椰子水的介電性質(zhì)及其作為輸液替代品的可行性

高艷艷　劉媛　楊曼　范小青　趙孔雙

摘 要 測(cè)量了椰子水、生理鹽水以及它們的蔗糖溶液在40Hz-40GHz寬頻范圍的介電弛豫譜（DRS），發(fā)現(xiàn)這些體系在高頻有一個(gè)與水分子的偶極極化引起的介電弛豫，并給出了微觀解釋。結(jié)果表明，椰子水的介電性質(zhì)主要反映在微波段水分子的極化，且與生理鹽水的幾乎沒有區(qū)別。此外，射頻段椰子水的電導(dǎo)率與蔗糖含量的依存關(guān)系和生理鹽水的十分相似，由此給出了椰子水靜脈輸液功能的介電依據(jù)。

關(guān)鍵詞 介電譜；電導(dǎo)率；椰子水；靜脈輸液

中圖分類號(hào) S667.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Abstract The dielectric properties of coconut water， saline and their sucrose-added solutions were measured from 40Hz to 40GHz at 25 ℃. A dielectric relaxation related to the dipole polarization of water was found at high frequency， and was interpreted from the microscopic view. It was found that the dielectric properties of coconut water and saline were similar and mainly embedded in the polarization of water at microwave. Sucrose content dependence of conductivity for coconut water closely resembles saline at radio frequency. This study suggests the feasibility of coconut water as intravenous fluid from the view of dielectric.

Key words Dielectric spectroscopy；Conductivity；Coconut water；Intravenous fluids

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.07.021

椰子水占全果質(zhì)量的25%～30%，存在于椰子的果腔中[1]。有研究表明椰子水富含多種營(yíng)養(yǎng)素且具有獨(dú)特的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值。研究發(fā)現(xiàn)椰子水能減輕過(guò)量氯霉素對(duì)肝臟產(chǎn)生的毒性作用[2]，在糖尿病大鼠[3]和正常人[4]體內(nèi)具有降血糖作用。此外，因?yàn)橐铀缓V物質(zhì)如鉀、鈉、鈣、鎂、磷、鐵和銅[5]，其電解質(zhì)可與人體血液電解質(zhì)濃度維持平衡，從而為人體補(bǔ)充水分和各種礦物質(zhì)，因此被當(dāng)作注射液的替代品來(lái)給患者供給營(yíng)養(yǎng)[6]。例如，二戰(zhàn)時(shí)，日本人和英國(guó)人就首先使用椰水子作為靜脈注射替代品[7]。在醫(yī)療資源匱乏的情況下，曾用椰子水作為短期靜脈注射液成功的救治了所羅門群島的一個(gè)重癥患者[8]。另外，嫩果椰子水可作為補(bǔ)液為運(yùn)動(dòng)員[9]和腹瀉患者[10]補(bǔ)充水分和電解質(zhì)。

關(guān)于為何椰子水可以替代標(biāo)準(zhǔn)的靜脈輸入液，這無(wú)疑與椰子水中包含糖、維他命、礦物質(zhì)、氨基酸等多種營(yíng)養(yǎng)物有關(guān)[11]，此外多種角度的研究也為椰子水在醫(yī)療上的使用提供了理論依據(jù)。實(shí)驗(yàn)室電解質(zhì)分析結(jié)果表明，椰子水所含的電解質(zhì)組成與人類細(xì)胞類似，并且有著和血漿相近的比重[12]。生理研究顯示，盡管椰子水的pH（4.5～5.2）[13]比人體血漿偏低，但人體的緩沖系統(tǒng)可以有效地中和椰子水的酸度[14]。臨床研究證實(shí)，新鮮嫩椰子可以作為一種輸液的液源直接輸入人體內(nèi)并且?guī)缀醪粫?huì)帶來(lái)副作用[15-16]。

盡管有很多椰子水用于靜脈輸液的案例，也有一些研究報(bào)道了椰子水可以在醫(yī)療上使用的理由，但大都是從生理學(xué)和營(yíng)養(yǎng)學(xué)角度，而椰子水的理化性質(zhì)以及作用機(jī)理的報(bào)道相對(duì)很少。以電磁場(chǎng)與物質(zhì)相互作用為基礎(chǔ)的介電譜（RS）方法已用于醫(yī)藥醫(yī)療領(lǐng)域，例如Beena T等[17]用RS研究藥物鹽酸土霉素在乙醇中的介電行為；我們[18]也曾對(duì)裝載有模擬藥物分子的殼聚糖微球進(jìn)行了其藥物釋放過(guò)程的實(shí)時(shí)介電監(jiān)測(cè)的研究。本文研究了椰子水的寬頻介電行為，并與和血漿有著相同滲透壓的生理鹽水進(jìn)行對(duì)比，并討論椰子水生理鹽水在微波段的弛豫行為和射頻段的電導(dǎo)率行為的相似性，為椰子水作為注射液提供新的介電依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

椰子水樣品來(lái)源于超市購(gòu)買的普通海南高種椰子，根據(jù)文獻(xiàn)[1]，成熟椰子水的組成成分如表1。蔗糖（分析純）購(gòu)于北京化工廠，生理鹽水（0.9% NaCl）購(gòu)于石家莊四藥有限公司。實(shí)驗(yàn)中均使用二次蒸餾水。

1.2 方法

1.2.1 樣品配制 為檢測(cè)椰子水與生理鹽水在介電性質(zhì)上的差異，在椰子水、純水和生理鹽水中分別加入不同質(zhì)量的蔗糖，配置一系列不同蔗糖濃度 [0、0.5、1、2、3、4、5和6 g/（100 mL）]的混合液。

1.2.2 介電測(cè)量 介電測(cè)量是由4294A型精密阻抗分析儀和E8263B PNA型網(wǎng)絡(luò)分析儀分別完成的。4294A用于測(cè)量40Hz-800MHz的射頻介電數(shù)據(jù)，測(cè)量池為圓筒式鉑電極玻璃測(cè)量池，測(cè)得不同頻率下的電容（C）和電導(dǎo)（G）值， 根據(jù)Schwan[19]方法經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)溶液校正得到測(cè)量池的池常數(shù)Cl、浮游電容Cr和自感系數(shù)Lr，進(jìn)一步校正得到樣品的真實(shí)電容（Cs）和電導(dǎo)（Gs）值。根據(jù)ε=Cs/Cl和κ=ε0Gs/Cl（式中為真空介電常數(shù)），將Cs和Cs轉(zhuǎn)化為介電常數(shù)和電導(dǎo)率κ。200 MHz至40 GHz微波段的介電數(shù)據(jù)是由E8263B PNA，配備Agilent85070E同軸探針完成的。直接將探針插入在燒杯中盛放的樣品，不同頻率下的介電常數(shù)和介電損失由儀器自動(dòng)計(jì)算而得。

2 結(jié)果與分析

2.1 蔗糖與純水、生理鹽水以及椰子水混合液的微波介電譜

圖1-a、b和c分別是不同蔗糖含量的純水、生理食鹽水以及椰子水的介電損失譜圖。從它們的介電損失譜中可以看出蔗糖-純水、蔗糖-生理鹽水以及蔗糖-椰子水3個(gè)體系都在微波領(lǐng)域有1個(gè)與水分子的極化相關(guān)的弛豫[20]。而且隨著糖含量增加，生理鹽水和椰子水的介質(zhì)損失隨蔗糖含量的增大而減?。t箭頭），這與離子的導(dǎo)電機(jī)制有關(guān)[21]：加入蔗糖增加了生理鹽水和椰子水的粘度，從而阻礙了離子的遷移運(yùn)動(dòng)。因此，隨著蔗糖含量的增加，離子電導(dǎo)在損耗機(jī)理中發(fā)揮的作用也越來(lái)越弱[22]。

為了更清楚的了解生理鹽水和椰子水的相似性，將蔗糖含量為6 g/（100 mL）（本研究的最大蔗糖含量）的純水、生理鹽水和椰子水三種溶液的介電損失譜圖進(jìn)行比較，見圖2?？梢钥闯?，在較低的微波段，生理鹽水和椰子水的介電性質(zhì)相近，而純水的則完全不同，另外，蔗糖的對(duì)它們的介電行為影響不大（空心點(diǎn)和實(shí)心點(diǎn)基本重合）；在高頻13.9GHz附近，兩者都有一個(gè)與水分子偶極極化相關(guān)的弛豫（箭頭）。該弛豫包含了兩部分的貢獻(xiàn)，分別源于分峰的圖3[蔗糖含量為6 g/（100 mL）的椰子水和生理鹽水，其它各蔗糖含量的分峰結(jié)果與圖3相似]所表示的位于較高頻率處的自由水分子和較低頻率處的結(jié)合水分子的偶極取向極化。結(jié)合水是源于椰子水中含有的少量蛋白質(zhì)、脂肪、纖維分子[1]與部分水分子的作用，這種結(jié)合的水分子取向變慢，因此弛豫頻率低于自由水分子。從圖3還可以看到，無(wú)論是生理鹽水或椰子水，自由水和結(jié)合水的弛豫強(qiáng)度都不受蔗糖加入的影響。這表明，盡管椰子水相對(duì)于生理鹽水來(lái)講，含有糖類及少量的天然高分子物質(zhì)等復(fù)雜的分子，但是這些分子對(duì)水的作用影響不大。這在一定程度上（至少?gòu)慕殡娊嵌龋┱f(shuō)明了代替生理鹽水進(jìn)行靜脈注射時(shí)，椰子水可能不會(huì)影響生命體中的水分子參與生命代謝活動(dòng)，因而可以安全的代替生理鹽水進(jìn)行輸液。

2.2 椰子水-蔗糖、生理鹽水-蔗糖混合液的電導(dǎo)率

圖4a-c是不同蔗糖含量的純水、椰子水和生理鹽水的射頻電導(dǎo)率譜圖。值得注意的是，椰子水（b）和生理鹽水（c）的蔗糖溶液在低頻段的電導(dǎo)率隨頻率增加有著較大幅度的增大，而在高頻段則隨蔗糖含量的增加而減小（如箭頭所示），這是因?yàn)椴粚?dǎo)電的蔗糖的加入增大了溶液的粘度使得椰子水-蔗糖溶液的導(dǎo)電性降低。除此之外，圖4-d指出，加入蔗糖后生理鹽水和椰子水的的電導(dǎo)率相近，且高于純水約3個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明椰子水和生理鹽水中的電解質(zhì)對(duì)導(dǎo)電性貢獻(xiàn)基本相同，這證明了椰子水和生理鹽水在電性質(zhì)上的相似性。

進(jìn)一步，為了考察蔗糖的含量與純水、椰子水和生理鹽水的電導(dǎo)率依存性以及椰子水和生理鹽水導(dǎo)電行為的形似程度，我們分別取5 MHz頻率下的不同蔗糖含量的3種溶液的電導(dǎo)率值（κn， n代表蔗糖含量）與相同頻率下無(wú)蔗糖溶液的電導(dǎo)率（κ0）做比（κn/κ0），并對(duì)添加的蔗糖含量作圖。圖5表明，生理鹽水和椰子水的κn/κ0-c（蔗糖）關(guān)系都用直線被很好的擬合了，見公式（1～2）。在實(shí)驗(yàn)的蔗糖含量范圍內(nèi)，κn/κ0比值小于1說(shuō)明蔗糖的加入使得電導(dǎo)率降低，這是合理的，因?yàn)榉菍?dǎo)電的蔗糖分子的比例增大以及粘度增加，都會(huì)降低溶液電導(dǎo)。

κn/κ0=-0.020c（蔗糖）+1.539 R2=0.969 6 （1）

κn/κ0=-0.021c（蔗糖）+1.021 R2=0.996 2 （2）

對(duì)于純水-蔗糖溶液，κn/κ0在0.55～0.75之間波動(dòng)。然而，相同的蔗糖含量下，椰子水-蔗糖和生理鹽水-蔗糖溶液的κn/κ0則非常接近并且都有著很明顯的蔗糖依存性，這意味著椰子水中各種離子的總量與生理水中的離子起到相似的導(dǎo)電效果，因?yàn)槿芤弘妼?dǎo)率的大小與存在于其中的離子數(shù)目和離子遷移率有關(guān)。生理鹽水中起導(dǎo)電作用的是氯化鈉，含量為0.9%。而椰子水中的導(dǎo)電離子主要為鉀、鈉、鈣等無(wú)機(jī)元素，盡管導(dǎo)電離子總量?jī)H占椰子水的0.4%[1]，但由于鉀離子遷移率比鈉離子大，并且占總導(dǎo)電離子含量的2/3以上，這使得椰子水和生理鹽水有著相近的電導(dǎo)率。同時(shí)，椰子水含有約0.1%的氨基酸維生素等弱酸弱堿，隨著蔗糖含量的增加，這些物質(zhì)的解離程度降低，使得椰子水電導(dǎo)率的減小程度總是比生理鹽水大，但是二者差異極其微小。因此，二者對(duì)維持人體中電解質(zhì)平衡和滲透平衡可以起到相同的作用，這也是椰子水可替代生理水進(jìn)行輸液的原因。

3 討論與結(jié)論

本文通過(guò)測(cè)量并解析含有不同量蔗糖的純水、生理鹽水和椰子水的介電譜圖發(fā)現(xiàn)，椰子水具有和生理鹽水相近的導(dǎo)電性。生理鹽水與椰子水在微波段的相近弛豫特征表明，椰子水中除電解質(zhì)以外的其他復(fù)雜物質(zhì)不會(huì)影響生理過(guò)程中水分子的作用。生理鹽水與椰子水的電導(dǎo)率與蔗糖含量的依存關(guān)系說(shuō)明，盡管二者參與導(dǎo)電的物質(zhì)即電解質(zhì)種類不同，但椰子水的電解質(zhì)（亦是人體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)）與生理鹽水對(duì)血漿滲透壓的貢獻(xiàn)是一樣的。由于椰子水可以為人體提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)且能維持體內(nèi)電解質(zhì)平衡等生命過(guò)程，因此可用來(lái)作為生理鹽水的替代品對(duì)人體進(jìn)行輸液。本研究從物質(zhì)相互作用的微觀角度對(duì)輸液物質(zhì)（生理鹽水和椰子水）中的水分子和其它營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生理功能提供了一種理解。

致謝 感謝北京師范大學(xué)地理與遙感學(xué)院的趙少杰老師在高頻測(cè)量上提供的儀器幫助。

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