飲用水味感研究的現(xiàn)狀及展望

徐 斌，唐利貞

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境工程與科學(xué)學(xué)院，上海 200082)

隨著人們生活水平和消費(fèi)水準(zhǔn)的提高，公眾對(duì)飲用水的品質(zhì)需求也在發(fā)生著變化，在滿足飲用水安全衛(wèi)生的前提下，飲用水的感官性狀作為公眾判定水質(zhì)安全性的最直觀指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)飲用水品質(zhì)好壞的主要方法，直接影響消費(fèi)者的使用選擇。飲用水水源污染加劇以及飲用水處理和輸送過(guò)程導(dǎo)致飲用水產(chǎn)生感官問(wèn)題。鑒于消費(fèi)者和市場(chǎng)對(duì)飲用水的感官評(píng)價(jià)提出了新的要求，飲用水的感官評(píng)價(jià)問(wèn)題亟待研究[1-4]。飲用水感官評(píng)價(jià)中的味道(flavor)主要包括嗅(odors)、味(tastes)和口感(mouth feel)3個(gè)方面，國(guó)外對(duì)這3項(xiàng)劃分出了相應(yīng)的飲用水感官輪圖[5-7]。近年來(lái)，有關(guān)飲用水味道的研究以嗅的問(wèn)題為主，而對(duì)味和口感(統(tǒng)稱味感)的研究則較少。通過(guò)對(duì)飲用水的來(lái)源、處理供給方式和飲用人群的途徑研究分析，一般認(rèn)為飲用水味感主要受3個(gè)方面的影響。其一，飲用水水源的污染，由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，大量的污染物質(zhì)進(jìn)入飲用水水源，導(dǎo)致飲用水味感改變；其二，飲用水處理工藝過(guò)程產(chǎn)生了影響味感的物質(zhì)或是去除了有益提升口感的物質(zhì)；其三，飲用水在輸送過(guò)程中由于管道或水箱等原因產(chǎn)生了影響味感的物質(zhì)?，F(xiàn)階段隨著高品質(zhì)飲用水、市政直飲水、瓶裝飲用水的發(fā)展和普及，如何改善和評(píng)價(jià)飲用水的味感已然成為一個(gè)熱點(diǎn)話題。

1 飲用水味感的影響因素

飲用水的味感是一個(gè)綜合性指標(biāo)，受水中各種離子的含量及其綜合作用的影響，同時(shí)與水溫、水中有機(jī)物種類和含量、消毒劑種類和消毒方式等亦存在必然的相關(guān)性，屬于比較復(fù)雜的一種指標(biāo)。本文梳理了目前研究的飲用水無(wú)機(jī)指標(biāo)對(duì)味感的影響，如表1所示。同時(shí)，綜合梳理了美國(guó)環(huán)保署(EPA)的國(guó)家一級(jí)飲用水法規(guī)(NPDWRs)[8]和二級(jí)飲用水法規(guī)(NSDWRs)中對(duì)味感相關(guān)參數(shù)所設(shè)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[9]，世界衛(wèi)生組織(WHO)的指導(dǎo)濃度以及味閾值等參數(shù)[10]，如表2所示。

表1 飲用水無(wú)機(jī)指標(biāo)對(duì)味感的影響Tab.1 Influence of Drinking Water Index on Taste and Mouth Feel

表2 飲用水味感相關(guān)參數(shù)指標(biāo)的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)/指導(dǎo)值Tab.2 Standard/Guiding Value of Parameters Related to Drinking Water Taste and Mouth Feel

1.1 水中無(wú)機(jī)指標(biāo)的影響

目前，進(jìn)行飲用水味感影響因素的研究不多，主要集中在K+、Ca2+、Mg2+、Na+、Si這幾種常見(jiàn)的無(wú)機(jī)元素以及總?cè)芙庑怨腆w(TDS)、pH、水溫等指標(biāo)上(表2)。對(duì)于Ca2+、Mg2+而言，中低濃度可使飲用水更受消費(fèi)者喜愛(ài)，但較高濃度會(huì)產(chǎn)生刺激性。當(dāng)水中存在Cl-時(shí)， Na+、K+會(huì)與其發(fā)生協(xié)同作用，在較高濃度時(shí)使飲用水產(chǎn)生咸味，對(duì)味感產(chǎn)生消極影響。而Si在飲用水味感中的作用尚未明確，有關(guān)Si的影響還需要更多的研究來(lái)確定。Cu2+、Fe3+、Mn2+、Zn2+等金屬離子濃度過(guò)高時(shí)會(huì)使飲用水產(chǎn)生金屬味，世界衛(wèi)生組織(WHO)對(duì)這4種金屬離子的指導(dǎo)濃度以及味閾值如表2所示。TDS可視為無(wú)機(jī)離子的總指向標(biāo)，不同的人群對(duì)TDS的偏好不一樣，但總體而言300 mg/L左右的中低濃度味感較優(yōu)，偏高偏低均會(huì)對(duì)味感產(chǎn)生負(fù)面影響。有著相對(duì)較高pH值(7.5～8.1)的飲用水更受消費(fèi)者喜愛(ài)，當(dāng)pH偏低時(shí)會(huì)有苦金屬味；當(dāng)pH偏高時(shí)，伴隨著濕滑口感和蘇打味。飲用水常用的消毒劑游離氯和氯胺也對(duì)飲用水味感產(chǎn)生一定的影響，主要表現(xiàn)為漂白劑味(表3)，但水溫同樣也會(huì)對(duì)味感產(chǎn)生影響，低溫時(shí)能提高氯化飲用水的可接受度。由此可知，有關(guān)飲用水味感的無(wú)機(jī)核心因子尚未明確，最佳味感物質(zhì)含量對(duì)改善飲用水味感和健康的作為也未得到深入研究，且各國(guó)之間的飲水習(xí)慣(如我國(guó)偏好溫開(kāi)水)等也存在一定的差異。

表3 FRA評(píng)分表Tab.3 Rating Form of FRA

1.2 水中有機(jī)指標(biāo)的影響

能影響飲用水味感變化的有機(jī)物種類眾多，主要包括農(nóng)藥類、酚類、苯類等有機(jī)污染物以及天然有機(jī)物(表2)。阿特拉津、西維因等農(nóng)藥的WHO指導(dǎo)濃度以及USEPA規(guī)定濃度均低于其味閾值，因此，飲用水在滿足WHO指導(dǎo)濃度以及USEPA的要求下，這些農(nóng)藥均不能引起異味。而對(duì)于以1,2-二氯苯、1,4-二氯苯、1,2,4-三氯苯為代表的氯苯和以2-氯酚、2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚為代表的氯酚而言，他們的味閾值遠(yuǎn)低于基于健康的限值(USEPA和WHO)，這也就意味著在不構(gòu)成健康風(fēng)險(xiǎn)的低濃度下也可能會(huì)引起消費(fèi)者們對(duì)味感的投訴。天然有機(jī)物中以土臭素和2-甲基異茨醇為代表，他們味閾值極低，表現(xiàn)為霉味和泥土味，USEPA和WHO對(duì)這兩種物質(zhì)均沒(méi)有設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)或指導(dǎo)值，我國(guó)對(duì)土臭素和2-甲基異茨醇的限值(GB 5749—2006)均為0.01 μg/L，遠(yuǎn)大于味閾值，雖然在安全衛(wèi)生上可以使公眾接受，但是在感官美學(xué)方面仍存在影響。后續(xù)研究可結(jié)合我國(guó)飲水習(xí)慣和偏好等進(jìn)一步考察飲用水中無(wú)機(jī)成分和有機(jī)成分對(duì)飲用水味感的影響，明晰其核心影響因子，為飲用水味感評(píng)價(jià)提供更完善的評(píng)價(jià)指標(biāo)和體系。

2 飲用水味感評(píng)價(jià)方法

研究所涉及的飲用水味感評(píng)價(jià)方法均包括在美國(guó)公共衛(wèi)生協(xié)會(huì)所編制的水和廢水檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法中，主要分為味閾檢測(cè)法、等級(jí)評(píng)估法和層次分析法3種方法[11]。

使用這3種方法均需在前期對(duì)評(píng)測(cè)人員進(jìn)行篩選和培訓(xùn)，確保人員總數(shù)不少于5人，排除對(duì)味道不敏感的人并確保參與測(cè)試的人員沒(méi)有感冒或過(guò)敏，在測(cè)定前的15～30 min不使用香水、不抽煙、不吃東西，以保證檢測(cè)結(jié)果的可靠性。此外，樣品需在保證安全衛(wèi)生的前提下，盛放于無(wú)色無(wú)味的容器中，并使樣品置于測(cè)試人員認(rèn)為適宜應(yīng)用的溫度下，在測(cè)試過(guò)程中保持該溫度，并在報(bào)告結(jié)果中指定測(cè)試溫度。在評(píng)測(cè)過(guò)程中，確保每次評(píng)測(cè)的外界環(huán)境相同，單個(gè)評(píng)估環(huán)節(jié)可以評(píng)估10個(gè)水樣。在每個(gè)評(píng)分環(huán)節(jié)至少休息30 min。評(píng)測(cè)人員將樣品放入口中，在口中移動(dòng)樣品，含幾秒，不吞咽，品嘗結(jié)束后吐出，對(duì)評(píng)測(cè)結(jié)果形成初步判斷。不確定時(shí)以類似的方式再次品嘗，做出最終評(píng)分并記錄，注意評(píng)測(cè)人員不可相互交流。樣品間用無(wú)嗅無(wú)味的標(biāo)準(zhǔn)水樣漱口，休息1 min后進(jìn)入下一個(gè)樣品的評(píng)測(cè)。

2.1 味閾檢測(cè)法

味閾檢測(cè)法(flavor threshold test，F(xiàn)TT)是將樣品用無(wú)味水稀釋到不同倍數(shù)進(jìn)行品嘗，并讓測(cè)試人員將樣品與無(wú)嗅無(wú)味水進(jìn)行比較并記錄是否可品嘗到味感，以剛好可品嘗出水的味感來(lái)確定產(chǎn)生該種味感的物質(zhì)味閾。注意在序列中插入空白，且對(duì)評(píng)測(cè)人員保密。味閾值(FTN)用式(1)計(jì)算。

(1)

其中：FTN——味閾值；

A——待測(cè)水樣體積，mL；

B——稀釋過(guò)程中消耗的參照水體積，mL。

2.2 等級(jí)評(píng)估法

等級(jí)評(píng)估法(flavor rating assessment，F(xiàn)RA)是讓每個(gè)評(píng)測(cè)人員在水樣的9種描述項(xiàng)中做出選擇，其范圍為非常喜歡到非常不喜歡。評(píng)測(cè)人員的任務(wù)即選擇最能表達(dá)自己對(duì)于該水樣觀點(diǎn)的描述項(xiàng)。個(gè)人評(píng)分是所選描述項(xiàng)的編號(hào)。水樣的小組評(píng)分是所有評(píng)測(cè)人員對(duì)樣品評(píng)分集中趨勢(shì)的一個(gè)適當(dāng)值，如果評(píng)分分布合理對(duì)稱，則計(jì)算所有評(píng)級(jí)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，否則將一組最典型的評(píng)分作為單個(gè)評(píng)分的中位數(shù)或幾何平均值。所用的評(píng)分和對(duì)應(yīng)的描述項(xiàng)如表3所示。

2.3 層次分析法

層次分析法(flavor profile analysis，F(xiàn)PA)是鑒定和表征水樣的單種味道最常用的方法。FPA不同于FTT，該方法樣品沒(méi)有稀釋，每種味道均是單獨(dú)表征，并賦予強(qiáng)度等級(jí)。在小組培訓(xùn)期間，制定味感標(biāo)準(zhǔn)，將他們所嘗的強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度進(jìn)行比較。用于味感標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)物質(zhì)有：蔗糖(甜)、檸檬酸(酸)、氯化鈉(咸)、咖啡因(苦)。因?yàn)槌颂疬@一標(biāo)準(zhǔn)外，其他3種味感均有覆蓋任何后續(xù)味感的傾向，所以在實(shí)際的樣品分析中，只使用甜味標(biāo)準(zhǔn)品，并讓每個(gè)測(cè)試人員描述最濃樣品的味感，并綜合編制味感類別，以在有分類的基礎(chǔ)上對(duì)味感進(jìn)行更有經(jīng)驗(yàn)的描述。在FPA中使用表4進(jìn)行評(píng)分。

表4 FPA評(píng)分表Tab.4 Rating Form of FPA

2.4 電子舌/味覺(jué)傳感器儀器分析法

除以上基于評(píng)測(cè)人員的3種味感評(píng)定方法外，也可使用電子舌/味覺(jué)傳感器對(duì)味感和味感物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)評(píng)定。電子舌/味覺(jué)傳感器測(cè)定法是一種仿生儀器分析法，是基于多傳感器陣列的液體分析系統(tǒng)，目前用于液體傳感的傳感器陣列主要基于電化學(xué)方法，如電壓法、電位法等。這些傳感器對(duì)于液體中的不同成分具有部分特異性，基于傳感器的不同可以分析識(shí)別液體中對(duì)應(yīng)的溶解成分。

電子舌/味覺(jué)傳感器的選擇很大程度取決于所測(cè)溶液的組成和復(fù)雜性。對(duì)于地面水、廢水和污水等含有多種無(wú)機(jī)和有機(jī)化合物等成分復(fù)雜的水，所采用的測(cè)試方法必須具有靈敏性和廣泛的選擇性，近期報(bào)道的基于脈沖電壓法的電子舌則被認(rèn)為具有環(huán)境監(jiān)測(cè)的潛力[12]。味覺(jué)傳感器首先是在1990年被提出的，它使用對(duì)離子敏感的脂質(zhì)膜，并將其與舌頭感知的酸、甜、苦、咸、鮮等基本味覺(jué)相聯(lián)系。在味感評(píng)定領(lǐng)域，主要應(yīng)用的是味覺(jué)傳感器。基于植脂末對(duì)脂質(zhì)/聚合物膜的基礎(chǔ)研究，一種使用人工脂質(zhì)作為多通道味覺(jué)傳感器的傳感器系統(tǒng)已被開(kāi)發(fā)[7,13-15]，使得其能夠評(píng)估咸、酸、苦、甜、鮮味和澀味，具有廣泛的選擇性。大多數(shù)脂類分子是由疏水性和親水性基團(tuán)組成的，因此，脂類可認(rèn)為是通過(guò)靜電和疏水性的相互作用從而與各種味感物質(zhì)相反應(yīng)。經(jīng)過(guò)10多年的研發(fā)，第一款商業(yè)化的SA401味覺(jué)傳感系統(tǒng)于1993年在日本推出(日本INSENT公司)。隨后SA402和SA402B型味覺(jué)傳感系統(tǒng)分別于1996年和2000年在日本銷售。第四款TS-5000Z裝置有多達(dá)8個(gè)傳感器連接，提供關(guān)于味感質(zhì)量的數(shù)據(jù)，如酸味、咸味、鮮味、苦味、澀味和醇厚度。

2.5 飲用水味感評(píng)價(jià)方法的選擇

參考表5，可根據(jù)對(duì)所評(píng)測(cè)飲用水的目的和需求對(duì)味感評(píng)價(jià)方法進(jìn)行選擇。

表5 飲用水味感評(píng)價(jià)方法Tab.5 Evaluation Method of Drinking Water Taste and Mouth Feel

3 飲用水的味感提升和優(yōu)化技術(shù)

提高飲用水味感的技術(shù)研究目前主要集中在海水淡化水的再礦化研究?，F(xiàn)有海水淡化方法制得的海水淡化水礦化度和鹽分含量都很低，味感較差，且益于人體的常量、微量元素含量很低，水質(zhì)穩(wěn)定性差，對(duì)于輸水管網(wǎng)而言具有很強(qiáng)的腐蝕性和侵蝕性。因此，海水淡化水必須做恰當(dāng)?shù)脑俚V化處理，提高其礦化度以降低腐蝕性，然后再進(jìn)入給水管網(wǎng)系統(tǒng)。溶解礦石法是目前最簡(jiǎn)單且應(yīng)用最廣泛的處理海水淡化水的方法，其普遍做法是使淡化水通過(guò)裝填富含礦物質(zhì)礦石的反應(yīng)器，通過(guò)溶解礦石中所含礦物質(zhì)來(lái)增加淡化水中的硬度、堿度，從而實(shí)現(xiàn)淡化水的再礦化。石灰石和方解石是再礦化處理中常用的礦石。此外，也有文獻(xiàn)報(bào)道，白云石[MgCa(CO3)2]可作為再礦化處理的礦石，但由于其礦化淡化水時(shí)對(duì)pH和堿度的提升遠(yuǎn)低于要求，且缺少控制溶解的數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中，選用的礦石多為石灰石和方解石[16-19]。淡化水的pH值一般在7～8，在該pH范圍內(nèi)石灰石和方解石中礦物質(zhì)的溶解速率非常慢，故通常采用向水中通CO2或投加H2SO4等方式降低進(jìn)水的pH，從而增大礦石中礦物質(zhì)的溶出速率。海水淡化水通用溶解礦石(以方解石為例)再礦化工藝如圖1所示。

圖1 基于CO2(或H2SO4)-方解石溶解的海水淡化水后處理工藝示意圖Fig.1 Schematic of CO2 (or H2SO4) Based Calcite-Dissolution Desalination Post-Treatment Process

鑒于消費(fèi)者對(duì)味感優(yōu)化以及有益微量元素多樣化的要求，新種類礦石對(duì)海水淡化水等低礦化度水進(jìn)行再礦化的開(kāi)發(fā)研究應(yīng)運(yùn)而生。麥飯石和木魚(yú)石因具有較好的吸附和溶出性能，可在對(duì)飲用水中重金屬進(jìn)行吸附的同時(shí)溶出對(duì)人體有益的微量礦物元素，現(xiàn)被國(guó)內(nèi)視為理想的飲用水味感和水質(zhì)改善礦石材料。而目前對(duì)除簡(jiǎn)單石灰石或方解石外的含多種礦物質(zhì)的礦石溶解過(guò)程缺乏研究，且對(duì)使用該礦石進(jìn)行礦化的具體工藝參數(shù)的影響以及礦化出水水質(zhì)穩(wěn)定性缺乏系統(tǒng)的研究，可采用未反應(yīng)收縮核模型研究多礦物礦石元素溶出性能，確定反應(yīng)控制步驟，建立與影響因素相關(guān)的靜態(tài)溶出動(dòng)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停M(jìn)一步研究實(shí)際礦化工藝的組合優(yōu)化。

4 研究總結(jié)與展望

過(guò)去100年的許多研究都集中在減少飲用水中有害物質(zhì)的健康危害作用上，而飲用水味感的重要性和水處理過(guò)程中去除重要營(yíng)養(yǎng)元素的影響卻很少受到關(guān)注。味感是評(píng)價(jià)飲用水質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)，是反映水質(zhì)好壞的綜合項(xiàng)目，直接影響消費(fèi)者對(duì)飲用水的采納度。事實(shí)上，飲用水不是化學(xué)上純凈的水，它含有少量的礦物質(zhì)和有機(jī)物。這些成分決定了它的化學(xué)性質(zhì)，并賦予其不同的味感。未來(lái)飲用水味感研究主要可分以下3個(gè)方面。

(1)目前，涉及飲用水味感的研究較少，未取得一致的結(jié)果，且局限于幾種常見(jiàn)的無(wú)機(jī)元素以及pH、TDS等指標(biāo)，而影響飲用水味感的物質(zhì)除了某些礦物質(zhì)，還可能有腐殖質(zhì)的分解產(chǎn)物及某些微生物新陳代謝的產(chǎn)物、消毒副產(chǎn)物及其殘留物等。因此，開(kāi)展飲用水味感的核心因子研究，篩選關(guān)鍵味感物質(zhì)，并建立與關(guān)鍵味感物質(zhì)相關(guān)的味感經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)公式將會(huì)是味感研究的重要部分。

(2)電子舌/味覺(jué)傳感器等仿生味感測(cè)量方法正迅速發(fā)展并應(yīng)用于飲用水領(lǐng)域。傳感器響應(yīng)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，在多數(shù)情況下具有大量冗余，因此，算法的進(jìn)一步發(fā)展對(duì)于最優(yōu)數(shù)據(jù)的測(cè)量并有效評(píng)估是十分重要的。此外，電子舌和人類感覺(jué)的組合進(jìn)行味感評(píng)價(jià)的技術(shù)尚未成熟，所使用的生物膜模擬人類口腔味感類別的機(jī)理與準(zhǔn)確性仍需進(jìn)一步研究和提高。

(3)飲用水味感改善技術(shù)尚集中于海水淡化水的再礦化，其中，溶解礦石法是最簡(jiǎn)單且應(yīng)用最廣泛的再礦化技術(shù)，但因普遍使用的碳酸巖類礦石(主要是含CaCO3礦石)僅改善了水體穩(wěn)定性差和味感差的問(wèn)題，且其溶出礦物元素單一，與消費(fèi)者對(duì)優(yōu)質(zhì)飲用水和健康飲用水的要求尚有差距，因此，含多種礦物質(zhì)的礦石溶解機(jī)理與最優(yōu)工藝條件亟待開(kāi)展研究。