（食品科学专业论文）电生功能水的杀菌机理及其在鲜切果蔬加工中的应用研究.pdf

摘要对电生功能水的基本理论及其在食品加工中的应用问题进行了研究探讨。通过实验证明，本研究室自行研制的电生功能水发生设各操作简便、性能可靠、生成功能水指标稳定，完全可以满足实验研究的需要。对酸性电解水的杀菌机理进行研究的结果表明：电生功能水的氧化杀菌能力来自于其中所含有的次氯酸，次氯酸浓度高则溶液的氧化能力就强，其杀菌效果也好。研究发现，采用普通自来水浸泡清洗并不能有效的降低鲜切果蔬产品的微生物指标，而用指标为；h 2 5 、o r p l l 8 0m v 、a c c 3 5m g l 的电生功能水处理鲜切果蔬产品，可虬明显地降低附着于产品上的各类微生物，增加了产品的食用安全性，提高了鲜切果蔬产品的品质。通过考察电生功能水浸泡处理对马铃薯、富士苹果、河北鸭梨三种果蔬切片表面色泽的影响，确认了电生功能水抑制果蔬切片氧化褐变的效果，实验证明，电生功能水具有与常用褐变抑制剂l - 半胱氨酸+ 柠檬酸等同的抗褐变效果。对提取到的马铃薯酶促褐变反应活力进行测定发现，电生功能水可以使法应活力降低5 0 以上，与l _ 半胱氨酸+ 柠檬酸对酶促褐变反应的抑制能力相当，说明电生功能水通过抑制酶促褐变反应而阻止果蔬切片的褐变。关键词：电生功能水，杀菌，鲜切果蔬，褐变，多酚氧化酶i ia b s t r a c tt h ep r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o n so ft h ee l e c t r o l y z e df u n c t i o n a lw a t e r ( e f w ) w e r ed i s c u s s e di nt h ep a p e rae f wg e n e r a t o rw a sm a d eb yt h er e s e a r c hg r o u p ，w h i c hw a sp r o v e dt ob ec o n v e n i e n ta n dr e l i a b l eb yt h ee x p e r i m e n t sa n dm e tt h er e q u e s t so ft h er e s e a r c hw o r kv e r yw e l l d i s i n f e c t i n gf i l n d a m e n t a l so ft h ee f ww e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eb a c t e r i c i d a le f f e c to fe f wc a m ef r o mt h eh c l 0 ( h y p o c h l o r o u sa c i d ) e x i s t e di ni t ，h i g h e r h c i oc o n c e n t r a t i o nl e dt os t r o n g e ro x i d i z i n gc a p a c i t ya n ds t r o n g e rg e r m i c i d a le f f e c t t h ea p p l i c a t i o n so fe f wi nt h ef r e s h - c u tf r u i t sa n dv e g e t a b l e sp r o c e s s i n gw e r ea l s os t u d i e d i ts h o w e dt h a td i p p i n gt h ef r u i t sa n dv e g e t a b l e ss l i c e sw i t ht a pw a t e rc o u l dn o td e c r e a s et h ea m o u n to fm i c r o b e so nt h es a m p l e se f f e c t i v e l y , w h e r e a sp r o c e s s i n gt h ef r u i t sa n dv e g e t a b l e ss l i c e sw i t he f w ( p h 2 5 、o r p l l 8 0m v 、a c c 3 5m g l ) c o u l dr e d u c et h et o t a lm i c r o b e so nt h es a m p l e ss i g n i f i c a n t l y t h ei m p a c to ft h ee f wo nt h es u r f a c ec o l o ro fp o t a t o ，a p p l ea n dp e a rs l i c e sw a sa l s oi n v e s t i g a t e d ，i ts h o w e dt h a te n z y m a t i cb r o w n i n go fp o t a t o ，a p p l ea n dp e a rs l i c e sp r o c e s s e db ye f ww a sw e l li n h i b i t e d t h es u c c e d e n tr e s e a r c hs h o w e dt h a te f c o u l dr e d u c et h ee n z y m a t i cb r o w n i n gr e a c t i o na c t i v i t yb y5 0 ，a n dt h a tw a se q u i v a l e n tt ot h ee f f e c to fau s u a la n t i b r o w n i n ga g e n t ，l - c y s + c i t d ca c i d ，t h i sr e s u l te x p l a i n e dw h yt h ee 刑h a ds t r o n ga n t i b r o w n i n ge f f e c to f ft h ef r e s h - c u tf r u i t sa n dv e g e t a b l e s k e yw o r d s ：e l e c t r o l y z e df u n c t i o n a lw a t e r , d i s i n f e c t a n te f f e c t ，f r e s h - c u tf m i 协a n dv e g e t a b l e s ，e n z y m a t i cb r o w n i n g , p o l y p h e n o lo x i d a s ei l l缩略词表e f w ( e l e c t r o l y z e df u n c t i o n a lw a t e r ) 电生功能水a c c ( a v a i l a b l ec h l o r i n ec o n c e n t r a t i o n ) 有效氯浓度o r p ( o x i d a t i o n r e d u c t i o n p o t e n t i a l ) 氧化还原电位c f u ( c o l o n y f o r m i n g u n i t ) 菌落形成单位p p o ( p o l y p h e n o lo x i d a s e ) 多酚氧化酶l - c y s l 半胱氨酸v i独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名时间：p 印年月量日关于论文使用授权的说明本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。研究生签名：谈乒时间：聊年多月f i 日“一。一=导师签名：1 1 ；时间：- 2 x - e - 年占月护日；k 。二崔中国农业大学硕士学位论文第一章绪论1 1 电生功能水的概念1 1 1 电生功能水的概念第一章绪论“电生功能水( e l e c t r o l y z e df u n c t i o n a lw a t e r ) ”是以特殊电解装置对电解质稀溶液进行处理，经过一系列的复杂电化学及化学反应，分别在电解槽阴极室及阳极室中得到的具有特殊理化性质的产物的总称，在阳极室一侧得到酸性电解水，在阴极室侧得到碱性电解水，由于所得产物具有多种对人类有益的特殊功能，因此被命名为电生功能水。1 1 2 电生功能水的理化性质及特点电生功能水的理化指标一般如下，酸性电解水：口h 值通常在2 o 3 5 之间，氧化还原电位( o r p 值) 达到1 0 0 0 1 2 0 0m v ；有效氯浓度2 0 6 0p p m ；酸性电解水中的有效成分具有较高的活性，容易分解失效，所以贮藏期较短，在密闭容器中为1 个月，开口容器中为3 天，一般需现用现制。碱性电解水的理化性质如下：p h 值为1 1 。0 1 2 。2 。其还原性很强o r p 值可达- 8 5 0 1 0 0 0m v ，渗透性较高“”。此外，有报道说在电生功能水发生过程中还生成了氧自由基以及羟基自由基，这一说法目前尚在讨论之中，它们与电生功能水的特殊功能是否有关也需进一步研究证实。电生功能水的主要特点可概括为：一、无残留、不污染环境；二、对人无毒、副作用，使用安全可靠；三、制取方便、成本低廉。自然界中存在的动植物病原菌种类繁多，一般用一种药剂难以对各类有害微生物都起到令人满意的灭菌效果。1 。实验证明：电生功能水中的酸性电解水具有很强的杀菌效力，且适用范围广，对于各类微生物均具有非常强的杀灭作用“1 1 ，其杀菌效果明显优于臭氧、次氯酸钠等传统杀菌剂“”，酸性电解水可在短时间内杀灭各种细菌如；金黄色葡萄球菌、绿浓杆菌、大肠杆菌、沙门氏菌等，各种霉菌如毛霉、青霉、曲霉等以及肠道病毒、流感病毒等各类微生物“”3 ，用酸性电解水处理3 0m i n 可杀灭细菌芽胞“”1 ，还可在3 0 s 内使乙肝病毒表面抗原灭活“。电生功能水与传统的化学消毒、杀菌药剂有很大的不同，酸性电解水中含有的活性成分性质不稳定，随着与光、空气以及有机物等接触。这些成分会逐步放电分解，其氧化还原电位会逐步下降趋于正常，逐渐还原为普通的水，做用完毕排放后对环境无任何污染1 。区别于传统化学药剂的另一特点是：通过对老鼠、哺乳动物及人类志愿者进行的口服实验、皮肤刺激性试验、皮肤过敏试验、口腔粘膜刺激试验、急性眼刺激试验、细胞毒性试验、染色体异常试验及微核试验等，发现所观测的各项生理指标均无显著变化，证明酸性电解水无毒副作用、无蓄积毒性、对皮肤无刺激，安全性很高“8 ”1 。腐蚀性试验表明：电生功能水对不锈钢基本无腐蚀，对铜、铝及碳钢仅有低度腐蚀作用，使用安全可靠”。由上述可见，酸性电解水较一般防腐杀菌剂具有更高的安全性。电生功能水制取装置结构比较简单，在制取过程中无需化学原料以及复杂的化工操作，与生产传统化学制剂相比成本低廉，有利于其在医疗卫生、食品加工尤其是农业生产等各项事业中推广应用。中国农业大学硕士学位论文第一章绪论1 2 国内外研究及应用现状1 2 1 电生功能水研究及应用现状对电生功能水的研究是日本的研究机构首先开展的，迄今为止已对电生功能水的基本理论与应用问题作了大量的研究工作，研究涉及医疗卫生、食品加工、农产品贮藏加工、园艺栽培、植物保护等各个领域。早在9 0 年代初，电生功能水在日本已受到广泛关注，但由于对电生功能水的消毒机理及其安全性并不了解，日本法律曾禁止其在食品及医疗行业使用，在“0 1 5 7 ”事件之后，日本修改了相关的法律“”，允许将电生功能水发生器作为消毒器械生产销售，应用于医疗卫生、食品及农产品贮运加工、农业生产等领域，并于2 0 0 1 年批准将其列为食品添加物用于食品加工行业。为了推进电生功能水在农业方面的应用研究，日本还成立了“电解功能水农业研究会”。在美国，目前佐治亚大学、普度大学、宾西法尼亚州立大学等多所大学及机构也已开展了对电生功能水的研究。他们主要对酸性电解水的杀菌功效及作用机理等理论及应用问题进行了研究探讨。此外，一些欧洲国家如德国、俄罗斯等也己对电生功能水展开了研究。在我国，对电生功能水的研究已经起步，已有多家医疗卫生相关机构引进设备或用国产设备进行了消毒效果观察并对其作用机理进行了初步研究，如：中国预防医学科学院、军事医学科学院、广东省疾控中心、北京市疾控中心等等。中国农业大学李里特教授是这一领域较早的研究者之一，于1 9 9 7 年发起创办了功能水研究推广促进会，对电生功能水的应用研究进行引导和规范。在李里特教授的努力下，近年来，中国农业大学中日食品研究中心已经对电生功能水用于食品加工及农业生产中的理论及应用问题作了大量的研究工作，取得了一些重要的成果，填补了电生功能水在食品加工以及农业生产领域应用研究的空白，对我国在这些领域研究工作的开展起到了重要的推动作用。在电生功能水基础理论研究方面，主要的工作都集中在酸性电解水杀菌机理的问题上。目前，酸性电解水的杀菌效果已经得到了广泛的认可，但是对其作用机理还存在有不同的看法，发展出了o r p 学说、有效氯学说、活性氧学说、自由基学说等多种解释。如：y e n - c o nh u n g 等“1 认为：酸性电解水杀菌作用的主要来自于其较高的氧化还原电位( o r p ) 。李永玉”的研究认为：酸性离子水之所以具有高效、瞬时的杀菌功效，主要由于其中含有效氯再加上p h 、o r p 共同作用的结果。龚泰石等“”推测：酸性电解水的消毒作用成分是以低浓度的h c l 0 为主，另外还可能有一种或几种其它氧化荆或自由基，如0 3 、n 2 0 2 、h 0 2 、h o 、 o 等。周群英等”认为：电解水杀菌机制是在物理场作用下，水被微电解出活性氧直接杀菌，或者o h 与存在的另一种活性物( 如氯离子c r ) 相互结合成活性更强的氧化剂杀菌。陈贵秋等报道：高的氧化还原电位( o r p 1 1 0 0 m v ，微生物生长正常的电位为4 0 0 + 9 0 0 m y ) 使微生物细胞膜的通透性增大，同时使电解水中的有效氯很容易进入细胞质内，阻碍微生物酶的代谢，实现快速杀菌，低p n 值增强了这种作用。m r b o n d e ”1 等认为：次氧酸以及游离氯是酸性电解水杀菌作用的主要来源。对电生功能水为何具有很强的杀菌作用目前还没有统一的解释，还需要进一步研究证实。目前，国内外对于电生功能水的应用研究主要集中于医疗卫生、食品加工、农业生产三大领域，已经取得了丰富的研究成果。在医疗卫生领域，由于酸性电解水对各类病原菌甚至病毒均有高效的杀灭作用，且其安全性好，对人体及环境无负面影响，目前已被用于各种医疗器械的清洗消毒，包括牙科器械、内窥镜2中国农业大学硕士学位论文第一章绪论以及复用透析器的清洗消毒，还可用于卫生机构墙壁地面及空气的清洗消毒以及人的皮肤、口腔及农物的消毒。7 ”1 。此外，酸性电解水还可用于妇产科、泌尿外科、烧伤外科、皮肤科等的临床治疗，据报道：酸性电解水对妇科疾病、烧伤以及脚癣、带状疱疹、湿疹、皮炎、褥疮等皮肤科疾病疗效较好，且无毒无刺激，应用效果良好，可替代传统的外用盐水、新洁尔灭等制剂”1 。日本1 9 9 4 年召开的功能水研究振兴集团第二届会议宣布饮用碱性水对人体无毒副作用，实验证明：长期引用碱性水不会造成电解质紊乱及肝、肾功能损害。研究表明：饮用碱性水对便秘、胃酸及肠内异常发酵等有很好的治愈效果，有利于消除运动后疲劳，还可作为原发性高血压、糖尿病及高脂血症的辅助疗法之一“一1 。在食品加工领域，酸性电解水主要被用于：食品加工器械、用具的清洗消毒，果蔬产品的清洗、消毒以及保鲜。y e n c o nh u n g 等。5 1 研究发现酸性电解水可以有效的杀灭可能污染食品的各类病原菌，用酸性电解水清洗食品加工器具可以防止食品交叉污染的发生，从而有效控制各种微生物传播疾病的爆发。李博等1 的研究表明：用酸性水浸泡后，大豆的微生物总数与对照组( 自来水浸泡) 相比，降低了1 8 个对数值，采用相同的后续工艺制得的豆腐细菌总数也降低了1 5 个对数值。小关成树等。7 对电生功能水用于蔬菜杀菌进行了系统的研究，认为用于蔬菜杀菌的酸性电解水的适宜有效氯浓度为1 0 0 2 0 0 p p m ，作用时间为5 加r a i n 。肖卫华”用电生功能水处理草莓、葡萄及番茄等果蔬，发现处理后各类果蔬表面及总微生物数量均有明显减少，果实的腐烂率大大降低，而且发现果实呼吸强度受到抑制，营养成分的消耗减少，延缓了果蔬的衰老，有效延长了果蔬产品的货架期。还有一些研究将电生功能水用于食品加工过程，以改善食品的品质，将碱性离子水用于豆腐加工，缩短了大豆浸泡时间。提高了豆腐的蛋白质溶出率，改善了豆腐的品质；用碱性离子水处理改善了陈米的煮饭特性；将酸性水用于面包加工，改善了面包的加工特性，增强了面筋结构使面包富有弹性，而且提高了可溶性蛋白质含量“3 。在农业生产领域，电生功能水用于减农药无农药栽培、种子的消毒清洗、植物的无土栽培、酸性土壤的改良、高品质作物的栽培以及用作植物生长促进剂的实验研究已经展开。相关研究报道已有发表。r a t n ar s h a r m a “1 1 用酸性电解水处理苜蓿幼苗，处理后显著降低了苗芽上的微生物数目，且没有对幼苗外观造成任何伤害。肖卫华等“的研究表明：电生功能水中的活性成分对黄瓜白粉病菌可以起到有效的杀灭作用：电生功能水对于葡萄炭疽病的防治效果优于常用农药“百菌清“。s c h o m e r “利用酸性电解水对桃白粉病进行防治试验，发现喷洒酸性水能显著减少桃树和叶子白粉病的发病率。富士原和宏等“1 对黄瓜霜霉病防治研究表明：电生功能水喷洒区几乎无发病，而对照区在1 3 日后发病率达到3 2 。目前，在电生功能水理论与应用研究中还需要深入探讨的问题包括以下几方面：首先，对于电生功能水高效、瞬时的杀菌功效已有了一致的认同，但是对于其作用的机理目前还没有统一的解释，这也是目前国内外许多研究者所努力解决的问题，有待于进一步的深入研究，也应作为本课题研究的重点。其次，在电生功能水的应用研究方面，我国目前虽然已开展了一定的工作，但距离将其在食品及农产品加工和农业生产等领域投入实际应用仍有大量的工作要做，既然电生功能水有如此优良的性质，那么就应充分开发电生功能水在这些领域的应用潜力，使之真正造福于人类。第三，电生功能水发生装置的研制。在日本，电解水生成装置的开发研究早已开始，电解水生成装置己由间歇式发展到连续生产式，又发展出了p h 值和o r p 值可调式。目前，国内开发的电生功能水发生器的主要缺点是生成装置对水质要求较高，缺乏通用性，且所生成电生功能3中国农业大学硕士学位论文第一章绪论水化学指标不稳定，对其作用效果造成了一定的影响，而进口功能水发生器的价格又比较昂贵，难以为我国的普通用户所接受。这些问题都制约了电生功能水在我国的推广应用，因此，对电生功能水发生条件、控制参数等技术指标进行摸索，为自行开发经济耐用、适应性强的电生功能水发生装置打下基础，也是现阶段非常重要的任务。第四，电生功能水还有许多我们尚未开发利用的性质，如碱性水的乳化性质、抗氧化性质、水分子团变化引起的渗透力的增强、洗涤作用等等，有待于进一步的研究探讨。1 2 2 鲜切果蔬生产加工中存在的问题鲜切果蔬( f r e s h c u tf r u i t sa n dv e g e t a b l e s ) 又名半处理果蔬或轻度加工果蔬( m i n i m a l l yp r o c e s s e d f r u i t sa n d v e g e t a b l e s ) ，是指新鲜水果、蔬菜原料经清洗、整修、去皮、切分等步骤，用塑料薄膜袋或以塑料托盘盛装，外覆塑料膜包装，到达消费者手中必须是新鲜的可供消费者立即食用或餐饮业使用的一种产品“”。由于其新鲜、方便、营养成分保存好等特点，受到欧美、日本等国家消费者的喜爱，近年来在我国也开始受到关注，消费量增加相当快。作为切割果蔬的主要种类有苹果、梨、菠萝、香蕉、桃、洋葱、胡萝h 、马铃薯、生菜、甘蓝等“。在鲜切果蔬生产加工和贮藏过程中存在的最大问题是：去皮和切分加工操作会使果蔬受到机械损伤使原本互相隔离的多酚氧化酶系统与酚类物质发生接触，导致酶促褐变而产生令人不愉快的色泽：果蔬产品在加工过程中暴露在空气中，由于受到机械损伤，组织内营养物质流出，使得鲜切果蔬产品更易被微生物侵染而腐败变质，同时增大了致病菌污染产品的可能性；此外，果蔬组织受损还会引发一系列不利于贮藏的生理生化反应，果蔬呼吸强度增大、营养物质的消耗加速、果蔬的成熟和衰老加快，从而导致了产品风味损失、组织结构劣化、营养物质流失。因而相对于未加工的果蔬而言鲜切果蔬更易发生变质，其货架期也比未加工果蔬大大缩短1 。为了避免鲜切果蔬产品被腐败及致病微生物污染，目前所采用的主要是运用危害分析与关键控制点( h a c c p ) 方法管理、保持良好的卫生条件、严格的控制环境温度、果蔬切割后的清洗( 洗去切割表面流出的营养物质) 及离心脱去表面水分( 高水分有利于微生物的生长) 、气调包装等辅助措施“，还没有更加有效的办法来根本解决这一问题。由于酸性电解水具有强力的杀菌作用，而且具有杀菌广谱，无残留、不污染环境，无毒、副作用，安全可靠，制取方便、成本低廉等优良特性，国外将电生功能水用于鲜切果蔬加工来控制有害微生物的研究已初见报道，h i z u m i 0 1 的研究认为，有效氯浓度为1 5 5 0p p m 的酸性电解水可以用于鲜切果蔬的杀菌处理，能显著减少鲜切果蔬表面微生物数量，其效果优于常用化学杀菌剂，而且处理不会对产品的品质造成不良影响。h y a n g 等”“用电生功能水处理经过微生物接种的鲜切莴苣，结果证明在p h 值为7 的阳极电解水中浸泡5m i n 可使产品微生物总数减少两个对数循环以上，并能保持产品的外观品质不发生不良变化。鲜切果蔬酶促褐变过程中起重要作用的是多酚氧化酶( p o l y p h e n o lo x i d a s e ) ，它是催化鲜切果蔬表面多酚类物质生成褐色物质的一系列酶的总称”。当有氧气存在时酚类物质在多酚氧化酶的作用下迅速氧化生成邻醌，后者进而快速聚合成褐色或黑色物质。酶促褐变的发生非常迅速，决定切分果蔬酶促褐变的主要因素是多酚氧化酶的活性和酚类物质的浓度，同时组织环境的p n 、温度和氧气也对酶促褐变的发生有显著影响1 。目前，控制鲜切果蔬酶促褐变的主要方法分为物4中国农业大学硕士学位论文第一章绪论理方法和化学方法两大类，物理方法主要是通过控制加工贮藏过程中的温度、气体成分等因素来实现对多酚氧化酶的抑制或破坏氧化褐变反应发生所需的条件，例如低温气调保藏等；而化学方法则是以化学药剂对果蔬产品进行处理从而达到破坏多酚氧化酶系统、消除氧化褐变中间产物、分解氧化反应产物的目的，以抑制氧化褐变的发生。亚硫酸盐对于果蔬的酶促与非酶促褐变的抑制效果明显，它可以不可逆的抑制多酚氧化酶的活性，同时还可以与醌类中间产物反应而阻止褐变的进一步发生，但是由于皿硫酸盐对人体的毒害作用很大，美国食品药品管理局已限制了其使用范围与使用量，其他一些国家也相继限制了其在食品中的使用。近年来，人们已开始对低毒害作用褐变抑制剂展开了研究，目前报道较多得褐变抑制剂主要有：半胱氨酸、抗坏血酸、柠檬酸、乙二胺四乙酸、4 一已基间苯二酚等等。用化学药剂处理鲜切果蔬防止氧化褐变因其操作简便、成本低廉、抑制效果良好而得到普遍的应用“1 。1 3 本课题研究的意义1 3 1 本课题研究的意义及立题依据近年来，诸如“非典型性肺炎”、“禽流感”等微生物传播疫病的大规模爆发时有发生，造成了非常严重的后果。有害微生物通过食品、水甚至空气等媒介侵入人体导致发病，给人类的生活乃至生命带来了很大的威胁。传统的消毒杀菌剂由于对人体健康及自然环境的副作用而限制了其使用范围，不能为大家放心地接受，因此，人们十分渴望开发出高效、无毒副作用、无残留、应用范围广泛的消毒杀菌剂。而电生功能水作为一种新兴的杀菌产品，具有杀菌力强且适用范围广；无残留、不污染环境；对人无毒、副作用，安全可靠；制取方便、成本低廉等几大特点，完全符合人们的需求，在保护人类的健康、保护人类的生存环境上可以发挥巨大的作用。在我国，鲜切果蔬加工还处在刚刚起步阶段，随着人们生活水平的提高，切割果蔬凭借其新鲜、方便、营养成分保存好等特点必将受到人们的欢迎。鲜切果蔬具有种种优点，但是也有容易腐败变质，易遭致病菌污染以及货架期短等缺陷，通过使用适当的抑菌剂及护色剂，有利于生产出令消费者满意的高质量的鲜切果蔬产品。充分利用电生功能水的优良特性提高鲜切果蔬产品品质，将有利于提高产品的竞争力、刺激果蔬产品的消费、增加农产品的附加值，为果蔬产品提供广阔的市场。研究中通过自行组装、改进电生功能水发生器，并对电生功能水发生过程中的各项控伟l 参数进行摸索，整理出一系列技术指标，为自行研发经济耐用、适应性强，适合中国国情的电生功能水发生装置提供理论依据，同时为本课题其它应用研究工作的开展奠定基础。由于目前对于电生功能水杀菌机理还存在不同的认识，有必要对这一问题作深入探讨，弄清这一基本理论问题将有利于指导电生功能水在生产实践中的应用。我国鲜切果蔬产品的生产开发处于刚刚起步阶段，正在大踏步发展时期，在生产过程中还有大量的问题亟待解决。电生功能水具有多种优良特性，国内将电生功能水应用于鲜切果蔬加工的研究尚属空白，本研究对电生功能水用于提高鲜切果蔬食用安全性，保护其外观品质等问题进行了探讨，以期能为鲜切水果、蔬菜的工业化生产提供理论参考，对生产实践发挥指导作用。5中国农业大学硕士学位论文第一章绪论1 3 。2 研究内容及方法根据目前国内外的研究现状、在实际生产中亟待解决的问题以及研究室的特点及优势，确定了对电生功能水的基本理论以及其在食品加工中的应用问题进行深入探讨，具体研究内容包括：( 一) 电生功能水发生装置的组装、改进，发生条件的确定，功能水理化指标的测定。( 二) 酸性电解水杀菌机理的探讨。( - - ) 电生功能水用于鲜切果蔬消毒灭菌的研究。( 四) 电生功能水用于抑制鲜切果蔬氧化褐变的研究。组装改进了一套实验室用4 l 间歇式电生功能水发生器，利用这套设备通过改变电解质浓度、电解时间、电极间距等指标，整理出了发生电生功能水的主要技术参数，通过理化分析以及杀菌试验对比了自制设备与国内外其它电生功能水发生设备所得产品的异同。通过杀灭微生物实验、紫外扫描分析等方法，来确认酸性电解水杀灭常见致病性微生物的效果，探讨酸性电解水杀菌作用的来源，揭示其杀菌机理。用电生功能水处理马铃薯等果蔬，探讨酸性电解水用于控制鲜切果蔬微生物指标，提高其品质的效果。通过考察电生功能水浸泡处理对马铃薯、梨、苹果切片表面色泽的影响，确认其抑制果蔬切片氧化褐变的效果，并对马铃薯酶促褐变反应速度进行测定，以期对电生功能水抑制褐变的机理作出解释。水孕育了生命、维持着生物和人类的繁衍和健康，深入地研究水，充分发掘水的功能，无论从理论上还是实际上都具有十分重要的意义。由于电生功能水具各了非常优秀的特性，对它的性质进行深入研究对生产实践具有重要的指导意义。对电生功能水在工农业生产及人民生活各个领域的应用研究，则有着重要的现实意义。简言之，这一课题对于保护人类的健康、对于保护我们生存的环境意义重大。6第二章电生功能水的发生及其理化指标的测定2 1 引言电生功能水的发生原理为：在装有离子交换隔膜的电解槽中用特制的电极对食盐等电解质的稀溶液以直流电进行处理，经过一系列电化学及化学反应，分别使阳极室、阴极室中溶液的p h 值、氧化还原电位( o r p 值) 、有效氯浓度( a c c ) 等各项理化指标发生变化，而生成具有特殊功能的电生功能水( 包括酸性电解水和碱性电解水) 。其发生原理如图2 - 1 所示。2芦c i d i e w a t e ra j k l i n e w 越廿1 - - 直流电源2 - - 电解槽3 一电报4 一离千交换隔膜图2 - 1 电生功能水发生原理围h g 2 - 1g e n e r a t i o no f e l e c t r o l y z e df u n c t i o n a lw a t e r处理过程中发生的电化学及化学反应如下1 ：阳极：2 h 2 0 0 2 + 4 h * + 4 e 一阴极：2 h 2 0 + 2 e 。一 1 2 + 2 0 h2 c l c 1 2 + 2e c 1 2 + h 2 0 一h c l + h c l o在电解过程中，还有可能发生了下列过程：h c l 0 一h c i + 【o 】【o 】+ 0 2 0 3o h o h + e 2 0 h 一0 1 + i - 1 2 0由上述电极反应可知，阳极室反应产物中含有h + 而显酸性，根据电解参数的不同，其p h值最低可达2 5 以下；a 离子放电生成c 1 2 进而生成c i o 。、h c i o 等形式的有效氯( a c c ) ，加之处理过程中产生的溶解氧，使得阳极室反应产物具有很强的氧化性，其氧化还原电位值可达1 0 0 0 i v 以上，因此也被称为电解氧化水( e l e c t r o l y z e d o x i d m i n g w a t e r ) 、氧化电位水等等；在阴极室电解产物中o h 浓度较高，使其p h 值可达1 1 o 以上，被称为碱性电解水，其o r p 值可达一8 0 0m v 以下，具有很强的还原性。在电生功能水生成过程中是否生成活性氧以及自由基等物质目前尚在讨论之中，它们与电生功能水的特殊功能是否有关也需进步证实。早在8 0 年代初期，日本的松尾至晃就开始研究强酸性电解水的生产制造技术。随着对电生功能水理论与应用研究的深入开展以及人们对电生功能水作用效果和安全性的认可，电生功能7中国农业大学硕士学位论文第二章电生功能水的发生及其理化指标的测定水发生装置得到了快速的发展，由最初的间歇式发生器发展到连续生产式，又发展出p h 值和o r p 值可调式，不仅有小型家用型而且还开发出可满足工厂、饭店及医疗卫生机构等应用的大型电生功能水发生设备。目前，我国也有多家企业从事电生功能水装置的开发制造，已有多种型号的发生器问世。现阶段，国内开发的电生功能水发生器的主要不足是生成装置对水质要求较高，缺乏通用性，所生成电生功能水理化指标不稳定，影响其作用效果，而进口发生装置价格比较昂贵，难以为普通用户所接受。因此，有必要对电生功能水发生条件、控制参数、水质要求等技术指标进行摸索，为今后自行开发经济耐用、适应性强的实用型电生功能水发生装置提供参考。为了在研究中能得到理化指标稳定的功能水，同时为了摸索电生功能水最佳发生条件以及讨论水质对生产电生功能水的影响等问题，本章利用已有条件组装改进了一套实验室用电生功能水发生器，并利用这套设备通过改变电解质浓度、电解时间、电极间距等各种控制参数，整理出了发生电生功能水的主要技术指标，同时对这套设备所产生电生功能水的理化性质及其杀菌效果与国内外文献报道的其他类似产品进行了对比，确认其可靠性，为下一步研究工作的开展提供保障。本章首先研究确定了自制电生功能水发生器的发生参数：在一定的电解液浓度和一定的电解电压下，改变电极间距，考察了不同电极间距时所得产物的理化性质的差异；第二，在其它条件相同的情况下，处理不同浓度的n a c l 溶液，对所得产物的主要理化指标进行测定比较，考察电解液浓度对电生功能水发生的影响：第三，考察了不同处理时间对所得产物理化性质的影响；第四，探讨了水质对于电生功能水发生的影响，在相同的发生条件下，分别用蒸馏水及自来水配制电解液，通过测定所得电生功能水主要理化指标，比较了不同水质对电生功能水发生的影响。在选定的发生条件下，用本套电生功能永发生器多次制取电生功能水对所得产物指标的稳定性进行了考察。还对所选参数下发生的电生功能水对于大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽胞杆菌等微生物的杀灭效果进行观察，通过比较经电生功能水和无菌蒸馏水处理后菌悬液中的活菌浓度来确认电生功能水的杀菌效果，同时对不同水质( 蒸馏水和自来水) 下所得电生功能水的杀菌效果作了比较。2 2 材料与方法2 2 1 电生功能水发生器本研究室自行开发的电生功能水发生装置由以下几个关键部件组成：塑料电解槽、离子交换隔膜、镀铂钛合金电极、电源系统以及控制电路。电源系统为整个装置提供电能，控制电路用来调节电流性质并控制发生时间、电极极性等参数，电极之间的距离通过手动调整。经过对这些零部件的组装与改进，完成了一套试验室用4 l 间歇式电生功能水发生器，其主要特点可概括为：间断式处理，制得的功能水指标稳定；可设置电解时间，到时自动断电：可倒换电极极性，有利于保护电极，延长电极寿命；电极间距可调，通过改变参数可以得到不同指标的电生功能水，有利于实验研究的开展。8本电生功能水发生器结构如图2 - 2 所示；：警拿妻赛罐腰围2 - 2 自制电生功能水发生器结构示意图f i g 2 - 2 t h es k e t c h m a po f t h e e l e c t r o l y z e d f u n c t i o n a l w a t e r g e n e r a t o r2 2 2 试验设备与材料本章所用主要仪器设备见表2 一l 。表2 - 1 主要实验仪器与设备2 2 3 主要试剂本章所用主要试剂见表2 屯。表9 - 2 主要实验试剂9中国农业大学硕士学位论文第二章电生功能水的发生及其理化指标的测定2 2 4 菌种及培养基火肠杆菌0 7 8 ，金黄色葡萄球菌2 6 0 0 3 ，枯草芽胞杆菌1 1 8 4 9 ( 购自中科院微生物所) 。实验中所用液体培养基为营养肉汤培养基，固体培养基为营养琼脂培养基。培养基的配置方法参见微生物学实验教程”。2 2 5 试验方法1 电生功能水发生条件的确定及其理化性质的测定首先在电极间距分别为2 0m m 、4 0m m 、6 0m i l l 、8 0h i m 时，分别以2 4v 直流电处理浓度为o 1 的n a c l 溶液，处理时间为1 5 m i n ，分别测定所得阴、阳极产物的温度、p h 值、氧化还原电位( o r p ) 值以及有效氯浓度( a c c ) 等理化性质，以考察电极间距对电生功能水发生的影响。通过对比选定适宜的电极间距，在同样的电解电压下，对浓度分别为0 0 1 、0 1 、1 的n a c t 溶液进行处理，测定所得阴、阳极产物的温度、p h 值、o r p 值以及a c c 等理化性质，以考察电解液浓度对电生功能水发生的影响。在相同的电极间距和电解液浓度下，分别将处理时间设定为5 、1 0 、1 5 、2 0 、2 5r a i n ，测定不同处理时间下得到的产物的温度、p h 值、o r p 值以及a c c 以确定本电生功能水发生器的最适处理时间。在相同的发生条件下，分别用蒸馏水及自来水配制电解液，通过测定所得产物的p h 值、o r p 值以及a c c ，比较了不同水质对电生功能水发生的影响。通过试验选定了本套设备的发生参数，在此参数条件下重复用本发生器制取电生功能水五次，对所得产物的p h 值、o r p 值、a c c 等理化性质进行测定，以对设备的稳定性进行了考察。试验中所测定的指标：温度、p h 值、0 r p 值以及a c c ，其中温度、p h 值、o r p 值采用p r i 计及氧化还原电位计直接测定，对每个水样以上指标的测定重复三次。有效氯浓度( a c c ) 的测定采用碘量法“1 ，每个水样重复测定两次。有效氯最初是用来表示漂白粉中的有效成分的概念，即将定量漂白粉与盐酸作用后生成的氯的量，用百分率表示”。实际上有效氯是指含氯化合物在水中所起氧化反应的强度，电生功能水中的有效氯成分包括氯气、次氯酸和次氯酸根离子，这里其浓度以氯计，单位为m g l 。有效氯浓度的测定方法如下：测定原理：待测溶液中的h c i o 、c 1 0 一、c h 等氧化性成分在酸性溶液中将氧化释出一定量的碘，再以硫代硫酸钠标准溶液来滴定生成的碘，根据消耗n a 2 s 2 0 3 溶液的体积以及n a 2 s 2 0 ，溶液的浓度来计算溶液的有效氯浓度，测定反应如下：k i + c h 3 c o o h h i + c h 3 c o o k2 h i + c i o 一c 1 f + 1 2 + h 2 0c 1 2 + 2 h i 一2 c 1 一+ 1 21 2 + 2 s 2 0 3 2 。一2 r + $ 4 0 6 2 1 0中国农业大学硕士学位论文第二章电生功能水的发生及其理化指标的测定实际测定时，首先向2 5 0m l 碘量瓶中加入1 9 、7 5m l 蒸馏水，震荡使完全溶解然后加入2 m l 冰醋酸，量取待测酸性电解水1 0 0 m l 加入上述碘量瓶，混匀并于暗处静置5 m i n ，用标定好的0 1mn a 2 s 2 0 3 标准溶液对上述混合液进行滴定，待碘量瓶中的溶液由深褐色变为淡黄色时向其中加入1m l0 5 淀粉溶液指示剂，继续滴定直至蓝色刚好消失为止，记录消耗n a 2 s 2 0 3 溶液的体积。n a 2 s 2 0 3 溶液的配制与标定、淀粉指示剂溶液的配制参见化验员手册酸性电解水的有效氯浓度采用下式计算：有效氯浓度a c c ( r a g l ) = v 。了m 丽x 鬲7 0 孑9 1 2式中萨滴定消耗n a 2 s 2 0 3 溶液的体积( m l ) ；膨n a 2 s 2 0 3 溶液的浓度( t o o l l ) 。2 杀菌实验方法”1( 1 ) 菌悬液的制各。将大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽胞杆菌分别接种于营养琼脂试管斜面，于3 t c 培养2 4h 进行活化；用接种环从培养好的试管斜面上挑取培养物接种于2 0m l营养肉汤培养基中，在3 t c 摇瓶( 1 5 0r p m ) 培养2 4h ，吸取5m l 上述培养液加入无菌离心管中，在6 0 0 0r p m 下离心加r a i n ，将所得沉淀用5m l 无菌生理盐水重新分散混匀，再经离心( 6 0 0 0r p m 。1 0r a i n ) 及生理盐水混匀后制成5m l 菌悬液备用。( 2 ) 处理溶液的准备。分别用自来水和蒸馏水配制电解液，用电生功能水发生器处理后得到两种功能水，对其温度、p h 值、o r p 值以及a c c 等理化指标进行测定记录后备用。( 3 ) 杀菌处理及微生物统计。取制各好的三种菌悬液各1m l 分别加入到装有5 0m l 电生功能水和5 0m l 无菌蒸馏水的无菌三角瓶中，经过1 5r a i n 处理后，处理液的含菌量采用稀释平板菌落计数法进行统计：从每个处理中各吸取lm l 混合液用9m l0 1 无菌生理盐水做系列稀释，对于电生功能水处理组取0 1m l 一1 、2 、一3 三个稀释度的溶液，对于无菌蒸馏水处理组取一5 、一6 、一7 三个稀释度的稀释液各0 1m l 进行平板涂布，每个稀释度做三次重复，涂好的平板在3 7 培养2 4h 后用菌落计数器计数。3 试验结果统计分析理化指标咀及微生物总数的实验结果均以平行试验测定所得数据的平均值表示。处理间的平均数比较用s p s s ( s p s s l l 0 f o r w i n d o w s ) 统计软件中的d u n c a n 分析法，最小差异显著性水平为5 。2 3 结果与讨论2 3 1 不同发生条件对电生功能水发生的影响中国农业大学硕士学位论文第二章电生功能水的发生及其理化指标的测定在电极间距分别为2 0m m 、4 0m m 、6 0m m 、8 0r a i n 时，以2 4 v 直流电处理浓度为0 1 的n a c l溶液，所得阳极产物的p h 值、o r p 值、a c c 与电极间距的关系如图2 3 所示，处理后所得阴极产物的p h 值、o r p 值与电极间距的关系如图2 - 4 所示。魁毛电极间距1 2 5 0 导商1 2 0 0 氅”5 01 1 1 01 0 0 0图2 3 不同电极间距下所得阳极产物的理化性质f 塘2 - 3t h e 曲y s l c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f p r o d u c t i o nf r o ma n o d es i d eu r l d e rd i f f e r e n te l e c t r o d e s , s p a c e4 0电极间距( 哪)图2 - 4 不同电极间距下所得阴极产物理化性质f g 2 4t o ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f p r o d u c t i o nf r o mc a t h o d es i d eu n d e rd i f f e r e n te , l o c t t o d e ss p a c e从以上实验结果可以看出，在其他条件一定的情况下，阴、阳两极间距越近，电解液的理化指标变化越快，电极反应越剧烈，例如电解1 5r a i n ，电极间距为加m m 的情况下，阳极室中产物的p h 值、o r p 值及a c c 分别达到了2 0 、1 2 1 0m v 、4 4m g l ，而此时阅距为8 0m m 组的上述各项指标仅为3 1 、1 0 2 0m v 、2 1m g l ，因此可以根据实际需要调整电极间距，得到所需参数的屯生功能水。本试验中，选择电极间距6 0 m m 作为电生功能水发生的基本条件。1 2荟岔文l)嚣!搴柏嚣侣一式一习中国农业大学硕士学位论文第二章电生功能水的发生及其理化指标的测定设定电极间距为6 0m m ，在同样的电解电压下，对浓度为o 0 1 、0 1 、1 的n a c l 溶液进行处理，所得阳极产物的p h 值、o r p 值、a c c 与电极间距的关系如图2 - 5 所示，处理后所得阴极产物的p h 值、o r p 值与电极间距的关系如图2 - 6 所示。j 翌毛0 11n a c l 质量分数( )荟富5 0 曼4 03 02 01 0