徐 斌，唐利貞

(同濟大學環(huán)境工程與科學學院，上海 200082)

隨著人們生活水平和消費水準的提高，公眾對飲用水的品質(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，也是評價飲用水品質(zhì)好壞的主要方法，直接影響消費者的使用選擇。飲用水水源污染加劇以及飲用水處理和輸送過程導致飲用水產(chǎn)生感官問題。鑒于消費者和市場對飲用水的感官評價提出了新的要求，飲用水的感官評價問題亟待研究[1-4]。飲用水感官評價中的味道(flavor)主要包括嗅(odors)、味(tastes)和口感(mouth feel)3個方面，國外對這3項劃分出了相應的飲用水感官輪圖[5-7]。近年來，有關飲用水味道的研究以嗅的問題為主，而對味和口感(統(tǒng)稱味感)的研究則較少。通過對飲用水的來源、處理供給方式和飲用人群的途徑研究分析，一般認為飲用水味感主要受3個方面的影響。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)進入飲用水水源，導致飲用水味感改變；其二，飲用水處理工藝過程產(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，如何改善和評價飲用水的味感已然成為一個熱點話題。

1 飲用水味感的影響因素

飲用水的味感是一個綜合性指標，受水中各種離子的含量及其綜合作用的影響，同時與水溫、水中有機物種類和含量、消毒劑種類和消毒方式等亦存在必然的相關性，屬于比較復雜的一種指標。本文梳理了目前研究的飲用水無機指標對味感的影響，如表1所示。同時，綜合梳理了美國環(huán)保署(EPA)的國家一級飲用水法規(guī)(NPDWRs)[8]和二級飲用水法規(guī)(NSDWRs)中對味感相關參數(shù)所設定的水質(zhì)標準[9]，世界衛(wèi)生組織(WHO)的指導濃度以及味閾值等參數(shù)[10]，如表2所示。

表1 飲用水無機指標對味感的影響Tab.1 Influence of Drinking Water Index on Taste and Mouth Feel

表2 飲用水味感相關參數(shù)指標的設定標準/指導值Tab.2 Standard/Guiding Value of Parameters Related to Drinking Water Taste and Mouth Feel

1.1 水中無機指標的影響

目前，進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這幾種常見的無機元素以及總溶解性固體(TDS)、pH、水溫等指標上(表2)。對于Ca2+、Mg2+而言，中低濃度可使飲用水更受消費者喜愛，但較高濃度會產(chǎn)生刺激性。當水中存在Cl-時， Na+、K+會與其發(fā)生協(xié)同作用，在較高濃度時使飲用水產(chǎn)生咸味，對味感產(chǎn)生消極影響。而Si在飲用水味感中的作用尚未明確，有關Si的影響還需要更多的研究來確定。Cu2+、Fe3+、Mn2+、Zn2+等金屬離子濃度過高時會使飲用水產(chǎn)生金屬味，世界衛(wèi)生組織(WHO)對這4種金屬離子的指導濃度以及味閾值如表2所示。TDS可視為無機離子的總指向標，不同的人群對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)，偏高偏低均會對味感產(chǎn)生負面影響。有著相對較高pH值(7.5～8.1)的飲用水更受消費者喜愛，當pH偏低時會有苦金屬味；當pH偏高時，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)，但水溫同樣也會對味感產(chǎn)生影響，低溫時能提高氯化飲用水的可接受度。由此可知，有關飲用水味感的無機核心因子尚未明確，最佳味感物質(zhì)含量對改善飲用水味感和健康的作為也未得到深入研究，且各國之間的飲水習慣(如我國偏好溫開水)等也存在一定的差異。

表3 FRA評分表Tab.3 Rating Form of FRA

1.2 水中有機指標的影響

能影響飲用水味感變化的有機物種類眾多，主要包括農(nóng)藥類、酚類、苯類等有機污染物以及天然有機物(表2)。阿特拉津、西維因等農(nóng)藥的WHO指導濃度以及USEPA規(guī)定濃度均低于其味閾值，因此，飲用水在滿足WHO指導濃度以及USEPA的要求下，這些農(nóng)藥均不能引起異味。而對于以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，他們的味閾值遠低于基于健康的限值(USEPA和WHO)，這也就意味著在不構成健康風險的低濃度下也可能會引起消費者們對味感的投訴。天然有機物中以土臭素和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對這兩種物質(zhì)均沒有設定標準或指導值，我國對土臭素和2-甲基異茨醇的限值(GB 5749—2006)均為0.01 μg/L，遠大于味閾值，雖然在安全衛(wèi)生上可以使公眾接受，但是在感官美學方面仍存在影響。后續(xù)研究可結合我國飲水習慣和偏好等進一步考察飲用水中無機成分和有機成分對飲用水味感的影響，明晰其核心影響因子，為飲用水味感評價提供更完善的評價指標和體系。

2 飲用水味感評價方法

研究所涉及的飲用水味感評價方法均包括在美國公共衛(wèi)生協(xié)會所編制的水和廢水檢驗的標準方法中，主要分為味閾檢測法、等級評估法和層次分析法3種方法[11]。

使用這3種方法均需在前期對評測人員進行篩選和培訓，確保人員總數(shù)不少于5人，排除對味道不敏感的人并確保參與測試的人員沒有感冒或過敏，在測定前的15～30 min不使用香水、不抽煙、不吃東西，以保證檢測結果的可靠性。此外，樣品需在保證安全衛(wèi)生的前提下，盛放于無色無味的容器中，并使樣品置于測試人員認為適宜應用的溫度下，在測試過程中保持該溫度，并在報告結果中指定測試溫度。在評測過程中，確保每次評測的外界環(huán)境相同，單個評估環(huán)節(jié)可以評估10個水樣。在每個評分環(huán)節(jié)至少休息30 min。評測人員將樣品放入口中，在口中移動樣品，含幾秒，不吞咽，品嘗結束后吐出，對評測結果形成初步判斷。不確定時以類似的方式再次品嘗，做出最終評分并記錄，注意評測人員不可相互交流。樣品間用無嗅無味的標準水樣漱口，休息1 min后進入下一個樣品的評測。

2.1 味閾檢測法

味閾檢測法(flavor threshold test，F(xiàn)TT)是將樣品用無味水稀釋到不同倍數(shù)進行品嘗，并讓測試人員將樣品與無嗅無味水進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，且對評測人員保密。味閾值(FTN)用式(1)計算。

(1)

其中：FTN——味閾值；

A——待測水樣體積，mL；

B——稀釋過程中消耗的參照水體積，mL。

2.2 等級評估法

等級評估法(flavor rating assessment，F(xiàn)RA)是讓每個評測人員在水樣的9種描述項中做出選擇，其范圍為非常喜歡到非常不喜歡。評測人員的任務即選擇最能表達自己對于該水樣觀點的描述項。個人評分是所選描述項的編號。水樣的小組評分是所有評測人員對樣品評分集中趨勢的一個適當值，如果評分分布合理對稱，則計算所有評級的均值和標準差，否則將一組最典型的評分作為單個評分的中位數(shù)或幾何平均值。所用的評分和對應的描述項如表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，該方法樣品沒有稀釋，每種味道均是單獨表征，并賦予強度等級。在小組培訓期間，制定味感標準，將他們所嘗的強度與標準強度進行比較。用于味感標準的化學物質(zhì)有：蔗糖(甜)、檸檬酸(酸)、氯化鈉(咸)、咖啡因(苦)。因為除了甜這一標準外，其他3種味感均有覆蓋任何后續(xù)味感的傾向，所以在實際的樣品分析中，只使用甜味標準品，并讓每個測試人員描述最濃樣品的味感，并綜合編制味感類別，以在有分類的基礎上對味感進行更有經(jīng)驗的描述。在FPA中使用表4進行評分。

表4 FPA評分表Tab.4 Rating Form of FPA

2.4 電子舌/味覺傳感器儀器分析法

除以上基于評測人員的3種味感評定方法外，也可使用電子舌/味覺傳感器對味感和味感物質(zhì)進行檢測評定。電子舌/味覺傳感器測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方法，如電壓法、電位法等。這些傳感器對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別液體中對應的溶解成分。

電子舌/味覺傳感器的選擇很大程度取決于所測溶液的組成和復雜性。對于地面水、廢水和污水等含有多種無機和有機化合物等成分復雜的水，所采用的測試方法必須具有靈敏性和廣泛的選擇性，近期報道的基于脈沖電壓法的電子舌則被認為具有環(huán)境監(jiān)測的潛力[12]。味覺傳感器首先是在1990年被提出的，它使用對離子敏感的脂質(zhì)膜，并將其與舌頭感知的酸、甜、苦、咸、鮮等基本味覺相聯(lián)系。在味感評定領域，主要應用的是味覺傳感器。基于植脂末對脂質(zhì)/聚合物膜的基礎研究，一種使用人工脂質(zhì)作為多通道味覺傳感器的傳感器系統(tǒng)已被開發(fā)[7,13-15]，使得其能夠評估咸、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組成的，因此，脂類可認為是通過靜電和疏水性的相互作用從而與各種味感物質(zhì)相反應。經(jīng)過10多年的研發(fā)，第一款商業(yè)化的SA401味覺傳感系統(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8個傳感器連接，提供關于味感質(zhì)量的數(shù)據(jù)，如酸味、咸味、鮮味、苦味、澀味和醇厚度。

2.5 飲用水味感評價方法的選擇

參考表5，可根據(jù)對所評測飲用水的目的和需求對味感評價方法進行選擇。

表5 飲用水味感評價方法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

提高飲用水味感的技術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，對于輸水管網(wǎng)而言具有很強的腐蝕性和侵蝕性。因此，海水淡化水必須做恰當?shù)脑俚V化處理，提高其礦化度以降低腐蝕性，然后再進入給水管網(wǎng)系統(tǒng)。溶解礦石法是目前最簡單且應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裝填富含礦物質(zhì)礦石的反應器，通過溶解礦石中所含礦物質(zhì)來增加淡化水中的硬度、堿度，從而實現(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，也有文獻報道，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對pH和堿度的提升遠低于要求，且缺少控制溶解的數(shù)據(jù)，在實際應用中，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

鑒于消費者對味感優(yōu)化以及有益微量元素多樣化的要求，新種類礦石對海水淡化水等低礦化度水進行再礦化的開發(fā)研究應運而生。麥飯石和木魚石因具有較好的吸附和溶出性能，可在對飲用水中重金屬進行吸附的同時溶出對人體有益的微量礦物元素，現(xiàn)被國內(nèi)視為理想的飲用水味感和水質(zhì)改善礦石材料。而目前對除簡單石灰石或方解石外的含多種礦物質(zhì)的礦石溶解過程缺乏研究，且對使用該礦石進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，可采用未反應收縮核模型研究多礦物礦石元素溶出性能，確定反應控制步驟，建立與影響因素相關的靜態(tài)溶出動力學經(jīng)驗模型，進一步研究實際礦化工藝的組合優(yōu)化。

4 研究總結與展望

過去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程中去除重要營養(yǎng)元素的影響卻很少受到關注。味感是評價飲用水質(zhì)量的一項關鍵性指標，是反映水質(zhì)好壞的綜合項目，直接影響消費者對飲用水的采納度。事實上，飲用水不是化學上純凈的水，它含有少量的礦物質(zhì)和有機物。這些成分決定了它的化學性質(zhì)，并賦予其不同的味感。未來飲用水味感研究主要可分以下3個方面。

(1)目前，涉及飲用水味感的研究較少，未取得一致的結果，且局限于幾種常見的無機元素以及pH、TDS等指標，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，開展飲用水味感的核心因子研究，篩選關鍵味感物質(zhì)，并建立與關鍵味感物質(zhì)相關的味感經(jīng)驗評價公式將會是味感研究的重要部分。

(2)電子舌/味覺傳感器等仿生味感測量方法正迅速發(fā)展并應用于飲用水領域。傳感器響應信號會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，在多數(shù)情況下具有大量冗余，因此，算法的進一步發(fā)展對于最優(yōu)數(shù)據(jù)的測量并有效評估是十分重要的。此外，電子舌和人類感覺的組合進行味感評價的技術尚未成熟，所使用的生物膜模擬人類口腔味感類別的機理與準確性仍需進一步研究和提高。

(3)飲用水味感改善技術尚集中于海水淡化水的再礦化，其中，溶解礦石法是最簡單且應用最廣泛的再礦化技術，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題，且其溶出礦物元素單一，與消費者對優(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)的礦石溶解機理與最優(yōu)工藝條件亟待開展研究。