Drobnoustroje powodujące choroby lub psucie się żywności są istotnym problemem w przemyśle spożywczym. Mimo iż dostępnych jest wiele różnorodnych metod, których celem jest ograniczenie lub całkowite wyeliminowanie szkodliwych mikroorganizmów, wciąż poszukiwane są nowe rozwiązania. Jedną z nowszych technologii jest możliwość wykorzystania, jako środka dezynfekującego, wody elektrolizowanej.
Po raz pierwszy technologię elektrolizy wody użyto do produkcji sody oraz podchlorynu sodu na początku XX wieku w Japonii. Wraz z upływem czasu zaczęto dostrzegać coraz większe możliwości wykorzystania produktów elektrolizy wody do dezynfekcji sprzętu oraz narzędzi medycznych. Pierwsze laboratoryjne i przemysłowe próby użycia wody elektrolizowanej do dezynfekcji surowców żywnościowych przeprowadzono jednak dopiero na początku lat dziewięćdziesiątych.
Woda elektrolizowana (electrolyzed water – EW) powstaje w procesie elektrolizy wodnego roztworu soli kuchennej (NaCl) w komorze elektrolitycznej. Proces produkcji jest przyjazny dla środowiska i wymaga jedynie dwóch substratów – wody i soli. Do procesu wykorzystuje się 1-2% roztwór NaCl. W skład reaktora chemicznego wchodzi metalowy cylinder z wewnętrzną elektrycznie naładowaną elektrodą oraz membrana, która dzieli produkty procesu na alkaliczne i kwaśne. Gdy do elektrod zostanie przyłożone napięcie, w roztworze zachodzi wiele reakcji chemicznych. W ich wyniku przy katodzie powstaje forma alkaliczna (alkaline electrolyzed water), zaś przy anodzie forma kwasowa (acidic electrolyzed water).
Alkaliczna woda elektrolizowana ma pH powyżej 11 i posiada właściwości redukcyjne – jej potencjał oksydoredukcyjny Eh wynosi poniżej -800 mV. Zawiera wodór gazowy, wodorotlenek sodu oraz jony wodorotlenowe i sód. Z kolei powstająca przy anodzie kwasowa woda elektrolizowana charakteryzuje się pH 2,4-2,7, potencjałem oksydoredukcyjnym 1150 mV oraz zawartością wielu rożnych produktów reakcji, m.in. kwasu solnego, kwasu podchlorawego, tlenu aktywnego, nadtlenku wodoru, gazowego chloru, jonów podchlorynowych, wolnych rodników.
Działanie dezynfekujące EW wynika z jej składników, a zwłaszcza z substancji zawartych w kwasowej EW, które mają silne właściwości biobójcze. Składniki te wykazują działanie zarówno na drobnoustroje chorobotwórcze, jak i te powodujące psucie produktów spożywczych. Spośród wszystkich substancji zawartych w kwasowej EW największe znaczenie ma kwas podchlorawy (HClO), który jest silnym środkiem dezynfekującym. Kwas ten występuje naturalnie także w ludzkim organizmie, gdzie wytwarzany jest z wody i soli przy pomocy impulsów nerwowych i pełni funkcję środka przeciwbakteryjnego o silnym działaniu.
Mechanizm biobójczy kwasu podchlorawego polega na wielokierunkowym niszczeniu komórki. Powoduje m.in. zahamowanie biosyntezy białek, zakłócenie metabolizmu węglowodanów (w wyniku utleniania wiązań disiarczkowych w enzymach), dekarboksylacje aminokwasów do azotynów i aldehydów oraz uszkodzenia DNA. Niewątpliwą zaletą kwasu podchlorawego jest uniwersalność działania – eliminuje nie tylko bakterie, ale także wirusy, grzyby, pleśnie, zarodniki. Mikroorganizmy nie są w stanie wytworzyć odporności na kwas, więc nie ma zagrożenia, iż przestanie być skuteczny. Ponadto jest całkowicie biodegradowalny i nietoksyczny dla ludzi, zwierząt oraz środowiska naturalnego.
Kwas podchlorawy charakteryzuje się bardzo wysokim poziomem redox (ORP) > 900 mV. Potencjał oksydacyjno-redukcyjny (redox) to parametr, który opisuje poziom utleniania wody. Jego wartość, wyrażana w miliwoltach (mV), odzwierciedla aktywność środka odkażającego wodę. W rozporządzeniu wydanym przez Światową Organizację Zdrowia (WHO) odnoszącym się do standardów jakości wody pitnej, ustanowiono iż przy ORP wynoszącym 650 mV woda jest odkażona. Przy takiej wartości ORP bakterie E.coli są zabijane natychmiast lub w ciągu zaledwie kilku sekund. Dla porównania przy ORP 550 mV czas potrzebny do inaktywacji bakterii E.coli wynosi 100 sekund, przy 500 mV już godzinę, zaś przy 450 mV bakterie pozostają żywe. Bardziej odporne mikroorganizmy, jak np. Listeria, Salmonella, drożdże czy pleśnie, mogą wymagać wyższego ORP wynoszącego 750 mV lub nawet więcej. ORP kwasu podchlorawego wynoszące 900 mV sprawia, iż jest on niezwykle silnym i skutecznym środkiem dezynfekującym.
Poza licznymi zaletami, woda elektrolizowana ma także kilka wad. Jedną z nich jest fakt, iż wraz z upływem czasu traci swoje właściwości biobójcze. Z tego względu konieczne jest wytwarzanie kwasowej wody elektrolizowanej w miejscu jej użycia i bieżące wykorzystanie lub ciągła produkcja podczas prowadzenia procesu dezynfekcji.
Najważniejsze zalety oraz wady wody elektrolizowanej zawarto w tabeli 1.
Poza funkcją biobójczą, badania wykazały, iż woda elektrolizowana wykazuje także działania korzystne dla organizmu człowieka. Należą do nich m.in. wypłukiwanie toksyn, neutralizacja wolnych rodników, zwiększanie stabilności tlenu czy wspomaganie pracy układu odpornościowego. W związku z tym, w krajach takich jak np. Japonia czy USA, wodę elektrolizowaną można kupić w formie wody kuracyjnej, przeznaczonej do picia.
Z uwagi na swoje właściwości woda elektrolizowana jest stosowana w różnych gałęziach przemysłu, m.in. w przemyśle medycznym i dentystycznym, spożywczym, mleczarskim, czy w rolnictwie. Dotychczas powszechne wykorzystanie wody elektrolizowanej ma miejsce głównie w Japonii, USA, Kanadzie i Australii.
Dopiero w 2018 r. Unia Europejska oficjalnie zatwierdziła kwas podchlorawy jako środek odkażający do użytku prywatnego i w sektorze zdrowia publicznego, a także do uzdatniania wody pitnej, dezynfekcji powierzchni mających kontakt z żywnością i do utrzymania higieny weterynaryjnej. Z tego względu w krajach europejskich woda elektrolizowana nie jest jeszcze bardzo popularna. W Polsce pierwszy środek biobójczy na bazie kwasu podchlorawego został dopuszczony do obrotu w maju 2019 r.
Najkorzystniejsze jest wykorzystanie wody elektrolizowanej wytworzonej bezpośrednio w miejscu jej użycia. W tym wypadku koszty dezynfekcji są najniższe. Ponadto świeżo wytworzona EW wykazuje największe właściwości biobójcze, które wraz z upływem czasu przechowywania ulegają obniżeniu.
W przemyśle spożywczym woda elektrolizowana jest z powodzeniem wykorzystywana do dezynfekcji świeżych warzyw liściastych i miękkich owoców. Produkty mogą być w niej zanurzane lub natryskiwane. Dzięki biobójczemu działaniu EW na niepożądane bakterie, trwałość produktów ulega znacznemu wydłużeniu. Dodatkową korzyścią ze stosowania EW do dezynfekcji warzyw i owoców jest rozkład znajdujących się na ich powierzchni pozostałości pestycydów. Utleniająco-redukujące właściwości wody elektrolizowanej powodują rozkład podwójnych i potrójnych wiązań obecnych w substancjach czynnych pestycydów.
Poza przemysłem owocowo-warzywnym woda elektrolizowana sprawdza się do dezynfekcji powierzchni surowców pochodzenia zwierzęcego, jak tusze i półtusze zwierząt, jaja kurze, owoce morza. Badania wykazały, iż nawet rozcieńczona woda elektrolizowana skutecznie redukuje ilość baterii Campylobacter jejuni obecnych na powierzchni tuszek drobiowych. Tradycyjnie w tym celu stosuje się wodę chlorowaną, jednak w przyszłości EW może z powodzeniem ją zastąpić. W innej pracy badano skuteczność działania kwasowej wody elektrolizowanej na bakterie Salmonella Typhimurium, którymi zaszczepiono tuszki brojlerów. Bezpośrednio po zanurzeniu surowca w kwasowej EW liczba drobnoustrojów została zredukowana w niewielkim stopniu. Jednak po siedmiu dniach przechowywania tuszek w warunkach chłodniczych bakterie Salmonella udało się wykryć dopiero po zwiększeniu selektywności stosowanych testów mikrobiologicznych. Na podstawie przytoczonych wyników stwierdzono, iż działanie wody elektrolizowanej, która wykazuje niską stabilność, może być wydłużone w czasie przy magazynowaniu w warunkach chłodniczych. Dzięki tej właściwości, EW może być skutecznym środkiem wydłużającym trwałość produktów pochodzenia zwierzęcego, które wymagają przechowywania w obniżonej temperaturze.
Woda elektrolizowana może znaleźć także zastosowanie jako skuteczny środek chemiczny do dezynfekcji jaj. Dzięki natryskowi jaj możliwa jest eliminacja groźnych bakterii, które mogą być obecne na skorupkach, m.in. E.coli, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Salmonella.
Metodą, która sprawdza się w przypadku produktów, gdzie nie można zastosować mycia, jest zamgławianie suchą mgłą roztworu wody elektrolizowanej. Dotyczy to m.in. mięsa, czy mrożonych warzyw i owoców. Dzięki zastosowaniu suchej mgły z powierzchni produktów usuwane są nie tylko groźne bakterie (np. E.coli, L.monocytogenes), ale także niebezpieczne wirusy (wirusy żółtaczki typu A i typu B, norawirusy).
Jednak zastosowanie EW nie ogranicza się tylko do dezynfekcji surowców. Wykazano, że jest ona doskonałym środkiem odkażającym powierzchnie mające bezpośredni kontakt ze środkami spożywczymi. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, iż dezynfekcja poprzez zanurzenie plastikowych desek do krojenia w wodzie elektrolizowanej, skutecznie usuwa bakterie E.coli oraz L.monocytogenes. W innych badaniach sprawdzano możliwość zastosowania EW do usuwania drobnoustrojów z rękawic, stosowanych przez pracowników zakładów produkcyjnych. Jednorazowe i wielorazowe rękawice lateksowe i nitrylowe, czyste oraz z pozostałością mięsa krewetek, w pierwszej kolejności zanurzano w roztworze zawierającym szczepy bakterii L.monocytogenes. Następnie rękawice te umieszczano na 5 min. w kwasowej wodzie elektrolizowanej. Wykazano, iż na czystych rękawicach drobnoustroje zostały całkowicie wyeliminowane, zaś na rękawicach z pozostałością mięsa, nastąpiła istotna redukcja liczby bakterii.
Na świecie coraz powszechniej wykorzystuje się wodę elektrolizowaną do tzw. zimnego, szybkiego czyszczenia typu CIP (cold short CIP cleanring). W tej technologii użycie EW zastępuje stosowanie gorącej wody oraz zasadowych detergentów na bazie chloru. Do korzyści płynących z wykorzystania zimnego, szybkiego czyszczenia CIP należą: skrócenie czasu czyszczenia (nawet do 70%), ograniczenie zużycia wody i energii, ograniczenie stosowania środków chemicznych (a tym samym redukcja kosztów).
Poza działaniem biobójczym w stosunku do niepożądanych i chorobotwórczych mikroorganizmów, badaniu poddano także jej wpływ na wytwarzaną przez Staphylococcus aureus enterotoksynę A. Substancja ta odpowiada za wystąpienie ponad 75% przypadków gronkowcowych zatruć pokarmowych. Główne objawy zatrucia to bóle brzucha, nudności i wymioty, ból głowy, biegunka. W odróżnieniu do bakterii S.aureus, enterotoksyny są znacznie odporniejsze zarówno na wysoką temperaturę, jak i enzymy proteolityczne, szeroki zakres pH, odwodnienie, a nawet promieniowanie gamma. Z tego względu, pomimo zniszczenia bakterii podczas obróbki termicznej żywności, toksyny nadal pozostają aktywne i mogą stać się przyczyną zatrucia. Tak duża odporność enterotoksyny sprawiła, iż zbadano jak wpływa na nią woda elektrolizowana. Wykazano, iż po ekspozycji enterotoksyny A na działanie EW, nastąpiła fragmentacja toksyny oraz rozpad niektórych zawartych w niej aminokwasów. Wyniki te, dają możliwość przyszłego wykorzystania EW do inaktywacji enterotoksyny S.aureus, a tym samym zwiększenia bezpieczeństwa żywności.
Szerokie spektrum działania biobójczego, niski koszt surowców oraz bezpieczeństwo w stosunku do ludzi i środowiska naturalnego sprawia, iż woda elektrolizowana jest środkiem dezynfekującym, który ma szansę zyskać dużą popularność w przemyśle spożywczym. Konieczne jest jednak prowadzenie dalszych badań nad możliwościami jej wykorzystania oraz ewentualnym wpływem produktów ubocznych, powstających w procesie wytwarzania EW.
mgr inż. Sylwia Mirowska