文献分享：电解氧化水及其作为卫生清洁剂的应用

    电解氧化水（EOW）是一种有前途的新型抗菌剂，最近被提议作为传统净化方法（如加热和化学消毒剂）的替代品。pH值范围为2至5的酸性EOW被认为最适用于蔬菜和肉类的抗菌处理。中性和碱性电解水在食品工业中的应用也很少被探索。提出中性电解水来解决酸性EOW的储存和腐蚀效应问题。最近，研究重点已转向应用微酸性EOW，通过一些补充物理和化学处理方法（如超声波和紫外线辐射）更有效。电解水的应用范围从饮用水和废水到食品、器皿和硬表面。最近的研究还得出结论，与需要更长保留时间的食物表面相比，电解水在悬浮液中更有效。由于与酸性电解水相关的潜在腐蚀问题，EOW仪器的商业化在许多国家并不经常采用。这篇综述文章总结了EOW类型和可能的作用机制，并重点介绍了抗菌应用和清洁领域的最新研究。电解水可以取代工业和家庭中的传统化学净化方法。然而，需要更多的研究来了解其抗菌作用的实际机制以及与不同食品加工中的EOW相关的主要问题。

    通过水电解进行清洁和消毒的概念并不新鲜。在1970年代，主要重点转向在电解对淡水和饮用水进行消毒。1981年，提出了通过电解净化废水。自1980年代以来，有许多关于食品工业中不同类型电解水的抗菌活性的报道。电解水已被证明是最有效的处理方法之一，其活性氯造成的损害最小。在过去的几十年中，EOW正在研究用于不同的抗菌目的，并且其各种类型受到特别关注，这些类型可以根据其特定特性产生不同的效果。这里应该提到术语的歧义，因为大多数研究报告对同一类型的电解水使用不同的名称。然而，所有这些名称都基于相同的属性，如pH、ORP和游离氯含量。表 1 中给出了用于每种类型的常用名称列表。

表1 不同类型的EO水的通用命名法和物理性质

    电解水是通过从稀盐溶液中传递电流（~9-10 V电势）产生的。该过程中最常用的盐是NaCl，还有KCl和MgCl ₂ 的混合物也可用于电解。电流通常在8至10 A之间。电解过程有多种特性，如水流速、温度和盐溶液浓度，这些特性会影响最终的输出效率。所有这些属性也定义了生成水的结果属性。根据电解过程，EOW可分为酸性EOW，碱性EOW和中性EOW（NEW）三种主要类型。在所有这些类型中，酸性EOW因其高效的抗菌活性原理而受到最多关注。碱EOW和NEW也正在研究它们在不同抗菌应用和其他用途（如清洁）中的功效。酸性和碱性EOW都是在电解室中产生的，其中阳极和阴极在隔膜的帮助下分离。NEW 可以在没有隔膜的单细胞室中生产，或者只是以一定的比例混合酸性和碱性 EOW（图1）。

    酸性EOW在阳极产生。在电解过程中，溶解的盐分离Cl ⁻ 和Na ⁺ 。同时，H ⁺ 和OH ⁻ 也形成。因此，带负电荷的离子（Cl ⁻ 和OH ⁻ ）移动到阳极并放弃电子并成为氧气（O ₂ ）和氯气（Cl ₂ )。在阳极形成的其他重要产物是次氯酸（HOCl），次氯酸离子（OCl ⁻ ），和盐酸（HCl）。以下是在阳极形成EOW的反应：

    如今，EOW的抗菌活性正在食品工业中得到广泛探索。然而，抗菌活性的主要原理仍在研究中。关于EOW如何对不同类型微生物及其孢子的生长产生强大的抑制作用，有多种理论。一些理论认为，低pH、高氧化还原电位（ORP）与活性氯相结合是杀菌活性的主要原因。低pH值使细胞更容易受到活性氯的影响，因此更多的HOCl分子可以通过细胞膜进入。高ORP的氧化会破坏细胞膜，也有人假设高ORP会改变细胞的正常电子流。除了低pH值有助于进入细胞外，活性氯化合物还可以破坏细胞膜的结构。活性氯化合物进入细胞后可与核酸反应或破坏对正常代谢功能很重要的关键酶。HOCl被认为是最有效的抗菌剂之一，因为它可以穿透细胞并氧化细胞中重要的代谢化合物。另一方面，酸性EOW也具有高ORP，这反过来可以使细胞膜致敏。高ORP还可以通过减少微生物系统中的自由基来破坏细胞代谢。

    在应用有效的抗菌剂之前，碱EOW通常用作脱脂剂和温和的清洁剂。在这方面，它还用于清洁公共表面和不需要苛刻抗菌处理的物品。碱EOW在电解室的阴极形成，其中H ⁺ 和Na ⁺ 等正离子向阴极移动，在那里它们吸收电子并成为氢气（H ₂ ）或氢氧化钠（NaOH）。典型反应如下 ：

    pH值在消毒中也起着作用，因为在碱性EOW水的情况下，pH值大于11。稀NaOH的存在与高表面净化效果有关。虽然碱性EOW有杀菌效果，但它不如酸性EOW有效，因此在工业和研究中的应用较少。

    中性EOW（NEW）被认为是三种电解水中抗菌活性最差的。但是，它的腐蚀性较小，可以毫无阻碍地进入微生物细胞。因此，在关注腐蚀性的地方也进行了广泛的探索。基本上，NEW 是通过在不添加隔膜的情况下电解稀盐溶液而形成的。产生的正离子和负离子相互反应，形成近乎中性的溶液（7-8 pH），ORP约为800 mV ORP。产生 NEW 的另一种方法是将 EOW 与 OH ⁻ 混合离子。在与EOW相关的各种问题中，最突出的问题之一是存储，它降低了EOW相对于时间的有效性。另一方面，与EOW相比，NEW具有更长的保质期。因此，在需要长时间储存水的情况下，NEW 比 EOW 更具优势。

    目前正在探索所有三种类型的EOW作为抗菌剂在生物系统中的有效性。电解水的不同应用包括主要类型的致病剂，包括细菌、真菌、病毒、原生动物、藻类和线虫。然而，每种类型的主要作用方式在化学反应和最终用途方面是不同的。到目前为止，酸性EOW是作为抗菌剂研究最多的电解水，并已被证明可有效用于工业规模。图2显示了市售的EO水发生器 。

图2  EO水发生器

    电解水抗菌特性的研究始于医疗卫生行业，用于手术器械消毒。在过去5年中，与酸性和碱性电解水相比，中性和微酸性电解水受到更多关注（表2）。这种转变的主要原因是有效的抗菌特性以及对食品质量的影响最小。然而，酸性和碱性水系统由于其更高的抗菌特性，仍然是研究的重点。

酸性电解水

    关于酸性电解水在食品净化方面的有效性，包括蔬菜，肉类和许多其他产品，已经有多份报告。酸性电解水抗菌活性的基本原理是低pH值和活性氯物种的综合作用，它们协同作用以改变细胞膜结构和重要蛋白质。近年来，酸性电解水研究的主要焦点一直是肉制品及其储存特性。

    最近，Han等人建立了酸性EOW的一个有趣的应用。生物膜的形成是处理食源性病原体时更常见的问题之一，因为已经确定超过60%的食源性微生物可以形成生物膜。生物膜的形成是有问题的，因为一小部分活细胞会导致生物膜的形成和食品的污染。Han等人表明，pH值约为2-3的酸性电解水可以有效对抗生物膜形成细菌。

    虽然许多食品都需要酸性电解水的抗菌作用，但酸性EOW的其他属性和作用正在农业和食品工业中探索。这些属性的一些例子是储存、增强营养和质量特性。由于酸性EOW具有更高的抗菌特性，这些属性受到关注，如果使用次优pH值，这反过来又会损害食品的质量和营养特性。还比较了强酸性和弱酸性水，以评估此类处理对整体食物质量和细菌对减少细菌的影响。最近发表了很多研究文章，以证实更多关于酸性电解水的信息，酸性电解水也已被确定为最突出的抗菌处理之一。

微酸性电解水

    已经提出了微酸性电解水来帮助解决强电解水处理产生的腐蚀性和低pH值等问题。低pH值会导致溶解的氯气快速挥发，对人体健康产生不利影响。为了减少强酸性电解水的所有这些负面影响，提出了微酸性电解水。如前所述，这种类型的电解水的pH值范围为5至6.5，ACC为10至30 mg / L。然而，有些研究文章使用了超出这些范围的术语“微酸性”。

    虽然对酸性电解水的作用提出了不同的原理，但有趣的是，最近的报告表明，与EOW相比，SlAEW具有更高的抗菌活性（表2）。这可能是由于低pH值会通过挥发增加氯气的损失，从而降低抗菌活性。时间和温度也是在这方面评估的一些重要因素。此外，储存水以备后用或在水中储存食品也是一个问题。

    无论如何，最近发表的几篇研究文章显示了SlAEW的强大抗菌作用。表2给出了一些示例。大多数此类研究机构使用致病微生物的纯培养物来评估SlAEW对此类微生物失活的影响。一些研究项目基于特定的食品及其储存条件。一个例子是使用SlAEW冰来储存鱿鱼。其他例子是在芹菜和香菜表面评估细菌和酵母的抗菌活性。

碱性电解水

    与不同浓度的酸性电解水相比，碱性电解水的探索频率不高（表2）。然而，最近的研究很少，这些研究表明电解水中的高pH值对食品清洁的影响。Cravero等人在酿酒葡萄上展示了这种水（高pH值）的一种应用。评估酵母种类对酿酒葡萄的抗菌作用，而处理的pH值约为9。相同类型的水也用于灭活酒香酵母。 据报道，酿酒葡萄上的鲁克氏菌和对数减少2.1 CFU/mL。

中性电解水

    NEW 最近因其在解决电解水处理中低pH值和可能腐蚀问题方面的潜力而受到关注（表2）。大西洋鲑鱼和猪肉制品等肉类产品已通过用NEW处理来评估。在大西洋鲑鱼处理中，6.8 pH值的NEW显示单核细胞增生李斯特菌的对数减少5.6 CFU/mL。然而，对于不同的食源性细菌物种，猪肉产品仅显示0.8 CFU/mL对数减少。这显示了NEW对不同微生物物种的可变效应。然而，可以看出，与强酸性和碱性电解水相比，NEW具有更高的抗菌性能。

    与EOW相比，NEW的一个重要优势是储存后的抗菌活性不变。Cui等人比较了不同条件下储存前后的PH、ACC、ORP等不同属性以及NEW和EOW的抗菌活性。他们表明，虽然这些属性中的大多数在储存后发生了变化，但NEW的抗菌特性保持不变，而酸性EOW的抗菌活性在储存后显著下降。这表明与酸性EOW相比，NEW的存储能力具有潜力。

表2 关于电解水的类型的抗菌性能的最新报告

    食品工业中有许多抗菌处理，基于其消毒特性和非腐蚀性属性。虽然电解水是抗菌性能的理想选择，但它具有各种局限性，例如腐蚀性和储存能力。因此，最近，研究发生了转变，将电解水与其他抗菌处理相结合。两种或多种抗菌处理的组合可以帮助优化处理参数，从而在最大的消毒性能下发生最小的质量变化。

    在电解水抗菌处理的各种组合中，超声波、紫外线和热处理是一些最常见的方法（表3）。许多欧洲国家禁止在消毒过程中使用氯产品，因为会形成对环境和人体健康有害的有害副产品。电解水中的HOCl是主要的抗菌剂，在多项研究中推测是食品工业中的有效抗菌剂。为了尽量减少电解水中存在的氯产生的副作用，SlAEW在各种研究设计中与超声波相结合。超声波可有效减少有效消毒食品表面所需的浸渍时间。例如，Luo和Oh研究了SlAEW和超声波对电解水中鲜切甜椒的整体抗菌效果和浸渍时间的综合影响。他们优化了抗菌过程，只需1 min的浸渍时间就足以减少3 log CFU/g。

    虽然超声波已被证明在许多其他研究机构中作为电解水的补充处理是有效的，但在这方面也使用了其他物理参数。然而，重要的是要注意，这些物理参数会对食品的质量产生不利影响。因此，它们的优化以实现可容忍的质量变化是非常必要的。Luo和Oh除了电解水和超声波外，还使用了温和的热处理。他们得出结论，甜椒可以在温和的热量（60°C）下处理。温和的热量增强了电解水的抗菌性能。另一种物理处理方法是使用微泡技术。这种技术是在超声波的帮助下采用的，其原理是借助超声波波来增强电解水的暴露时间。

    氧化钙和富马酸等化学处理方法也与微酸性电解水一起用于增强此类处理的抗菌性能。这种联合处理的协同作用也可以确保食品质量。这些技术正在水果和蔬菜表面进行大量研究。主要原因是物理和温和化学处理的效果最小。虽然热量也可在这方面应用，但它可能会损害食品质量，因此需要优化这些参数。

    在将温和的热量与电解水一起使用作为额外处理的各种研究项目中，Ovissipour等人在大西洋鲑鱼的表面研究。肉类产品，尤其是海鲜，不是通过加热或电解水处理的理想食品，因为这种处理会破坏蛋白质结构，从而损害食品的质量。然而，Ovissipour等人表明，在大西洋鲑鱼的处理中，NEW可以是一种非常好的抗菌处理选择，因为它不会破坏鲑鱼的蛋白质二级结构。他们还表明，较高的温度可以帮助增加NEW的作用，从而提高这种抗菌处理的效率。所有这些处理组合都可以以最短的加工时间为食品工业中的抗菌活性提供最佳条件。

    除了食品表面的清洁和卫生外，还有研究使用EOW清洁食品加工设备表面。挤奶系统是一个特别具有代表性的例子。传统上，在奶牛场，使用奶爪从奶牛身上收集牛奶，然后通过输送管道输送到储罐。管道从连接到奶爪，然后连接到储罐。在储罐中，牛奶储存在4℃。挤奶完成后，所有与牛奶接触的表面都会被牛奶污染，即弄脏，需要立即以适当的方式进行清洁和消毒。原位清洗（CIP）已应用于大型奶牛场，以缩短加工生产线和设备进行清洗的时间，具体取决于要去除的目标污染物的类型和具体程序不同。在挤奶系统中，该过程从温水冲洗开始，然后是高温碱性洗涤以去除蛋白质等有机沉积物和中间水冲洗，最后是酸洗以去除矿物质沉积物；在下一次挤奶之前，消毒循环通常在系统管道内循环，以确保牛奶接触表面的安全（表4），如乳品实践委员会所建议的那样。还有一种新颖的一步式CIP，它将碱性洗涤和酸性洗涤循环合二为一，据称具有可比的CIP性能，以节省水和化学品的使用以及能量消耗。

    管道中最难清洁的部件是转动弯头、死角等。这些部分可以沉积有机物和微生物生物膜。清洁和消毒性能的改善包括改变或增加使用的化学品，在某些情况下提高CIP溶液温度，或增加CIP流体对土壤和沉积物施加的水动力。为了找到最佳的CIP条件并减少支出，已经努力提取加工参数并开发清洁和消毒过程的数学模型。CIP过程中化学溶液的功能是与土壤和沉积物反应；这导致土壤和表面之间的粘附力降低，从而更好地去除沉积物。从这个角度来看，更高浓度的CIP化学品会导致设备和管道表面的清洁度更好。沉积物和表面之间的粘合强度取决于沉积物的类型和数量，以及表面材料和表面特性。较长的沉积物沉降时间（有时更高的温度导致有机材料变性）也会增加粘合强度，并且难以清洁。对于任何沉积物（或土壤颗粒），当提升力高于粘附力时，去除过程占主导地位；否则，颗粒会逐渐沉降并形成沉积物。不同的粒子运动也会导致不同的沉积物去除动力学，这超出了本综述的范围 。

表4乳制品业委员会推荐的CIP程序

图3 不锈钢表面评价模拟器，带152.4mm直管试验段试件

图4 不锈钢乳浸液接触面附近的温水冲洗、EO水碱性清洗和EO水酸清洗循环过程中的沉积物去除过程说明

    电解后盐水抗菌特性的研究始于1960年代初。电解水被证明对手术器械和外科医生的手具有消毒特性。然后，研究兴趣集中在电解在水本身处理中的应用（图5）。有许多研究讨论了电解杀菌处理后的水质，如饮用水中的杀菌作用和电解处理废水。

    电解水的最早用途之一是用于手术器械的去污，在俄罗斯也有报道。日本一直是制造用于抗菌和饮用水应用的电解水发生器的领先国家之一。有商用便携式电解水发生器可用于家庭用途。碱性水的处理特性不如酸性和微酸性电解水的抗菌特性得到充分研究。然而，有人讨论碱性电解水可有效处理消化系统的问题。

    电解水最突出的用途是作为农业、食品和许多其他需要消毒的行业的抗菌剂。自1987年以来，发表了大量文章，讨论了不同类型的电解水对从蔬菜和水果到肉类等食品净化的影响。酸性电解水一直是特别关注的，与碱性和中性电解水相比，酸性电解水的杀菌作用更为突出。这种关注的主要原因是活性氯的低pH值和高可用性，它可以与酶和细胞膜反应以破坏微生物细胞。

    近年来，人们对酸性电解水中氯的活性种类和副产物的形成表示关注。为了解决酸性电解水的此类问题，提出了中性和微酸性电解水。这种类型的电解水显示出更长的储存能力，而不会像酸性电解水那样失去抗菌性能。对不同类型电解水的比较表明，某些类型的抗菌性能更好，而另一些类型的电解水可以更有效地保持食品的质量。

    近年来，对电解水的研究重点已转向两个主要目标：通过电解水确定抗菌处理的机理和比较不同类型的电解水，以了解可用于哪种食品。还讨论了肉类工业中电解水使用的主要问题。据讨论，强酸性电解水可以改变肉中的蛋白质二级结构。为此，建议使用微酸性或中性电解水。另一方面，蔬菜和水果的质量受电解水处理的影响不大。有许多研究文章讨论了所有类型的电解水在蔬菜和水果处理中的效率。总体而言，电解水可以作为食品工业中的潜在抗菌剂。

图5 EW作为抗菌剂的场研究轨迹

    电解水的抗菌活性一直是包括中国、韩国和美国在内的许多国家的共同研究课题（图6）。但是，电解水的商业化并没有以相同的规模采用。由于大量研究出版物显示了电解水在食品抗菌处理中的有效性，电解水发生器的商业化在电子工业中越来越受到关注。现在有许多公司正在尝试设计一种电解水发生器，既可用于研究目的，又可用于一般消费的商业化。例如，Envirolite® ，RVD Corporation ，Hoshizaki Electric Co. Ltd.，EcoLogic Solutions Inc.和Viking Pure™等公司正在制造电解水发生器，这些公司正在研究实验室中使用，这些公司正在鼓励家庭使用的商业化。家庭使用电解水最常见的问题是产生有害和有毒的副产品。然而，这些公司声称他们的技术不会导致有害氯物种的形成。

    AEW在美国的商业化是一个缓慢的过程，因为人们担心电解水的潜在腐蚀。然而，正在作出新的努力，不仅帮助使国内使用的AEW生产商业化，而且在CIP过程中使用AEW。一个例子是EAU Technologies Inc.的研究项目。该公司建立了研究项目，以帮助电解水在CIP实践中的工业使用。该项目成立于2009年，电解水以Empowered Water™的名义商业化。

    欧洲国家禁止在肉类工业中使用电解水作为抗菌剂。主要原因是电解水使蛋白质分子失活。另一方面，电解水技术正被用于饮用水消毒。然而，美国正在采取主动行动，在各种食品的清洁和消毒中使用电解水。2015年，使用电解水作为氯试剂已被批准用于有机材料的生产。在电解水的各种优点中，财务可行性是最常见的考虑因素之一。电解水的现场生产、稀释和废物管理使其非常适用于不同的行业。

    除了电解水的工业和家庭应用外，食品工业的其他部门（如餐馆）也从电解水清洁中受益。使用电解水代替简单的自来水，清洁时间大大减少，台面也可以用这种水消毒。如果水不进入眼睛或不被摄入，对人体接触无害。所有这些应用都增加了电解水商业化的可能性。

    在电解水研究的各种未来趋势中，最重要的趋势可能是抗菌作用的机制。虽然文献中提出了许多理论，包括低pH、高ORP和活性氯的协同作用，但实际的作用机制尚未得到证实。此外，低pH值和活性氯的协同作用仅适用于酸性电解水。在这方面，中性和微酸性电解水的抗菌作用机制也令人感兴趣，因为已经表明，对于某些食品，这种类型的电解水可能比酸性电解水更有效。使用中性和微酸性电解水的主要优点是储存能力。已经表明，酸性电解水如果储存时间较长，会失去其抗菌性能。中性电解水没有这种缺点。

    未来感兴趣的第二个主题应该是调查与在肉制品中使用电解水有关的问题。有研究表明，酸性电解水可以改变肉制品中蛋白质的二级结构，从而影响这些食品的质量。除肉制品外，还应考察电解水处理后的蔬菜和水果质量。虽然有许多研究文章涉及此类产品的质量特征，但应确定每种产品EW对食品质量的影响机制。

    AEW作为消毒剂的商业化在食品工业中是一个缓慢的过程。许多不同的抗菌处理方法，包括加热和化学消毒剂，正在不同的食品领域流行。然而，热加工在肉类和生食行业中一直是一个挑战，因为高温会极大地影响食品的质量。由于这些原因，非热加工方法在食品质量研究和商业化中越来越受到关注。食品加工的另一个必要条件是现场生产廉价化学消毒剂。目前使用的化学消毒剂没有显示出这种特性。因此，在不久的将来，电解水生成系统的商业化是可期的。

    电解水已被证明对常见的人类病毒（如乙型肝炎病毒（HBV）和HCV以及人类免疫缺陷病毒（HIV））有效。许多研究文章都提出了在酸性电解水的帮助下对表面进行消毒。因此，在新型冠状病毒（COVID-19）的情况下，电解水有可能有效地减少暴露时间。文献报告中讨论了电解水破坏各种病毒结构的可行性，应该研究其对COVID-19的影响 。

本文引用如下：

Iram A, Wang X, Demirci A. Electrolyzed oxidizing water and its applications as sanitation and cleaning agent[J]. Food Engineering Reviews, 2021, 13: 411-427.

全文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s12393-021-09278-9?utm_source=xmol&utm_medium=affiliate&utm_content=meta&utm_campaign=DDCN_1_GL01_metadata

⬇点击下方阅读全文