电位水在食品杀菌领域的研究进展

王 军，丁 甜

电位水在食品杀菌领域的研究进展

王 军1,2，丁 甜2,*

(1.临沂大学生命科学学院，山东 临沂 276005；2.国立江原大学食品科学与生物技术学院，韩国 春川 200701)

介绍强酸性电位水(strong acid electrolyzed water或electrolyzed oxidizing water，AcEW)、弱酸性电位水(slightly acid electrolyzed water，SAcEW)及碱性电位水(alkaline electrolyzed water，AlEW)的发生原理，及其制作流程和杀菌能力，结合3种电位水在食品杀菌领域的研究现状，分析其在各种食品中对不同食源性病菌的杀菌效力，综合分析表明SAcEW杀菌能力强，安全性高，更加环保，具有广阔应用前景。

食品安全；强酸性电位水；弱酸性电位水；碱性电位水；食源性病菌

1987年，由日本科学家研制成功的电位水(electrolyzed water)，最初应用于耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(methicillinresistant Staphylococcus aureus，MRSA)等临床耐药菌株的灭活。经过不断研究和实践，电位水因具有高效杀菌能力，制作使用方法安全简便，低残留和无毒副作用等特性被广泛应用于医疗、食品等领域。电位水分为强酸性电位水(strong acid electrolyzed water或electrolyzed oxidizing water，AcEW)、弱酸性电位水(slightly acid electrolyzed water，SAcEW)和碱性电位水(alkaline electrolyzed water，AlEW)。目前，碱性电位水由于其有限的灭菌能力一般不作为灭菌剂使用，而通常被用来去除油污；强酸性电位水应用最为广泛，但由于其低pH值，高氧化还原势等特点，通常会造成对金属、皮肤的危害，安全性上存在一定隐患；而弱酸性电位水不仅具有较强的杀菌能力，而且其近中性的pH值，低浓度的有效氯等特点也使它的使用更加安全，具有很广阔的应用前景。

1 电位水在食品杀菌领域中的研究现状

1.1 AcEW在食品杀菌领域的应用

图1 强酸性电位水发生装置Fig.1 Strong acid electrolyzed water generator

强酸性电位水(AcEW)是将一定浓度的氯化钠水溶液注入嵌有隔膜的电解槽电解而成，如图1所示。由于隔膜C将电解槽的阳极A和阴极B分开，电解槽通电后阳极A附近发生析氧反应(式1)，使阳极槽富集H+而显酸性；同时，由氯离子生成氯气(式2)，然后进一步与H2O反应生成盐酸和次氯酸(式3)，使从阳极槽得到的水含一定浓度的有效氯。阴极B附近发生析氢反应(式4)，使阴极槽富集OH-而显碱性。电解后在阳极区流出的就是AcEW，而在阴极区流出的是AlEW。

A c E W是目前在食品领域中应用最为广泛的一种，其具有低p H值(2.3～2.7)和高氧化还原势(oxidationreduction potential，ORP＞1000mV)，具备强广谱杀菌作用。大量的研究证明[1]，AcEW对包括大肠杆菌O157:H7、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、单核细胞增生性李斯特菌、沙门氏菌等在内的食源性致病菌具有很强的杀菌作用，而有机物质的存在会降低AcEW的杀菌效果。

目前，对AcEW高效广谱的杀菌机理还没有统一的认识，多数研究认为高氧化还原电位(ORP)值、低pH值及氯系化合物是AcEW具有杀菌活性的主要原因。高ORP值可能通过改变电子传递而限制微生物代谢通量以及ATP产量；低pH值可以敏化病原菌外膜而使得HOCl能够进入菌体抑制糖代谢过程中关键酶的活性而破坏菌体[2]。Park等[3]认为AcEW能够钝化和杀死病原微生物的原因是高ORP值，低pH值以及几种形式的氯化物，包括次氯酸。Kim等[4]也认为高ORP值是AcEW发挥其抗菌活性的主要原因。但是Koseki等[5]认为高ORP不是发挥抗菌活性的主要因素，因为高ORP值的臭氧水的杀菌效果并不比低ORP值的电位水杀菌效果好。国内外对AcEW在食品领域中的应用做了深入的研究。

1.1.1 AcEW在果蔬贮藏加工中的应用

AcEW对新鲜蔬菜上的食源性致病菌具有较好的杀菌效果，见表1。主要用于鲜切果蔬加工以除去食源性致病菌，但是油脂和其他有机物会影响其杀菌效果。AcEW对鲜切果蔬处理后，能显著减少鲜切果蔬表面微生物数量，且不会对产品品质造成不良影响。Koseki等[5]研究发现，用AcEW(pH2.6；ORP为1140mV；30mg/L有效氯浓度)浸泡莴苣，可使微生物总数减少2个对数周期。Park等[3]研究了含有不同浓度有机物质的AcEW对葱叶表皮和西红柿上的微生物的杀菌效果，AcEW对葱叶表皮和西红柿表面的大肠杆菌O157:H7、鼠伤寒沙门氏菌、单核细胞增生性李斯特菌具有较好的杀菌效果，但是其杀菌活性随着牛血清浓度的升高而降低。

1.1.2 AcEW在畜禽产品加工中的应用

禽蛋制品、肉制品和乳制品所携带的沙门氏菌、单增李斯特菌等致病菌，有可能造成人畜共患疾病，严重威胁人类的健康，各国卫生部门都十分重视畜禽产品加工中的清洗消毒工作。AcEW在在畜禽产品加工中的应用研究逐步展开。Russell[9]研究了AcEW对鸡蛋表面致病菌的杀菌作用，pH2.1～2.7，ORP为1150mV的AcEW对于降低鸡蛋壳表面的肠炎沙门氏菌和大肠杆菌的数量具有很好的效果。Cao等[10]研究了不同温度条件下SAcEW和AcEW对鸡蛋表面肠炎沙门氏菌的杀菌效果，20℃条件下有效氯质量浓度为12mg/L的AcEW处理3min可将鸡蛋表面肠炎沙门氏菌降低4.9个对数周期，而有效氯质量浓度为15mg/L的AcEW可将肠炎沙门氏菌全部杀灭。同时，对杀菌后的溶液进行富集培养发现，所有处理液中均未检测出残存菌，没有二次污染问题，而对照组中的残存菌落数对数约为5.6lg(CFU/g)。AcEW对于不同畜禽产品上病原微生物的杀菌效果见表2。

表1 AcEW对不同果蔬上病原微生物的杀菌效果比较Table 1 Inactivation of food-borne pathogens on vegetables by AcEW

1.1.3 AcEW在海产品加工中的应用

AcEW在海产品加工中主要用于海产品及市场中销售柜台或器皿的杀菌。AcEW对于不同海产品上病原微生物的杀菌效果见表3。

Huang等[17]研究了不同条件下AcEW对于鱼市场里面销售柜台的清洗消毒效果，经无菌去离子水清洗后，即可检测不到大肠杆菌；而有效氯质量浓度为200mg/L的AcEW处理1min即可使副溶血性弧菌数量降至检测线以下。Liu等[18]研究了AcEW对海产品加工中不锈钢薄板、瓷砖、地面砖等表面上单核细胞增生性李斯特菌的杀菌效果，结果显示不锈钢薄板、瓷砖、地面砖等表面的清洁度会影响AcEW的杀菌效果。AcEW在处理接种过单核细胞增生性李斯特菌的不锈钢薄板、瓷砖、地面砖洁净表面时，细菌总数分别降低3.73、4.24、5.12个对数级；而在处理接种过单核细胞增生性李斯特菌且带有蟹肉残渣的不锈钢薄板、瓷砖、地面砖洁净表面时，细菌总数分别降低2.33、2.33、1.52个对数级。Liu等[19]还研究了AcEW对接种过单核细胞增生性李斯特菌且带有虾仁残渣的食品加工过程中使用的天然胶乳、乳胶和丁腈一次性等手套的杀菌效果，研究结果表明，在AcEW中经过5min的浸泡，对于可重复使用的手套可以减少1.60～2.41个对数级的菌数；对于一次性使用的手套可以减少2.54～3.87个对数级的菌数。Huang等[20]研究了在冷冻贮藏条件下，有效氯质量浓度为100mg/L的AcEW结合使用一氧化碳气体对于延长黄鳍金枪鱼货架期、改善卫生质量和新鲜度具有比较明显的效果。

但是，AcEW的应用也有其局限性。由于AcEW的pH值较低(2.3～2.7)，溶解的氯气会很快的挥发丢失，逐渐降低杀菌效果，同时也会对人体健康和环境不利。AcEW过高的酸度可能会造成食品加工设备的腐蚀，也限制了AcEW的实际应用。

1.2 AlEW在食品杀菌领域的应用

AlEW类似于稀氢氧化钠溶液，pH值较高一般在11.5以上，低ORP值(-800～-900mV)，具有类似超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的活性，高度不饱和脂肪和油脂具有抗氧化性，但是相关具体特性还没有被全面了解。在杀菌能力上，AlEW远比不上AcEW。由于具有较强的还原电位，所以AlEW一般用来清洗果蔬和食品加工器皿表面的油脂和尘土等，而少有文献报道关于AlEW作为杀菌剂的应用。Ozer等[16]、Ding等[21-22]的研究也表明AlEW的杀菌能力有限。

表2 AcEW对不同畜禽产品上病原微生物的杀菌效果比较Table 2 Inactivation of food-borne pathogens on poultry by AcEW

表3 AcEW对海产品上病原微生物的杀菌效果比较Table 3 Inactivation of food-borne pathogens on seafood by AcEW

Koseki等[8]研究了在使用AcEW作为杀菌剂时采用AlEW作为预处理剂的杀菌效果，并研究了温和热处理对杀菌活性的影响。接种大肠杆菌O157:H7和沙门氏菌的莴苣在20℃条件下用不同的溶液预处理5min，然后再用AcEW处理5min，可以降低1.8个对数级的菌数，并且采用AlEW的预处理要比用AcEW和蒸馏水好，同时用AlEW处理样品降低了交叉污染的可能性。由于AlEW具有类似于表面活性剂的作用，用AlEW清洗果蔬时，水果表面的疏水性会降低，在AcEW处理的过程中才更容易与果蔬表面的微生物接触，所以才会有比较好的杀菌效果，因此先用AlEW预处理然后再用AcEW处理要比用AcEW处理两次的杀菌效果好。为了提高AlEW的实际应用效果，Koseki等[8]研究了一个综合利用AlEW、AcEW和温和热处理的果蔬清洗方法。郝建雄等[23]研究了利用电位水清洗果蔬，消除蔬菜农药残留方面的研究，结果表明在浸泡处理60min时，AlEW对有机磷农药的消除率达到90%以上，而AcEW在82%左右。

1.3 SAcEW在食品杀菌领域的应用

SAcEW是将稀盐酸或氯化钠水溶液注入没有隔膜的电解槽中电解后获得的，见图2。由于无隔膜将电解槽的阳极和阴极分开，故电解槽阴极区、阳极区及溶液中发生的反应如下：

图2 弱酸性电位水发生装置Fig.2 Slightly acid electrolyzed water generator

表4 SAcEW对果蔬产品上病原微生物的杀菌效果比较Table 4 Inactivation of food-borne pathogens on vegetables by SAcEW

表5 SAcEW对畜禽产品上病原微生物的杀菌效果比较Table 5 Inactivation of food-borne pathogens on poultry by SAcEW

由于电解槽中无隔膜，H+、OH-无区域性的富集，故SAcEW具有接近中性的pH值。SAcEW的pH值为5.0～6.5，ORP约为600mV，由于其接近中性的pH值和较低的有效氯，却拥有近乎与AcEW的杀菌效果(表4、5)而逐渐成为研究的热点。蔬菜经过SAcEW的消毒处理要比其他氯系消毒剂处理后的有效残留氯低很多。

在日本，由于较中性的pH值(5.0～6.5)，SAcEW可以减轻食品加工机械的金属腐蚀问题，因此其使用也更加环保。同时可以避免类似AcEW在低pH值条件下氯气的挥发现象发生。在食品工业中主要应用于食品加工机械的消毒、产品生产线、带式传送器的清洗和玻璃瓶的巴氏灭菌等。SAcEW对鱼类和海产品进行消毒处理后，可以保持这些海产品的天然风味[17]。

有研究表明[24]，次氯酸是电位水发挥杀菌作用的灭活剂。在一定的接触时间，次氯酸作为消毒杀菌剂对大肠杆菌的杀菌效果是当量浓度下次氯酸根离子杀菌效果的80倍。在pH5.0～6.5的情况下，SAcEW中氯化物的有效形式几乎95%是具有较强杀菌活性的次氯酸，另外还有约5%的次氯酸根离子和痕量的氯气。SAcEW拥有近乎与AcEW的杀菌效果，原因可能是其ORP破坏了病原菌的外膜，使得次氯酸能够轻易的穿过细胞膜，影响氧化型谷胱甘肽/谷胱甘肽(GSSG/GSH)的平衡，引起细菌的坏死。

Koide等[25]指出用SAcEW(pH6.1，20mg/L有效氯)浸渍10min的鲜切甘蓝要比处理前降低1.5个对数级的好氧菌和1.3个对数级的霉菌和酵母菌。Guentzel等[26]通过研究不同有效氯浓度的SAcEW对大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、单核细胞增生性李斯特菌以及粪肠球菌在培养基中及接种过的菠菜和莴苣叶表面的杀菌效果，在100mg/L和120mg/L的有效氯质量浓度下浸泡10min，除了莴苣叶上的E. coli菌数仅降低0.24～0.25个对数级外，其余病原菌菌数则降低2.43～3.81个对数级。同时，Guentzel等[26]还研究了pH6.38，有效氯质量浓度278～310mg/L的SAcEW通过喷雾处理对于食品加工器皿的表面的杀菌效果，可以达到79%～100%杀菌效果。朱志伟等[27]研究了不同有效氯浓度、处理时间和温度条件下SAcEW(pH6.0～6.5)对鸡蛋人工接种鸡白痢沙门氏菌和大肠杆菌O157:H7的杀灭效果。在20℃条件下处理3min，当SAcEW有效氯质量浓度为1.5mg/L 时，可完全杀灭鸡白痢沙门氏菌；有效氯质量浓度为2mg/L时，可完全杀灭大肠杆菌O157:H7。用有效氯浓度质量为12mg/L的SAcEW清洗消毒被接种过的鸡蛋表面时，处理3min可将鸡蛋表面的鸡白痢沙门氏菌全部杀灭，大肠杆菌O157:H7菌落数降低到1个对数级以内。

综上可知，AcEW具有低pH值和高ORP值，具备很强的广谱杀菌作用，对食源性致病菌具有很强的杀菌作用，同时成本低廉、无环保污染问题。但是有机物质的存在会大大降低其杀菌效果，若要保证取得良好的杀菌效果，消毒前必须对待消毒食品进行彻底的清洗。同时由于其过高的酸度、过低的pH值条件下氯气快速挥发导致杀菌效果的降低等造成了其实际应用的局限性。AlEW的杀菌能力有限，一般作为清洗剂使用而不作为杀菌消毒剂使用。而SAcEW具有接近中性的pH值和较低的有效氯浓度，却拥有接近AcEW的杀菌效果。由于避免了类似AcEW在低pH值条件下氯气的挥发现象发生，可以保证SAcEW的杀菌效果持续较长时间。SAcEW杀菌过程中可以减轻食品加工机械的金属腐蚀问题，杀菌后还原成无毒无残留的普通水，不会对环境造成污染，在食品加工领域会有越来越广泛的应用。

2 结 语

2002年日本厚生劳动省确认AcEW符合食品卫生法，可作食品添加剂用于食品加工和烹调过程中的清洗消毒。目前AcEW在果蔬贮藏加工保鲜、畜禽海产品加工等食品领域有了一定程度的应用，并且具有较好的应用前景。而由于SAcEW拥有SAcEW具有接近中性的pH值和接近AcEW的杀菌效果，并且杀菌持续时间更长、更环保，使得SAcEW逐渐成为国内外研究的热点，在食品领域具有广阔的应用前景。SAcEW在食品领域作为消毒剂有很多优势，但是有关SAcEW的应用还需要更深入研究。包括SAcEW的杀菌机理、在食品加工车间中的应用、在企业食品安全管理体系中应用以及SAcEW对于食品品质的影响等。

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Research Progress on Application of Electrolyzed Water in Food Sterilization

WANG Jun1,2，DING Tian2,*
(1. College of Life Science, Linyi University, Linyi 276005, China；2. College of Food Science and Biotechnology, Kangwon National University, Chuncheon 200701, South Korea)

Electrolyzed water (EW) has been widely used in food industry as a new and effective sanitizer. There are three types of electrolyzed waters, including strong acid electrolyzed water, alkaline electrolyzed water and slightly acid electrolyzed water. In this review, the generation principle, characteristics, and bactericidal activity of each type of EW were described. Also, the current situation of EW application on food sterilization was investigated based on literatures and the latest research findings. Key words: food safety；strong acid electrolyzed water；alkaline electrolyzed water；slightly acid electrolyzed water；food-borne pathogens

TS201

A

1002-6630(2011)03-0241-06

2010-09-08

王军(1980—)，男，博士研究生，研究方向为食品微生物风险评估。E-mail：wangjun@kangwon.ac.kr

*通信作者：丁甜(1985—)，男，博士研究生，研究方向为食品微生物风险评估。E-mail：tding@kangwon.ac.kr