謝 軍,孫曉紅,潘迎捷,趙 勇

(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海 201306)

酸性電解水及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用

謝 軍,孫曉紅,潘迎捷,趙 勇＊

(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海 201306)

酸性電解水(AEW)是稀釋的鹽溶液通過電解槽電解,在陽極生成的具有氧化能力的電解水。其中電解槽的陽極和陰極被隔膜隔開。酸性電解水具有低 pH(2.3～2.7)、高氧化還原電位(ORP,＞1100mV)和一定的有效氯含量。與傳統(tǒng)的消毒劑相比,酸性電解水具有殺菌高效、操作簡便、安全環(huán)保等優(yōu)點。作為一種新型的消毒劑,它在醫(yī)療、食品加工、農(nóng)業(yè)與環(huán)保等行業(yè)廣泛應(yīng)用。該文概述了AEW的生成原理與特性、優(yōu)缺點、殺菌效果與機理。介紹了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用以及存在的問題,同時展望了AEW的應(yīng)用前景。

酸性電解水,消毒劑,食品工業(yè),應(yīng)用

酸性電解水是一種無色透明的液體,具有氯味,其氧化還原電位 (oxidation reduction potential,ORP)在 1100mV以上,pH在 2.3～2.7之間,有效氯含量一般為 30～70mg/L。主要生成物為 HC lO、Cl2、HCl、[O]和 H2O2等。

2 酸性電解水的殺菌效果與機理

一般說來,使用酸性電解水殺滅純培養(yǎng)的細菌,可使多種細菌減少量超過 6.0log CFU/mL。但 AEW的殺菌效果受到多個因素的影響,如有效氯含量、保存條件、殺菌溫度、光照、攪拌和有機物等。由于研究對象的不同,不同研究者的研究結(jié)果存在一定的差異。如 Fenner D C[5]等發(fā)現(xiàn)不同細菌種屬對 AEW敏感度有顯著差異,奇異變形桿菌和金黃色葡萄球菌比人鳥分枝桿菌亞種、綠膿桿菌銅綠微囊藻和腸球菌對 AEW更敏感。Park H[6]等對初始菌數(shù)為8.0log CFU/mL的產(chǎn)氣腸桿菌和 8.04log CFU/mL的金黃色葡萄球菌用含 25mg/L或 50mg/L有效氯的AEW處理 30s,結(jié)果產(chǎn)氣大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌數(shù)減少量超過 9log CFU/mL。金黃色葡萄球菌比產(chǎn)氣腸桿菌對含 10mg/L有效氯的稀釋AEW更具有抗性,用含 10mg/L有效氯的AE W處理 30s后,產(chǎn)氣腸桿菌的數(shù)量減少到不可檢測的水平;金黃色葡萄球菌存活的數(shù)量為 3.9log CFU/mL。K im C[7]等用含 10mg/L有效氯的AEW處理植物60s,可將大腸桿菌O157：H7、單增李斯特菌和蠟狀芽孢桿菌數(shù)量減少到不可檢測的水平。

對于AEW的殺菌機理,目前主要從AE W殺菌的主要因素包括 pH、ORP和有效氯含量對微生物細胞的形態(tài)、微生物的代謝及生理生化的影響的角度開展研究。研究的理論基礎(chǔ)如下：a.pH：絕大多數(shù)微生物的最適 pH在 7.2左右(6.6～7.5),而AEW的 pH為 2.3～2.7,會嚴重破壞微生物細胞膜結(jié)構(gòu),使細胞膜通透性增加,代謝過程受阻,導(dǎo)致死亡。b.ORP：好氣性微生物適宜生存的ORP范圍是 +200～+800mV,厭氣性微生物為-700～+200mV,而新制備AEW的ORP高達 1100mV,可改變細胞內(nèi)電子流動,嚴重影響微生物的能量代謝與 ATP的產(chǎn)生[8]。c.HC lO：電解質(zhì)溶液中的 Cl離子在陽極被氧化為 Cl2后形成 HC lO, HC lO具有強氧化性,從而起到殺菌作用。同時堀田國元的實驗表明[9],堿性電解水的 pH(10.0～11.5)與ORP(-400mV以下)也在微生物生存適宜的范圍之外,但僅表現(xiàn)出微弱的殺菌能力。當(dāng)電解水的 pH與ORP不變,有效氯濃度下降時,則其殺菌能力顯著降低。而用 Na2SO4代替 NaCl生產(chǎn)得到的 AE W的殺菌能力較弱,因此認為AE W的殺菌成分主要是有效氯。目前可以肯定的一點是,AEW的殺菌能力與pH、ORP、HC lO或活性氧等因素都有關(guān)。但至于哪個因素起主要作用,可能因殺菌對象和細菌載體的不同存在差異。具體的殺菌機理有待深入研究。

3 酸性電解水的優(yōu)點和缺點

相對于其他傳統(tǒng)的消毒技術(shù),AE W有減少清洗時間,可現(xiàn)場生產(chǎn),操作簡便,無毒副作用,相對便宜的優(yōu)點[10]。但 AEW的主要優(yōu)點是安全性好。一方面,盡管它是強酸,但它不同于鹽酸或硫酸,因為它不腐蝕皮膚或粘膜。另一方面,AE W含有大量短壽命的殺菌成分,它們?nèi)菀资軙r間、光照、空氣及接觸介質(zhì)的影響而很快降解,在環(huán)境中殘留少;當(dāng) AEW和有機物接觸時,或被自來水稀釋時,它能夠再次還原為普通的水。因此,它對人的健康和環(huán)境都無害,安全性好。另外,有研究表明 AE W的使用是安全的。日本學(xué)者小宮山寬機[11]等從老鼠、哺乳動物到人類志愿者進行了皮膚刺激性實驗、皮膚過敏實驗、口腔粘膜刺激實驗、急性眼刺激實驗、細胞毒性實驗、染色體異常實驗及微核實驗等多種安全性實驗,發(fā)現(xiàn)所觀測各項指標均無顯著變化。

當(dāng)然,任何消毒劑都可能會有相應(yīng)的缺點。酸性電解水也不例外。AE W的缺點是其消毒效果易受時間、光照、空氣及接觸介質(zhì)的影響。如前所述由于AE W中含有短壽命的殺菌成分,安全性好,但同時這也是AE W的弱點。因為這些殺菌成分易受時間、光照、空氣及接觸介質(zhì)的影響,導(dǎo)致AE W殺菌能力的降低[12]。而且AE W的強酸性可能會導(dǎo)致一些金屬材料的腐蝕。

4 酸性電解水在食品工業(yè)中的應(yīng)用

4.1 用于食品加工設(shè)備的殺菌

在食品工業(yè)中不銹鋼經(jīng)常用作食品加工接觸面材料。Ayebah B[13]等研究認為AE W(pH為 2.42,ORP為 1077mV和有效氯含量為 50mg/L)和化學(xué)改性的酸性電解水(pH為6.12,ORP為774mV和有效氯含量為50mg/L)在 8d內(nèi)對不銹鋼沒有產(chǎn)生任何不利影響。Walker S P[14-15]等研究了酸性電解水對擠奶系統(tǒng)中的管道減菌的效果,先用 60℃的AE W清洗 10min,然后用 60℃的堿性電解水清洗 10min,結(jié)果表明,AE W能成功除去非多孔牛奶接觸面中以前被檢出的各種細菌; ATP殘留實驗結(jié)果均為陰性。認為酸性電解水有潛力在農(nóng)場擠奶設(shè)施的自動清洗系統(tǒng)中用作清潔消毒劑。

4.2 用于蔬菜殺菌

使用AEW處理蔬菜能有效減少其表面病原菌。Koseki S[16]等用堿性電解水 (pH為 11.3,ORP為-870mV)清洗黃瓜 5min,然后浸泡在 AEW(pH為2.6,ORP為 1130mV,有效氯含量為 30mg/L)中5min,發(fā)現(xiàn)好氧嗜溫菌數(shù)量減少了。這種處理方法比只浸泡在AEW(30mg/L有效氯)、臭氧水 (5mg/L臭氧)或次氯酸鈉溶液 (150mg/L有效氯)10min,每根黃瓜多減少的菌數(shù)超過 2log CFU。Park C M[17]等用AEW以 100r/min的轉(zhuǎn)速攪拌清洗萵筍 3min能顯著減少大腸桿菌O157：H7和單增李斯特菌的數(shù)量,用AEW(45mg/L有效氯)以 100r/min的轉(zhuǎn)速攪拌處理萵苣 3min,則顯著減少了每片萵苣葉上大腸桿菌O157：H7和單增李斯特菌的數(shù)量分別為 2.41log CFU和 2.65log CFU。Koseki S,Itoh K[12]建議用于保存配送的鮮切蔬菜的最適溫度是 1℃,該溫度下能顯著減少微生物數(shù)量。同時認為冰是保存新鮮產(chǎn)品和魚類的一種廉價的物質(zhì)。

4.3 用于水果殺菌

采后水果的腐爛導(dǎo)致果業(yè)的大量經(jīng)濟損失。在研究AE W對水果的表面消毒中,Al-Haq M I[18]等發(fā)現(xiàn)AE W能預(yù)防桃腐爛,而且它能用作液態(tài)殺菌劑的一種重要的替代品。Al-Haq M I[19]等隨后發(fā)現(xiàn)AE W僅能作用于梨表層的干腐病菌,但不能控制進入水果超過2mm深的細菌的生長。處理后的水果中沒有觀察到氯損傷。用含有 200mg/L和 444mg/L有效氯的AE W能顯著減少西紅柿表面大腸桿菌O157：H7,腸炎沙門氏菌和單增李斯特菌的數(shù)量,且不影響其感官品質(zhì)[20-21]。OkullD O,Laborde L F[22]用含 60mg/L有效氯的 100%和50%的AE W能分別降低水懸浮液和受損蘋果中擴展青霉的活孢子數(shù) 4log和 2log單位。

4.4 用于肉類殺菌

酸性電解水在肉類殺菌的應(yīng)用,國內(nèi)未見相關(guān)的報道。國外 Russell SM[23]研究發(fā)現(xiàn)帶有靜電噴涂系統(tǒng)的AEW(pH為2.1,ORP為1150mV和有效氯含量為 8mg/L)能完全殺滅雞蛋殼中的沙門氏菌、金黃色葡萄球菌和單增李斯特菌,從而避免了傳統(tǒng)消毒劑如甲醛、戊二醛氣體和霧狀過氧化氫對人和雞健康可能造成的危害。Fabrizio KA,Cutter C N[24]考察了用AE W噴洗 15s來消毒豬肚,研究人員事先在豬肚的排泄物中接種有單增李斯特菌、傷寒沙門氏菌和彎曲大腸桿菌,結(jié)果發(fā)現(xiàn)用AEW(pH為 2.4,ORP為 1160mV和有效氯含量為 50mg/L)對豬肉表面噴洗 15s能分別減少單增李斯特菌、傷寒沙門氏菌和彎曲大腸桿菌的數(shù)量 1.23,1.67和 1.81個對數(shù)單位。該研究者認為更長的殺菌接觸時間可能會增強消毒效果。另外,在牛屠宰前通常要對牛的體表進行消毒。Bosilevac J M[25]等指出在 60℃下連續(xù)地使用含70mg/L有效氯的 AEW和堿性電解水噴灑 10s,可使牛體表的好氧細菌數(shù)減少了 3.5log CFU/100cm2,腸桿菌數(shù)減少了 4.3log CFU/100cm2。為了考察酸性電解水對肉類感官的影響,Fabrizio K A,Cutter C N[26]用AEW(pH為 2.3,ORP為 1150mV和有效氯含量為45mg/L)和堿性電解水浸泡或噴灑污染有單增李斯特菌的法蘭克福香腸和火腿 30min,然后在 4℃下保存 7d后進行色差的測定。結(jié)果發(fā)現(xiàn) Hunter L＊,a＊, b＊值的不同處理組間沒有顯著的差異 (p＜0.05)。表明AE W對即食肉的表面沒有漂白作用。

4.5 用于水產(chǎn)品的殺菌

水產(chǎn)品是沿海地區(qū)人們經(jīng)常消費的一類食品,高效安全殺菌消毒劑的選擇是水產(chǎn)品安全控制的一個重要環(huán)節(jié)。國外有人進行了酸性電解水在水產(chǎn)品應(yīng)用的相關(guān)研究。Ozer N P,Demirci A[27]研究發(fā)現(xiàn)在35℃下使用AE W(pH為2.6,ORP為1150mV和有效氯含量為 90mg/L)處理生魚片 64min,分別使大腸桿菌和單增李斯特菌減少了 1.07log CFU/g(91.1%)和 1.12log CFU/g(92.3%)。在冷藏和冷凍儲存中為了延長黃鰭金槍魚 (黃鰭金槍魚)的貨架期,通常把AEW和一氧化碳氣體結(jié)合起來使用。Huang Y R[28]等報道說,含 100mg/L有效氯的AEW和一氧化碳氣體相結(jié)合處理金槍魚可以迅速降低好氧平板菌數(shù)。將金槍魚魚排用 AEW(含 50mg/L或 100mg/L有效氯)結(jié)合 CO氣體處理是改善金槍魚肉的衛(wèi)生質(zhì)量和鮮度、延長冷藏時間的一個有效的方法。

5 存在的問題和展望

酸性電解水作為新型殺菌消毒劑,目前在食品工業(yè)中應(yīng)用廣泛,但仍存在一些問題。包括如何進一步揭示酸性電解水的殺菌機理?如何進一步降低酸性電解水的使用成本?如何改進技術(shù)生產(chǎn)出大型的酸性電解水生產(chǎn)設(shè)備以滿足大型食品加工廠對消毒劑的需求?如何采用合適的方法將AEW在食品加工廠中推廣?如何促進AEW在 G MP、SSOP系統(tǒng)和 HACCP體系中的應(yīng)用?此外,由于有機物對AEW的殺菌效果影響較大,而食品基質(zhì)和食品加工環(huán)境存在大量的有機物,因此有必要探索新的技術(shù)來避免或消除有機物的影響。

盡管存在上述問題,AEW較傳統(tǒng)殺菌消毒劑仍具有明顯優(yōu)勢：可高效廣譜殺滅病菌;可現(xiàn)場生產(chǎn),操作簡便;生產(chǎn)時不必添加大量化學(xué)藥劑,既節(jié)省了化工原料,又降低了環(huán)境污染;在使用后可以還原為普通水,在環(huán)境中無殘留,既環(huán)保又安全。隨著人們對AEW認識的提高和對AEW研究的不斷深入,它在食品工業(yè)領(lǐng)域必將有更廣闊的應(yīng)用前景。

[1]黃吉誠 .電解氧化水的殺菌效果觀察[J].中國食品衛(wèi)生雜志,1998,10(6)：12.

[2]龔泰石 .強酸性電解水的殺菌研究進展[J].解放軍預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志,2001,19(5)：388-390.

[3]Huang Y R,Hsieh H S,Lin S Y,et al.Application of electrolyzed oxidizing wateron the reduction ofbacterial contamination for seafood[J].Food Control,2006,17：987-993.

[4]耿彥生,賈東明 .高氧化還原電位酸性水的殺菌作用及應(yīng)用[J].河北職工醫(yī)學(xué)院學(xué)報,2002,19(3)：38-39.

[5]FennerD C,BürgeB,KayserH P,et al.The anti-microbial activity of electrolyzed oxidizing water against micro-organisms relevant in veterinary medicine[J].J Vet Med B,2006,53：133-137.

[6]Park H,Hung Y C,Kim C.Effectiveness of electrolyzed water as a sanitizer for treating different surfaces[J].J Food Prot, 2002,65：1276-1280.

[7]K im C,Hung Y,Brackett R E.Roles of oxidation reduction potential in electrolyzed oxidizing and chemically modified water for the inactivation of food-related pathogens[J].J Food Prot, 2000b,63：19-24.

[8]Huang Y R,Hung Y C,Hsu S Y,et al.Application of electrolyzed water in the food industry[J].Food Control,2008, 19：329-345.

[9]堀田國元 .強酸性電解水の殺菌機構(gòu)と應(yīng)用[J].食品と開發(fā),1998,33(3)：5.

[10]Tanaka N,Fujisawa T,Da imon T,et al.The effect of electrolyzed strong acid aqueous solution on hemodialysis equipment[J].ArtificialOrgans,1999,23：1055-1062.

[11]小宮山寬機 .電解水の安全性[J].食品と開發(fā),1998,33 (3)：8.

[12]Koseki S,Itoh K.Prediction of microbial growth in freshcut vegetables treatedwith acidic electrolyzedwater during storage under various temperature conditions[J].Journal of Food Protection,2001,64：1935-1942.

[13]Ayebah B,HungY C.Electrolyzed water and its corrosiveness on various surface materials commonly found in food processing facilities[J].Journal of Food Process Engineering, 2005,28：247-264.

[14]Walker S P,Demirci A,Graves R E,et al.Cleaning milking systemsusing electrolyzed oxidizing water[J]. Transactions ofASAE,2005a,48：1827-1833.

[15]Walker S P,DemirciA,Graves R E,et al.CIP cleaning of a pipeline milking system using electrolyzed oxidizing water[J]. International Journal ofDairy Technology,2005b,58：65-73.

[16]Koseki S,Yoshida K,Isobe S,et al.Efficacy of acidic electrolyzed water formicrobial decontamination of cucumbers and strawberries[J].Journal of Food Protection,2004b,67：1247 -1251.

[17]Park CM,Hung Y C,DoyleM P,et al.Pathogen reduction and quality of lettuce treated with electrolyzed oxidizing and acidified chlorinated water[J].Journal of Food Science,2001, 66：1368-1372.

[18]Al-Haq M I,Seo Y,Oshita S,et al.Fungicidal effectiveness of electrolyzed oxidizingwater on post harvest brown rot of peach[J].Horticultural Science,2001,36：1310-1314.

[19]Al-HaqM I,Seo Y,Oshita S,et al.Disinfection effects of electrolyzed oxidizingwater on suppressing fruit rotof pear caused byBotryosphaeria berengeriana[J].Food Research International, 2002,35：657-664.

[20]Bari M L,Sabina Y, Isobe S,et al.Effectiveness of electrolyzed acidic water in killingEscherichia coliO157：H7, Salm onella Enteritidis,andListeria m onocytogeneson the surfaces of tomatoes[J].Journal of Food Protection,2003,66,542-548.

[21]Deza M A,Araujo M,Garrido M J.Inactivation of Escherichia coliO157：H7,Salm onella Enteritidis,andListeria m onocytogeneson the surfaces of tomatoes by neutral electrolyzed water[J].Letters in AppliedMicrobiology,2003,37,482-487.

[22]Okull D O,Laborde L F.Activity of electrolyzed oxidizing water againstPenicilium expansumon suspension and on wounded apples[J].Journal of Food Science,2004,69：23-27.

[23]Russell S M.The effect of electrolyzed oxidative water applied using electrostatic spraying on pathogenic and indicator bacteria on the surface of eggs[J].Poultry Science,2003,82：158-162.

[24]Fabrizio K A,Cutter C N.Comparison of electrolyzed oxidizing water with other antimicrobial interventions to reduce pathogens on fresh pork[J].Meat Science,2004,68：463-468.

[25]Bosilevac J M,Shackelford S D,Brichta D M,et al. Efficacy ofozonated and electrolyzed oxidative waters to decontaminate hides of cattle before slaughter[J].Journal of Food Protection,2005,68：1393-1398.

[26]Fabrizio K A,Cutter C N.Application of electrolyzed oxidizingwater to reduceListeria monocytogeneson ready-to-eat meats[J].Meat Science,2005,71：327-333.

[27]OzerN P,DemirciA.Electrolyzed oxidizingwater treatment for decontamination of raw salmon inoculated withEscherichia coli O157：H7 andListeria monocytogenes ScottA and response surface modeling[J].Journal of Food Engineering,2006,72：234-241.

[28]Huang Y R,Shiau C Y,Hung Y C,et al.Change of hygienic quality and freshness in Tuna treated with electrolyzed oxidizing water and carbon monoxide gas during refrigerated and frozen storage[J].Journal of Food Science,2006b,71：127-133.

Acidic electrolyzed water and its application in the food industry

XIE Jun,SUN X iao-hong,PAN Y ing-jie,ZHAO Yong＊
(College of Food Science and Technology,ShanghaiOcean University,Shanghai 201306,China)

Ac id ic e lec trolyzed wa te r(AEW)is p roduced by p ass ing a d iluted sa lt solution through an e lec trolytic ce ll,w ithin which the anode and ca thode a re sep a ra ted by a m em b rane.AEW,w ith low pH (2.3～2.7),high oxida tion reduc tion p otentia l(ORP, ＞1100mV),conta ins free chlorine, is p roduced from anode s ide.AEW exhib its the follow ing advantages ove r othe r trad itiona l d is infec tant：high effec tiveness,easy op e ra tion,safe ty and environm enta lly friend ly.As a new typ e of d is infec tant,it is w ide ly used in the m ed ica l trea tm ent,food p rocess ing, ag riculture and environm enta l p rotec tion and othe r indus tries.The gene ra tion p rinc ip les and cha rac te ris tics of AEW,the advantages and d isadvantages and the bac te ric ida l effec t and m echanism of AEW we re summ a rized, the app lica tion ofAEW in the food indus try and p rob lem s we re introduced,and the p rosp ec twas forecas ted.

AEW;d is infec tant;food indus try;app lica tion

TS201.1

A

1002-0306(2010)02-0366-04

酸性電解水(acidic electrolyzed water,AE W)是近年來由日本開發(fā)的一種新的消毒水,是電解質(zhì)溶液通過特定電解槽電解后,取得的具有氧化能力的酸性水,也被稱為電解氧化水[1]。隨著電解水消毒技術(shù)在食品行業(yè)的廣泛應(yīng)用和相關(guān)研究的不斷深入,人們在肯定其消毒效果的同時,也提出了一些新的亟待解決的問題。2001年龔泰石[2]綜述了強 AE W的消毒研究進展。筆者對AE W的生成原理與特性、殺菌效果與機理及在食品工業(yè)中的應(yīng)用等作以介紹,旨在為食品企業(yè)應(yīng)用AE W消毒及相關(guān)研究人員提供理論參考。

1 酸性電解水的生成原理與特性

AE W是由二槽隔膜式電解水生成裝置電解含電解質(zhì)的水后生成的具有氧化能力的酸性水,實際生產(chǎn)中為了增強電解水的性質(zhì)常在水源中添加 0.1%的食鹽水。將水源注入電解水生成裝置后,水在電極及陰陽離子交換膜的作用下分別在兩個槽內(nèi)形成強酸性電解水與強堿性電解水,所發(fā)生反應(yīng)如下[2-4]：

2009-03-11 ＊通訊聯(lián)系人

謝軍(1985-),男,在讀碩士研究生,從事食品安全與食品生物技術(shù)等方面的研究。

國家 863計劃重點項目(2008AA100804);上海市科委重大科技攻關(guān)項目(07dz19508);上海市科技興農(nóng)重點攻關(guān)項目(滬農(nóng)科攻字 2005第 4-2號;滬農(nóng)科攻字 2006第 10-5號);上海市青年科技啟明星計劃資助項目(07QA14047)。