椰子水的介电性质及其作为输液替代品的可行性

高艳艳　刘媛　杨曼　范小青　赵孔双

摘 要 测量了椰子水、生理盐水以及它们的蔗糖溶液在40Hz-40GHz宽频范围的介电弛豫谱（DRS），发现这些体系在高频有一个与水分子的偶极极化引起的介电弛豫，并给出了微观解释。结果表明，椰子水的介电性质主要反映在微波段水分子的极化，且与生理盐水的几乎没有区别。此外，射频段椰子水的电导率与蔗糖含量的依存关系和生理盐水的十分相似，由此给出了椰子水静脉输液功能的介电依据。

关键词 介电谱；电导率；椰子水；静脉输液

中图分类号 S667.4 文献标识码 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

椰子水占全果质量的25%～30%，存在于椰子的果腔中[1]。有研究表明椰子水富含多种营养素且具有独特的营养价值和药用价值。研究发现椰子水能减轻过量氯霉素对肝脏产生的毒性作用[2]，在糖尿病大鼠[3]和正常人[4]体内具有降血糖作用。此外，因为椰子水富含矿物质如钾、钠、钙、镁、磷、铁和铜[5]，其电解质可与人体血液电解质浓度维持平衡，从而为人体补充水分和各种矿物质，因此被当作注射液的替代品来给患者供给营养[6]。例如，二战时，日本人和英国人就首先使用椰水子作为静脉注射替代品[7]。在医疗资源匮乏的情况下，曾用椰子水作为短期静脉注射液成功的救治了所罗门群岛的一个重症患者[8]。另外，嫩果椰子水可作为补液为运动员[9]和腹泻患者[10]补充水分和电解质。

关于为何椰子水可以替代标准的静脉输入液，这无疑与椰子水中包含糖、维他命、矿物质、氨基酸等多种营养物有关[11]，此外多种角度的研究也为椰子水在医疗上的使用提供了理论依据。实验室电解质分析结果表明，椰子水所含的电解质组成与人类细胞类似，并且有着和血浆相近的比重[12]。生理研究显示，尽管椰子水的pH（4.5～5.2）[13]比人体血浆偏低，但人体的缓冲系统可以有效地中和椰子水的酸度[14]。临床研究证实，新鲜嫩椰子可以作为一种输液的液源直接输入人体内并且几乎不会带来副作用[15-16]。

尽管有很多椰子水用于静脉输液的案例，也有一些研究报道了椰子水可以在医疗上使用的理由，但大都是从生理学和营养学角度，而椰子水的理化性质以及作用机理的报道相对很少。以电磁场与物质相互作用为基础的介电谱（RS）方法已用于医药医疗领域，例如Beena T等[17]用RS研究药物盐酸土霉素在乙醇中的介电行为；我们[18]也曾对装载有模拟药物分子的壳聚糖微球进行了其药物释放过程的实时介电监测的研究。本文研究了椰子水的宽频介电行为，并与和血浆有着相同渗透压的生理盐水进行对比，并讨论椰子水生理盐水在微波段的弛豫行为和射频段的电导率行为的相似性，为椰子水作为注射液提供新的介电依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

椰子水样品来源于超市购买的普通海南高种椰子，根据文献[1]，成熟椰子水的组成成分如表1。蔗糖（分析纯）购于北京化工厂，生理盐水（0.9% NaCl）购于石家庄四药有限公司。实验中均使用二次蒸馏水。

1.2 方法

1.2.1 样品配制 为检测椰子水与生理盐水在介电性质上的差异，在椰子水、纯水和生理盐水中分别加入不同质量的蔗糖，配置一系列不同蔗糖浓度 [0、0.5、1、2、3、4、5和6 g/（100 mL）]的混合液。

1.2.2 介电测量 介电测量是由4294A型精密阻抗分析仪和E8263B PNA型网络分析仪分别完成的。4294A用于测量40Hz-800MHz的射频介电数据，测量池为圆筒式铂电极玻璃测量池，测得不同频率下的电容（C）和电导（G）值， 根据Schwan[19]方法经标准溶液校正得到测量池的池常数Cl、浮游电容Cr和自感系数Lr，进一步校正得到样品的真实电容（Cs）和电导（Gs）值。根据ε=Cs/Cl和κ=ε0Gs/Cl（式中为真空介电常数），将Cs和Cs转化为介电常数和电导率κ。200 MHz至40 GHz微波段的介电数据是由E8263B PNA，配备Agilent85070E同轴探针完成的。直接将探针插入在烧杯中盛放的样品，不同频率下的介电常数和介电损失由仪器自动计算而得。

2 结果与分析

2.1 蔗糖与纯水、生理盐水以及椰子水混合液的微波介电谱

图1-a、b和c分别是不同蔗糖含量的纯水、生理食盐水以及椰子水的介电损失谱图。从它们的介电损失谱中可以看出蔗糖-纯水、蔗糖-生理盐水以及蔗糖-椰子水3个体系都在微波领域有1个与水分子的极化相关的弛豫[20]。而且随着糖含量增加，生理盐水和椰子水的介质损失随蔗糖含量的增大而减小（红箭头），这与离子的导电机制有关[21]：加入蔗糖增加了生理盐水和椰子水的粘度，从而阻碍了离子的迁移运动。因此，随着蔗糖含量的增加，离子电导在损耗机理中发挥的作用也越来越弱[22]。

为了更清楚的了解生理盐水和椰子水的相似性，将蔗糖含量为6 g/（100 mL）（本研究的最大蔗糖含量）的纯水、生理盐水和椰子水三种溶液的介电损失谱图进行比较，见图2。可以看出，在较低的微波段，生理盐水和椰子水的介电性质相近，而纯水的则完全不同，另外，蔗糖的对它们的介电行为影响不大（空心点和实心点基本重合）；在高频13.9GHz附近，两者都有一个与水分子偶极极化相关的弛豫（箭头）。该弛豫包含了两部分的贡献，分别源于分峰的图3[蔗糖含量为6 g/（100 mL）的椰子水和生理盐水，其它各蔗糖含量的分峰结果与图3相似]所表示的位于较高频率处的自由水分子和较低频率处的结合水分子的偶极取向极化。结合水是源于椰子水中含有的少量蛋白质、脂肪、纤维分子[1]与部分水分子的作用，这种结合的水分子取向变慢，因此弛豫频率低于自由水分子。从图3还可以看到，无论是生理盐水或椰子水，自由水和结合水的弛豫强度都不受蔗糖加入的影响。这表明，尽管椰子水相对于生理盐水来讲，含有糖类及少量的天然高分子物质等复杂的分子，但是这些分子对水的作用影响不大。这在一定程度上（至少从介电角度）说明了代替生理盐水进行静脉注射时，椰子水可能不会影响生命体中的水分子参与生命代谢活动，因而可以安全的代替生理盐水进行输液。

2.2 椰子水-蔗糖、生理盐水-蔗糖混合液的电导率

图4a-c是不同蔗糖含量的纯水、椰子水和生理盐水的射频电导率谱图。值得注意的是，椰子水（b）和生理盐水（c）的蔗糖溶液在低频段的电导率随频率增加有着较大幅度的增大，而在高频段则随蔗糖含量的增加而减小（如箭头所示），这是因为不导电的蔗糖的加入增大了溶液的粘度使得椰子水-蔗糖溶液的导电性降低。除此之外，图4-d指出，加入蔗糖后生理盐水和椰子水的的电导率相近，且高于纯水约3个数量级，说明椰子水和生理盐水中的电解质对导电性贡献基本相同，这证明了椰子水和生理盐水在电性质上的相似性。

进一步，为了考察蔗糖的含量与纯水、椰子水和生理盐水的电导率依存性以及椰子水和生理盐水导电行为的形似程度，我们分别取5 MHz频率下的不同蔗糖含量的3种溶液的电导率值（κn， n代表蔗糖含量）与相同频率下无蔗糖溶液的电导率（κ0）做比（κn/κ0），并对添加的蔗糖含量作图。图5表明，生理盐水和椰子水的κn/κ0-c（蔗糖）关系都用直线被很好的拟合了，见公式（1～2）。在实验的蔗糖含量范围内，κn/κ0比值小于1说明蔗糖的加入使得电导率降低，这是合理的，因为非导电的蔗糖分子的比例增大以及粘度增加，都会降低溶液电导。

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）

对于纯水-蔗糖溶液，κn/κ0在0.55～0.75之间波动。然而，相同的蔗糖含量下，椰子水-蔗糖和生理盐水-蔗糖溶液的κn/κ0则非常接近并且都有着很明显的蔗糖依存性，这意味着椰子水中各种离子的总量与生理水中的离子起到相似的导电效果，因为溶液电导率的大小与存在于其中的离子数目和离子迁移率有关。生理盐水中起导电作用的是氯化钠，含量为0.9%。而椰子水中的导电离子主要为钾、钠、钙等无机元素，尽管导电离子总量仅占椰子水的0.4%[1]，但由于钾离子迁移率比钠离子大，并且占总导电离子含量的2/3以上，这使得椰子水和生理盐水有着相近的电导率。同时，椰子水含有约0.1%的氨基酸维生素等弱酸弱碱，随着蔗糖含量的增加，这些物质的解离程度降低，使得椰子水电导率的减小程度总是比生理盐水大，但是二者差异极其微小。因此，二者对维持人体中电解质平衡和渗透平衡可以起到相同的作用，这也是椰子水可替代生理水进行输液的原因。

3 讨论与结论

本文通过测量并解析含有不同量蔗糖的纯水、生理盐水和椰子水的介电谱图发现，椰子水具有和生理盐水相近的导电性。生理盐水与椰子水在微波段的相近弛豫特征表明，椰子水中除电解质以外的其他复杂物质不会影响生理过程中水分子的作用。生理盐水与椰子水的电导率与蔗糖含量的依存关系说明，尽管二者参与导电的物质即电解质种类不同，但椰子水的电解质（亦是人体营养物质）与生理盐水对血浆渗透压的贡献是一样的。由于椰子水可以为人体提供营养物质且能维持体内电解质平衡等生命过程，因此可用来作为生理盐水的替代品对人体进行输液。本研究从物质相互作用的微观角度对输液物质（生理盐水和椰子水）中的水分子和其它营养物质的生理功能提供了一种理解。

致谢 感谢北京师范大学地理与遥感学院的赵少杰老师在高频测量上提供的仪器帮助。

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