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数据分析告诉你为什么这种水口感好?
更新时间:2021-04-09 来源:给水排水 作者:高庭苇等

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  引言

  随着生活水平和消费水平的提高,包装饮用水逐渐成为人们日常生活必需品,消耗量巨大。包装饮用水是指密封于符合食品安全标准和相关规定的包装容器中,可供直接饮用的水,包括饮用天然矿泉水、饮用天然泉水、饮用天然水、饮用纯净水等。饮用天然矿泉水、饮用天然泉水、饮用天然水因水源地的特殊性采用《食品安全国家标准饮用天然矿泉水》(GB8537-2018),饮用纯净水和其他的包装饮用水采用《食品安全国家标准包装饮用水》(GB19298-2014),两种标准均从保护居民健康和生活质量出发,保障了饮用水的健康和安全。在饮用水的健康性得以满足后,人们开始对饮用水的口感提出了更高的要求。

  饮用水口感受水的味道和气味的综合影响,是人们口、舌和鼻的感觉神经对饮用水中某些化学物质的整体感觉。因此饮用水口感的优劣与水的水质理化指标密切相关,包括pH、总溶解性固体(TDS)、无机离子(Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、SO2-4)、腐殖质的分解产物等。口感好的水通常具有较高的pH(7.5~8.1)和中低矿化度(TDS在200~350mg/L),因此通过反渗透和电渗析工艺来降低矿物质含量可以改善饮用水口感,而为了达到更好的口感(更优的矿物质水平),可以将膜处理后的水再矿化。水的硬度也会影响水的口感,适度的硬水口感清冽可口,而硬度过低没有甘甜味,硬度过高则会产生苦涩粘稠的口感,这和水中Mg2+和Ca2+的含量有关。其他无机离子对饮用水口感也有影响,比如硝酸盐对水的味道的影响微弱,低浓度的硫酸盐可以改善水的口感,高浓度的硫酸盐则会产生负面作用。Fe2+在饮用水中会产生令人不适的金属味道,但是加入放有甜味剂的水中会协同提高水的甜度。由于饮用水中的微量元素的浓度较低,达不到人类器官所能识别到的阈值,因此微量浓度下各种成分对饮用水口感的影响值得进一步探究。此外,饮用水口感不仅能够反映水质,也会直接影响消费者的接受程度。由于不同消费者对饮用水的口感、味道的感知和评价不尽相同,而且消费者对饮用水的偏好和饮水习惯有关,因此了解不同类型消费者的饮水偏好也非常重要。

  然而,以往研究还存在以下不足。第一,现有研究虽然较为全面地分析了水质理化指标对于饮用水口感的影响,但是研究对象通常为广义的饮用水或者瓶装水和自来水,针对包装饮用水的研究存在空白,而且鲜有研究考虑到包装饮用水的类别如苏打水、矿泉水、蒸馏水等。第二,研究方法大多为简单的描述性统计和相关分析,没有进一步定量分析水质理化指标对口感的影响方向和程度。第三,现有研究虽然指出包装饮用水的口感和评价因不同消费者而异,但没有具体分析不同消费者对不同水的偏好。基于此,本文通过调查7种市场常见包装饮用水(矿泉水、纯净水和苏打水)和2种膜技术(超滤和纳滤)处理水的口感和味道,检测pH、离子浓度、总有机碳(TOC)、电导率等10种化学指标,采用描述性统计分析和对应分析方法分析不同类别的人对不同水样的偏好,并进一步采用主成分分析、相关分析和回归分析方法探讨影响包装饮用水口感的理化因素。

  1、材料与方法

  1.1 样本数据

  本研究选取7种市面常见包装饮用水(包括纯净水、矿泉水和苏打水)、超滤膜过滤水和纳滤膜过滤水,调查了131位不同年龄、不同性别和不同日常饮水习惯的志愿者对9种水的口感评价。为有效减小塑料杯对口感的影响,调查前将9种水统一盛放在不同的一次性航空硬塑料杯中。同时,要求志愿者在测试前30min内不抽烟、不进食,确保调查结果的可靠性。对每位志愿者发放调查问卷,要求其在饮用每种水后,对味道做出评价(包括甜度、苦涩感和是否有刺激性味道),并根据口感给出打分(好喝=100,比较好喝=75,没有感觉=50,难喝=25)。最终回收有效问卷123份。有效问卷的α信度系数为0.752,说明问卷质量的可靠性可以接受。9种水的味道和平均得分如表1所示。

  表1 水样的描述性统计

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  注:Cond.是电导率;FI是荧光强度;Ca2+的缺失值N.A.,在统计分析时用检出限0.1代替;主要味道是受访者评价最多的味道。

  为探究包装饮用水口感与水质指标的关系,对9种水的pH、电导率、总有机碳、荧光强度和各阴/阳离子浓度进行了检测,结果如表1所示。由于苏打水1号含有甜味添加剂,其TOC远高于其他水样。三维荧光光谱仪(F-7000,Hitachi)用于检测每种水样的荧光光谱,并计算激发波长200~400nm、发射波长250~500nm的平均荧光强度。阳离子使用电感耦合等离子光谱仪检测,只检出Ca2+、Mg2+、Na+和K+4种阳离子,其含量均在国标规定的范围内;Cl-和SO2-4使用离子色谱(IC1500,Dionex,USA)检测,蒸馏水、凉白开和纳滤水中剩余的SO2-4含量最低,纳滤水的阴离子含量远低于超滤水。

  1.2 研究方法

  对应分析是一种揭示不同变量各个类别之间对应关系的多元统计方法,二维对应分析表的行表示饮水习惯,列表示水样,采用相伴概率对口感评分进行标准化,通过对应分析图直观地展示不同饮水习惯的人对9种水样的偏好情况。聚类分析是依照某种准则对样本或变量进行分类的统计学分析方法,可以在相似的基础上将样本进行分类,也可以作为数据预处理的手段剔除一些不合理的样本或者数据。利用系统聚类法,可以得到9种水基于口感得分和基于水质理化指标的分类。

  为进一步探究口感得分与水质理化指标之间的关系,依次采用了主成分分析、相关分析和回归分析。主成分分析通过提取代表原始变量主要信息的主成分,达到降维的目的。将样本或原始变量投射到选定的主成分所定义的空间,可看到变量之间的相关关系,样本之间的相似性或差异性,以及变量对样本差异性的贡献。因此,利用主成分分析,可以初步得到变量(口感得分和各个水质理化指标)之间的关系,不同水样之间的关系,以及这些变量对不同水样之间关系的解释程度。Pearson相关分析用于定量识别变量之间的线性关系,回归分析则进一步探析水质理化指标对口感评分的线性或非线性影响程度,基于泰勒展开,采用二阶多项式近似其非线性关系,回归模型构建见式(1)~式(2):

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  式(1)是基准模型,表示pH和电导率对口感得分的影响程度。考虑到不同人对不同水样的口感评分存在差异,回归模型设置为面板数据模型(数据有受访者和水样两个维度)。其中,Scoreij是第i个人对第j种水的口感评分,pHj和Cj分别表示第j种水的pH值和电导率,pH和电导率的二次项用来考察变量之间的非线性关系,ε是随机扰动项,β为待估计参数。为进一步考察有机物和无机离子对口感评分的影响,用有机物含量或者离子浓度替换电导率C得到式(2),其中Xj表示第j种水的有机物含量或者各种阴/阳离子浓度,需要注意的是,Xj是否取对数和加入二次项根据物理意义和模型拟合程度而定。

  2、结果与讨论

  2.1 描述性统计

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  a受访者年龄分布

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  b不同年龄受访者对水样的口感评分

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  c受访者的日常饮水习惯

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  d不同饮水习惯的受访者对水样的口感评分

  注:**代表显著(0.01≤p<0.05),*代表一般显著(0.05≤p<0.1)

  图1 9种水的特征、味道和评分情况

  表1展示了9种水的特征、味道和评分情况。可见,添加了甜味食品添加剂的苏打水1号的口感得分最高,未加甜味剂的苏打水2号口感得分最低,膜处理的水和矿泉水、凉白开、蒸馏水的口感评分接近,纳滤水的口感优于超滤水。图1进一步说明了不同年龄和不同饮水习惯的受访者对水的口感评分情况。受访者中,56.1%年龄在30岁以下,36.6%年龄在30~49岁,只有7.3%年龄在50岁以上。其中,年龄大于等于50岁的受访者相对偏好凉白开和超滤水,对最受大众喜爱的苏打水1号的喜爱程度显著低于平均值(单尾t检验,p<0.1)。从相对最低的分数极差也可以看出,年龄较大的群体对于所有水的口感评分较为平均。年龄小于30岁的受访者对纳滤水的接受程度显著低于平均值(单尾t检验,p<0.05),年龄在30~49岁的受访者对纳滤水的接受程度显著高于平均值(单尾t检验,p<0.1)。受访者的饮水习惯也各不相同,有38.2%的人习惯喝白开水,22.8%的人习惯喝桶装水,21.1%的人习惯喝茶水,17.9%的人习惯喝家用净水器净化的水。其中,习惯桶装水的人相对偏好膜处理水(超滤和纳滤),相对不喜欢苏打水;习惯家用净水器的受访者对蒸馏水相对更加偏好(单尾t检验,p<0.1)。

  进一步采用对应分析探究不同饮水习惯的人对水的偏好情况,结果如图2所示。总的来说,习惯喝桶装水的受访者喜欢矿泉水,习惯喝白开水的受访者喜欢凉白开,习惯喝净水器净化水的受访者更加偏好超滤水,习惯喝茶的受访者没有特别偏好,如图2a所示。具体到不同年龄段,饮水习惯和水样偏好则有所差异。年龄小于30岁的受访者饮水习惯多样,体现为图2b中各点较为分散。图2c和图2d大致表明,年龄为30~49岁的受访者对白开水以及纳滤、蒸馏水无特别偏好,习惯喝茶的人比较能接受超滤水;年龄在50岁以上的受访者主要习惯喝茶和白开水,对大多数包装水无特殊偏好。

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  图2 受访者饮水习惯和水样偏好对应分析

  系统聚类分析初步解释了水样间的口感评分差异,如图3所示。大部分受访者认为多数包装饮用水没有味道,而添加了甜味食品添加剂的苏打水1号因为口感偏甜最受欢迎,未加甜味剂的苏打水2号由于具有刺激性、略苦涩最不受欢迎,说明人们对于“甜”的喜爱程度远大于对“苦”的接受程度。进一步根据水的口感评分将水进行聚类,结果符合包装饮用水自身类别。最好喝的苏打水和最难喝的苏打水自成一类;超滤水和纳滤水聚为一类,并且和矿泉水1号、2号在口感上比较接近;矿泉水3号和蒸馏水/凉白开口感上比较接近。根据水的水质理化指标将水进行聚类,纳滤水、凉白开/蒸馏水和矿泉水1号、2号相近,超滤水和矿泉水3号相近,苏打水1号、2号的水质理化指标和其他水样差异较大。除了超滤水和矿泉水3号之外,基于口感评分的聚类结果和基于水质理化指标的聚类结果基本一致,说明口感相近的水的水质理化指标也大致相近。由于苏打水是碳酸氢钠的水溶液,饮用时伴随气泡刺激,且水质理化指标和口感均与其他7种水样的差距很大,因此在后续分析口感和水质理化指标的关系中,不考虑苏打水1号和2号。

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  图3 基于水样口感评分和水质理化指标的系统聚类结果

  2.2 口感评分和水质理化指标之间的关系

  主成分分析表明了不同变量、不同样本(2种苏打水除外)之间的定性关系,如图4所示。通过主成分分析,可以提取出2个主成分。第一个主成分表示水质的共性,第二个主成分表示水质的差异性。在主成分构成的欧式空间中,箭头之间的夹角越接近0°说明越正相关,越接近180°则说明越负相关。口感评分和荧光强度、水中的含盐量是负相关,和除了钾离子之外的各种阴/阳离子浓度负相关。荧光由水中含共轭π键的小分子或大分子有机质产生,这些污染物的微量存在影响了包装饮用水的口感。矿泉水1号和2号的口感评分高,对应的电导率、硬度、氯离子和硫酸根离子水平都较低。超滤水和矿泉水3号的口感评分较低,而这两种水的电导率和硬度都相对较高,氯离子和硫酸根离子含量也较高,说明水的口感和这些理化指标有关。

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  图4 基于水样口感和水质理化指标的主成分分析结果

  相关分析的结果(见图5)进一步量化了口感(平均得分)和各种水质理化指标,以及水质理化指标之间的相关关系。电导率和各离子浓度均做了对数处理。结果表明,各种水质理化指标之间两两正相关,口感评分只和钾离子浓度呈正相关,和其他水质理化指标都呈负相关。口感评分与FI的相关性远强于与TOC的相关性,说明有机物对口感的影响主要由荧光物质体现。总的来说,口感评分和水质理化指标的Pearson相关在统计学上并不显著,可能与它们之间存在非线性关系有关。为更精确识别其定量关系,基于二阶泰勒多项式展开,进一步构建含非线性项的面板回归模型,拟合水质理化指标和口感评分之间的关系。最小二乘回归的基准回归[式(1)]结果见式(3):

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  所有系数均通过显著性检验。其中,pH和口感评分存在显著的非线性关系,说明在观测范围内,弱碱性(pH在7.5~8.0)的水的口感更好。电导率和口感评分存在倒U型关系,较低的电导率(20~180μS/cm,折算TDS约为10~100mg/L)可以使包装饮用水口感更好,电导率过高或过低均会影响口感。

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  注:***代表高度显著(p<0.01),**代表显著(0.01≤p<0.05),*代表一般显著(0.05≤p<0.1)。

  图5 口感得分和水质理化指标之间的Pearson相关分析结果

  式(2)的回归进一步揭示了有机物和无机离子对口感评分的影响关系。由于主成分分析和相关分析的结果表明荧光强度与口感的相关性比TOC更强,因此用FI表示有机物含量。将有机和无机含量指标作为X项,逐一代入式(2)分别回归,结果如图6所示,在观测范围内,荧光强度的增加会显著降低口感评分;Ca2+和Mg2+与口感评分呈倒U型关系,口感最优的Ca2+和Mg2+浓度范围分别为1~10mg/L和0.5~1mg/L,在此之后,口感评分随包装饮用水硬度的增加迅速减少。口感评分随钾离子浓度的增加而增加。Cl-和SO2-4与口感评分也呈倒U型关系,低浓度的Cl-和SO2-4和口感呈正相关关系,而较高浓度(分别大于3mg/L、5mg/L)的Cl-和SO2-4会显著降低口感。

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  注:a和b是pH和C代入式(1)的回归结果,c-i是FI、Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-、SO2-4分别代入式(2)的回归结果。图中阴影表示95%的置信区间,线条为模型拟合曲线,表示自变量对因变量的边际效应。F值是回归方程的F检验结果,t值是回归方程中自变量二次项的t检验结果(自变量为FI时,t值是FI一次项的t检验结果)。***代表高度显著(p<0.01),**代表显著(0.01≤p<0.05),*代表一般显著(0.05≤p<0.1)。坐标轴内侧的刻度值为未取对数的数值。

  图6 基于面板回归的水质理化指标对口感得分的影响分析

  国外研究结果表明TDS在200~350mg/L的饮用水口感更好。本研究也证实TDS(由电导率折算)过低或过高都不利于改善口感。而本研究得到的最优口感TDS值(10~100mg/L)略低,可能与(除苏打水以外的)7种包装饮用水的TDS值要么小于100mg/L要么大于300mg/L有关。但可能也与国内外人群的饮食结构和生活习惯有关。另一方面,基于健康和营养价值的Ca2+和Mg2+适宜浓度分别为50~150mg/L和20~80mg/L,高于本研究所得到的最优口感浓度。饮用水供水水质安全是第一要务。如何在保障卫生和安全的前提下尽可能提高饮用水的健康性和口感,也值得进一步研究。

  3、结论

  通过对9种包装饮用水口感、味道和理化指标的统计分析,探究了不同人群对不同水的偏好以及影响包装饮用水口感的因素。

  描述性分析结果表明,添加了甜味食品添加剂的苏打水1号因为口感偏甜最受欢迎,未加甜味剂的苏打水2号由于具有刺激性、略苦涩最不受欢迎,膜处理的水和矿泉水、蒸馏水/凉白开口感上比较接近,纳滤水的口感优于超滤水。50岁以上的群体对于所有水的口感评分较为平均,没有特别偏好。习惯喝桶装水的受访者喜欢矿泉水,习惯喝白开水的受访者喜欢凉白开,习惯喝净水器净化水的受访者更加偏好超滤水,习惯喝茶的受访者没有特别偏好。

  主成分分析和相关分析表明,水质理化指标之间两两正相关,口感评分与钠离子以外的其他水质理化指标都呈负相关。口感评分高的水,对应的电导率、荧光强度、硬度、氯离子和硫酸根离子都较低,说明水的口感受这些水质理化指标的影响。进一步的回归结果表明,在本研究的样本范围内,弱碱性(pH在7.5~8.0)、电导率处于中低水平(TDS折算约为10~100mg/L)、中低硬度(钙离子1~10mg/L,镁离子0.5~1mg/L)的包装饮用水口感最佳,荧光强度高、硬度高、氯离子和硫酸根浓度高(分别高于3mg/L和5mg/L)的包装饮用水不好喝。

  本研究对饮用水处理和市政供水也有一定的启示意义,例如通过臭氧氧化处理降低有机物(特别是致嗅/味物质)浓度、确保钙/镁离子浓度和化学稳定性的前提下适当脱盐、维持弱碱性pH值等,都可以改善饮用水口感。


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