水分子结构及其应用研究综述

摘 要：水是生命之源，水分子的3个原子成104.5°角（V型结构），这种V型结构使水分子具有较强的极性，极性使水分子之间形成氢键。在自然界中，液态水是以由若干个水分子通过氢键作用聚集在一起的水分子团簇的形式存在的。本文分析了水的分子结构、小分子水的形成原理、制备方法及其与人体健康的关系，简单论述了小分子水在食品和烟草行业中的应用。

关键词：氢键;分子团簇;小分子水;定向调控;应用

中图分类号：S-3       文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190830017

引言

水是地球表面最多的分子，是生命生存的重要资源，也是生物体最重要的组成部分。H2O是有2个氢原子和1个氧原子构成的，氢原子和氧原子通过分享1对电子形成氢键，3个原子形成104.5°角，呈V型结构，这种V型结构使水分子正负电荷向两端集中，使水分子具有较强的极性，极性使水分子之间形成氢键。

自然界中的液态水并不是以单个分子（H2O）的形式存在的，而是以若干个水分子通过氢键作用而聚集在一起的水分子团簇的形式存在，常称为“水分子团”。所以，不同种类水的分子团簇大小是不一样的。

水自身是没有磁性的，但是水的原子核能感受外部磁性，且能做出一定的反应，所以可以利用核磁共振技术来测定水分子团簇的大小。目前，通常以核磁共振测定的水震动频率的半幅宽度来表示水分子团簇的大小，半幅宽越大，水分子团簇越大，半幅宽越小，水分子团簇越小[1]。想要改变水分子的团簇结构，就必须破坏水分子之间的氢键。水分子的团簇结构改变，水的物理性质也会发生不同的变化，如其渗透力、溶解力变强/弱，pH值、密度、电导率增大/减小等[2-5]。

1 小分子水（活性水）

水在自然界中以3种形态存在：固态、液态和气态。标准状况下，水在气体和液体之间保持动态平衡。水分子间的氢键是一种分子间的力，在液态的水中，处于一种不停地断开、结合的动态平衡中。水的缔合大分子团发生裂解分离，由原来的数十个或更多分子组成的水分子团簇变成由6～8个水分子组成的小团簇，即小分子团水[3，4，7]。水分子越小，其活性越大，小分子团水呈弱碱性，具有较强的渗透性、溶解力和扩散力[5]。日常生活中的水是由15～40个水分子组成，常称为“大分子团水”，如自来水由12～13个水分子组成，121Hz;纯净水由30～40个水分子组成，其半幅宽为149Hz[6]。巴马长寿村的水、冰川水均为天然小分子水，由3～6个水分子组成，其半幅宽为61～66Hz[1]。海水，胎儿的羊水也都是小分子团水。

2 破坏水分子结构的方式

在室温下，水一般是以30～40个水分子缔合成分子团簇结构存在的，水分子之间依靠氢键形成团簇结构。水的分子团簇结构是一种不停地断开、结合的动态平衡，其只能稳定存在10～12s左右。破坏水分子间的氢键，就可以改变水分子的团簇结构。水分子的氢键具有2.7～4.1μm的光子能量，要破坏水分子间的氢键，必须用大于氢键的能量，使大分子团水变为小分子团水[6]。

2.1 加热

水分子簇的大小与水的温度、离子浓度及环境的变化有关，改变水分子团簇中水分子的数量，最简便的方法之一是加热，温度越高，分子运动速度越快，越不利于氢键的形成，当加热温度达到100℃时，液态水就会变成水蒸气，水蒸气为接近单分子或小分子结构的水[7]。

2.2 外加能量场

氢键的存在使水分子间形成独特而易变的结构，可通过外加能量场如电场、磁场、远红外线等破坏水分子氢键，改变分子团簇的大小。外加磁场可使水中氢键网络的电子云产生微弱变形或者扰动，部分氢键被破坏[8];外加电场可使水分子的部分氢键断裂，水中出现过量的超氧阴离子自由基、过氧化氢及自由质子，水中生成的离子具有较强的顺磁性[9]。远红外线（波长4～400μm）是一种电磁波，也是一种光电子流，水分子的O-H键的伸缩振动和2个O-H键之间的变形剪式振动及氢键振动频率都在中红外区（2.5～25μm）附近，根据振频相近快速传能的原理，可以选择频率相近的激光作为辐射光源，水分子在远红外辐射能量的作用下，水的大分子结构可发生裂解，形成由较少水分子组成的小水分子团簇[10]。

3 小分子团水与人体健康

小分子团水具有较小的分子结构，能顺利通过水通道进入细胞，因表面张力使其紧紧地附着于细胞膜上，不产生正负电荷相吸效应，水分子内聚高能电荷量，增加细胞的膜电位，促进细胞的新陈代谢和自我修复能力，从而增强机体免疫力。小分子团水呈弱碱性，其溶氧量可达到9.6mg/L，具有较强的渗透性，能够迅速的进入人体组织及细胞，加快废物的排出和养分的补充，改善微循环，使人体体液酸碱平衡，增加细胞活力，促进新陈代谢。小分子团水具有较强的溶解性，能溶解血管壁上的杂质，恢复血管弹性，促进矿物质和微量元素电解为离子，提高其吸收率，可预防高血压、动脉硬化等疾病[11]。

4 水分子定向调控技术在食品及烟草行业上应用  在食品行业，为提高产品质量、缩短加工时间、降低原料损耗等目的，工人们会根据食品的种类和需要采用合适的方法处理加工用水[12]。例如，在啤酒生产中，采用磁场强度为2000～3000Gs的磁化水可以显著提高大麦发芽力，增强麦芽和酵母的活力，缩短发酵时间，加速酒的后熟[13]。采用中空纤维真空脱气装置，通过气体分离膜除去溶解在水中能影响食品质量的氧、氮和二氧化碳等气体;脱气水具有较好的渗透性，在豆腐、豆乳制造过程中，可提高原料利用率及生产效率。蔬菜、鱼贝经麦饭石处理，不易变色，组织坚实，可延长保鲜期[14]。

水可理解为卷烟工艺上最大的香精香料。在烟草行业，有相關的研究团队将市售各种功能水、有关科研机构生产的特殊功能水、日常生产生活用水等应用在卷烟产品生产中，评价不同水对产品感官品质的影响。结果表明，大部分水对卷烟产品感官品质呈正面影响，部分经过处理后的水能提高卷烟香气的丰满度、柔和烟气、提高舒适性等[15]。为丰富烟梗预处理工艺，节约生产能源，王学军等[16]利用永久强磁小分子团水处理器处理浸梗用水，其用处理后的水浸梗后，不经过蒸梗工序，烟梗的回透率可达到99.3%。由此可见，卷烟加工用水的质量能直接或间接地影响卷烟的内在质量。

5 结束语

目前很多企业在线生产用水均采用自来水，水的利用还停留在较低层次和较粗放的水平上，这难免会给产品加工质量带来负面影响。补水功能只是水全部功能的一小部分，因此，在日常生活中，应该根据需要选择适当的水处理方法，这对于提高水的综合利用效能、提升产品内在品质以及精益制造水平具有重要价值。

参考文献

[1] 陆江.从核磁共振看小分子水造福人类 [J].中国发明与专利，2010（5）：105.

[2]CRUZAN J D， BRALY L B， LIU K， BROWN M G， LOESER J G， SAYKALLY R J. Quantifying hydrogen bond cooperativity in water： VRT spectroscopy of the water tetramer [J]. Science， 1996， 271 （5245）： 59-62.

[3]师留印. 不同尺度水分子簇生物效应的研究[D]. 天津大学， 2009.

[4]王波. 水团簇中氢键的电子结构理论研究[D]. 吉林大学， 2016.

[5]袁亦川， 曾凌三. 水的活性化与活性水、功能水[J]. 净水技术， 2003， 5（12）： 40-41.

[6]张敏，李青山，刘佳，等. 一种高质量小分子团饮用水的制备与评价[C]. 第十三届全国红外医学发展研讨会论文及论文摘要集，辽宁省：锦州市光学学会，2011：135-137.

[7]赵飞虹， 李复兴. 水分子簇微观结构影响因素的研究[J]. 净水技术， 2008， 27（2），10-14.

[8]李冠成， 康永林， 李明，等. 水在电场、磁场作用下物理性质变化及其影响[J]. 現代物理知识， 2001（2）： 30-31.

[9]李光林， 杨亚玲. 脉冲电场对水结构影响的研究[J]. 激光生物学报， 1999（1）： 48-50.

[10]廉明洋，李青山，杜善钊，等. 远红外线与小分子团水[C]. 全国第十五届红外医学发展研讨会论文及论文摘要集，福州：红外技术编辑部，2015：234-236.

[11]PeiJiang， Qingshan Li， Jiajie Lu. Theoretical Structural Stability of Small Molecules Water[J]. Earth and Environmental Science， 2018（178）：2-3.

[12]姬德衡， 农绍庄， 孔繁东，等. 活性水处理方法及其应用[J]. 1997， 18（2）： 17-19.

[13]王继伟， 陈海黎， 毕永贤. 磁化水在啤酒生产中的应用[J]. 食品与发酵工业， 1992， 2（5）： 26-27.

[14]张佩瑛. 脱气水与食品加工[J]. 包装与食品机械， 1994， 12（1）： 16-18.

[15]张玲，张天栋. 烟用功能水技术研究进展[J].经济研究导刊， 2010（6）： 184-186.

[16]王学军，赵序勇，王广超. 小分子团水浸梗工艺研究[J].科技创新导报， 2016，4（6）： 6-7.

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