酸性氧化電位水在水產養殖和水產品中的應用

2020-12-05 中國水產養殖網
1浙江大學生物系統工程與食品科學學院,農業部設施農業裝備與信息化重點實驗室,杭州310058;2杭州暢蕭科技有限公司,杭州310030

通訊作者:葉章穎,副教授,博導,主要從事電解水工程化應用技術與裝備的研究,Email:yzyzju@zju.edu.cn

摘要&nbsp

本文介紹了酸性氧化電位水在水產領域中的應用,主要涉及養殖水體殺菌和環境消毒、毒藻清除,以及酸性氧化電位水在水產品活體淨化、清洗殺菌、貯藏保鮮等衛生品質中的應用進展。提出進一步推廣微酸性電解水的應用範圍、加強電解水專用設備的研發及完善電解水的相關標準規範將是今後研究的方向。

關鍵詞:酸性氧化電位水,殺菌,水產養殖,水產品

Application&nbspof&nbspAcidic&nbspElectrolyzed-oxidizing&nbspWater&nbspin&nbspAquaculture&nbspand&nbspAquatic&nbspProducts&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp
Qi&nbspFanyu,&nbspZheng&nbspQiqi,&nbspPei&nbspLuowei,&nbspHe&nbspJinsong,&nbspZhu&nbspSongming,&nbspHua&nbspXiaoquan,Ye&nbspZhangying&nbsp※
(School&nbspof&nbspBiosystems&nbspEngineering&nbspand&nbspFood&nbspScience,&nbspZhejiang&nbspUniversity;&nbspKey&nbspLaboratory&nbspof&nbspEquipment&nbspand&nbspInformatization&nbspin&nbspEnvironment&nbspControlled&nbspAgriculture,&nbspMinistry&nbspof&nbspAgriculture,
Hangzhou&nbsp310058,&nbspChina;
ABSTRACT
This&nbsppaper&nbspmainly&nbspintroduced&nbspthe&nbspapplication&nbspof&nbspacidic&nbspelectrolyzed-oxidizing&nbspwater&nbspin&nbspaquaculture&nbspand&nbspaquatic&nbspproducts.&nbspFor&nbspaquaculture,&nbspthe&nbspdevelopments&nbspof&nbspdisinfection&nbspof&nbspwater&nbspand&nbspenvironment&nbspas&nbspwell&nbspas&nbsptoxic&nbspalgae&nbspremoval&nbspwere&nbspreviewed.&nbspPurification,&nbspsterilization&nbspand&nbsppreservation&nbspof&nbspaquatic&nbspproducts&nbsptreated&nbspby&nbspacidic&nbspelectrolyzed-oxidizing&nbspwater&nbspwere&nbspspecifically&nbspconcerned&nbspin&nbspthis&nbsppaper.&nbspIt&nbspwas&nbspfurther&nbspproposed&nbspthat&nbsppromoting&nbspapplication&nbspof&nbspslightly&nbspacidic&nbspelectrolyzed&nbspwater&nbspespecially,&nbspdeveloping&nbsprelated&nbspequipments&nbspand&nbspstandards&nbspwould&nbspbe&nbspthe&nbspfuture&nbspresearch&nbspdirections.
KEY&nbspWORDS:&nbspacidic&nbspelectrolyzed-oxidizing&nbspwater,&nbspdisinfection,&nbspaquaculture,&nbspaquatic&nbspproduct&nbsp

我國是水產品生產大國,2011年我國水產品生產總量達到5611萬噸。水產養殖業是我國農業的重要組成部分,在國民經濟中佔有重要地位。然而,我國並不是水產養殖技術強國,當前漁業水體環境的汙染和漁藥殘留等因素嚴重製約我國水產行業的發展。同時水產品極易腐敗變質,研究表明,微生物汙染是導致水產品腐敗變質的最主要因素之一。甲殼類、貝殼類水產品多數生活在近海或淡水中,其表面或體內易攜帶致病菌;淡海水中的水產品均有感染沙門氏菌、霍亂弧菌、副溶血性弧菌、大腸埃希菌等的可能。一些水產品如牡蠣、三文魚等在食用前不經過加工或半加工,消費者不可避免的會通過該種食用方式感染某些食源性疾病,儘管這些疾病一般不會威脅生命,其症狀一般從短期溫和型腸紊亂到急性胃腸炎,但極可能引發其他更嚴重的疾病。因此,抑制或消除水產品中食源性致病菌是保證水產品食用安全的重要保障之一[1]。一般通過養殖過程中的水體淨化和水產品加工處理兩方面來進行。

水產養殖過程常用的水體淨化技術是紫外照射和臭氧殺菌以及一些化學殺菌劑。紫外線處理海水時,海水的渾濁度、顏色及其可溶性鐵鹽均能影響紫外線通過海水的透過率,降低殺菌作用進而影響淨化效率。臭氧是一個強氧化劑,用於海水消毒時會首先與海水中的離子反應產生副產物,其次,如何精確的控制臭氧發生量,均勻地溶於海水,並保持海水中穩定的臭氧濃度尚存在困難,同時臭氧發生裝置要求高,操作不便[2]。相對來說,化學殺菌劑使用方便,但也有其不可避免的危害性。

水產品加工過程中通常使用的化學類殺菌劑有雙氧水、臭氧、含氯製劑等。雙氧水屬於低毒殺菌劑,使用量如果不當會對人體產生潛在致癌性。臭氧雖能有效殺菌,但因為存在著殘留物發生氧化反應產生副產物的可能,其使用一直存在質疑;含氯製劑因其對設備的腐蝕性及存在餘氯殘留的危害,使用也受到一定限制[3]。近年來新起的冷殺菌技術如超高壓殺菌、輻照殺菌等雖能較好的保持產品固有的營養價值及色澤風味,但均因殺菌成本高、適用範圍小等不利於工業化推廣[4]。

酸性氧化電位水&nbsp(又叫酸性電解水、電生功能水等)是近年來研製的一種新型機能水,通過直流電解稀鹽酸溶液或食鹽溶液產生,具有廣譜抑菌活性、高效、安全無害、環境友好等特點,可現場生產,操作簡單且生產成本低。已有研究表明,電解水對於食源性致病菌沙門氏菌、副溶血性弧菌、大腸桿菌等病原菌具有良好的殺菌效果[5-6]。目前,酸性電解水在醫療衛生領域的應用研究在日本已有大量報導,在食品加工、農產品保鮮、植物病害防治等領域也取得一定的研究成果。作為一種新型消毒劑,酸性電解水直接用於水產養殖中的消毒殺菌在我國報導還很少,本文將其目前在水產業中的應用進行整理,期待為其應用於我國的水產行業提供一定的借鑑。

1&nbsp酸性氧化電位水的基礎及殺菌機理

1.1酸性氧化電位水基礎介紹

1990年日本學術年會上,由於酸性電解水能迅速殺滅造成醫院內感染的MRSA&nbsp(Methicillin-resistant&nbspStaphylococcus&nbspaureus)&nbsp而引起醫學界廣泛注目。酸性氧化電位水及其電解儀器於20世紀80年代首先在日本研製成功,最開始獲得批准並投入使用的是強酸性電解水&nbsp(pH&nbsp2.2-2.7),採用有隔膜的電解槽電解產生。後來有學者開始認識到強酸性電解水的腐蝕性、殘留氯高等問題,因此,近年來新起的微酸性電解水(pH&nbsp5.0-6.5,ORP&nbsp500-800mv,&nbspACC&nbsp10-30ppm)因其無腐蝕性、幾乎無餘氯殘留、殺菌效率高等優點受到廣泛關注。2002年6月10由日本厚生勞動省認定微酸性次氯酸水可作為食品添加物使用&nbsp(日本官報第3378期)。

在我國,對電解水的研究已經起步,已有很多家醫療衛生相關機構引進設備或用國產設備進行了消毒效果觀察並對其作用機理進行了初步研究,在電解水基礎理論研究方面,主要的研究都集中在酸性電解水殺菌機理的問題上。此外,在電解水物理化學特性、貯藏條件方面所做的研究也很多。Horiba[7]等人考察了中性電解水&nbsp(pH6.1)&nbsp在不同貯藏條件下各理化參數隨時間的變化以及對白色念珠菌和17種細菌&nbsp(其中15種細菌從感染的根管中分離)&nbsp的殺滅效果。結果表明,密閉避光條件下貯藏21天,中性電解水的pH值、ORP值基本保持不變,有效氯濃度則變化較大,由18.4&nbspmg/L降到10.6mg/L。另外,貯藏後中性電解水的殺菌活性降低。Cui[8]等人研究表明:加熱和冷卻對微酸性電解水的pH值、ORP和電導率都有一定的影響,實驗證明了加熱和冷卻時微酸性電解水的pH值略有升高,ORP下降,電導率顯著增加,有效氯濃度變化不大。稀釋對微酸性電解水的pH值、ORP沒有顯著影響,但電導率和有效氯濃度隨著稀釋倍數的增加而顯著降低,貯藏過程中微酸性電解水和酸性電解水的pH值和電導率基本不變,光照對微酸性電解水的各項理化性質沒有顯著影響&nbsp(p>0.05),不同貯藏條件不影響微酸性電解水的殺菌效果,而酸性電解水開口貯藏後殺菌效果下降。

1.2&nbsp殺菌機理

目前,酸性電解水的殺菌效果已得到廣泛的認可,有關酸性電解水的殺菌作用機理,初認為是由於其pH值及ORP值超出了微生物生長的最適範圍,使微生物的細胞膜發生電位改變,導致膜通透性增強,細胞內容物溢出,從而達到殺滅微生物的作用,並且殺菌效果與ORP值成正比[9]。Liao等認為高ORP值能影響並損害大腸桿菌的GSSG/2GSH的氧化還原狀態,破環細胞外膜和內膜[10]。後來曾新平[11]研究發現Na2SO4、NaNO3電解水的滅菌能力遠低於酸性電解水,pH為2.50的H3PO4、HCl溶液的滅菌效果都很差,他認為電解水的高效殺菌作用是以ACC為主導、低pH值及高ORP值為重要促進的三者協同作用的結果,其中ACC起了關鍵的作用。近年來研究人員對這一問題進行了較多研究,提出了幾種解釋,主要有上述的ORP學說、有效氯學說、活性氧學說、自由基學說等。例如郝建雄[12]等認為強酸性電解水的殺菌主要成分是次氯酸,當有效氯濃度達到一定值,其存在形式HClO或ClO-則是決定電解水殺菌強弱的關鍵。楊敏[13]認為電解水殺菌過程中,活性氧和有效氯的協同消毒起了重要作用;同時,電鏡試驗結果表明,酸性電解水中的羥自由基也在消毒中發揮了重要作用。1998年有效氯學說被確立為酸性電解水殺滅病原微生物的主要學說。電解水的殺菌機理比較複雜,到目前為止還沒有統一解釋,需進一步證實研究。

2&nbsp酸性氧化電位水在水產養殖中的應用

2.1&nbsp養殖水體殺菌和環境消毒

表1總結了電解海水對於鰻弧菌,副溶血性弧菌等的殺滅效果。沈曉盛等[14]將海水及海水稀釋成不同濃度後通過氧化電解水裝置進行電解不同時間後,所得酸性電解海水對病原菌及食品加工表面接觸材料(地板磚、不鏽鋼板、瓷磚、手套、抹布)的消毒效果進行了分析研究,結果表明,酸性電解海水具有良好的殺菌效果,能將107&nbspCFU/mL的病原茵懸液在l&nbspmin內幾乎全部殺死,能將表面材料含有的107CFU/cm2病原菌在5&nbspmin之內幾乎全部殺滅。由此說明電解海水對食品加工表面接觸材料具有明顯的消毒效果,能取代以淡水為原料的電解水殺菌效果是高效廉價和不浪費淡水資源的一種理想消毒劑。Jorquera等[15]對電解海水用於扇貝孵化場的作用進行了研究,結果表明,相比經高壓蒸汽或紫外處理過的海水,電解海水有較高的微藻生長率,具有低水平的Cl-含量的電解海水就能起到消毒作用。

表1&nbsp酸性電解水用於養殖水體殺菌
Table&nbsp1&nbspBactericidal&nbspeffects&nbspof&nbspAEW&nbspon&nbspaquaculture&nbspwater




2.2&nbsp毒藻清除

目前,國內外有關酸性電解水用於海水中毒藻的清除研究報導較少。臺灣的陸元雄等[18]曾研究過酸性電解水對亞歷山大細藻成長與毒性的影響,酸性電解水對有毒渦鞭毛藻生長及毒素的影響也有過報導,不過關於其對海洋中其他毒藻的生長影響並沒有進一步的研究。海洋毒藻除菌常用的是抗生素,因此不可避免的會有因使用抗生素而帶來的負面效應。有報導稱海洋細菌同藻細胞的相互作用可以明顯影響有毒藻的產毒能力,但相互之間沒有明顯的規律[19]。因此酸性電解水對海洋毒藻的除菌以及海洋細菌的自主產毒影響效果及機理的研究是能否獲得無菌藻的關鍵。

2.3&nbsp酸性氧化電位水安全性&nbsp

Kasai等人研究電解海水作用於牡蠣時牡蠣的生存狀況,結果表明,牡蠣在含有效氯&nbsp0.2&nbspmg/L的海水中48&nbsp小時不會出現死亡,而且這段期間牡蠣鰓沒有產生病變,鰓組織周圍纖毛運動也不會受到損害[16]。同時有學者對電解海水的安全性也做了研究,表明含有效氯1.0mg/L的電解海水具有很好的殺菌作用,電解後海水中的有機溴化物90%為三溴甲烷,其含量遠低於日本和美國對飲用水中溴化物含量的限量標準,同時回復突變試驗表明電解海水不具有致突變性[20]。已有的研究都表明電解海水能高效安全的應用於養殖水體的淨化殺菌中。

3&nbsp酸性氧化電位水在水產品衛生品質中的應用

3.1&nbsp活體淨化

目前用於活體如貝類的淨化技術多採用紫外照射、臭氧和二氧化氯等[21-22],電解水用於活體淨化技術的研究還很少。已有的研究表明酸性電解水一方面能減少水中的有害菌,另一方面能提高魚、貝類等水產品的自身淨化能力,但各類水產品對於氯的耐受性試驗,換水時間及頻率等參數目前還沒有系統化的研究。Kasai&nbsp等[16]&nbsp研究了電解海水對牡蠣表面大腸桿菌的殺菌效果,結果表明,氯濃度在&nbsp0.2–0.4&nbspmg/L的範圍內,電解海水能有效殺滅牡蠣中的大腸桿菌,牡蠣在含有效氯&nbsp0.2&nbspmg/L的海水中能存活&nbsp48&nbsp小時,而且這段期間牡蠣鰓不會病變,其纖毛運動也不會受到損害。&nbspRen&nbsp和&nbspSu[23]對牡蠣表面的副溶血性弧菌和創傷弧菌的殺滅效果進行了試驗研究,結果牡蠣暴露在含30&nbspmg/L有效氯的水中超過24小時會出現死亡現象,8小時的短時間處理(含30&nbspmg/L的有效氯和1%&nbspNaCl)不僅能有效降低弧菌數,而且不會引起牡蠣死亡。相似的結果也反映在Huang[24]的研究中,將電解水添加至養殖水池中,使水池中的有效氯達到3&nbspmg/L&nbsp和30&nbspmg/L,可以提高蛤和牡蠣的自身淨化能力。

3.2&nbsp水產品原料的清洗

水產品體表經常會攜帶汙染的食源性致病菌,如果用酸性電解水清洗水產品原料,不僅能達到消毒水產品的目的,而且清洗後的清洗液無微生物殘留,不會造成環境二次汙染,同時也不會造成從清洗液或手套到食品原料的交叉汙染,大大降低了病原微生物汙染食品原料的風險。目前已經有酸性電解水對於水產品原料表面摩式摩根菌、單增李斯特菌、大腸桿菌、副溶血性弧菌等殺滅效果的研究[25-29](見表2)。Ozer[27]等人通過酸性電解水處理汙染大腸桿菌和單增李斯特菌的三文魚,結果發現,35℃時,酸性電解水可有效降低三文魚表面大腸桿菌O157:H7和李斯特菌數分別為1.07&nbsplog10CFU/g和1.12&nbsplog10CFU/g。因此可以考慮用酸性電解水對生食水產品進行食用前的消毒處理。也有研究表明酸性電解水以及由此製成的冰,兩者結合用於食品接觸表面及某些水產品表面的殺菌處理,可有效減少其表面的組織胺產生菌[30]。謝軍[31]利用酸性電解水處理純培養的副溶血性弧菌菌懸液,結果表明酸性電解水能在2min內減少副溶血性弧菌約8.20&nbsplog10CFU/g。由此可見,酸性電解水在處理實際水產品時殺菌效果要低於純培養的菌懸液,這是因為實際水產品表面的有機質等削弱了酸性電解水的殺菌功效,因此在實際操作中要根據殺菌要求適當提高電解水有效氯濃度或結合其他手段如先用冷水清除汙垢來提高電解水的殺菌效力。

表2&nbsp酸性電解水對水產品上病原微生物的殺菌效果
Table2&nbspInactivation&nbspof&nbspfood-borne&nbsppathogens&nbspon&nbspseafood&nbspby&nbspAEW





3.3&nbsp水產品所接觸器材表面的消毒

採用酸性電解水對水產品所接觸器材表面消毒可解決氯製劑消毒帶來的殘留氯問題,且酸性電解水製取方便,可連續大量生產,能滿足大型水產品加工企業對消毒劑的要求。已有許多文獻報導了酸性電解水對水產品加工設備或器材表面的消毒,例如將中性電解水用於食品準備前切菜板的處理,與自來水和&nbspNaClO&nbsp溶液對比,手動清洗時,中性電解水可以減少菜板表面大腸桿菌K12數&nbsp3.4&nbspCFU/100cm2和李斯特菌數&nbsp4.1&nbspCFU/100cm2,與&nbspNaClO&nbsp溶液處理效果相當,自動清洗效果更佳[32]。酸性電解水&nbsp(pH=6.38)&nbsp噴霧處理食品接觸表面,可不同程度減緩微生物生長79﹪-100﹪[33]。Liu[34]等人研究了電解水對水產品加工表面&nbsp(不鏽鋼板材、瓷磚、地板磚)&nbsp單增李斯特菌的殺滅情況,結果發現,用電解水處理這三種材料表面&nbsp(25cm2)&nbsp5min,單增李斯特菌數可分別減少3.73log,4.24log,5.12log。研究還發現,有機物會降低電解水的殺菌效果,用同樣參數的電解水處理表面有蟹肉殘留的這三種材料,單增李斯特菌數均會減少2個左右的對數值,細菌減少量有所降低。

3.4&nbsp水產品貯藏保鮮

目前,水產品主要以冰藏方式進行貯藏與銷售,此法附加成本高,而普通的低溫冷凍又存在肉質硬化、新鮮度不佳等缺點,極大程度上限制了水產品的流通運輸。捕撈後的鮮活水產品可以採用酸性電解水浸泡殺菌,然後再用酸性電解水冰塊冷藏,以儘可能延長水產品的貨架期。當前保鮮試驗研究中,多以魚類為研究對象,已有研究表明經酸性電解水處理過的帶魚,細菌總數明顯降低,冷藏貨架期較對照組延長了2-3d[35]。最近周然[36]等對微酸性電解水用於河豚魚的保鮮試驗進行了研究,結果表明,電解水處理的河豚魚肉硬度、彈性、回復性達到對照組的1.10-1.45倍,同一冷藏條件下,可延長貨架期2d。Mahmouda[37]等人通過鹼性電解水、酸性電解水,結合1%精油化合物&nbsp(0.5%香芹酚+0.5%百裡香酚)&nbsp處理鯉魚魚片15min,結果發現,這三種結合處理可有效減少魚片表面微生物數量,並能抑制微生物生長;鯉魚魚片在貯藏第5d時,其揮發性鹽基氮含量維持在較低水平,同時感官分析表明,經處理後魚片的顏色、風味、色澤、質構幾乎沒有發生變化。

4&nbsp&nbsp研究展望&nbsp

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp酸性氧化電位水在水產行業的應用,國內的研究還有待加強,已有的報導多是針對強酸性電解水的應用研究,而微酸性電解水的研究報導很少,另外在水產養殖水體殺菌的應用幾乎未見報導。與強酸性電解水相比,微酸性電解水殺菌處理條件更為溫和,對設備及操作人員等腐蝕性小,幾乎無餘氯殘留,另外運行成本低,在水產養殖業和水產品源頭至消費過程中均可使用,因此應進一步加強對微酸性電解水的研究和應用推廣。筆者認為可以開展以下幾個方面研究:

(1)應用過程的殺菌動力學基礎研究。由於電解水殺菌主要成分是次氯酸,在養殖水體和水產品清洗殺菌中易受到很多因素如有機物等影響而使其效果降低,因此要針對不同水產品種開展相應的應用殺菌動力學研究,摸清適宜的電解水初始特性參數和反應時間等工藝條件,以達到最佳的殺菌消毒效果;

(2)水產養殖專用電解水設備與配套系統開發。利用電解水來進行水產養殖的殺菌,並不一定適合養殖的全過程,但可以開展針對某些對殺菌要求較高的如育苗階段的專用電解水設備和配套系統研發,從殺菌效果和水產動物的生產性能等來綜合評價該系統。同時可以開展多種殺菌技術聯合使用研究,如紫外-電解聯合殺菌技術和相關系統的開發;

(3)基於電解水的活體淨化技術研究。作為活體餌料的衛生質量更是直接關係到整個養殖的成敗,因此開展基於電解水的活體餌料魚淨化研究將對循環水養殖尤其是淡水循環水養殖提供技術支持;

(4)電解水相關標準規範的制定。2002&nbsp年衛生部將酸性氧化電位水的應用列入了《消毒技術規範》,用於指導內鏡的消毒、洗手消毒、皮膚黏膜和環境物體表面的消毒等,但現行的《消毒技術規範》中是針對強酸性電解水,尚未明確微酸性電解水的使用規範,因此需要政府、高校科研機構和企業等共同推動相關的標準規範制定工作。

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    水產養殖在給我們提供了食品的同時,也會對自然資源和環境產生不良影響。在水產養殖過程中不斷地投料、施肥等措施造成大量積累的氮、磷及有機質等營養物質,不僅會導致養殖水體環境的惡化,也是造成周邊水域環境汙染的重要因素。