酸性电解水发生机理及在水产领域中的应用研究进展

蓝蔚青,刘琳,孙晓红*,赵亚楠,谢晶*

1(上海海洋大学 食品学院，上海， 201306)2(上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心 食品科学与工程国家级实验教学示范中心(上海海洋大学)，上海, 201306)

我国是世界渔业生产大国、世界第一水产养殖大国与水产品贸易大国，水产品在国民经济中占有重要地位。据2019年中国渔业统计年鉴[1]显示，2018年我国水产品总产量为6 457.66万t，其中养殖产量4 991.60万t，捕捞产量1 466.60万t。然而，由于水产品中微生物与内源酶作用，其在贮运期间易产生三甲胺、哌啶等腥臭味和毒性物质，发生腐败变质，丧失其原有的优良感官与营养品质[2]。因此，开展水产品杀菌保鲜是当前的研究热点。

目前，水产品的常见保鲜方式有物理保鲜、化学保鲜与生物保鲜，其中分类方式与主要优缺点如表1所示。

表1 水产品常用保鲜方式与主要特点Table 1 Common fresh-keeping methods and maincharacteristics of aquatic products

近年来，随着消费者安全营养与健康理念的逐年提升，其对水产品保鲜技术提出更高要求，电解水杀菌保鲜处理技术应运而生。电解水技术最早源于20世纪末期，是指水经电解作用后发生化学反应，在阴阳两级分别得到碱性电解水与酸性电解水，其中酸性电解水氧化能力较强且含有一定浓度的含氯化合物，能穿透微生物的细胞膜导致菌体死亡，属化学保鲜。日本首先利用酸性电解水来杀灭金黄色葡萄球菌[6]。我国在1995年引进酸性电解水，相关开发及利用已获得国家许可[7]。与其他保鲜技术相比，酸性电解水具有杀菌速度快、保鲜能力强且安全无毒的特点。近年来，酸性电解水以其安全无毒、杀菌效果极佳的特点引起国际关注。本文主要综述了酸性电解水的制备原理与特性、作用效果与机制、酸性电解水在水产领域中的应用研究进展，提出存在问题与改进建议，并对其发展前景予以展望。

酸性电解水利用有隔膜装置电解制备，微酸性电解水与中性电解水通过无隔膜装置电解获得，两种装置所制得的电解水对于水产品均具有杀菌保鲜能力。其中，在电解槽中，阴阳两极发生电化学反应。2Cl-→Cl2+2e-；Cl2+H2O→HCl+HClO；2H2O→4H++O2+4e-，在阳极获得酸性电解水；2H2O+2e-→ H2+2OH-，在阴极获得碱性电解水，具体如图1所示。

图1 酸性电解水制备原理[8]Fig.1 Preparation principle of acidic electrolyzed water

其中，赵爱静等[9]研究发现，电解液中Na+与Cl-浓度远高于水发生弱电解而产生的H+与OH-浓度，在电场作用下，阳极产生Cl2，生成HCl与HClO，造成在阳极附近H+浓度高于OH-浓度，在阳极生成酸性电解水。目前，多数酸性电解水的杀菌机理研究主要是从pH值、氧化还原电位(oxidation reduction potential, ORP)与有效含氯量(available chlorine concentration, ACC)对微生物的细胞形态、生理生化反应等影响开展研究，对其杀菌机理通常认为是物理杀菌与化学杀菌共同作用的结果[10]。

1 酸性电解水在水产领域中的应用研究进展

1.1 水产原料减菌化

水产原料会携带食源性致病菌，酸性电解水处理原料后，除发挥其消毒作用外，还可避免清洗液对环境造成污染与水产原料的交叉污染，降低微生物污染几率。已有研究表明，酸性电解水对水产品表面的单增李斯特菌、大肠杆菌与副溶血性弧菌等有较好杀灭作用。如OZER等[11]在35 ℃下用酸性电解水(pH=2.6，ORP=1 150 mV，ACC=90 ppm)处理三文鱼64 min，结果得出三文鱼中的单增李斯特菌降低了1.12个对数值，大肠杆菌降低了1.07个对数值；XIE等[12]利用酸性电解水处理接种副溶血性弧菌的虾仁，发现在50 ℃下处理虾仁1 min，其表面副溶血性弧菌数减少了2.12个对数值；MAHMOUD等[13]利用酸性电解水(pH=2.22±0.01，ACC=(40.8±0.09) mg/L)处理鲤鱼片，发现菌落总数减少2.16个对数值，与对照组相比，酸性电解水能有效杀灭微生物；莫永根等[14]研究发现，在22 ℃下用酸性电解水处理南美白对虾64 min，对虾表面总菌降低了0.86个对数值；HUANG等[15]以罗非鱼为研究对象，在25 ℃下用酸性电解水处理10 min，发现大肠杆菌降低了0.76个对数值，肠炎弧菌降低了2.61个对数值；许愈等[16]研究发现使用pH=2.32±0.01，ORP=(1 166.3±2.6) mV，ACC=(48±2) μg/mL的酸性电解水能完全杀灭副溶血性弧菌，使单增李斯特菌数下降1.45个对数值；李秀丽等[17]以熟制虾仁为研究对象，在pH值为3.0，料液比为1∶2，浸泡时间为25 min的条件下采用酸性电解水处理虾仁，结果表明，细菌总数降至1.94个对数值；PHUVASATE等[18]研究酸性电解水冰处理金枪鱼24 h，发现产气杆菌减少2.4个对数值，摩化摩根菌减少3.5个对数值。

1.2 加工设备表面杀菌

水产品在加工过程中通常会与不同设备接触，设备材质大多为不锈钢、瓷砖与玻璃等。采用酸性电解水对捕捞器具进行杀菌消毒，可防止器具与水产品间交叉污染。酸性电解水对水产品加工设备的杀菌消毒，其灭菌效果理想且在水产品加工企业中应用前景广泛[19]。研究发现，酸性电解水对不锈钢等材质的加工设备表面微生物有良好的杀灭作用，如酸性电解水可将10 CFU/mL的病原菌原液在1 min内全部杀死；酸性电解水能将加工设备表面含有的10 CFU/cm2病原菌在5 min内全部杀灭[20]；AYEBAH等[21]研究发现，不锈钢材质设备表面的单增李斯特菌经酸性电解水浸泡30～120 s后，病原菌数明显减少；LIU等[22]研究得出不同材质设备表面的洁净程度会对酸性电解水的杀菌效果产生影响，有机物会降低电解水的杀菌效果；沈晓盛等[23]通过对加工设备表面人为染菌后，利用酸性电解海水对其消毒，发现107CFU/cm2的病原菌在5 min内几乎全部杀灭；VENKITANARAYANAN等[24]在35 ℃下利用氧化电解水浸泡切板20 min，发现切板上大肠杆菌O157∶H7全部失活。研究还发现大肠杆菌和单增李斯特菌在浸泡切板的去离子水中恢复活性，在氧化电解水中无此现象。

1.3 水产养殖环境消毒

随着水产养殖业的迅速发展，水产品的养殖面积与生产规模不断扩大，养殖环境恶化、病原菌污染、水质变差等问题日益凸显。在养殖环境的恶化引起病原菌大量繁殖，若不能有效杀死致病菌，就会产生由于病原菌残留而使鱼虾等品质下降甚至死亡，不仅会使水产养殖户经济损失巨大，更会使消费者的健康受到损害，限制了水产养殖业发展。

目前，大部分养殖场采用臭氧杀菌、二氧化氯杀菌、紫外线杀菌等杀菌技术来净化水体。臭氧是强氧化剂，但如何控制臭氧量，使其均匀溶于海水中并在海水中保持稳定的浓度存在困难[25]。二氧化氯杀菌效率较高，但其见光易分解，且在特殊水质条件下会产生醛类等有毒产物。紫外杀菌效果受多种因素影响，照射强度随着照射时间的增加而减小，使杀菌效果减弱。酸性电解水具有广谱高效、安全无害、环境友好等特点，操作简单且成本低，在水产养殖业的应用有着其他技术方法无法比拟的优势，利用深海水为原料制备的电解水杀菌效果更有效[26]。在更换池塘水时利用酸性电解水对养殖池塘杀菌消毒，可降低潜在性的病原菌数[27]。其中，JORQUERA等[27]以养殖扇贝为研究对象，发现酸性电解水对水体中的鳗弧菌杀灭作用良好，当海水电解电流≥1.3A时，病原菌几乎全部失活，且杀菌成本低。

1.4 水产品贮藏保鲜

酸性电解水因其具有瞬时广谱杀菌作用，在水产品贮藏保鲜中得到广泛应用。其中，孙江萍等[28]由体外酶动力学分析得出，酸性电解水(pH=2.35±0.01，ORP=1 172.40±0.46 mV，ACC=(72±1) mg/L)可降低南美白对虾黑变过程中多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)活力，抑制黑斑形成，使货架期延至5 d；蓝蔚青等[29]结果发现酸性电解水处理抑制带鱼冷藏期间总挥发性盐基氮(total volatile basic nitrogen, TVB-N)值、硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid, TBA)值、细菌总数与pH值升高，其中以电解11 min产生的酸性电解水(pH=2.62±0.01，ORP=(1 149.1±0.6) mV，ACC=(41.5±0.7) mg/L)保鲜效果最佳；付娇娇等[30]分析了南美白对虾在0、4与25 ℃贮藏期间中肠道微生物变化规律，发现经500 mg/L的酸性电解水处理南美白对虾，使虾体肠道内微生物多样性减少，微生物群落发生改变。水产品贮藏以冰藏为主，此法不仅消耗成本高，且肉质易硬化，鲜度降低，使其商业与营养价值有所降低。将酸性电解水制成冰或冰衣，既可发挥其广谱抑菌性，又能使其作用时间延长。如姚鑫等[31]研究表明，酸性电解水冰(pH=2.38±0.01，ORP=(1 153.21±1.51) mV，ACC=(44±1) mg/L)不会对小黄鱼贮藏期间的感官与质构产生不良影响，能使其pH值、脂肪酶与组织蛋白酶D活力显著降低，抑制微生物数增长；ZHAO等[32]发现酸性电解水冰明显延缓了虾中肌原纤维蛋白降解，抑制腐败菌生长；林婷[33]发现酸性电解水冰可保鲜虾，使pH值、色泽等变化不大，由传统平板计数法与聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis，PCR-DGGE)得出酸性电解水冰能有效抑制虾体内微生物数上升，减少致病菌多样性，对虾肌原纤维结构有良好保持作用；高萌等[34]研究表明，在-18 ℃下，酸性电解水(pH=4.5，ORP=836.5 mV，ACC=31.7 mg/L)镀冰衣可使金枪鱼肉在贮藏期间细菌总数降低，特别是在0～160 d，金枪鱼体内菌数、大肠埃希氏菌数始终保持在较低水平，呈显著下降趋势，可防止金枪鱼运输期间的“干耗油烧”等，保持其鲜度。

2 存在问题与解决办法

酸性电解水自身较高的有效氯浓度与低pH值可能会对加工设备及操作人员产生腐蚀，且对水产品原料表面产生不利影响。如王玲[35]研究发现，酸性电解水处理虽可有效抑制鲟鱼表面病原菌，延长了其保质期，但鱼肉中残留氯与其他因素会引起鱼肉色泽改变；因此，近年来对微酸性电解水、中性电解水与碱性电解水的研究逐渐增多。

2.1 微酸性电解水、中性电解水与碱性电解水

微酸性电解水属于新型杀菌保鲜技术，其具有安全高效、无残留、无污染等特点，现已广泛应用在水产品保鲜与加工前处理等领域中。牛会平等[36]研究了微酸性电解水与强酸性电解水的消毒能力，发现在有效氯浓度相同的情况下，微酸性电解水对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的杀灭能力更强；岑建伟等[37]研究发现利用微酸性电解水处理罗非鱼后，鱼体表面菌落数显著减少，货架期比对照组延长了2～3 d；李国威等[38]研究利用微酸性电解水处理活品鲜夷扇贝，发现微酸性电解水处理2 min和4 min两组的扇贝存活率最高，且经微酸性电解水处理后虾夷扇贝体内的细菌总数降低；于福田等[39]发现利用有效氯质量浓度为35.00mg/L的微酸性电解水处理罗非鱼，杀菌率达(81.59±0.04)%；同时，中性电解水与碱性电解水也得到较好应用。其中，向思颖等[40]研究发现采用中性电解水处理冷鲜草鱼肉，能使鱼肉品质得到有效保持，且可将其货架期延长4 d左右；梁凤雪等[41]利用响应面分析法得出碱性电解水处理罗非鱼活体的最佳工艺参数为pH值为10，盐度为8‰，处理时间为60 min，在此条件下，其减菌率达94.1%。

2.2 微酸性电解水与其他处理方式相结合

此外，还有研究学者将微酸性电解水与其他处理方式相结合，以充分发挥其综合效果。其中，XUAN等[42]研究发现，鱿鱼经微酸性电解水冰处理后，其体内的总菌数显著降低，对其外观褐变与软化有所抑制，使其鲜度得到保持；KIM等[43]在4 ℃条件下用微酸性电解水冰处理秋刀鱼，表明微酸性电解水冰能有效抑制秋刀鱼中好氧嗜冷菌的生长繁殖与鱼体的脂肪氧化，保持其良好的感官品质，相比自来水冰保藏，能使其货架期延长4～5 d。YEN等[44]利用微酸性电解水(pH=5.92，ORP=810 mV，ACC=20 mg/L)结合抗坏血酸处理罗氏沼虾，发现其在 4℃贮藏期间的货架期延长了3 d；郑炜等[45]以凡纳滨对虾虾仁为研究对象，利用微酸性电解水冰衣与气调包装联合处理，发现虾仁色泽在冷冻期间得到有效保持；弱酸性冰衣会对生虾仁的挥发性气味造成不良影响，但对煮熟虾仁无影响。

3 前景与展望

消费者对水产品的质量要求越来越高，水产品的保鲜技术将有3个发展趋势：(1)水产品保鲜技术更加注重环境友好，无残留，对人体不产生潜在危害性；(2)水产品保鲜技术将以多种保鲜技术综合使用为发展方向，不同保鲜技术可弥补彼此不足，结合使用更能有效高效保证水产品品质，延长其货架期；(3)水产品保鲜技术将以不受季节、地域等限制方向发展，更注重实际操作性与节能性[46]。

酸性电解水对人体安全无毒、环境友好等特点适应水产品保鲜技术的发展趋势。相关研究表明，其对水产品杀菌保鲜方面有着显著效果，可抑制水产品中细菌的生长繁殖，对其感官与营养影响不大。随着科技水平的提高与水产品保鲜技术的发展，酸性电解水将以其高效、安全、广谱等优势，在水产品杀菌保鲜中拥有广阔的应用前景。因此，后期可加强酸性电解水对水产养殖行业的杀菌研究，根据水产品不同成长时期对杀菌要求高低制备不同浓度电解水；同时，在养殖业水体杀菌与水产品清洗杀菌中，针对不同水产品对其进行应用过程的杀菌动力学分析，得出适宜酸性电解水的初始特性参数、反应时间等工艺条件，使酸性电解水生产设备的成本与能耗进一步降低，保证最佳杀菌效果；还有，可利用栅栏技术，将酸性电解水与其他处理技术有机结合，最大限度发挥酸性电解水的杀菌保鲜作用；政府、研究机构与相关企业还可共同完善与酸性电解水技术使用相关的标准规范，深入对酸性电解水的杀菌保鲜作用机理研究，使酸性电解水技术在水产品的杀菌保鲜中得到更好推广应用。