二，饮用水处理工艺过程产生了影响味感的物质或是去除了有益提升口感的物质；其三，饮用水在输送过程中由于管道或水箱等原因产生了影响味感的物质。现阶段随着高品质饮用水、市政直饮水、瓶装饮用水的发展和普及，如何改善和评价饮用水的味感已然成为一个热点话题。

1 饮用水味感的影响因素

饮用水的味感是一个综合性指标，受水中各种离子的含量及其综合作用的影响，同时与水温、水中有机物种类和含量、消毒剂种类和消毒方式等亦存在必然的相关性，属于比较复杂的一种指标。本文梳理了目前研究的饮用水无机指标对味感的影响，如表1所示。同时，综合梳理了美国环保署(EPA)的国家一级饮用水法规(NPDWRs)[8]和二级饮用水法规(NSDWRs)中对味感相关参数所设定的水质标准[9]，世界卫生组织(WHO)的指导浓度以及味阈值等参数[10]，如表2所示。

表1 饮用水无机指标对味感的影响Tab.1 Influence of Drinking Water Index on Taste and Mouth Feel

表2 饮用水味感相关参数指标的设定标准/指导值Tab.2 Standard/Guiding Value of Parameters Related to Drinking Water Taste and Mouth Feel

1.1 水中无机指标的影响

目前，进行饮用水味感影响因素的研究不多，主要集中在K+、Ca2+、Mg2+、Na+、Si这几种常见的无机元素以及总溶解性固体(TDS)、pH、水温等指标上(表2)。对于Ca2+、Mg2+而言，中低浓度可使饮用水更受消费者喜爱，但较高浓度会产生刺激性。当水中存在Cl-时， Na+、K+会与其发生协同作用，在较高浓度时使饮用水产生咸味，对味感产生消极影响。而Si在饮用水味感中的作用尚未明确，有关Si的影响还需要更多的研究来确定。Cu2+、Fe3+、Mn2+、Zn2+等金属离子浓度过高时会使饮用水产生金属味，世界卫生组织(WHO)对这4种金属离子的指导浓度以及味阈值如表2所示。TDS可视为无机离子的总指向标，不同的人群对TDS的偏好不一样，但总体而言300 mg/L左右的中低浓度味感较优，偏高偏低均会对味感产生负面影响。有着相对较高pH值(7.5～8.1)的饮用水更受消费者喜爱，当pH偏低时会有苦金属味；当pH偏高时，伴随着湿滑口感和苏打味。饮用水常用的消毒剂游离氯和氯胺也对饮用水味感产生一定的影响，主要表现为漂白剂味(表3)，但水温同样也会对味感产生影响，低温时能提高氯化饮用水的可接受度。由此可知，有关饮用水味感的无机核心因子尚未明确，最佳味感物质含量对改善饮用水味感和健康的作为也未得到深入研究，且各国之间的饮水习惯(如我国偏好温开水)等也存在一定的差异。

表3 FRA评分表Tab.3 Rating Form of FRA

1.2 水中有机指标的影响

能影响饮用水味感变化的有机物种类众多，主要包括农药类、酚类、苯类等有机污染物以及天然有机物(表2)。阿特拉津、西维因等农药的WHO指导浓度以及USEPA规定浓度均低于其味阈值，因此，饮用水在满足WHO指导浓度以及USEPA的要求下，这些农药均不能引起异味。而对于以1,2-二氯苯、1,4-二氯苯、1,2,4-三氯苯为代表的氯苯和以2-氯酚、2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚为代表的氯酚而言，他们的味阈值远低于基于健康的限值(USEPA和WHO)，这也就意味着在不构成健康风险的低浓度下也可能会引起消费者们对味感的投诉。天然有机物中以土臭素和2-甲基异茨醇为代表，他们味阈值极低，表现为霉味和泥土味，USEPA和WHO对这两种物质均没有设定标准或指导值，我国对土臭素和2-甲基异茨醇的限值(GB 5749—2006)均为0.01 μg/L，远大于味阈值，虽然在安全卫生上可以使公众接受，但是在感官美学方面仍存在影响。后续研究可结合我国饮水习惯和偏好等进一步考察饮用水中无机成分和有机成分对饮用水味感的影响，明晰其核心影响因子，为饮用水味感评价提供更完善的评价指标和体系。

2 饮用水味感评价方法

研究所涉及的饮用水味感评价方法均包括在美国公共卫生协会所编制的水和废水检验的标准方法中，主要分为味阈检测法、等级评估法和层次分析法3种方法[11]。

使用这3种方法均需在前期对评测人员进行筛选和培训，确保人员总数不少于5人，排除对味道不敏感的人并确保参与测试的人员没有感冒或过敏，在测定前的15～30 min不使用香水、不抽烟、不吃东西，以保证检测结果的可靠性。此外，样品需在保证安全卫生的前提下，盛放于无色无味的容器中，并使样品置于测试人员认为适宜应用的温度下，在测试过程中保持该温度，并在报告结果中指定测试温度。在评测过程中，确保每次评测的外界环境相同，单个评估环节可以评估10个水样。在每个评分环节至少休息30 min。评测人员将样品放入口中，在口中移动样品，含几秒，不吞咽，品尝结束后吐出，对评测结果形成初步判断。不确定时以类似的方式再次品尝，做出最终评分并记录，注意评测人员不可相互交流。样品间用无嗅无味的标准水样漱口，休息1 min后进入下一个样品的评测。

2.1 味阈检测法

味阈检测法(flavor threshold test，FTT)是将样品用无味水稀释到不同倍数进行品尝，并让测试人员将样品与无嗅无味水进行比较并记录是否可品尝到味感，以刚好可品尝出水的味感来确定产生该种味感的物质味阈。注意在序列中插入空白，且对评测人员保密。味阈值(FTN)用式(1)计算。

(1)

其中：FTN——味阈值；

A——待测水样体积，mL；

B——稀释过程中消耗的参照水体积，mL。

2.2 等级评估法

等级评估法(flavor rating assessment，FRA)是让每个评测人员在水样的9种描述项中做出选择，其范围为非常喜欢到非常不喜欢。评测人员的任务即选择最能表达自己对于该水样观点的描述项。个人评分是所选描述项的编号。水样的小组评分是所有评测人员对样品评分集中趋势的一个适当值，如果评分分布合理对称，则计算所有评级的均值和标准差，否则将一组最典型的评分作为单个评分的中位数或几何平均值。所用的评分和对应的描述项如表3所示。

2.3 层次分析法

层次分析法(flavor profile analysis，FPA)是鉴定和表征水样的单种味道最常用的方法。FPA不同于FTT，该方法样品没有稀释，每种味道均是单独表征，并赋予强度等级。在小组培训期间，制定味感标准，将他们所尝的强度与标准强度进行比较。用于味感标准的化学物质有：蔗糖(甜)、柠檬酸(酸)、氯化钠(咸)、咖啡因(苦)。因为除了甜这一标准外，其他3种味感均有覆盖任何后续味感的倾向，所以在实际的样品分析中，只使用甜味标准品，并让每个测试人员描述最浓样品的味感，并综合编制味感类别，以在有分类的基础上对味感进行更有经验的描述。在FPA中使用表4进行评分。

表4 FPA评分表Tab.4 Rating Form of FPA

2.4 电子舌/味觉传感器仪器分析法

除以上基于评测人员的3种味感评定方法外，也可使用电子舌/味觉传感器对味感和味感物质进行检测评定。电子舌/味觉传感器测定法是一种仿生仪器分析法，是基于多传感器阵列的液体分析系统，目前用于液体传感的传感器阵列主要基于电化学方法，如电压法、电位法等。这些传感器对于液体中的不同成分具有部分特异性，基于传感器的不同可以分析识别液体中对应的溶解成分。

电子舌/味觉传感器的选择很大程度取决于所测溶液的组成和复杂性。对于地面水、废水和污水等含有多种无机和有机化合物等成分复杂的水，所采用的测试方法必须具有灵敏性和广泛的选择性，近期报道的基于脉冲电压法的电子舌则被认为具有环境监测的潜力[12]。味觉传感器首先是在1990年被提出的，它使用对离子敏感的脂质膜，并将其与舌头感知的酸、甜、苦、咸、鲜等基本味觉相联系。在味感评定领域，主要应用的是味觉传感器。基于植脂末对脂质/聚合物膜的基础研究，一种使用人工脂质作为多通道味觉传感器的传感器系统已被开发[7,13-15]，使得其能够评估咸、酸、苦、甜、鲜味和涩味，具有广泛的选择性。大多数脂类分子是由疏水性和亲水性基团组成的，因此，脂类可认为是通过静电和疏水性的相互作用从而与各种味感物质相反应。经过10多年的研发，第一款商业化的SA401味觉传感系统于1993年在日本推出(日本INSENT公司)。随后SA402和SA402B型味觉传感系统分别于1996年和2000年在日本销售。第四款TS-5000Z装置有多达8个传感器连接，提供关于味感质量的数据，如酸味、咸味、鲜味、苦味、涩味和醇厚度。

2.5 饮用水味感评价方法的选择

参考表5，可根据对所评测饮用水的目的和需求对味感评价方法进行选择。

表5 饮用水味感评价方法Tab.5 Evaluation Method of Drinking Water Taste and Mouth Feel

3 饮用水的味感提升和优化技术

提高饮用水味感的技术研究目前主要集中在海水淡化水的再矿化研究。现有海水淡化方法制得的海水淡化水矿化度和盐分含量都很低，味感较差，且益于人体的常量、微量元素含量很低，水质稳定性差，对于输水管网而言具有很强的腐蚀性和侵蚀性。因此，海水淡化水必须做恰当的再矿化处理，提高其矿化度以降低腐蚀性，然后再进入给水管网系统。溶解矿石法是目前最简单且应用最广泛的处理海水淡化水的方法，其普遍做法是使淡化水通过装填富含矿物质矿石的反应器，通过溶解矿石中所含矿物质来增加淡化水中的硬度、碱度，从而实现淡化水的再矿化。石灰石和方解石是再矿化处理中常用的矿石。此外，也有文献报道，白云石[MgCa(CO3)2]可作为再矿化处理的矿石，但由于其矿化淡化水时对pH和碱度的提升远低于要求，且缺少控制溶解的数据，在实际应用中，选用的矿石多为石灰石和方解石[16-19]。淡化水的pH值一般在7～8，在该pH范围内石灰石和方解石中矿物质的溶解速率非常慢，故通常采用向水中通CO2或投加H2SO4等方式降低进水的pH，从而增大矿石中矿物质的溶出速率。海水淡化水通用溶解矿石(以方解石为例)再矿化工艺如图1所示。

图1 基于CO2(或H2SO4)-方解石溶解的海水淡化水后处理工艺示意图Fig.1 Schematic of CO2 (or H2SO4) Based Calcite-Dissolution Desalination Post-Treatment Process

鉴于消费者对味感优化以及有益微量元素多样化的要求，新种类矿石对海水淡化水等低矿化度水进行再矿化的开发研究应运而生。麦饭石和木鱼石因具有较好的吸附和溶出性能，可在对饮用水中重金属进行吸附的同时溶出对人体有益的微量矿物元素，现被国内视为理想的饮用水味感和水质改善矿石材料。而目前对除简单石灰石或方解石外的含多种矿物质的矿石溶解过程缺乏研究，且对使用该矿石进行矿化的具体工艺参数的影响以及矿化出水水质稳定性缺乏系统的研究，可采用未反应收缩核模型研究多矿物矿石元素溶出性能，确定反应控制步骤，建立与影响因素相关的静态溶出动力学经验模型，进一步研究实际矿化工艺的组合优化。

4 研究总结与展望

过去100年的许多研究都集中在减少饮用水中有害物质的健康危害作用上，而饮用水味感的重要性和水处理过程中去除重要营养元素的影响却很少受到关注。味感是评价饮用水质量的一项关键性指标，是反映水质好坏的综合项目，直接影响消费者对饮用水的采纳度。事实上，饮用水不是化学上纯净的水，它含有少量的矿物质和有机物。这些成分决定了它的化学性质，并赋予其不同的味感。未来饮用水味感研究主要可分以下3个方面。

(1)目前，涉及饮用水味感的研究较少，未取得一致的结果，且局限于几种常见的无机元素以及pH、TDS等指标，而影响饮用水味感的物质除了某些矿物质，还可能有腐殖质的分解产物及某些微生物新陈代谢的产物、消毒副产物及其残留物等。因此，开展饮用水味感的核心因子研究，筛选关键味感物质，并建立与关键味感物质相关的味感经验评价公式将会是味感研究的重要部分。

(2)电子舌/味觉传感器等仿生味感测量方法正迅速发展并应用于饮用水领域。传感器响应信号会产生大量数据，在多数情况下具有大量冗余，因此，算法的进一步发展对于最优数据的测量并有效评估是十分重要的。此外，电子舌和人类感觉的组合进行味感评价的技术尚未成熟，所使用的生物膜模拟人类口腔味感类别的机理与准确性仍需进一步研究和提高。

(3)饮用水味感改善技术尚集中于海水淡化水的再矿化，其中，溶解矿石法是最简单且应用最广泛的再矿化技术，但因普遍使用的碳酸岩类矿石(主要是含CaCO3矿石)仅改善了水体稳定性差和味感差的问题，且其溶出矿物元素单一，与消费者对优质饮用水和健康饮用水的要求尚有差距，因此，含多种矿物质的矿石溶解机理与最优工艺条件亟待开展研究。