電位水在食品殺菌領域的研究進展

王 軍，丁 甜

電位水在食品殺菌領域的研究進展

王 軍1,2，丁 甜2,*

(1.臨沂大學生命科學學院，山東 臨沂 276005；2.國立江原大學食品科學與生物技術學院，韓國 春川 200701)

介紹強酸性電位水(strong acid electrolyzed water或electrolyzed oxidizing water，AcEW)、弱酸性電位水(slightly acid electrolyzed water，SAcEW)及堿性電位水(alkaline electrolyzed water，AlEW)的發生原理，及其制作流程和殺菌能力，結合3種電位水在食品殺菌領域的研究現狀，分析其在各種食品中對不同食源性病菌的殺菌效力，綜合分析表明SAcEW殺菌能力強，安全性高，更加環保，具有廣闊應用前景。

食品安全；強酸性電位水；弱酸性電位水；堿性電位水；食源性病菌

1987年，由日本科學家研制成功的電位水(electrolyzed water)，最初應用于耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillinresistant Staphylococcus aureus，MRSA)等臨床耐藥菌株的滅活。經過不斷研究和實踐，電位水因具有高效殺菌能力，制作使用方法安全簡便，低殘留和無毒副作用等特性被廣泛應用于醫療、食品等領域。電位水分為強酸性電位水(strong acid electrolyzed water或electrolyzed oxidizing water，AcEW)、弱酸性電位水(slightly acid electrolyzed water，SAcEW)和堿性電位水(alkaline electrolyzed water，AlEW)。目前，堿性電位水由于其有限的滅菌能力一般不作為滅菌劑使用，而通常被用來去除油污；強酸性電位水應用最為廣泛，但由于其低pH值，高氧化還原勢等特點，通常會造成對金屬、皮膚的危害，安全性上存在一定隱患；而弱酸性電位水不僅具有較強的殺菌能力，而且其近中性的pH值，低濃度的有效氯等特點也使它的使用更加安全，具有很廣闊的應用前景。

1 電位水在食品殺菌領域中的研究現狀

1.1 AcEW在食品殺菌領域的應用

圖1 強酸性電位水發生裝置Fig.1 Strong acid electrolyzed water generator

強酸性電位水(AcEW)是將一定濃度的氯化鈉水溶液注入嵌有隔膜的電解槽電解而成，如圖1所示。由于隔膜C將電解槽的陽極A和陰極B分開，電解槽通電后陽極A附近發生析氧反應(式1)，使陽極槽富集H+而顯酸性；同時，由氯離子生成氯氣(式2)，然后進一步與H2O反應生成鹽酸和次氯酸(式3)，使從陽極槽得到的水含一定濃度的有效氯。陰極B附近發生析氫反應(式4)，使陰極槽富集OH-而顯堿性。電解后在陽極區流出的就是AcEW，而在陰極區流出的是AlEW。

A c E W是目前在食品領域中應用最為廣泛的一種，其具有低p H值(2.3～2.7)和高氧化還原勢(oxidationreduction potential，ORP＞1000mV)，具備強廣譜殺菌作用。大量的研究證明[1]，AcEW對包括大腸桿菌O157:H7、金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、單核細胞增生性李斯特菌、沙門氏菌等在內的食源性致病菌具有很強的殺菌作用，而有機物質的存在會降低AcEW的殺菌效果。

目前，對AcEW高效廣譜的殺菌機理還沒有統一的認識，多數研究認為高氧化還原電位(ORP)值、低pH值及氯系化合物是AcEW具有殺菌活性的主要原因。高ORP值可能通過改變電子傳遞而限制微生物代謝通量以及ATP產量；低pH值可以敏化病原菌外膜而使得HOCl能夠進入菌體抑制糖代謝過程中關鍵酶的活性而破壞菌體[2]。Park等[3]認為AcEW能夠鈍化和殺死病原微生物的原因是高ORP值，低pH值以及幾種形式的氯化物，包括次氯酸。Kim等[4]也認為高ORP值是AcEW發揮其抗菌活性的主要原因。但是Koseki等[5]認為高ORP不是發揮抗菌活性的主要因素，因為高ORP值的臭氧水的殺菌效果并不比低ORP值的電位水殺菌效果好。國內外對AcEW在食品領域中的應用做了深入的研究。

1.1.1 AcEW在果蔬貯藏加工中的應用

AcEW對新鮮蔬菜上的食源性致病菌具有較好的殺菌效果，見表1。主要用于鮮切果蔬加工以除去食源性致病菌，但是油脂和其他有機物會影響其殺菌效果。AcEW對鮮切果蔬處理后，能顯著減少鮮切果蔬表面微生物數量，且不會對產品品質造成不良影響。Koseki等[5]研究發現，用AcEW(pH2.6；ORP為1140mV；30mg/L有效氯濃度)浸泡萵苣，可使微生物總數減少2個對數周期。Park等[3]研究了含有不同濃度有機物質的AcEW對蔥葉表皮和西紅柿上的微生物的殺菌效果，AcEW對蔥葉表皮和西紅柿表面的大腸桿菌O157:H7、鼠傷寒沙門氏菌、單核細胞增生性李斯特菌具有較好的殺菌效果，但是其殺菌活性隨著牛血清濃度的升高而降低。

1.1.2 AcEW在畜禽產品加工中的應用

禽蛋制品、肉制品和乳制品所攜帶的沙門氏菌、單增李斯特菌等致病菌，有可能造成人畜共患疾病，嚴重威脅人類的健康，各國衛生部門都十分重視畜禽產品加工中的清洗消毒工作。AcEW在在畜禽產品加工中的應用研究逐步展開。Russell[9]研究了AcEW對雞蛋表面致病菌的殺菌作用，pH2.1～2.7，ORP為1150mV的AcEW對于降低雞蛋殼表面的腸炎沙門氏菌和大腸桿菌的數量具有很好的效果。Cao等[10]研究了不同溫度條件下SAcEW和AcEW對雞蛋表面腸炎沙門氏菌的殺菌效果，20℃條件下有效氯質量濃度為12mg/L的AcEW處理3min可將雞蛋表面腸炎沙門氏菌降低4.9個對數周期，而有效氯質量濃度為15mg/L的AcEW可將腸炎沙門氏菌全部殺滅。同時，對殺菌后的溶液進行富集培養發現，所有處理液中均未檢測出殘存菌，沒有二次污染問題，而對照組中的殘存菌落數對數約為5.6lg(CFU/g)。AcEW對于不同畜禽產品上病原微生物的殺菌效果見表2。

表1 AcEW對不同果蔬上病原微生物的殺菌效果比較Table 1 Inactivation of food-borne pathogens on vegetables by AcEW

1.1.3 AcEW在海產品加工中的應用

AcEW在海產品加工中主要用于海產品及市場中銷售柜臺或器皿的殺菌。AcEW對于不同海產品上病原微生物的殺菌效果見表3。

Huang等[17]研究了不同條件下AcEW對于魚市場里面銷售柜臺的清洗消毒效果，經無菌去離子水清洗后，即可檢測不到大腸桿菌；而有效氯質量濃度為200mg/L的AcEW處理1min即可使副溶血性弧菌數量降至檢測線以下。Liu等[18]研究了AcEW對海產品加工中不銹鋼薄板、瓷磚、地面磚等表面上單核細胞增生性李斯特菌的殺菌效果，結果顯示不銹鋼薄板、瓷磚、地面磚等表面的清潔度會影響AcEW的殺菌效果。AcEW在處理接種過單核細胞增生性李斯特菌的不銹鋼薄板、瓷磚、地面磚潔凈表面時，細菌總數分別降低3.73、4.24、5.12個對數級；而在處理接種過單核細胞增生性李斯特菌且帶有蟹肉殘渣的不銹鋼薄板、瓷磚、地面磚潔凈表面時，細菌總數分別降低2.33、2.33、1.52個對數級。Liu等[19]還研究了AcEW對接種過單核細胞增生性李斯特菌且帶有蝦仁殘渣的食品加工過程中使用的天然膠乳、乳膠和丁腈一次性等手套的殺菌效果，研究結果表明，在AcEW中經過5min的浸泡，對于可重復使用的手套可以減少1.60～2.41個對數級的菌數；對于一次性使用的手套可以減少2.54～3.87個對數級的菌數。Huang等[20]研究了在冷凍貯藏條件下，有效氯質量濃度為100mg/L的AcEW結合使用一氧化碳氣體對于延長黃鰭金槍魚貨架期、改善衛生質量和新鮮度具有比較明顯的效果。

但是，AcEW的應用也有其局限性。由于AcEW的pH值較低(2.3～2.7)，溶解的氯氣會很快的揮發丟失，逐漸降低殺菌效果，同時也會對人體健康和環境不利。AcEW過高的酸度可能會造成食品加工設備的腐蝕，也限制了AcEW的實際應用。

1.2 AlEW在食品殺菌領域的應用

AlEW類似于稀氫氧化鈉溶液，pH值較高一般在11.5以上，低ORP值(-800～-900mV)，具有類似超氧化物歧化酶和過氧化氫酶的活性，高度不飽和脂肪和油脂具有抗氧化性，但是相關具體特性還沒有被全面了解。在殺菌能力上，AlEW遠比不上AcEW。由于具有較強的還原電位，所以AlEW一般用來清洗果蔬和食品加工器皿表面的油脂和塵土等，而少有文獻報道關于AlEW作為殺菌劑的應用。Ozer等[16]、Ding等[21-22]的研究也表明AlEW的殺菌能力有限。

表2 AcEW對不同畜禽產品上病原微生物的殺菌效果比較Table 2 Inactivation of food-borne pathogens on poultry by AcEW

表3 AcEW對海產品上病原微生物的殺菌效果比較Table 3 Inactivation of food-borne pathogens on seafood by AcEW

Koseki等[8]研究了在使用AcEW作為殺菌劑時采用AlEW作為預處理劑的殺菌效果，并研究了溫和熱處理對殺菌活性的影響。接種大腸桿菌O157:H7和沙門氏菌的萵苣在20℃條件下用不同的溶液預處理5min，然后再用AcEW處理5min，可以降低1.8個對數級的菌數，并且采用AlEW的預處理要比用AcEW和蒸餾水好，同時用AlEW處理樣品降低了交叉污染的可能性。由于AlEW具有類似于表面活性劑的作用，用AlEW清洗果蔬時，水果表面的疏水性會降低，在AcEW處理的過程中才更容易與果蔬表面的微生物接觸，所以才會有比較好的殺菌效果，因此先用AlEW預處理然后再用AcEW處理要比用AcEW處理兩次的殺菌效果好。為了提高AlEW的實際應用效果，Koseki等[8]研究了一個綜合利用AlEW、AcEW和溫和熱處理的果蔬清洗方法。郝建雄等[23]研究了利用電位水清洗果蔬，消除蔬菜農藥殘留方面的研究，結果表明在浸泡處理60min時，AlEW對有機磷農藥的消除率達到90%以上，而AcEW在82%左右。

1.3 SAcEW在食品殺菌領域的應用

SAcEW是將稀鹽酸或氯化鈉水溶液注入沒有隔膜的電解槽中電解后獲得的，見圖2。由于無隔膜將電解槽的陽極和陰極分開，故電解槽陰極區、陽極區及溶液中發生的反應如下：

圖2 弱酸性電位水發生裝置Fig.2 Slightly acid electrolyzed water generator

表4 SAcEW對果蔬產品上病原微生物的殺菌效果比較Table 4 Inactivation of food-borne pathogens on vegetables by SAcEW

表5 SAcEW對畜禽產品上病原微生物的殺菌效果比較Table 5 Inactivation of food-borne pathogens on poultry by SAcEW

由于電解槽中無隔膜，H+、OH-無區域性的富集，故SAcEW具有接近中性的pH值。SAcEW的pH值為5.0～6.5，ORP約為600mV，由于其接近中性的pH值和較低的有效氯，卻擁有近乎與AcEW的殺菌效果(表4、5)而逐漸成為研究的熱點。蔬菜經過SAcEW的消毒處理要比其他氯系消毒劑處理后的有效殘留氯低很多。

在日本，由于較中性的pH值(5.0～6.5)，SAcEW可以減輕食品加工機械的金屬腐蝕問題，因此其使用也更加環保。同時可以避免類似AcEW在低pH值條件下氯氣的揮發現象發生。在食品工業中主要應用于食品加工機械的消毒、產品生產線、帶式傳送器的清洗和玻璃瓶的巴氏滅菌等。SAcEW對魚類和海產品進行消毒處理后，可以保持這些海產品的天然風味[17]。

有研究表明[24]，次氯酸是電位水發揮殺菌作用的滅活劑。在一定的接觸時間，次氯酸作為消毒殺菌劑對大腸桿菌的殺菌效果是當量濃度下次氯酸根離子殺菌效果的80倍。在pH5.0～6.5的情況下，SAcEW中氯化物的有效形式幾乎95%是具有較強殺菌活性的次氯酸，另外還有約5%的次氯酸根離子和痕量的氯氣。SAcEW擁有近乎與AcEW的殺菌效果，原因可能是其ORP破壞了病原菌的外膜，使得次氯酸能夠輕易的穿過細胞膜，影響氧化型谷胱甘肽/谷胱甘肽(GSSG/GSH)的平衡，引起細菌的壞死。

Koide等[25]指出用SAcEW(pH6.1，20mg/L有效氯)浸漬10min的鮮切甘藍要比處理前降低1.5個對數級的好氧菌和1.3個對數級的霉菌和酵母菌。Guentzel等[26]通過研究不同有效氯濃度的SAcEW對大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、單核細胞增生性李斯特菌以及糞腸球菌在培養基中及接種過的菠菜和萵苣葉表面的殺菌效果，在100mg/L和120mg/L的有效氯質量濃度下浸泡10min，除了萵苣葉上的E. coli菌數僅降低0.24～0.25個對數級外，其余病原菌菌數則降低2.43～3.81個對數級。同時，Guentzel等[26]還研究了pH6.38，有效氯質量濃度278～310mg/L的SAcEW通過噴霧處理對于食品加工器皿的表面的殺菌效果，可以達到79%～100%殺菌效果。朱志偉等[27]研究了不同有效氯濃度、處理時間和溫度條件下SAcEW(pH6.0～6.5)對雞蛋人工接種雞白痢沙門氏菌和大腸桿菌O157:H7的殺滅效果。在20℃條件下處理3min，當SAcEW有效氯質量濃度為1.5mg/L 時，可完全殺滅雞白痢沙門氏菌；有效氯質量濃度為2mg/L時，可完全殺滅大腸桿菌O157:H7。用有效氯濃度質量為12mg/L的SAcEW清洗消毒被接種過的雞蛋表面時，處理3min可將雞蛋表面的雞白痢沙門氏菌全部殺滅，大腸桿菌O157:H7菌落數降低到1個對數級以內。

綜上可知，AcEW具有低pH值和高ORP值，具備很強的廣譜殺菌作用，對食源性致病菌具有很強的殺菌作用，同時成本低廉、無環保污染問題。但是有機物質的存在會大大降低其殺菌效果，若要保證取得良好的殺菌效果，消毒前必須對待消毒食品進行徹底的清洗。同時由于其過高的酸度、過低的pH值條件下氯氣快速揮發導致殺菌效果的降低等造成了其實際應用的局限性。AlEW的殺菌能力有限，一般作為清洗劑使用而不作為殺菌消毒劑使用。而SAcEW具有接近中性的pH值和較低的有效氯濃度，卻擁有接近AcEW的殺菌效果。由于避免了類似AcEW在低pH值條件下氯氣的揮發現象發生，可以保證SAcEW的殺菌效果持續較長時間。SAcEW殺菌過程中可以減輕食品加工機械的金屬腐蝕問題，殺菌后還原成無毒無殘留的普通水，不會對環境造成污染，在食品加工領域會有越來越廣泛的應用。

2 結 語

2002年日本厚生勞動省確認AcEW符合食品衛生法，可作食品添加劑用于食品加工和烹調過程中的清洗消毒。目前AcEW在果蔬貯藏加工保鮮、畜禽海產品加工等食品領域有了一定程度的應用，并且具有較好的應用前景。而由于SAcEW擁有SAcEW具有接近中性的pH值和接近AcEW的殺菌效果，并且殺菌持續時間更長、更環保，使得SAcEW逐漸成為國內外研究的熱點，在食品領域具有廣闊的應用前景。SAcEW在食品領域作為消毒劑有很多優勢，但是有關SAcEW的應用還需要更深入研究。包括SAcEW的殺菌機理、在食品加工車間中的應用、在企業食品安全管理體系中應用以及SAcEW對于食品品質的影響等。

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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

王軍(1980—)，男，博士研究生，研究方向為食品微生物風險評估。E-mail：wangjun@kangwon.ac.kr

*通信作者：丁甜(1985—)，男，博士研究生，研究方向為食品微生物風險評估。E-mail：tding@kangwon.ac.kr