肉品及水产品富含高质量的蛋白质、脂肪、维生素等营养成分,是人体良好的蛋白质、必需氨基酸的营养来源。随着人们生活水平的提高,肉品及水产品在食品行业中发展迅猛。中国是世界上最大的肉品及水产品生产和消费大国,对肉品及水产品的需求呈现逐年增加的趋势,在1986—2016年的30年, 中国人均肉品及水产品年消费量从19.4 kg增长到43.4 kg, 年均增长率达到2.7%[1]。然而在肉品及水产品加工和贮藏过程中,稍有处理不当就会受到副溶血性弧菌、大肠杆菌、沙门氏菌、单核增生李斯特菌、空肠弯曲菌等食源性致病菌和假单胞杆菌属、希瓦氏菌属、产碱杆菌属、弧菌属等腐败菌的污染,并形成细菌生物膜而造成肉品及水产品腐败、致病[2-3]。为了确保肉品及水产品的生产安全,研究人员开发出多种技术对食源性微生物进行干预,但目前,国内肉品及水产品的杀菌技术仍局限于传统热杀菌技术。传统热杀菌技术虽能有效灭活有害微生物,保证食品安全,但高热的环境会导致肉品及水产品营养损失、感官质量下降,产生许多不良反应,严重影响食品的质量[4]。因此,为有效保障肉品及水产品高品质、高效率杀菌,避免传统热杀菌技术的局限,非热杀菌新技术的研究应用越来越受到行业重视。
非热杀菌技术能够使食物保持新鲜、颜色保真,味道也比传统热加工杀菌技术好,延长了食物的贮藏期,更重要的是不会破坏食物的营养结构。近年来,各种非热杀菌技术已经被广泛应用于食品杀菌,被认为是净化食品上微生物的有效方法,包括电解水、超高压处理、超声波、脉冲电场和低温等离子体等[5]。微酸性电解水(slightly acid electrolytic water,SAEW)是pH为5.0～6.5,氧化还原电位(oxidation reduction potential, ORP)≥750 mV,有一定有效氯含量(available chlorine concentration, ACC)的电解水[6]。因为其能广谱高效杀菌,制造方便,成本低廉,贮藏稳定且安全绿色环保,因此被认为是一种有广阔发展前景的化学杀菌剂[7]。目前国内外已有许多学者将微酸性电解水应用于肉品及水产品的杀菌保鲜。鉴于此,本文概述了微酸性电解水的制备原理、特性、杀菌机理及优势,综述了国内外微酸性电解水单独或联合其他技术在各种肉品及水产品杀菌保鲜中的最新应用进展。旨在为微酸性电解水杀菌技术在肉品及水产品杀菌保鲜中的应用提供理论参考。
1 微酸性电解水的制备和杀菌原理
1.1 微酸性电解水的制备原理
微酸性电解水是通过往无隔膜的电解槽内施加直流电压将电解剂(通常为稀盐溶液和稀盐酸溶液混合)电解后,产生的pH值、氧化还原电位(ORP)和有效氯浓度(ACC)均发生变化,并拥有杀灭食源性微生物的微酸性水。微酸性电解水中氯存在的形式有3种:氯气(Cl2)、次氯酸根离子(ClO-)和次氯酸(HClO),有效氯几乎完全以次氯酸分子(HClO)形式存在,HClO的杀菌效果最强,杀菌能力约为ClO-的80倍[8],是一种以次氯酸为主要杀菌成分的水溶液[9],其产生原理如图1所示。
图1 微酸性电解水产生示意图
Fig.1 Schematic diagram of slightly acidic electrolytic water production
流动泵将纯水机净化的纯水和电解剂泵入电解槽中,在直流电的作用下,带负电的离子(氯化物和氢氧化物)移动到阳极,在阳极中失去电子,形成O2、Cl2、ClO-、HClO和HCl。同时,带正电的离子(H+和Na+)移动到阴极,在阴极获得电子,形成H2和NaOH,制备微酸性电解水的主要电极反应如下:
阳极:H2O→1/2O2↑+2H++2e-
2Cl-→Cl2↑+2e-
Cl2+H2O→HCl+HClO
阴极:2H++2e-→H2↑
2H2O+2e-→H2↑+2OH-
Na++2OH-→NaOH
基于以上的反应制备成pH为5.0～6.5,ORP≥600 mV和一定浓度ACC的微酸性电解水,再由流动泵稳定输送到储液桶中。
1.2 微酸性电解水的杀菌保鲜机理
肉品及水产品在加工、流通、储存过程中易受内源酶、微生物等作用而发生腐败变质,导致品质下降,因此肉品及水产品的杀菌保鲜主要从细菌和内源酶2个方面进行调控,减少肉品及水产品在运输和贮藏过程中的腐败变质[10]。微酸性电解水的杀菌机制尚未被完全阐明,但目前能够解释其杀菌机制的模型已初步建立。微酸性电解水能够高效稳定杀菌能力主要是通过pH值、氧化还原电位和有效氯含量方面对微生物细胞形态、代谢及生理生化过程发挥杀菌作用[11]。微酸性电解水pH在5.0～6.5,绝大多数细菌生存的最适pH在6.6～7.5,在微酸性电解水的作用下,细菌细胞膜结构严重受损,通透性增强,阻碍细胞代谢,进而使细胞死亡。细菌最适生存的ORP范围为400～900 mV,而微酸性电解水的ORP也在600 mV之上,这会导致细菌细胞内电子流动发生变化,影响细菌的能量代谢与ATP的生成。ACC的形式包括HClO、ClO-、HCl、Cl2等。微酸性电解水的pH值为5.0～6.5时,其有效氯主要以HClO分子形式存在,具有较强的杀菌效果,是破坏细菌活性的主要因素[12]。当微酸性电解水透过细胞膜扩散后,HClO和产生的活性氧(ROS)会诱导一系列复杂的细菌细胞内代谢物的变化。次氯酸和产生的羟基自由基(如O-、Cl-和OH-)在不同程度上显著紊乱正常细胞的功能和细胞的超微结构,其中包括:(1)代谢水平,改变代谢状态,包括抑制核苷酸和氨基酸生物合成,抑制神经相关代谢(糖酵解和ATP补给),增强脂肪酸代谢;(2)酶水平,降低几种关键酶的活性,或增强谷氨酸脱羧酶系统和γ-氨基丁酸分流,提高酮戊二酸和琥珀酸水平;(3)细胞内微环境,降低细胞内ATP水平和pH值,增强ROS的释放,诱导细胞坏死和凋亡[13-14]。
2 微酸性电解水杀菌优势
2.1 制取方便、成本低廉
强酸性电解水的制取是在有隔膜的电解装置中进行电解制备而成,电解隔膜采用的是离子交换膜,其不仅价格昂贵且在电解过程中容易堵塞、损坏,因此强酸性电解水的制备成本较高,而微酸性电解水是在无隔膜的电解装置中制备,操作更为简单,而且微酸性电解水相较于酸性电解水,其接近中性的pH可以最大限度地减少氯气产生,对各类材料腐蚀性减小,有助于减轻器械的损耗,延长器械使用年限,成本更为低廉。微酸性电解水所用的电解剂是由稀盐溶液和稀盐酸溶液混合制得,其电解剂制备简单,无需其他化学试剂,生产成本低。微酸性电解水的生产方式多样,一般分为间歇式和连续式2种,大小型的生产规模都可以得到满足,利于其在各个领域的推广使用[15]。
2.2 广谱杀菌、短时高效
许多研究发现,微酸性电解水可以有效减少引起食品腐败的细菌、霉菌、酵母菌的数量[16],而且它对食源性致病菌,包括单增李斯特菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌,沙门氏菌,蜡样芽孢杆菌、副溶血性弧菌等都有一定的杀菌效果[17-18]。KIM等[19]用pH为6.0,ACC为20 mg/L的微酸性电解水,处理致病菌纯培养物1 min,发现能有效杀灭约8～9 lg CFU/mL的大肠杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌和蜡状芽孢杆菌。微酸性电解水杀菌效果好,浸泡几秒至几分钟即可有效杀菌[20]。微酸性电解水杀菌瞬时高效,浸泡杀菌是瞬间强制性的夺取电子的过程,杀死细菌只需几秒钟,杀灭霉菌等通常需要几分钟,孢子在10 min左右就能被杀死,并且杀灭致死率达到90%以上[21]。由于微酸性电解水的作用时间短,不会造成细菌耐药性的增长,因此微酸性电解水与其他化学杀菌剂相比其专一性更强。此外微酸性电解水pH值在5.0～6.5,有效氯几乎完全以具有极强杀菌效果的HClO存在,因此其具有稳定高效的杀菌特性[22]。
2.3 无残留、无污染
微酸性电解水作为一种安全无害的新型杀菌剂,已被广泛应用于美国、日本、韩国等许多国家的肉品及水产品行业[14]。由于其物理(非热杀菌)和化学特性(环境友好、杀菌效果好、安全性好),它越来越受到科研工作者的关注。微酸性电解水中发挥主要杀菌作用的HClO分子与其他活性成分的性质不稳定,在与空气、光以及有机物接触后,发生氧化还原反应后转化成水,随空气蒸发,不会残留,对环境没有污染,即使微酸性电解水被排放在空气中,但由于浓度低,容易被中和还原,便于控制,因此对环境造成的负担小,具有安全、无残留、无污染的特点[23]。
2.4 生产效率高、适用范围广
电解水最初在日本被开发和应用,可以用不同类型的电解装置大量生产,能够进行连续化生产,被广泛应用于食品、医疗、养殖业等各个领域[24]。杀菌用的电解水一般可分为2类:强酸性电解水(AEW,pH 2.3～2.8)和微酸性电解水(SAEW,pH 5.0～6.5)。强酸性电解水生产过程中会产生等量的碱性水,但碱性水的利用低,如果直接排放不仅浪费水资源而且易对环境造成污染。以隔膜电解的方式生产可以全部生成微酸性电解水,不产生任何废水且有利于提高生产效率,节约水资源。微酸性电解水的pH 5.0～6.5,接近中性,其腐蚀性小,可以应用于不同的领域。最开始人们用微酸性电解水来用于医疗用品的杀菌[25],后来发现其杀菌作用可应用于水果和蔬菜[26],以及肉类及水产杀菌保鲜[27],最近几年微酸性电解水还运用于水产品的微生物净化[9]。在这些应用中,微酸性电解水不仅能减少或替代农药的使用,还有助于控制食品污染和微生物腐败,提高安全性和保质期,而不影响食品感官和质量[28]。
2.5 贮藏相对稳定
相较于一般的氯杀菌剂易挥发、不稳定等特点,微酸性电解水由于在密闭的环境中可以贮藏半年以上,其稳定性较好,长时间贮藏仍然具有较好的杀菌效果[15]。CUI等[29]的研究表明,温度升高微酸性电解水的pH值略有升高、ORP下降和电导率显著增加,而有效氯的浓度无明显变化。微酸性电解水被稀释后,pH值、ORP没有明显变化,但电导率和有效氯浓度随着稀释倍数增加显著降低,贮藏中的微酸性电解水的pH值和电导率无明显变化,光对微酸性电解水的各项理化性质影响较小,贮藏条件对微酸性电解水的影响较小。
2.6 微酸性电解水的安全性
微酸性电解水的安全性在急性毒性和亚急性毒性等各种实验中已经得到了确认[30]。微酸性电解水与细菌和有机物质反应后恢复为水和盐,因为微酸性电解水在物理上杀死了细菌,因此它们不会产生耐药性[31]。关文怡等[32]探究了微酸性电解水对血液生理指标和血清生化指标的影响。每天给大鼠按每千克体重以0、24、31、52、63 mg有效氯 (ACC) 经口灌胃给药,连续给药30 d。结果显示,按每千克体重63 mg ACC的微酸性电解水经口灌胃给药,对大鼠血液生理生化指标无显著影响,此剂量下微酸电解水用于动物消毒比较安全。姬真真等[33]研究了肉鸡饮用微酸性电解水对肉鸡肠道微生物及免疫功能的影响,结果发现肉鸡饮用微酸性电解水不但能改善肠道的微环境,还能提高法氏囊指数等多项健康指标,增强对疾病的防御能力。微酸性电解水在美国、日本和韩国已被视为合法的食品添加剂,并有可能替代传统巴氏杀菌技术,说明其在安全性方面得到了一定的认可[34]。
3 微酸性电解水在肉品及水产品杀菌保鲜中的应用
3.1 微酸性电解水单独处理对肉品及水产品保鲜效果
表1汇总了微酸性电解水单独应用于肉品及水产品的各种处理方式及其保鲜效果。微酸性电解水处理可以有效降低肉品及水产品中的自然菌落数,其对致病菌也有很好的杀菌效果;同时还能减缓肉品及水产品色泽、水分和质构等感官指标的劣变,降低肉品及水产品腐败速度,延长货架期。
表1 微酸性电解水处理对肉品及水产品保鲜效果
Table 1 Effect of slightly acidic electrolytic water treatment on meat and seafood products preservation
处理对象微酸性电解水参数pH值ORP/mVρ(ACC)/(mg·L-1)处理方式和时间保鲜效果参考文献鸡肉5.33±0.03858±760.33±0.54浸泡5 min降低微生物污染,控制贮藏过程中单核增生李斯特菌群的生长[17]鸡胸肉6.35±0.15765±510.00浸泡10 min显著降低了鲜鸡胸肉中天然菌群和致病菌的数量,保持鲜鸡胸肉在贮藏期间的微生物、理化和感官品质,延长货架期1～4 d[35]牛肉6.29±1.33870～90040±1.27浸泡5 min杀灭微生物减缓牛肉品质下降,延长牛肉保质期8 d[36]生鲜猪肉——150雾化4 min4 ℃贮藏下,冷鲜猪肉的微生物数量降低,减缓产品品质指标的劣变,货架期可延长2 d[37]宣威火腿切片6.0681224.25浸泡2.5、5、7.5、10 min有效减少火腿切片表面微生物,对感官品质、颜色和肉质硬度无明显影响[38]罗非鱼片6.05±0.19901±1431.39±1.48浸泡10 min抑制鱼片表面微生物生长繁殖,4 ℃下贮藏货架期延长2～3 d[39]暗纹东方鲀6.35±0.04861.60±12.3530.00±1.54浸渍10 min有效抑制脂肪氧化,并维持暗纹东方鲀良好的感官品质,延长其在4 ℃在冷藏货架期1～2 d[40]南美白对虾6.85±0.030、6.31±0.012857±6.6、824±2.629±1、16±2分别喷淋3、5 min处理5 min优于3 min的杀菌效果,对虾加工环境中的细菌得到有效控制,提高对虾贮藏品质[41]南美白对虾虾仁6.0681219.824浸洗2、5、10 min灭活虾仁表面致病菌,对色泽、水分和质构无显著性差异[20]
3.2 微酸性电解水联合其他技术对肉品及水产品保鲜效果
为了提高微酸性电解水对肉品及水产品的杀菌保鲜效果,许多研究者将其与不同保鲜剂、物理杀菌技术、低温保鲜技术联合,通过栅栏技术以实现“1+1>2”的保鲜效果。表2汇总了国内外关于微酸性电解水联合其他保鲜杀菌技术在肉品及水产品中的相关应用。
表2 微酸性电解水联合其他保鲜技术在肉品及水产品保鲜中的应用
Table 2 Effect of slightly acidic electrolyzed water combined with other preservation techniques on meat and seafood product preservation
处理方式研究对象微酸性电解水参数pHORP/mVρ(ACC)/(mg·L-1)其他参数处理方式和时间协同保鲜机理及效果参考文献SAEW-茶多酚(TPs)牛肉6.51±0.24655.4±1.930±1.50.1%SAEW浸泡,2.5 min和TPs浸泡,2.5 min阻碍细菌细胞壁的形成,降低鲜牛肉在贮藏过程中的微生物数量和脂质氧化,4 ℃下可延长约9 d[42]SAEW-富马酸(FA)新鲜猪肉6.29±0.17826 ±1630±0.25.0 g/L在40 ℃下联合浸泡,3 min增强抗菌活性,降低氯浓度,灭活食源性病原体,在4 ℃和10 ℃下分别延长猪肉货架期6 d和4～5 d[43]SAEW-超声波鸡胸肉6.0±0.1800～8505.0025 kHz230 W、130 kHz230 WSAEW(10 ℃)流速500 mL/min预冷10 min在16 ℃下联合浸泡30 min导致细菌细胞膜产生微裂纹,提高灭活致病菌群效率,对鸡胸肉肌肉结构无影响[27]
续表2
处理方式研究对象微酸性电解水参数pHORP/mVρ(ACC)/(mg·L-1)其他参数处理方式和时间协同保鲜机理及效果参考文献SAEW-超声波新鲜鲈鱼片6.35±0.04861.60±12.3530.00±1.5420 kHz 600 W联合浸泡10 min抑制鱼肉细菌增长、脂肪氧化,改善保水性,提高持水力,4 ℃下货架期延长6 d[44]SAEW-浆冰鲐鱼5.95±0.05—60—均以冰-鲐鱼-冰的形式保存在4 ℃延缓肌原纤维蛋白的降解和微结构的恶化,有效地保持鱼的新鲜度,4 ℃下货架期延长6 d[45]SAEW冰鲳鱼6.42±0.03822±222±0pH 5.77±0.09ORP 868±8ACC 41±1.0微酸性电解水预处理后微酸性电解水冰贮藏SAEW+SAEW-冰能更有效延长冷藏鲳鱼的货架期,维持保持其原有品质[46]SAEW冰衣和气调包装凡纳滨对虾虾仁6.4～6.6520～5406.4～6.540%CO2、10%O2和50%N2;30%CO2、20%O2和50%N2浸没于SAEW(0 ℃)中镀冰衣提高抑菌效率,灭活致病菌,抑制厌氧微生物生长、脂肪氧化,对虾仁色泽、质构及蒸煮后风味特性无显著影响[47]SAEW-苯乳酸(PLA)红沼泽小龙虾——3010.0 g/L1% PLA和30 mg/L SAEW处理60 minSAEW和PLA具有协同抗菌膜作用,SAEW能有效破坏生物膜外基质,使PLA渗透到生物膜内,灭活K.oxytoca[48]SAEW-迷迭香提取物(RE)冷藏鲈鱼片6.35±0.04861.60±12.3530.00±1.545.0 g/LSAEW浸泡5 minRE浸泡5 min联合处理改善产品感官品质,抑制脂肪氧化,减缓贮藏期间的水分流失, 4 ℃下延长货架期6 d[49]SAEW-迷迭香提取物(RE)-柠檬酸(CA)复合保鲜剂凡纳滨对虾6.35±0.04861.6±12.3530±1.544%RE+1%CA(RC)SAEW浸渍5 min4%RE+1%CA浸渍5 min保持虾样品质,减缓其pH、TVB-N与MFI值的上升速率,降低其蛋白质分解速率[50]SAEW-壳聚糖(CH)冷冻带鱼4.5867.43015.0 g/LSAEW浸泡15 minCH浸泡15 min具有良好的抗氧化性能,抑制微生物生长,减缓脂肪氧化速度和pH升高,降低蛋白质变性,并有效延缓鱼片脱落。-3 ℃下货架期延长6～7 d[51]表没食子儿茶素-3没食子酸酯(EGCG)牡蛎肉6.15±0.01—60.005.0 μg/mL(4±2) ℃下用SAEW浸泡30 min,EGCG处理30 min抑制致病菌,维持肌肉保水性,延长保质期,可贮存13 d[52]抗坏血酸(AA)淡水对虾5.9281020.003.0 g/LSAEW浸泡5 minAA溶液浸泡5 min抑制虾体黑变、提升产品品质,抑制细菌生长和蛋白质降解,保持良好感官特性,4 ℃下货架期延长3 d[9]高压脉冲电场(HPP)泥螺6.08—44200 MPa、500 MPaHPP一次压力200 MPa 20 min,二次压力500 MPa, 20 min处理保持了更好的结构完整性,灭活蜡样芽孢杆菌[53]
由于微酸性电解水不具有抗氧化性,微酸性电解水和不同抗氧化保鲜剂联合保鲜是研究热点。而超声波、高压脉冲电场等物理杀菌技术也联合微酸性电解水用于肉品及水产品杀菌保鲜中,且杀菌效果都比单一处理更好。将微酸性电解水制成冰或镀冰衣运用于肉品及水产品杀菌中也是近年来的研究热点[47]。2016年以来,微酸性电解水冰被应用于肉品及水产品保鲜,用含有杀菌物质的冰对水产品进行贮藏保鲜,不仅能抑制水产品表面菌体的繁殖,还能杀灭菌体,从而延长水产品的货架期[54-55]。而微酸性电解水处理后再用微酸性电解水冰贮藏鲳鱼比起单独贮藏其杀菌保鲜效果更好[46]。综合以上研究可以发现,微酸性电解水与保鲜技术联合使用,与单独处理相比能更有效地保持肉品及水产品的品质,达到更好的杀菌保鲜效果。
3.3 微酸性电解水技术在我国的产业应用现状
微酸性电解水技术已经运用在我国的农业、医疗和食品工业等领域,但由于在技术、产品、市场宣传和应用等方面缺乏足够的成熟度,该技术没有得到大规模的推广。在日本,70% 以上的食品加工企业已经在使用电解水技术替代传统的消毒方式,基本成为新建工厂的标准配置。在我国,康师傅、光明、温氏等行业头部企业已经开始陆续应用。安井、盒马、盘点美味等预制菜公司也陆续引进微酸性电解水清洗消毒复合型技术,越来越多的食品企业开始积极主动地接纳和拥抱这一环境友好型、趋势型新技术。然而实现微酸性电解水杀菌保鲜技术在我国的大规模推广应用面临着诸多挑战。微酸性电解水的制备和杀菌原理、活性组分、影响因素、保鲜作用机理、安全性及其对肉品和水产品感官和营养品质的影响缺乏系统性地评价,然而这些是微酸性电解水保鲜技术在肉品及水产品推广应用,实现产业化应用的基础。微酸性电解水缺乏处理不同食品的相关标准和技术参数。目前国内颁布的标准中仅有GB 28234—2020 《酸性电解水生成器卫生要求》、T/CAAA 064—2021 《畜禽场用微酸性电解水的制备和消毒技术规范》以及DB35/T 2077—2022 《果蔬用微酸性电解水保鲜技术规程》,不足以满足微酸性电解水在肉品及水产品杀菌保鲜中技术发展和推广的需求。微酸性电解水的杀菌效果与有效氯浓度、处理时间、溶液温度、料液比等多种因素有关,因此需要根据不同类型肉品及水产品的特点来确定相关参数[56]。
4 结论
肉品及水产品的杀菌与保鲜是各国食品研究面临的一大挑战,洗涤是加工过程中的关键阶段,需要大规模用到水。微酸性电解水作为一种成本低廉,高效杀菌,安全且环境友好的非热杀菌新技术,在杀灭肉品及水产品病原菌和腐败菌,维持良好感官特性,提高肉品及水产品货架期方面有着重要的作用。尽管已有一些研究证明微酸性电解水对人体无害,然而作为含氯消毒剂,其安全性难免会引起人们的担忧,限制其广泛应用。因此微酸性电解水在肉品及水产品中应用的安全性研究以及相关标准和技术参数等的建立和完善是后续微酸性电解水保鲜技术在肉品及水产品推广应用的重点。
目前国内外关于单一微酸性电解水保鲜肉品及水产品以及微酸性电解水联合其他技术的保鲜研究仍在不断探索中。探讨更多不同技术与微酸性电解水结合应用,最大限度地发挥微酸性电解水的杀菌保鲜效果仍是下一步的研究重点。不同杀菌保鲜技术组合优化的基础研究与杀菌效果数据模型的建立,有利于保证食品安全,同时防止其对食品质量的不良影响,加快产业化推广应用。
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