用¹⁷O-NMR分光法评价水的状态

松下 和弘
日本电子株式会社

出处:「食品化学」月刊1990年4月号

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1. 评价水的指标

　　水占人类成人体重的60%，每天所摄取的食物中也必定含有水份。水对于人类、动物、植物等所有生命体都是不可或缺的，它在生命生理学甚至科学上都被视为是研究上的「极重要对象」，然而在教育时却不会教导「水」。

　　在近代科学教育中可学习到水可溶解物质（亦速溶媒），但实际上针对「水的本质」并无有体系的教法。换言之，可以说在科学教育的领域中尚是一片空白。

　　随着日本工业能力的增强，消费生活也亦加富裕。但相反地，生活中的饮用水，也就是自来水，变得难喝了。然而这并非自水来局的责任，而是因我们人类污染了水源！

　　因为水具有能溶解所有物质的能力，要产出对生命体无害．安全的水，需要费很大的劳力。可以想见自来水局对于如何将含有各种由化学工厂及生活中排出的有机无机化合物的水转变成人们可以饮用的水，也下了很大的功夫。

　　自来水因为符合自来水法所定基准，原则上是安全的水。然而我们希望能更进一步制出「好喝的水」、「人体生理学上的好水」或「食品调理加工上的好水」，因此需要能够评价出水的状态的「指标（尺度）」。

　　评价水的方法之一是分析矿物成分量（金属离子）¹⁾。然而此种方法无法说明为何矿物成分量相同，水的味道却不同之现象。

　　因此笔者提议利用可以观察分子构造及状态，非破坏性的核磁气并鸣(NMR)分光法^{２) ３)}。水的化学式是H2O，用NMR分光法观测氢的原子核(¹H)或氧(¹⁷O)的原子核时，可以抓到显微镜下单分子大小的水的动态。最近特别是利用17O-NMR分光法的例子越来越多了。

　　那么「何谓水」。笔者认为「水具有动态构造」、「水的动态构造因微弱的能量而变化」。

　　水不以单一分子存在，而是因为分子间力产生氢结合，形成最低5分子以上的动态集团，称之为Cluster。北海道大学的荒川泓教授的学说发表４）指出，用「5量体一单分子混合模式」可说明水的动态构造。根据此一学说，温度越低，5量体(5分子)的水分子存在比例越高。

　　基于「Nemethy-Scheraga的Cluster构造及单分子状态的2状态模型理论」，我们认为自来水至少是5分子以上的集团所形成。此集团并非不变，而是不停的产生大集团又崩坏。而由¹⁷O-NMR的观察数据来看，好喝的水，其水分子集团的动作（分子运动）是快速的，也就是小集团的比例较高。由于水的集团并非静止的，所以称之为「水的动态构造」。

　　像天然涌水，含有钙等金属离子。切断了水分子相互的氢结合，大的集团崩坏，水分子集结在金属离子的周围，和纯水比较，水分子集团较小。换言之，越干净的水水分子集团越大。若想方法将这水分子集团变小，就会感觉水变得好喝。

　　那么，为何水的集团小就会觉得好喝呢？我认为因人类是用舌头的味蕾去感受味道的，越小的水分子集团越能渗透到味蕾，就更能感受到美味吧！

　　用¹⁷O-NMR法观察现在卖得很好的几种天然涌水(矿泉水)，得知其信号的线幅比自来水的窄。不好喝的水，其信号线幅广，也就是水分子集团大，此假设模式以图1表示。

图1　Nemethy-Scheraga的水Cluster模式

　　食品和水有必然的关系，像咖啡或茶，有百分之99以上是水，豆腐、蒟蒻、蔬菜、水果等也有百分之90以上的含水量。也可以说我们在日常生活上食用或饮用的，大部分是水。

　　水在食品调理上也是不可或缺的。不管多优质的米、茶或有名的咖啡豆，若用了不好的水来泡煮，就引不出素材的美味，也可以说美味的关键就在于水。我们都该体认到水是食品中最重要的一种「材料」。

 

2. ¹⁷O-NMR法对水的评价

　　首先我们比较自来水及井水。图2表示用¹⁷O-NMR法分析东京都墨田区的自来水及笔者所居住之昭岛市的井水。这井水是由地底200公尺深汲上来的水，很多人说好喝。

图2　水的¹⁷O-NMR（20℃）

　　自来水（墨田区）133Hz 井水（昭岛市）94Hz

　　观察在20℃的17O-NMR波型，井水的共鸣信号线幅比自来水的要窄30％。换句话说好喝不好喝的差异直接显现在NMR波型上了。而其原因在于水分子集团在运动速度上有差。

　　在NMR波型上，信号线幅较窄者，表示分子运动速度越快。信号的线幅是依原子核间的能量流动SPIN—SPIN缓和（T2时间）来决定，但因为也反映微动状态，分子运动的速度也亦形重要。信号的线幅以时间的逆数来表示，单位为周波数（Hz）。

　　分子的运动越快，缓和时间越长。所以信号的线幅（Hz）越窄代表分子的运动越活泼。对象为水时，可以解释为小分子集团的比例越增，运动越活泼化。

　　从¹⁷O-NMR的实验结果计算水分子集团一回转所需时间（称之为相关时间），墨田区的自来水是6.0X10-12秒，昭岛市的井水是4.2X10-12秒。井水的水分子集团回转虽只快了约30％，但即使只有细微的差异，人类就可以敏感地感受到其差别。图3表示各种水在¹⁷O-NMR法下的分布（20℃）。

图3　水的分布图（纵线为平均值）

 

3. 让水变好喝的方法

　　既然食物美味的取决条件在于水，那大家一定想把自来水变得好喝点，有什么方法可以做到呢？

　　之前有提到好喝的水平均来说水分子集团小，而自来水是大水分子集团，所以要把水变好喝，应该想办法把自来水的水分子集团变小。使用¹⁷O-NMR法来评价现在市面上贩卖的各种净水器（接水龙头的陶瓷滤心，利用中空系膜或电气分解等产品）之出水与原水有何变化，可知虽依型式或厂商而有些不同，大体来说都有效地把水分子集团变小了。若要在自家厨房利用，可依照所居住地区，选择最经济的型式。

　　利用照射超音波让水分子产生振动亦是方法之一。超音波的力量会切断水分子间的氢结合，不仅可使水分子集团变小，还可逼出匿藏在水分子集团空隙内的氯（漂白水）臭。

　　由实验结果得知，用洗净眼镜或宝石的高出力（100V）来进行时，经过2~3天就复原成原本的状态了。虽然尚未理论化，但由此可知出力越低（微弱的能量）效果持续的越久。

　　笔者制作了出力5milli瓦特(3V)，发振周波数30～50KHz左右的照射器，对水及酒做实验。利用它来振动练马区的自来水约二周，其分子运动比原水快了20％，也变好喝了，不过此种方法不够实用，并不适合一般厨房。

　　更简单且经济的方法是利用陶瓷。各种材质可能有所差异，但基本上陶瓷会放射出所谓远红外线的微弱电磁波。这种效果会使水分子集团变小。

　　把陶瓷板浸在自来水里也会使水产生变化。陶瓷滤心就是利用这种陶瓷效果。自来水通过陶瓷滤心四次之后水分子集团的运动会加快45％，也就是说水分子集团变小，水变得好喝。

　　另外一个让自来水变美味的方法是在水龙头处装电气分解型的净水器。通过这种净水器的水会分为阳（酸性）离子水及阴（碱性）离子水。观察通过后的水，两种离子水的¹⁷O-NMR信号都变窄了50％。

　　如上所述，本来¹⁷O-NMR分光法是观察矿物质成分量的一种指标，现在更进一步，成为评价「水的动态构造」的新指针了。表1表示用¹⁷O-NMR分光法观测用各种方式制出的水之变化。

表1 水依处理方法不同而产生的变化(20℃)

A社制
陶瓷滤心	水的线幅
通过前   通过后	153Hz 84 Hz
原水	128 Hz
浸陶瓷球   浸麦饭石	89 Hz 97 Hz
原水	124 Hz
浸10天陶瓷板	109 Hz
原水	100 Hz
浸磁铁矿石	85 Hz
M社制净水器(中空丝膜)
通过前   通过后	90 Hz 65 Hz
E社制磁气型水瓶
通过前   通过后	113 Hz 106 Hz
N社制电气分解型净水器
原水   酸性离子水   碱性离子水	128 Hz 65 Hz 64 Hz
原水	117 Hz
EC社制电场4日间	76 Hz
原水	136 Hz
AT社制净水器	80 Hz

可解释为与原水的数值差越大的，改变水的动态构造的效果（能力）亦越大。

 

4. 水的效果

　　那么，水对健康及生活上有何种效果呢？笔者协同神户市协和医院的河村宗典院长及林秀光博士，以^１H-NMR分光法对患者的尿液及粪便进行调查，发现经常饮用或食用碱性离子水的患者和常用自来水的患者，有机酸和氨基酸的代谢有不同。

　　另外，在临床数据上，饮用碱性离子水的患者血糖值降低，复原也较快。而酸性离子水用在烫伤的治疗时，几乎不会残留烫伤的痕迹。一位筱原秀隆博士也是实际使用碱性离子水来治疗的，他在埼玉县比企郡的鸠山新市诊疗所及东京都练马区的大泉学园诊所里，针对一些难病患者进行水治疗，也很有效。水，确实是对人体生理学及医学都很重要。

　　饮食生活上呢？用碱性离子水煮的饭，膨松香甜，夏天时也不易发酸，又不易黏锅，也很适合煮汤等。而酸性离子水，用来泡剥皮后的苹果，可保持不变色，也就是不会氧化。和泡塩水的效果相同但食用时不会有咸味。

　　产业界有效利用水的话会有怎样的效果呢？例如说，养殖海苔的业者在加工时使用处理过的，分子集团小的水，海苔的质量会比使用自来水要高2级！

　　质量不好的海苔较厚，到处都是洞，而高质量的海苔是厚薄均一的，对加工者来说海苔的质量升2级亦代表使用的海苔量减少，然又可卖出较高价格，何乐而不为？

　　也有人将分子集团小的水使用在栽培蔬菜及水果上。譬如小黄瓜，水撒在叶面后，产出的小黄瓜不仅是色泽鲜艳，看来更新鲜，也能保存得更久不变色，味道更是跟以前的地面栽培不相上下。其它在有机农业方面，亦有许多养鸡，养猪业者做出成果。

 

5. 今后的课题

　　水的动态构造会因为低出力的超音波或远红外线等微弱能量而改变，构造改变的话，即使成分不变，味道也会变，水所持有的机能也会随之改变。那么，要用什么样的能量，分子集团要小到什么程度才会对人体生理有效？对食品调理加工上有效？对植物的成长有效？还有，何种方法最经济？这些问题都应该用科学的方法加以解释。可以说对于水的研究是「现在进行式」。在二十一世纪的科学领域里，有关「水的科学」应该要系统化。而身为NMR的研究者之一，也希望NMR分光法可以成为「解开水之谜的一条线索」。

 

参考文献

1) 桥本　奖：空气调和．卫生工学，63.1(1989)
2) 松下和弘：食品化学月刊，12.75(1988)
3) 松下和弘：远红外线及NMR法，人类及历史社
4) 荒川　泓：水．水溶液系的构造及物性，北海道大学图书刊行会
5) Nemethy, G and Scheraga, H. A: J. Chem. Phys.,36,3382(1962)
まつした･かずひろ
日本电子(株) AID研究开发部