用¹⁷O-NMR分光法評價水的狀態

松下 和弘
日本電子株式會社

出處:「食品化學」月刊1990年4月號

---

 

1. 評價水的指標

　　水占人類成人體重的60%，每天所攝取的食物中也必定含有水份。水對於人類、動物、植物等所有生命體都是不可或缺的，它在生命生理學甚至科學上都被視為是研究上的「極重要物件」，然而在教育時卻不會教導「水」。

　　在近代科學教育中可學習到水可溶解物質（亦即溶媒），但實際上針對「水的本質」並無有體系的教法。換言之，可以說在科學教育的領域中尚是一片空白。

　　隨著日本工業能力的增強，消費生活也亦加富裕。但相反地，生活中的飲用水，也就是自來水，變得難喝了。然而這並非自水來局的責任，而是因我們人類污染了水源！

　　因為水具有能溶解所有物質的能力，要產出對生命體無害．安全的水，需要費很大的勞力。可以想見自來水局對於如何將含有各種由化學工廠及生活中排出的有機無機化合物的水轉變成人們可以飲用的水，也下了很大的功夫。

　　自來水因為符合自來水法所定基準，原則上是安全的水。然而我們希望能更進一步制出「好喝的水」、「人體生理學上的好水」或「食品調理加工上的好水」，因此需要能夠評價出水的狀態的「指標（尺度）」。

　　評價水的方法之一是分析礦物成分量（金屬離子）¹⁾。然而此種方法無法說明為何礦物成分量相同，水的味道卻不同之現象。

　　因此筆者提議利用可以觀察分子構造及狀態，非破壞性的核磁氣並鳴(NMR)分光法^{２) ３)}。水的化學式是H₂O，用NMR分光法觀測氫的原子核(¹H)或氧(¹⁷O)的原子核時，可以抓到顯微鏡下單分子大小的水的動態。最近特別是利用¹⁷O-NMR分光法的例子越來越多了。

　　那麼「何謂水」。筆者認為「水具有動態構造」、「水的動態構造因微弱的能量而變化」。

　　水不以單一分子存在，而是因為分子間力產生氫結合，形成最低5分子以上的動態集團，稱之為Cluster。北海道大學的荒川泓教授的學說發表４）指出，用「5量體一單分子混合模式」可說明水的動態構造。根據此一學說，溫度越低，5量體(5分子)的水分子存在比例越高。

　　基於「Nemethy-Scheraga的Cluster構造及單分子狀態的2狀態模型理論」，我們認為自來水至少是5分子以上的集團所形成。此集團並非不變，而是不停的產生大集團又崩壞。而由¹⁷O-NMR的觀察資料來看，好喝的水，其水分子集團的動作（分子運動）是快速的，也就是小集團的比例較高。由於水的集團並非靜止的，所以稱之為「水的動態構造」。

　　像天然湧水，含有鈣等金屬離子。切斷了水分子相互的氫結合，大的集團崩壞，水分子集結在金屬離子的周圍，和純水比較，水分子集團較小。換言之，越乾淨的水水分子集團越大。若想方法將這水分子集團變小，就會感覺水變得好喝。

　　那麼，為何水的集團小就會覺得好喝呢？我認為因人類是用舌頭的味蕾去感受味道的，越小的水分子集團越能滲透到味蕾，就更能感受到美味吧！

　　用¹⁷O-NMR法觀察現在賣得很好的幾種天然湧水(礦泉水)，得知其信號的線幅比自來水的窄。不好喝的水，其信號線幅廣，也就是水分子集團大，此假設模式以圖1表示。

 

圖1　Nemethy-Scheraga的水Cluster模式

　　食品和水有必然的關係，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。也可以說我們在日常生活上食用或飲用的，大部分是水。

　　水在食品調理上也是不可或缺的。不管多優質的米、茶或有名的咖啡豆，若用了不好的水來泡煮，就引不出素材的美味，也可以說美味的關鍵就在於水。我們都該體認到水是食品中最重要的一種「材料」。

 

2. ¹⁷O-NMR法對水的評價

　　首先我們比較自來水及井水。圖2表示用¹⁷O-NMR法分析東京都墨田區的自來水及筆者所居住之昭島市的井水。這井水是由地底200公尺深汲上來的水，很多人說好喝。

 

圖2　水的¹⁷O-NMR（20℃）

　　自來水（墨田區）133Hz 井水（昭島市）94Hz

　　觀察在20℃的¹⁷O-NMR波型，井水的共鳴信號線幅比自來水的要窄30％。換句話說好喝不好喝的差異直接顯現在NMR波型上了。而其原因在於水分子集團在運動速度上有差。

　　在NMR波型上，信號線幅較窄者，表示分子運動速度越快。信號的線幅是依原子核間的能量流動SPIN—SPIN緩和（T2時間）來決定，但因為也反映微動狀態，分子運動的速度也亦形重要。信號的線幅以時間的逆數來表示，單位為周波數（Hz）。

　　分子的運動越快，緩和時間越長。所以信號的線幅（Hz）越窄代表分子的運動越活潑。物件為水時，可以解釋為小分子集團的比例越增，運動越活潑化。

　　從¹⁷O-NMR的實驗結果計算水分子集團一回轉所需時間（稱之為相關時間），墨田區的自來水是6.0X10^-12秒，昭島市的井水是4.2X10^-12秒。井水的水分子集團回轉雖只快了約30％，但即使只有細微的差異，人類就可以敏感地感受到其差別。圖3表示各種水在¹⁷O-NMR法下的分佈（20℃）。

 

圖3　水的分佈圖（縱線為平均值）

 

3. 讓水變好喝的方法

　　既然食物美味的取決條件在於水，那大家一定想把自來水變得好喝點，有什麼方法可以做到呢？

　　之前有提到好喝的水平均來說水分子集團小，而自來水是大水分子集團，所以要把水變好喝，應該想辦法把自來水的水分子集團變小。使用¹⁷O-NMR法來評價現在市面上販賣的各種淨水器（接水龍頭的陶瓷濾心，利用中空系膜或電氣分解等產品）之出水與原水有何變化，可知雖依型式或廠商而有些不同，大體來說都有效地把水分子集團變小了。若要在自家廚房利用，可依照所居住地區，選擇最經濟的型式。

　　利用照射超音波讓水分子產生振動亦是方法之一。超音波的力量會切斷水分子間的氫結合，不僅可使水分子集團變小，還可逼出匿藏在水分子集團空隙內的氯（漂白水）臭。

　　由實驗結果得知，用洗淨眼鏡或寶石的高出力（100V）來進行時，經過2~3天就復原成原本的狀態了。雖然尚未理論化，但由此可知出力越低（微弱的能量）效果持續的越久。

　　筆者製作了出力5milli瓦特(3V)，發振周波數30～50KHz左右的照射器，對水及酒做實驗。利用它來振動練馬區的自來水約二周，其分子運動比原水快了20％，也變好喝了，不過此種方法不夠實用，並不適合一般廚房。

　　更簡單且經濟的方法是利用陶瓷。各種材質可能有所差異，但基本上陶瓷會放射出所謂遠紅外線的微弱電磁波。這種效果會使水分子集團變小。

　　把陶瓷板浸在自來水裡也會使水產生變化。陶瓷濾心就是利用這種陶瓷效果。自來水通過陶瓷濾心四次之後水分子集團的運動會加快45％，也就是說水分子集團變小，水變得好喝。

　　另外一個讓自來水變美味的方法是在水龍頭處裝電氣分解型的淨水器。通過這種淨水器的水會分為陽（酸性）離子水及陰（鹼性）離子水。觀察通過後的水，兩種離子水的¹⁷O-NMR信號都變窄了50％。

　　如上所述，本來¹⁷O-NMR分光法是觀察礦物質成分量的一種指標，現在更進一步，成為評價「水的動態構造」的新指標了。表1表示用¹⁷O-NMR分光法觀測用各種方式制出的水之變化。

表1 水依處理方法不同而產生的變化(20℃)

A社制
陶瓷濾心	水的線幅
通過前 通過後	153Hz 84 Hz
原水	128 Hz
浸陶瓷球 浸麥飯石	89 Hz 97 Hz
原水	124 Hz
浸10天陶瓷板	109 Hz
原水	100 Hz
浸磁鐵礦石	85 Hz
M社制淨水器(中空絲膜)
通過前 通過後	90 Hz 65 Hz
E社制磁氣型水瓶
通過前 通過後	113 Hz 106 Hz
N社制電氣分解型淨水器
原水 酸性離子水 鹼性離子水	128 Hz 65 Hz 64 Hz
原水	117 Hz
EC社制電場4日間	76 Hz
原水	136 Hz
AT社制淨水器	80 Hz

可解釋為與原水的數值差越大的，改變水的動態構造的效果（能力）亦越大。

 

4. 水的效果

　　那麼，水對健康及生活上有何種效果呢？筆者協同神戶市協和醫院的河村宗典院長及林秀光博士，以^１H-NMR分光法對患者的尿液及糞便進行調查，發現經常飲用或食用鹼性離子水的患者和常用自來水的患者，有機酸和氨基酸的代謝有不同。

　　另外，在臨床資料上，飲用鹼性離子水的患者血糖值降低，復原也較快。而酸性離子水用在燙傷的治療時，幾乎不會殘留燙傷的痕跡。一位筱原秀隆博士也是實際使用鹼性離子水來治療的，他在埼玉縣比企郡的鳩山新市診療所及東京都練馬區的大泉學園診所裡，針對一些難病患者進行水治療，也很有效。水，確實是對人體生理學及醫學都很重要。

　　飲食生活上呢？用鹼性離子水煮的飯，膨松香甜，夏天時也不易發酸，又不易黏鍋，也很適合煮湯等。而酸性離子水，用來泡剝皮後的蘋果，可保持不變色，也就是不會氧化。和泡塩水的效果相同但食用時不會有鹹味。

　　產業界有效利用水的話會有怎樣的效果呢？例如說，養殖海苔的業者在加工時使用處理過的，分子集團小的水，海苔的品質會比使用自來水要高2級！

　　品質不好的海苔較厚，到處都是洞，而高品質的海苔是厚薄均一的，對加工者來說海苔的品質升2級亦代表使用的海苔量減少，然又可賣出較高價格，何樂而不為？

　　也有人將分子集團小的水使用在栽培蔬菜及水果上。譬如小黃瓜，水撒在葉面後，產出的小黃瓜不僅是色澤鮮豔，看來更新鮮，也能保存得更久不變色，味道更是跟以前的地面栽培不相上下。其它在有機農業方面，亦有許多養雞，養豬業者做出成果。

 

5. 今後的課題

　　水的動態構造會因為低出力的超音波或遠紅外線等微弱能量而改變，構造改變的話，即使成分不變，味道也會變，水所持有的機能也會隨之改變。那麼，要用什麼樣的能量，分子集團要小到什麼程度才會對人體生理有效？對食品調理加工上有效？對植物的成長有效？還有，何種方法最經濟？這些問題都應該用科學的方法加以解釋。可以說對於水的研究是「現在進行式」。在二十一世紀的科學領域裡，有關「水的科學」應該要系統化。而身為NMR的研究者之一，也希望NMR分光法可以成為「解開水之謎的一條線索」。

 

參考文獻

1) 橋本　獎：空氣調和．衛生工學，63.1(1989)
2) 松下和弘：食品化學月刊，12.75(1988)
3) 松下和弘：遠紅外線及NMR法，人類及歷史社
4) 荒川　泓：水．水溶液系的構造及物性，北海道大學圖書刊行會
5) Nemethy, G and Scheraga, H. A: J. Chem. Phys.,36,3382(1962)
まつした･かずひろ
日本電子(株) AID研究開發部