導 讀
隨著社會發展和生活水平的提高,人們對飲用水提出了更高的要求,包括越來越關注飲用水的口感。對近30年國內外有關飲用水口感的文獻進行了綜述,探究了水中主要成分與口感評價等級之間的關聯以及關聯背后的原因。飲用水的口感是由水中的無機成分和有機成分共同決定的。無機成分中陽離子決定了主要味調,陰離子發揮協調作用,離子含量處于中低水平時口感較好。有機成分主要通過嗅覺、味覺對水味造成負面影響,產生不良口感的濃度從ng/L到mg/L級別,跨度較大。水味除了受成分的種類和濃度影響外,還與成分之間的協同、拮抗作用有關。我國居民在飲食習慣、身體素質等方面與國外存在較大差別,目前國內有關飲用水口感的研究較少,這方面工作的突破有助于指導水處理行業制備高品質的飲用水,提升國民生活的幸福指數,意義深遠。
關鍵詞:飲用水;口感;成分;評價;無機鹽;有機物
引用本文:李紅瑞,袁梓屹,王昆朋,等. 飲用水口感及影響因素分析綜述[J]. 給水排水,2022,48(2):143-151.
人類的生活離不開飲用水。作為一種特殊商品,飲用水僅符合衛生標準已經難以滿足消費者的需求。在消費升級的刺激下,人們對高品質飲用水的呼聲越來越高。良好的感官體驗是飲用水高品質的重要表現。水的風味(flavor)簡稱水味。水味是飲水者對水的一個整體感官印象,包括味道(taste)、嗅味(odor)和口腔感受(mouthfeel)3個方面。其中,味道(taste)主要指人們通過舌頭品嘗獲得的味覺體驗,包括酸味、咸味、苦味和甜味;嗅味(odor)是人類通過鼻腔對氣味的反應,特指氣味;口腔感受(mouthfeel)主要指口腔接觸引起的刺激。在飲用水的評價中,“水味”通常被消費者描述為“口感”,本文中的術語“口感”“水味”“風味”均等同。理想的飲用水口感應是中性、清爽的,沒有異常的氣味和味道,也沒有抜干收斂的口腔感受。
研究表明,由于凈水工藝對色度的嚴格控制,人們對飲用水的不滿主要是由水的不良口感引起的。口感差的自來水往往會引起人們的投訴,摧毀他們對公共部門的信任,最終促使其選擇包裝飲用水替代或使用凈水器對龍頭水再處理。為了達到飲用不反感的目的,世界各國在飲用水的美學標準中限制了TDS、硬度以及個別離子的濃度,然而這些指標數量有限而且較為寬松,對于制備可口的飲用水來說參考價值不足。
飲用水的口感受水中成分的影響。常見的不良口感是由有嗅味和味道問題的無機物或有機物引起的。目前,對無機物的研究以礦物離子為主。科研人員通過實驗室配置的鹽溶液確定了這些離子的味覺特征和閾值范圍,重點探究它們對味道的影響。然而在天然飲用水的口感實驗中,口感滿意度與這些離子的關系卻經常出現爭議。對有機物的研究一般以嗅味為主,許多學者把目光聚焦在氣味閾值較低的嗅味物質上,對其他氣味不強但是味道不好的有機物研究較少。在水處理過程中,不同工藝對上述成分的去除效果不同,因而出水的口感通常有明顯差異,加之水處理末端投加的消毒劑本身具有刺激性氣味,同時還會引入新的有氣味的消毒副產物,使水味更加復雜。目前,人們多在單獨研究某種特定成分與飲用水口感的關系,而對水中不同成分之間的相互作用關注度不足。橋本津等曾經建立飲用水適口性與幾種離子的函數關系,提出“可口指數”
(mg/L,O index ≥2的水口感好,反之口感差),但是目前并未被廣泛采納。
除了客觀的理化性質,被試者的主觀因素也會影響水味的判斷,這無疑給飲用水口感的研究增加了更大的挑戰。因此,及時整理口感近期研究工作的新發現,并將新舊成果進行歸納總結十分必要。本文對飲用水口感現有的研究進行了較為全面的梳理,對指導高品質飲用水的制備具有參考意義。
1口感評價方法
飲用水口感評價實驗根據被試者是否具有專業背景可分成兩大類,一類是基于專家小組成員或經過培訓的志愿者;另一類是通過沒有經驗的普通消費者。前者一般通過風味特征分析方法(FPA)或者味道和氣味輪的標準和知識對飲用水的味道、氣味和口腔感受及感受強度進行識別和描述,后者則更適合通過分級量表對水樣整體的接受度或偏好進行打分。兩類測評人員在口感實驗的表現各具特色,專業人員比普通消費者的感官識別能力更強,普通消費者的評價更能反映出多種感官的綜合作用。當成分相同或接近時,兩類人員對樣品的評價結果并無顯著差異。
為了保證實驗的可靠性,測試人員的數量應達到統計學標準。在正式實驗之前測試人員需要進行預測驗和培訓,確認沒有感冒或過敏,味覺狀態正常,測試開始前30 min內不得抽煙、吃東西或使用香水。實驗過程中環境溫度應維持在一定水平,盛放的容器要無色無味,樣品的溫度應與實驗要求相同。測試開始后,測試人員將適量樣品含在口中品嘗,品嘗后吐出并對評測結果做記錄,對評測結果不確定時可以反復進行幾次直至確定最終答案。品嘗下個樣品之前宜用純水漱口并適當停歇,全程避免對評測結果進行交流。
2無機成分對口感的影響
2.1 單鹽體系
大量研究認為飲用水口感滿意度與水中的礦物質直接相關,人們對水的接受度受到水中無機鹽含量的驅動。在飲用水的無機離子中,K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Cl-、SO2-4和HCO-3最為常見。這些陰、陽離子總是成對出現,以無機鹽的形式調整水的味道。
已有的研究表明,陰、陽離子在無機鹽的味感上扮演著不同的角色。陽離子是刺激味覺的主要興奮劑,決定了無機鹽的基本味調。文獻交叉對比可以發現具有相同陽離子的無機鹽的味道具有相似性。在探究陽離子鹽的味道特征和味覺閾值時,不同文獻對于同一種陽離子的味覺結論基本上是一致的。鉀、鈣、鈉、鎂這4種陽離子鹽的典型味道分別是苦、苦咸、咸、苦。在這個基礎上,陰離子對陽離子起到調節作用。這種調節主要體現在兩方面:①在陽離子本味之外增加了其他味道。鈣鹽和鎂鹽都有苦味,還會因具體的陰離子不同表現出咸味、酸味或澀味。同樣的,鈉鹽雖然都是咸的,但是氯化鈉只有咸味,Na2SO4是咸酸的,NaHCO3除了咸味,還有金屬味和苦味。②陰離子調節了陽離子味的強度。陰離子像是陽離子味覺天平上的一個有正反方向的砝碼,通過協同、屏蔽作用決定鹽味道的強弱,使陽離子鹽的味覺閾值出現差異。已有研究發現陰離子的屏蔽作用可能與其相對分子質量有關。較大的陰離子會使某些陽離子在跨細胞擴散進入味覺受體時受到阻礙,導致陽離子的刺激效果變差,味覺反應降低。在Cl-、HCO-3和SO2-4的鹽溶液中,分子質量最大的SO2-4對陽離子的屏蔽作用最強:在相同的濃度下,咸度NaCl>NaHCO3>Na2SO4;鎂鹽的味覺閾值硫酸鎂(約360 mgMg2+/L)>硝酸鎂(240 mgMg2+/L)>氯化鎂(約150 mgMg2+/L)。這種規律在陰離子元素處于同一主族的情況下有相反的表現。Na+和K+與負1價的鹵族陰離子結合時,鹵化物鹽的咸味、苦味和酸味都隨著陰離子相對分子質量的增加而更加明顯。
2.2 混合鹽體系
當多種無機鹽混合時,無機離子之間會產生協同、拮抗作用,因此混合鹽溶液的味道并不總是按照鹽濃度疊加的規律發展。實際上,天然飲用水就是一種無機鹽混合體系,多種離子同時存在。人們對這些離子組成的綜合指標(如總溶解性固體、硬度等)與口感的關系進行了大量研究。總溶解性固體(Total Dissolved Solids, 縮寫TDS)主要由Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Cl-、SO2-4、HCO-3、CO2-3和NO-3等礦物離子組成,通常用來表征水中無機鹽的含量。根據水中TDS含量的高低可以將飲用水的礦化程度分成高(251~500 mg/L)、中(101~250 mg/L)、低(<100 mg/L)3種水平。在全球范圍內,人們喜歡喝的飲用水礦化程度處于中低水平。TDS過低會讓人產生寡淡、微苦的感覺。當TDS>100 mg/L時,飲用水口感的滿意度隨著TDS含量的增加而降低。TDS>250 mg/L時人們可以嘗出礦物質味道。水中TDS超過450 mg/L時通常口感不佳,超過800 mg/L后往往會產生咸、澀、苦等不良口味,讓人難以接受。除了TDS,硬度與口感的關系也十分密切。天然水的硬度主要由鈣、鎂離子組成。硬度過低的水味道平淡,硬度適量的水清冽可口,硬度過高的水口感苦澀、渾厚、不滑潤且有異味,好喝的水的總硬度(以碳酸鈣計)在10~100 mg/L。
盡管人們就這些綜合指標對口感的影響可以達成普遍共識,但是天然飲用水的口感和水中具體離子的關系卻爭議不斷。以陽離子為例,人們對K+和Mg2+影響水味的分歧比Ca2+和Na+大。對于K+和Mg2+,不同文獻分別報道了它們對水味積極、中性和消極的影響,3種結論在數量上沒有明顯傾向性。而對于Ca2+,盡管部分研究認為它有負面影響,多數研究堅持它有助于提升水的口感。同樣地,對Na+而言,盡管一些學者的實驗支持Na+被中性或正面感知,多數研究一致認同Na+不利于獲得良好的口感。此外,影響口感的關鍵離子的討論也十分激烈。早期的生理研究發現,鉀、鈣、鈉、鎂4種離子刺激產生的味覺強度由高到低依次為:鈣≈鎂>鈉>鉀。然而,在影響水味的主成分研究中,4種離子都有各自的支持者。
考慮到爭議的產生與單個實驗樣本數量不足或實驗中被試者的主觀偏差有關,本文對近年來已發表的探究無機物影響口感的文獻進行了統計,選擇了那些要求被試者經過科學嚴謹的口感測評流程,在室溫條件下隨機品嘗水樣并打分的實驗。水樣中不含自由氯或經過脫氯處理后余氯接近0,對應的離子含量由各實驗按照物理化學參數的標準分析方法得到,不同實驗的水樣評分進行統一換算,將口感劃分成“好喝”“一般”和“不好喝”3種級別,分析口感評價與水中離子含量的關系。
圖1是文獻中不同口感的飲用水主要離子含量分布圖。其中,水樣的離子濃度范圍用箱形圖表示,幾種陽離子(K+、Ca2+、Na+和Mg2+)的味覺閾值范圍用半透明方框標出。從整體上看,不好喝的水TDS和陰、陽離子含量高,波動幅度大;好喝的水與之相反;口感一般的水介于兩種情況之間。口感從不好喝到好喝,TDS和陰、陽離子的含量明顯下降。在陽離子區域,不好喝的水中Ca2+、Mg2+和Na+的濃度多數達到甚至超過其味覺閾值;口感一般的水中只有Na+的含量大多超過了味覺閾值;好喝的水K+、Ca2+、Na+和Mg2+含量幾乎都小于其味覺閾值的下限。這說明濃度高(即接近或超過其味覺閾值)的陽離子數量越多,水的口感越差。這可能是因為陽離子奠定了水的基本味調,當其濃度接近或超過味覺閾值時,人們能直接嘗出陽離子的不良味道。這樣的陽離子越多,不良味道越明顯。
此外,將不同口感級別的水兩兩比較后發現:不好喝的水其離子含量(平均TDS=1430.4 mg/L)明顯高于口感一般的水(平均TDS=417.8 mg/L),此時離子總量對兩類水的口感差異發揮了重要作用。相比之下,好喝的水其離子含量(平均TDS=238.4 mg/L)整體小于口感一般的水(平均TDS=417.8 mg/L),礦化水平相對接近。值得注意的是,如圖2所示,陰、陽離子的比重在兩類水中有明顯區別。與口感一般的水相比,口感好的水中Ca2+在陽離子中的比重明顯增加,從56%上升至63%,Mg2+的比重從11%略微上升至15%,Na+的占比從31%明顯下降至20%,K+幾乎不變。HCO-3在陰離子中的比重從60%大幅上升至77%,SO2-4和Cl-的比重從28%和12%分別降至16%和7%。這說明當離子總量接近時,離子的比例對水的口感有重要影響,即Ca2+在陽離子中的比重以及HCO-3在陰離子中的比重越高,水的口感越好。一個可能的解釋是在陰離子中,HCO-3對陽離子苦、咸等不良味道的屏蔽作用較強,Cl-屏蔽效果較弱,因此Cl-的比重下降,HCO-3的比重上升有助于提升口感。前文提到當陽離子的含量低于味覺閾值下限時,Ca2+可以提升口感,Na+則會破壞口感,此時陽離子中的Ca2+比重增加,Na+的比重降低,水更好喝。
因此,從無機物的角度提升口感可以從兩方面著手:①控制水中離子含量的水平,②調節個別離子的比重。因離子濃度整體偏高(接近或超過其味覺閾值)而導致的不良口感可以通過降低離子總量(如TDS)改善,這種方法在過去的研究中已經得到大量驗證。當離子含量已經降至中等水平但是口感仍不令人滿意時,適當調節個別離子的比重有助于獲得更好的水味。

混合鹽體系中常見的無機離子還有H+、OH-、NO-3、CO2-3和SiO2-3等。天然飲用水一般為弱堿性,H+和OH-的含量通常在10-8~10-6 mg/L,這種濃度級別的H+和OH-對口感的影響非常小。多數研究認為NO-3、CO2-3和SiO2-3在天然水(尤其是地表水)中的濃度很低,對制得的飲用水口感影響微弱,一般可以忽略。此外,一些微量元素,如Fe、Cu和Zn等可能因管材的腐蝕等原因以離子的形式溶解在飲用水中,當它們的含量超過風味檢測閾值時會對水的感官質量產生負面影響。關于這些成分的研究在直飲水系統的國家進行得比較多,但是基于它們在國內飲用水中的含量和出現的頻率等原因,本文不做贅述。
2.3 無機消毒劑
飲用水中的無機物除了天然的礦物鹽成分,還有人為添加的無機消毒劑,如液氯、氯胺、二氧化氯、次氯酸鹽等。這些消毒劑主要通過HClO/ClO-、Cl2的氧化作用達到消毒目的,在水處理過程中的應用非常廣泛。它們自身往往具有刺激性氣味,通常情況下濃度僅0.1~0.5 mg/L就能讓消費者感知到刺激性的氯味。此外,這些消毒劑產生的無機副產物也會引入新的嗅味,如二氯胺、三氯胺等都有游泳池味和氯味。從飲用水中的含量、檢出率以及消費者的可接受性的角度出發,人們對余氯的研究工作做的最多。但是目前余氯是否對飲用水口感存在負面影響存在一些爭議。多數報道認為消費者不喜歡水中的氯味,游離氯的濃度高于0.15 mg/L就可能會引發消費者的投訴。但是PLATIKANOV等在口感測評實驗中卻提出自由氯只能讓被試者明顯區分出瓶裝水和自來水的差異,并不影響他們對水的口感評價。這可能是因為實驗中的被試者均來自西班牙的巴塞羅那,當地人日常飲用的自來水自由氯含量普遍較高(中位數為0.5 mg/L),被試者對氯味的耐受性較高所致。
3有機成分對口感的影響
飲用水的味道除了與無機離子有關外,還受到水中有機物的影響。這種影響一方面體現在有機物對無機物的作用,間接影響了水味。例如,一些有機陰離子對陽離子也具有拮抗效應。大型有機陰離子鈣鹽(如葡萄糖酸鈣,甘油磷酸鈣和乳酸鈣)比等摩爾濃度的氯化鈣具有更低的咸味和苦味響應。研究認為這是因為陰離子碳鏈越長,與味覺受體蛋白結合的幾率越高,占據了陽離子與受體結合的位點,從而使鈣鹽的味道強度發生變化。另一方面,一些有機物自身就帶有特殊風味,豐富了水味。天然有機物中的腐殖質和微生物代謝產物(蛋白質、氨基酸、多糖、次級代謝產物等)等主要由C、H、O、N等元素構成,分子結構中往往含有苯環、酚基、羰基、羧基、氨基等不飽和官能團,使水的口感明顯區別于單純的無機鹽溶液。
有機物一般通過嗅味(Odor)或味道(Taste)影響水的口感。目前對有機物的研究以嗅味為主,相應的研究成果較多。水體中常見的不良嗅味,如土霉味、藥味、魚腥味等,主要是由一些痕量級 (ng/L級) 有機化合物造成的。徐斌等認為對水味影響最大的 一類有機物是以2-MIB、Geosmin、2,4,6-三氯苯甲醚(2,4,6-trichloroanisole)、甲氧基吡嗪(methoxypyrazines)、2-異丙基-3-甲氧基吡嗪(2-isopropyl-3-methoxypyrazine)和 2-異丁基-3-甲氧基吡嗪(2-isobutyl-3-methoxypyrazine)等為代表的嗅味物質。它們通常是放線菌、藍細菌等微生物的次級代謝產物,具有令人反感的土腥味和霉味,人類對它們極為敏感,往往在0.4~10 ng/L的濃度下就能明顯感知。這些物質在地表水中很常見,季節性爆發帶來的嗅味問題容易遭致消費者的反感和投訴。此外,消毒過程也會產生一些有嗅味(Odor)的有機消毒副產物破壞口感。氯消毒法產生的三鹵甲烷類副產物一般都有藥味,以氨基酸和肽作為前體物產生的消毒副產物通常具有沼澤味或游泳池味。臭氧氧化或消毒的過程中會產生低分子量非鹵化醛,在0.1~50 μg/L范圍內就具有令人不悅的果味。實際上,除了上述氣味明顯的有機物,飲用水中還有一些氣味不強但是破壞口感的有機成分,如能產生熒光的物質、疏水性的氨基酸等,這些成分是不同水源的飲用水口感存在差異的重要原因,但是目前人們對這類有機物的關注很少。
研究有機物對口感影響的挑戰比無機物要大的多。一方面,有機物降解過程產生的中間產物成千上萬,將每一種有機物對口感的影響盡數研究幾乎難以實現。另一方面,有機物的嗅味閾值跨度非常大。在影響水味的有機物中,有氣味特征的有機物僅在ng/L級別就能引起強烈反感,而一些沒有明顯氣味的有機物濃度達到μg/L甚至mg/L級別才會被察覺,由于人們對不良氣味的敏感程度遠高于不良味道,因此將不同敏感程度的有機物分開研究非常必要,目前我們缺少一些類似于TDS的綜合指標來分別表征它們的含量。此外,在天然飲用水中有機物不是孤立存在的,不同的有機物混合后,其氣味或味道也會出現協同或拮抗效應。之前的報道發現不同氣味的有機物混合后,氣味強度往往會發生變化。因此,僅從閾值加和的角度難以準確預測混合有機物對水味的真實影響,探究有機物含量與口感評價之間的函數關系將是今后有機物口感研究的重難點。
4其他影響因素
水溫是影響味覺強度的重要的因素之一,人們感知水中溶解的礦物質的能力隨溫度變化而變化。歐美國家的多數研究認為將水冷卻會顯著降低人們對水中異常味道和氣味的感知。無機鹽的味道強度在低于體溫或者室溫的情況下會變弱;對于揮發性物質,溫度升高導致分子運動加強,人們更容易感知到它們的不良口感。理想的飲用水溫度比人體溫度低,約為15~25 ℃。
口感也與受試者的飲水習慣有關。前面的研究已經表明,接受度高的水TDS通常處于中低水平,實際上TDS在全球范圍內的偏好表現存在一定差異。歐洲地區的水質偏硬,荷蘭、法國、西班牙等地區進行的口感實驗中好喝的水的TDS分別在190~350 mg/L、300~350 mg/L和200~400 mg/L范圍內,屬于中等偏高的礦化水平。日本不同地區被公認的美味水的TDS屬于中等水平,濃度在100~180 mg/L。而在美國加州的實驗中,TDS<80 mg/L的水比其他礦化程度的更好喝。中國內陸也表現出了南方與北方、東部與西部地區的礦化偏好差異。之前的研究表明,不同飲水習慣的受訪者更偏好與其平常飲水水質接近的包裝飲用水。在魁北克自來水滿意度調查中,自來水的口感好評主要來自于以自來水作為唯一水源或主要水源的家庭。通常情況下,一個人如果適應喝某種水,他對這種水或接近這種水質的水接受度較高。
5總結
在居民消費不斷升級的今天,高品質飲用水也是人們向往美好生活的體現。目前的研究已經表明,水中無機成分和有機成分共同決定了水的口感。在主、客觀因素的作用下,天然飲用水的水味比較復雜。
(1)受到離子濃度以及離子間的協同、拮抗作用的影響,不同礦化程度的水口感不同。盡管關于無機離子是否對口感造成正(或負)影響以及影響強弱的討論還存在爭議,越來越多的學者贊同陽離子決定了主要味調,陰離子發揮協調作用,消費者普遍喜歡喝離子含量處于中低水平的水。文獻調研發現適當降低反映離子含量的綜合指標(如TDS、硬度等)、調節個別離子的比重等方式可以改善飲用水的口感。
(2)目前有關有機物影響口感的研究以嗅為主,大部分工作集中在人類比較敏感的有氣味的有機物上,對氣味不明顯但是味道不佳的有機物的研究非常有限。由于影響水味的有機物種類多、嗅覺和味覺閾值跨度大,因此宜將不同敏感級別的有機物分開研究,探究有機物含量與口感評價之間的函數關系將是今后有機物口感研究的重難點。
(3)氯系消毒劑和有刺激性氣味的消毒副產物對水味的影響較大。多數研究表明余氯能夠使消費者明顯區分自來水和瓶裝水,但是就它是否會影響被試者的偏好存在爭議。這些爭議可能與消費者飲水習慣、對余氯的耐受性等有關。
(4)好喝的水一般有機物含量少,無機物濃度處于中低水平。除了飲用水自身成分的影響之外,其他因素(如水溫、飲水習慣等)也會左右被試者對水味的感知。歐美國家的研究普遍認為冷水的口感較好,而國內消費者卻更偏好溫熱水,這可能與居民的飲水習慣有關。通常一個人如果適應了喝某種水,他對接近這種性質的水的接受度較高。目前關于飲水習慣對口感影響的研究比較少。
對原文有修改。原文標題:飲用水口感及影響因素分析綜述;作者:李紅瑞、袁梓屹、王昆朋、王小