酸性电解水及其在食品工业中的应用

谢 军,孙晓红,潘迎捷,赵 勇

(上海海洋大学食品学院,上海 201306)

酸性电解水及其在食品工业中的应用

谢 军,孙晓红,潘迎捷,赵 勇＊

(上海海洋大学食品学院,上海 201306)

酸性电解水(AEW)是稀释的盐溶液通过电解槽电解,在阳极生成的具有氧化能力的电解水。其中电解槽的阳极和阴极被隔膜隔开。酸性电解水具有低 pH(2.3～2.7)、高氧化还原电位(ORP,＞1100mV)和一定的有效氯含量。与传统的消毒剂相比,酸性电解水具有杀菌高效、操作简便、安全环保等优点。作为一种新型的消毒剂,它在医疗、食品加工、农业与环保等行业广泛应用。该文概述了AEW的生成原理与特性、优缺点、杀菌效果与机理。介绍了其在食品工业中的应用以及存在的问题,同时展望了AEW的应用前景。

酸性电解水,消毒剂,食品工业,应用

酸性电解水是一种无色透明的液体,具有氯味,其氧化还原电位 (oxidation reduction potential,ORP)在 1100mV以上,pH在 2.3～2.7之间,有效氯含量一般为 30～70mg/L。主要生成物为 HC lO、Cl2、HCl、[O]和 H2O2等。

2 酸性电解水的杀菌效果与机理

一般说来,使用酸性电解水杀灭纯培养的细菌,可使多种细菌减少量超过 6.0log CFU/mL。但 AEW的杀菌效果受到多个因素的影响,如有效氯含量、保存条件、杀菌温度、光照、搅拌和有机物等。由于研究对象的不同,不同研究者的研究结果存在一定的差异。如 Fenner D C[5]等发现不同细菌种属对 AEW敏感度有显著差异,奇异变形杆菌和金黄色葡萄球菌比人鸟分枝杆菌亚种、绿脓杆菌铜绿微囊藻和肠球菌对 AEW更敏感。Park H[6]等对初始菌数为8.0log CFU/mL的产气肠杆菌和 8.04log CFU/mL的金黄色葡萄球菌用含 25mg/L或 50mg/L有效氯的AEW处理 30s,结果产气大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌数减少量超过 9log CFU/mL。金黄色葡萄球菌比产气肠杆菌对含 10mg/L有效氯的稀释AEW更具有抗性,用含 10mg/L有效氯的AE W处理 30s后,产气肠杆菌的数量减少到不可检测的水平;金黄色葡萄球菌存活的数量为 3.9log CFU/mL。K im C[7]等用含 10mg/L有效氯的AEW处理植物60s,可将大肠杆菌O157：H7、单增李斯特菌和蜡状芽孢杆菌数量减少到不可检测的水平。

对于AEW的杀菌机理,目前主要从AE W杀菌的主要因素包括 pH、ORP和有效氯含量对微生物细胞的形态、微生物的代谢及生理生化的影响的角度开展研究。研究的理论基础如下：a.pH：绝大多数微生物的最适 pH在 7.2左右(6.6～7.5),而AEW的 pH为 2.3～2.7,会严重破坏微生物细胞膜结构,使细胞膜通透性增加,代谢过程受阻,导致死亡。b.ORP：好气性微生物适宜生存的ORP范围是 +200～+800mV,厌气性微生物为-700～+200mV,而新制备AEW的ORP高达 1100mV,可改变细胞内电子流动,严重影响微生物的能量代谢与 ATP的产生[8]。c.HC lO：电解质溶液中的 Cl离子在阳极被氧化为 Cl2后形成 HC lO, HC lO具有强氧化性,从而起到杀菌作用。同时堀田国元的实验表明[9],碱性电解水的 pH(10.0～11.5)与ORP(-400mV以下)也在微生物生存适宜的范围之外,但仅表现出微弱的杀菌能力。当电解水的 pH与ORP不变,有效氯浓度下降时,则其杀菌能力显著降低。而用 Na2SO4代替 NaCl生产得到的 AE W的杀菌能力较弱,因此认为AE W的杀菌成分主要是有效氯。目前可以肯定的一点是,AEW的杀菌能力与pH、ORP、HC lO或活性氧等因素都有关。但至于哪个因素起主要作用,可能因杀菌对象和细菌载体的不同存在差异。具体的杀菌机理有待深入研究。

3 酸性电解水的优点和缺点

相对于其他传统的消毒技术,AE W有减少清洗时间,可现场生产,操作简便,无毒副作用,相对便宜的优点[10]。但 AEW的主要优点是安全性好。一方面,尽管它是强酸,但它不同于盐酸或硫酸,因为它不腐蚀皮肤或粘膜。另一方面,AE W含有大量短寿命的杀菌成分,它们容易受时间、光照、空气及接触介质的影响而很快降解,在环境中残留少;当 AEW和有机物接触时,或被自来水稀释时,它能够再次还原为普通的水。因此,它对人的健康和环境都无害,安全性好。另外,有研究表明 AE W的使用是安全的。日本学者小宫山宽机[11]等从老鼠、哺乳动物到人类志愿者进行了皮肤刺激性实验、皮肤过敏实验、口腔粘膜刺激实验、急性眼刺激实验、细胞毒性实验、染色体异常实验及微核实验等多种安全性实验,发现所观测各项指标均无显著变化。

当然,任何消毒剂都可能会有相应的缺点。酸性电解水也不例外。AE W的缺点是其消毒效果易受时间、光照、空气及接触介质的影响。如前所述由于AE W中含有短寿命的杀菌成分,安全性好,但同时这也是AE W的弱点。因为这些杀菌成分易受时间、光照、空气及接触介质的影响,导致AE W杀菌能力的降低[12]。而且AE W的强酸性可能会导致一些金属材料的腐蚀。

4 酸性电解水在食品工业中的应用

4.1 用于食品加工设备的杀菌

在食品工业中不锈钢经常用作食品加工接触面材料。Ayebah B[13]等研究认为AE W(pH为 2.42,ORP为 1077mV和有效氯含量为 50mg/L)和化学改性的酸性电解水(pH为6.12,ORP为774mV和有效氯含量为50mg/L)在 8d内对不锈钢没有产生任何不利影响。Walker S P[14-15]等研究了酸性电解水对挤奶系统中的管道减菌的效果,先用 60℃的AE W清洗 10min,然后用 60℃的碱性电解水清洗 10min,结果表明,AE W能成功除去非多孔牛奶接触面中以前被检出的各种细菌; ATP残留实验结果均为阴性。认为酸性电解水有潜力在农场挤奶设施的自动清洗系统中用作清洁消毒剂。

4.2 用于蔬菜杀菌

使用AEW处理蔬菜能有效减少其表面病原菌。Koseki S[16]等用碱性电解水 (pH为 11.3,ORP为-870mV)清洗黄瓜 5min,然后浸泡在 AEW(pH为2.6,ORP为 1130mV,有效氯含量为 30mg/L)中5min,发现好氧嗜温菌数量减少了。这种处理方法比只浸泡在AEW(30mg/L有效氯)、臭氧水 (5mg/L臭氧)或次氯酸钠溶液 (150mg/L有效氯)10min,每根黄瓜多减少的菌数超过 2log CFU。Park C M[17]等用AEW以 100r/min的转速搅拌清洗莴笋 3min能显著减少大肠杆菌O157：H7和单增李斯特菌的数量,用AEW(45mg/L有效氯)以 100r/min的转速搅拌处理莴苣 3min,则显著减少了每片莴苣叶上大肠杆菌O157：H7和单增李斯特菌的数量分别为 2.41log CFU和 2.65log CFU。Koseki S,Itoh K[12]建议用于保存配送的鲜切蔬菜的最适温度是 1℃,该温度下能显著减少微生物数量。同时认为冰是保存新鲜产品和鱼类的一种廉价的物质。

4.3 用于水果杀菌

采后水果的腐烂导致果业的大量经济损失。在研究AE W对水果的表面消毒中,Al-Haq M I[18]等发现AE W能预防桃腐烂,而且它能用作液态杀菌剂的一种重要的替代品。Al-Haq M I[19]等随后发现AE W仅能作用于梨表层的干腐病菌,但不能控制进入水果超过2mm深的细菌的生长。处理后的水果中没有观察到氯损伤。用含有 200mg/L和 444mg/L有效氯的AE W能显著减少西红柿表面大肠杆菌O157：H7,肠炎沙门氏菌和单增李斯特菌的数量,且不影响其感官品质[20-21]。OkullD O,Laborde L F[22]用含 60mg/L有效氯的 100%和50%的AE W能分别降低水悬浮液和受损苹果中扩展青霉的活孢子数 4log和 2log单位。

4.4 用于肉类杀菌

酸性电解水在肉类杀菌的应用,国内未见相关的报道。国外 Russell SM[23]研究发现带有静电喷涂系统的AEW(pH为2.1,ORP为1150mV和有效氯含量为 8mg/L)能完全杀灭鸡蛋壳中的沙门氏菌、金黄色葡萄球菌和单增李斯特菌,从而避免了传统消毒剂如甲醛、戊二醛气体和雾状过氧化氢对人和鸡健康可能造成的危害。Fabrizio KA,Cutter C N[24]考察了用AE W喷洗 15s来消毒猪肚,研究人员事先在猪肚的排泄物中接种有单增李斯特菌、伤寒沙门氏菌和弯曲大肠杆菌,结果发现用AEW(pH为 2.4,ORP为 1160mV和有效氯含量为 50mg/L)对猪肉表面喷洗 15s能分别减少单增李斯特菌、伤寒沙门氏菌和弯曲大肠杆菌的数量 1.23,1.67和 1.81个对数单位。该研究者认为更长的杀菌接触时间可能会增强消毒效果。另外,在牛屠宰前通常要对牛的体表进行消毒。Bosilevac J M[25]等指出在 60℃下连续地使用含70mg/L有效氯的 AEW和碱性电解水喷洒 10s,可使牛体表的好氧细菌数减少了 3.5log CFU/100cm2,肠杆菌数减少了 4.3log CFU/100cm2。为了考察酸性电解水对肉类感官的影响,Fabrizio K A,Cutter C N[26]用AEW(pH为 2.3,ORP为 1150mV和有效氯含量为45mg/L)和碱性电解水浸泡或喷洒污染有单增李斯特菌的法兰克福香肠和火腿 30min,然后在 4℃下保存 7d后进行色差的测定。结果发现 Hunter L＊,a＊, b＊值的不同处理组间没有显著的差异 (p＜0.05)。表明AE W对即食肉的表面没有漂白作用。

4.5 用于水产品的杀菌

水产品是沿海地区人们经常消费的一类食品,高效安全杀菌消毒剂的选择是水产品安全控制的一个重要环节。国外有人进行了酸性电解水在水产品应用的相关研究。Ozer N P,Demirci A[27]研究发现在35℃下使用AE W(pH为2.6,ORP为1150mV和有效氯含量为 90mg/L)处理生鱼片 64min,分别使大肠杆菌和单增李斯特菌减少了 1.07log CFU/g(91.1%)和 1.12log CFU/g(92.3%)。在冷藏和冷冻储存中为了延长黄鳍金枪鱼 (黄鳍金枪鱼)的货架期,通常把AEW和一氧化碳气体结合起来使用。Huang Y R[28]等报道说,含 100mg/L有效氯的AEW和一氧化碳气体相结合处理金枪鱼可以迅速降低好氧平板菌数。将金枪鱼鱼排用 AEW(含 50mg/L或 100mg/L有效氯)结合 CO气体处理是改善金枪鱼肉的卫生质量和鲜度、延长冷藏时间的一个有效的方法。

5 存在的问题和展望

酸性电解水作为新型杀菌消毒剂,目前在食品工业中应用广泛,但仍存在一些问题。包括如何进一步揭示酸性电解水的杀菌机理?如何进一步降低酸性电解水的使用成本?如何改进技术生产出大型的酸性电解水生产设备以满足大型食品加工厂对消毒剂的需求?如何采用合适的方法将AEW在食品加工厂中推广?如何促进AEW在 G MP、SSOP系统和 HACCP体系中的应用?此外,由于有机物对AEW的杀菌效果影响较大,而食品基质和食品加工环境存在大量的有机物,因此有必要探索新的技术来避免或消除有机物的影响。

尽管存在上述问题,AEW较传统杀菌消毒剂仍具有明显优势：可高效广谱杀灭病菌;可现场生产,操作简便;生产时不必添加大量化学药剂,既节省了化工原料,又降低了环境污染;在使用后可以还原为普通水,在环境中无残留,既环保又安全。随着人们对AEW认识的提高和对AEW研究的不断深入,它在食品工业领域必将有更广阔的应用前景。

[1]黄吉诚 .电解氧化水的杀菌效果观察[J].中国食品卫生杂志,1998,10(6)：12.

[2]龚泰石 .强酸性电解水的杀菌研究进展[J].解放军预防医学杂志,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]耿彦生,贾东明 .高氧化还原电位酸性水的杀菌作用及应用[J].河北职工医学院学报,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]堀田国元 .强酸性电解水の杀菌机构と应用[J].食品と开发,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]小宫山宽机 .电解水の安全性[J].食品と开发,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

酸性电解水(acidic electrolyzed water,AE W)是近年来由日本开发的一种新的消毒水,是电解质溶液通过特定电解槽电解后,取得的具有氧化能力的酸性水,也被称为电解氧化水[1]。随着电解水消毒技术在食品行业的广泛应用和相关研究的不断深入,人们在肯定其消毒效果的同时,也提出了一些新的亟待解决的问题。2001年龚泰石[2]综述了强 AE W的消毒研究进展。笔者对AE W的生成原理与特性、杀菌效果与机理及在食品工业中的应用等作以介绍,旨在为食品企业应用AE W消毒及相关研究人员提供理论参考。

1 酸性电解水的生成原理与特性

AE W是由二槽隔膜式电解水生成装置电解含电解质的水后生成的具有氧化能力的酸性水,实际生产中为了增强电解水的性质常在水源中添加 0.1%的食盐水。将水源注入电解水生成装置后,水在电极及阴阳离子交换膜的作用下分别在两个槽内形成强酸性电解水与强碱性电解水,所发生反应如下[2-4]：

2009-03-11 ＊通讯联系人

谢军(1985-),男,在读硕士研究生,从事食品安全与食品生物技术等方面的研究。

国家 863计划重点项目(2008AA100804);上海市科委重大科技攻关项目(07dz19508);上海市科技兴农重点攻关项目(沪农科攻字 2005第 4-2号;沪农科攻字 2006第 10-5号);上海市青年科技启明星计划资助项目(07QA14047)。