電解離子水中羥自由基的產(chǎn)生規(guī)律

萬陽芳,李慧穎,劉俊果,郝建雄,*,劉海杰

(1.河北科技大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050018;2.河北科技大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院,河北石家莊 050018;3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院,北京 100083)

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電解離子水中羥自由基的產(chǎn)生規(guī)律

萬陽芳1,李慧穎2,劉俊果1,郝建雄1,*,劉海杰3

(1.河北科技大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050018;2.河北科技大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院,河北石家莊 050018;3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院,北京 100083)

對不同電解離子水以及次氯酸鈉溶液產(chǎn)生羥自由基能力進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:當(dāng)有效氯濃度為17mg/L,pH變化不會對電解離子水的產(chǎn)生羥自由基能力有顯著影響;當(dāng)有效氯濃度為60mg/L時(shí),產(chǎn)生羥自由基能力隨著pH升高而升高;微酸電解離子水在0～24h范圍內(nèi)的羥自由基變化不明顯,強(qiáng)酸電解離子水在17℃和4℃的貯藏溫度下,產(chǎn)生羥自由基的能力均在貯藏時(shí)間為5h時(shí)達(dá)到最大;在不同pH和有效氯濃度范圍內(nèi),電解離子水產(chǎn)生羥自由基能力均要比次氯酸鈉溶液強(qiáng)。

電解離子水,羥自由基,次氯酸鈉,生成規(guī)律

電解離子水是通過電解稀電解質(zhì)溶液得到的具有特殊理化性質(zhì)的功能性水[1],其在醫(yī)療[2-4]、食品[1]及農(nóng)業(yè)[5]上的消毒和殺菌效果已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。近年來在食品工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中電解離子水的應(yīng)用主要表現(xiàn)在:果蔬消毒和鮮切產(chǎn)品貯藏[6]、水產(chǎn)肉蛋的殺菌、農(nóng)藥殘留[7-8]和污染物降解[9]以及芽苗菜促生長[10]等。

影響電解離子水殺菌能力的因素較多,目前對于其殺菌機(jī)理尚未有明確結(jié)論,主要有如下幾種推測[11]:一是pH,微生物有一定的適宜生存的pH范圍,當(dāng)一定指標(biāo)的電解離子水超出某一微生物的生存pH范圍,必定會對其產(chǎn)生殺滅作用;二是有效氯濃度[12],有效氯包括電解生成的HClO、Cl2、ClO2、ClO-等,能損害細(xì)胞膜,還可以穿透衣殼與病毒的核酸其作用;三是氧化還原電位(ORP)[13],好氧性微生物適宜生存的ORP范圍是+200～+800mV,厭氧性微生物為-700～+200mV,而制備的電解離子水的ORP值可高達(dá)1000mV。另外,活性氧等化學(xué)因子[14]也被提出與電解離子水的殺菌作用有關(guān)。

近幾年,研究者確認(rèn)了電解離子水中羥自由基的存在,并對其在殺菌應(yīng)用中的作用進(jìn)行了研究[15],比較了產(chǎn)生羥自由基能力與次氯酸在殺菌應(yīng)用中的貢獻(xiàn)[16]。但是未從電解離子水微觀水環(huán)境出發(fā),進(jìn)一步研究羥自由基在電解離子水中的存在情況,以及它與現(xiàn)在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的次氯酸鈉溶液成分的區(qū)別。本實(shí)驗(yàn)為探求電解離子水產(chǎn)生羥自由基能力的情況,對不同理化指標(biāo)的電解離子水和次氯酸鈉溶液進(jìn)行了研究,力求為探尋電解離子水作用機(jī)制找到新的方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

T6新世紀(jì)紫外可見分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;AR1140型電子天平 上海梅特勒-托利多儀器有限公司;400G-SA純水機(jī) 浙江慈溪電器科技有限公司;PHS-3C型精密pH計(jì) 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;實(shí)驗(yàn)室自制可調(diào)式電解水發(fā)生器 主要由電源、電極板和電解槽組成。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 電解離子水中有效氯和pH對其產(chǎn)生羥自由基能力的影響 利用實(shí)驗(yàn)室自制可調(diào)式電解水發(fā)生器來制備電解離子水。

通電電壓12V,電流10A,添加鹽酸1.0mL,氯化鈉8g,電解時(shí)間10min,電極板距離3cm制備電解水,用稀鹽酸調(diào)節(jié)pH,去離子水調(diào)節(jié)有效氯濃度,制備1～6號的a組電解離子水各200mL,密封備用。

通電電壓24V,電流5A,添加鹽酸0.8mL,氯化鈉12g,電解時(shí)間15min,電極板距離3cm制備電解水,用稀鹽酸調(diào)節(jié)pH,去離子水調(diào)節(jié)有效氯濃度,制備7～11號的b組電解離子水各200mL,密封備用。

通電電壓12V,電流15A,添加鹽酸0mL,氯化鈉8g,電解時(shí)間15min,電極板距離3cm制備電解水,用稀鹽酸調(diào)節(jié)pH,去離子水調(diào)節(jié)有效氯濃度,制備12～16號的c組電解離子水各200mL,密封備用。

通電電壓12V,電流5A,添加鹽酸1.0mL,氯化鈉12g,電解時(shí)間10min,電極板距離3cm制備電解水,用稀鹽酸調(diào)節(jié)pH,去離子水調(diào)節(jié)有效氯濃度,制備17～21號的d組電解離子水各200mL,密封備用。

近日（8月27日-8月31日），中國化肥批發(fā)價(jià)格綜合指數(shù)持穩(wěn)運(yùn)行。9月3日中國化肥批發(fā)價(jià)格綜合指數(shù)（CFCI）為 2193.41點(diǎn)，環(huán)比上漲8.48點(diǎn)，漲幅為0.39%；同比上漲288.24點(diǎn)，漲幅為15.13%；比基期下跌185.46點(diǎn)，跌幅為7.80%。

1.2.2 電解離子水在貯藏過程中產(chǎn)生羥自由基能力的變化 通電電壓12V,電流5A,添加鹽酸1.0mL,氯化鈉12g,電極板距離3cm,電解時(shí)間10min制備22號電解水400mL,密封避光備用;選擇通電電壓24V,電流5A,添加鹽酸0.8mL,氯化鈉12g,電極板距離3cm,電解時(shí)間15min制備23號電解水400mL,密封避光備用。

1.2.3 電解離子水與次氯酸鈉溶液產(chǎn)生羥自由基能力的比較 分別取56.8、113.6、170.4、227.2、284、340.8、511.2、681.6、852、1022.4μL次氯酸鈉溶液于250mL去離子水中,用稀鹽酸調(diào)節(jié)pH,制備24～33號溶液密封備用。

制備好的電解離子水和次氯酸鈉溶液直接用于理化指標(biāo)測定。有效氯濃度檢測采用碘量法[17],pH采用pH計(jì)直接測定。

1.2.4 羥自由基生成檢測 Fenton反應(yīng)是最常見的產(chǎn)生羥自由基的化學(xué)反應(yīng),H2O2的量和Fenton反應(yīng)產(chǎn)生的·OH量成正比,當(dāng)給予電子受體后,用griess試劑顯色,形成紅色物質(zhì),其呈色與·OH的多少成正比關(guān)系。利用這一比色法原理,顯色后在550nm下測定各吸光度值。

按照所采用的羥自由基試劑盒要求,規(guī)定每毫升內(nèi)106個(gè)細(xì)胞在本反應(yīng)體系中使反應(yīng)液中H2O2的濃度增加1mmol/L為一個(gè)產(chǎn)生羥自由基能力單位。按照試劑盒中使用說明書中給定的計(jì)算公式計(jì)算:

產(chǎn)生羥自由基能力(U/mL)=(測定OD值-對照OD值)/(標(biāo)準(zhǔn)OD值-空白OD值)×8.824mmol/L×5

a、b、c、d組電解離子水制備完成后立即進(jìn)行羥自由基檢測。22號和23號指標(biāo)的電解離子水進(jìn)行如下處理:各分為兩組,每組200mL,一組置于4℃冰箱貯藏,一組置于避光處室溫(17℃)下貯藏。在貯藏時(shí)間分別為0、1、5、10、24h時(shí)進(jìn)行羥自由基的檢測。

實(shí)驗(yàn)重復(fù)測定3次,結(jié)果用平均值表示,處理間的平均數(shù)比較用Origin8.0統(tǒng)計(jì)軟件中的ANOVA法,最小差異顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 電解離子水和次氯酸鈉溶液的制備

實(shí)驗(yàn)用電解離子水和次氯酸鈉溶液理化指標(biāo)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用電解離子水和次氯酸鈉溶液理化指標(biāo)Table 1 The physical and chemical indicators ofelectrolyzed water and sodium hypochlorite solutions

注:有效氯濃度均測定3次,數(shù)值取平均值。pH由稀鹽酸調(diào)節(jié)而得,為準(zhǔn)確值。

2.2 電解離子水中有效氯和pH對其產(chǎn)生羥自由基能力的影響

在一定有效氯濃度下,通過改變pH,得到電解離子水產(chǎn)生羥自由基能力的變化曲線,結(jié)果如圖1。當(dāng)有效氯濃度為17mg/L,pH變化不會對電解離子水產(chǎn)生羥自由基能力有顯著影響;當(dāng)有效氯濃度為60mg/L時(shí),產(chǎn)生羥自由基能力隨著pH升高而升高(p<0.05)。從整體來看,有效氯濃度17mg/L時(shí)電解離子水的產(chǎn)生羥自由基能力要比有效氯濃度為60mg/L時(shí)大,且含量更穩(wěn)定。

圖1 不同pH電解離子水產(chǎn)生羥自由基能力的變化曲線Fig.1 Relation curves of pH and abilitiesof electrolyzed water producing hydroxyl radicals

電解離子水pH固定,改變有效氯濃度,得到有效氯濃度與羥自由基產(chǎn)生能力的關(guān)系,如圖2所示,A中電解離子水pH為6.47,有效氯濃度從60mg/L增大至180mg/L,羥自由基含量呈下降趨勢。圖2B中電解離子水pH為2.87,有效氯濃度從2mg/L增大至53mg/L,羥自由基呈先上升后下降的趨勢。在高pH、高有效氯濃度范圍內(nèi),氯的主要存在形式為ClO-,產(chǎn)生羥自由基能力弱,且ClO-濃度越高,羥自由基的產(chǎn)生越少。在低pH,氯的主要存在形式為HClO和Cl2,有效氯在兩者之間轉(zhuǎn)換,體系微環(huán)境不穩(wěn)定[15],但總體看來,要比高pH高有效氯濃度的電解離子水產(chǎn)生羥自由基多,可以猜測HClO是產(chǎn)生羥自由基的主要氯形式。

圖2 電解離子水中有效氯濃度與產(chǎn)生羥自由基能力大小的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curves of the available chlorine concentrationand abilities of electrolyzed water producing hydroxyl radicals

2.3 電解離子水在貯藏過程中產(chǎn)生羥自由基能力的變化

研究不同電解離子水在不同貯藏溫度下產(chǎn)生羥自由基能力的變化,結(jié)果如圖3所示。圖中A、B分別為貯藏溫度為17℃和4℃的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)強(qiáng)酸電解離子水的產(chǎn)生羥自由基的能力要大于微酸電解離子水。強(qiáng)酸電解離子水在17℃和4℃的貯藏溫度下,產(chǎn)生羥自由基的能力會在貯藏時(shí)間為5h時(shí)達(dá)到最大,且4℃時(shí)要比17℃時(shí)產(chǎn)生羥自由基能力大,這與李克娟[18]等的研究結(jié)果相似;后減小,到24h后仍有羥自由基存在;而微酸電解離子水在0～24h范圍內(nèi)的羥自由基變化不明顯,并且一直處于負(fù)值。由之前有效氯濃度和pH對其產(chǎn)生羥自由基的影響的結(jié)果來看,微酸電解離子水pH6.47,有效氯濃度184mg/L,主要氯形式為ClO-,對羥自由基的產(chǎn)生沒有明顯的貢獻(xiàn)。所以,隨著貯藏時(shí)間的延長,微酸電解離子水中的羥自由基含量沒有明顯變化。而強(qiáng)酸電解離子水在0～5h,羥自由基上升至最大值,這可能是因?yàn)樵陔娊夥磻?yīng)結(jié)束后,溶液內(nèi)各個(gè)化學(xué)成分需要一定的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定。在之后的19h內(nèi),羥自由基的含量沒有明顯的減少,有一定的穩(wěn)定性。

圖3 電解離子水貯藏過程中產(chǎn)生羥自由基能力隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Curves of the abilities of electrolyzed water producinghydroxyl radicals during the process of storage as the time extended

2.4 電解離子水與次氯酸鈉溶液產(chǎn)生羥自由基能力的比較

通過制備理化指標(biāo)相同的電解離子水和次氯酸鈉溶液,檢測其產(chǎn)生羥自由基能力,比較結(jié)果如圖4。在不同pH和有效氯濃度范圍內(nèi),電解離子水產(chǎn)生羥自由基能力均要比次氯酸鈉溶液強(qiáng)。次氯酸鈉溶液中的有效氯主要存在形式為HClO,但其產(chǎn)生羥自由基的能力低于電解離子水,說明羥自由基的產(chǎn)生不僅僅是HClO作用產(chǎn)生的,與電解離子水中的其他活性成分(如O2、Cl2、Cl-、H+、O3)也有關(guān)。

圖4 電解離子水與次氯酸鈉溶液產(chǎn)生羥自由基能力對比曲線Fig.4 Contrast curves of abilities to generate hydroxyl radicalsof electrolyzed water and sodium hypochlorite solution

3 結(jié)論

本研究通過對電解離子水產(chǎn)生羥自由基能力的大小、貯藏過程中羥自由基的變化以及與次氯酸鈉溶液產(chǎn)生羥自由基能力的考察,初步了解了電解離子水中羥自由基的含量及其變化情況,明確了其與次氯酸鈉溶液微環(huán)境中羥自由基的不同,可以為探求電解離子水的應(yīng)用機(jī)理找尋更多方法。

[1]Huang Y R,Hung Y C,Hsu S Y,et al. Application of electrolyzed water in the food industry[J]. Food Control,2008,19(4):329-345.

[2]Jiang J X,Wang X F,Yang Y X. Study of oxygen electric water to reduce pharyngolaryngits after general anesthesia operation[J]. Chinese Journal of Nursing,2007,42(10):906-907.

[3]Hu J,Cao J G. Application of Oxidized Electrolytic Water in Operation Room[J]. Chinese Journal of Nosoconmiology,2005,15(1):55-56.

[4]Luo R,Wu L,Zhao S,et al. Study on the effect of preoperative wiping vagina by using electrolyed oxidation water[J]. Nanfang Journal of Nursing,2004,11(9):5-6.

[5]Al-Haq MI,Sugiyama J,Isobe S. Applications of electrolyzed water in agriculture & food industries[J]. Food science and technology research,2005,11(2):135-150.

[6]Koide S,Shitanda D,Note M,et al. Effects of mildly heated,slightly acidic electrolyzed water on the disinfection and physicochemical properties of sliced carrot[J]. Food Control,2011,22(3-4):452-456.

[7]Jianxiong Hao W,Haijie Liu,Tianpeng Chen,et al. Reduction of Pesticide Residues on Fresh Vegetables with Electrolyzed Water Treatment[J]. Journal of Food Science,2011,76:5.

[8]郝建雄,李里特:電生功能水消除蔬菜殘留農(nóng)藥的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 食品工業(yè)科技,2006(5):164-166.

[9]Zhang Q,Xiong K,Tatsumi E,et al. Elimination of aflatoxin B1 in peanuts by acidic electrolyzed oxidizing water[J]. Food Control,2012,27(1):16-20.

[10]Rui L,Jianxiong H,Haijie L,et al. Application of electrolyzed functional water on producing mung bean sprouts[J].Food Control,2011,22(8):1311-1315.

[11]高新吳,劉兆輝,李曉林,等. 強(qiáng)酸性電解水的殺菌機(jī)理與應(yīng)用[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2008,24(7):393-398.

[12]Kim C,Hung Y-C,Brackett RE. Efficacy of electrolyzed oxidizing(EO)and chemically modified water on different types of foodborne pathogens[J]. International Journal of Food Microbiology,2000,61(2-3):199-207.

[13]Kim C,Hung Y-C,Brackett RE. Roles of oxidation-reduction potential in electrolyzed oxidizing and chemically modified water for the inactivation of food-related pathogens[J]. Journal of Food Protection,2000,63(1):19-24.

[14]王文清,陳紅梅,張選明,等. 酸性氧化電位水制備和殺菌機(jī)理的研究進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代化工,2008(11):24-28.

[15]Hao J,Qiu S,Li H,et al. Roles of hydroxyl radicals in electrolyzed oxidizing water(EOW)for the inactivation of Escherichia coli[J]. International Journal of Food Microbiology,2012,155(3):99-104.

[16]Takayuki Mokudai KN,Taro Kanno,Yoshimi Niwano. Presence of Hydrogen Peroxide,a Source of Hydroxyl Radicals in Acid Electrolyzed Water[J]. Public Library of Science One,2012,7(9):1-8.

[17]張鐵垣:化驗(yàn)員手冊[M]. 第二版. 北京:中國電力出版社;1996.

[18]李克娟,劉海杰,辰巳英三,等. 離子特性及貯藏條件對強(qiáng)酸性電生功能水理化性質(zhì)的影響[J]. 食品工業(yè)科技,2012(10):138-142.

Forming rules of hydroxyl radicals produced in electrolyzed water

WAN Yang-fang1,LI Hui-ying2,LIU Jun-guo1,HAO Jian-xiong1,*,LIU Hai-jie3

(1.College of Bioscience and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang 050018,China;2.College of Chemical and Pharmaceutical Engineering,Hebei Universityof Science and Technology,Shijiazhuang 050018,China;3.College of Food Science and Nutrition Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

The ability to generate hydroxyl radicals of the different electrolyzed water and the sodium hypochlorite solution in the process of storage was investigated.The results showed that the changes of pH did not affect the ability of electrolyzed water to generate hydroxyl radicals when the available chlorine concentration was 17mg/L. When the available chlorine concentration was 60mg/L,the ability to generate hydroxyl radicals increased with the pH increasing,the hydroxyl radicals in slightly acidic electrolyzed water did not change significantly within 0～24h,the concentration of hydroxyl radicals reached the maximum when the storage time of 5h both at 17℃ and 4℃. At the different pH and the available chlorine concentration,and the capacity of electrolyzed water to produce hydroxyl radicals was stronger than that of sodium hypochlorite solution.

electrolyzed water;hydroxyl radicals;sodium hypochlorite;forming rules

2014-05-14

萬陽芳(1989-)，女，碩士研究生，主要從事食品加工新技術(shù)研究。

*通訊作者:郝建雄(1979-)，男，博士，副教授，主要從事農(nóng)產(chǎn)品貯藏與加工研究。

科技部十二五支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD29B04-1)；國家自然基金項(xiàng)目(31301571)；河北省自然基金項(xiàng)目(C2013208163)。

TS251.1

A

1002-0306(2015)05-0049-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.05.001