一种活性氧/活性氮增强型氧化电解水及其制备方法和应用

1.本发明属于新型环保、杀菌剂制备领域，更具体地，涉及一种活性氧/活性氮增强型氧化电解水及其制备方法和应用。


背景技术：

2.食源性疾患在世界各地广泛存在，其发病率居各类疾病总发病率的前列，是当前世界上最突出的卫生问题，直接关系到人的生命安全和健康。据统计，超过80％的细菌感染与食品加工设备中细菌生物被膜有关。细菌生物被膜是具有多细胞复杂微生物群落，其具有三维自组装的胞外聚合物质结构(胞外多糖、蛋白质和胞外dna等)。与浮游细胞相比，生物被膜细胞对杀菌剂抵抗力更强，因此它们极难被消除。所以，研究适应性广、高效、广谱、安全无残留且适用性强的新型食品杀菌技术具有重要的战略意义。
3.氧化电解水杀菌剂是一种近年来广泛被研究的电化学杀菌技术。氧化电解水杀菌效率优于常见的食品杀菌剂(次氯酸钠、臭氧、二氧化氯等)，其对人体无害，环境残留少，是一种安全的消毒剂。但是，目前氧化电解水对食品加工设备中细菌生物被膜的杀灭效果远低于对细菌浮游细胞的杀灭效果。这是因为细菌生物被膜一种复杂的微生物群落，微生物分泌的细胞外聚合物可以保护内部细胞，使氧化电解水中活性氯杀菌因子不容易渗透到细胞内部并完成杀菌。
4.综上，在食品加工设备中持续存在的食源性病原体主要以生物被膜的形式生长。生物被膜细胞对杀菌剂抵抗力强，目前还缺少既高效，又环保的新型杀菌剂。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决上述问题，通过增加氧化电解水的活性氧和活性氮含量，从而得到既具有一定活性氯含量，又具有一定活性氧/活性氮含量的增强型氧化电解水。该活性氧/活性氮增强型氧化电解水对致病微生物被膜具有高效杀菌作用。
6.为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种活性氧/活性氮增强型氧化电解水的制备方法，该制备方法包括：
7.s1：氧化电解水的制备：在离子膜电解槽中，采用均相离子交换膜将电解槽分成阴极区和阳极区两部分；在阴极区和阳极区分别添加氯化钠水溶液作为电解质，恒流电解，在阳极区得到酸性氧化电解水，在阴极区得到碱性还原电解水；
8.s2：活性氧/活性氮增强型氧化电解水的制备：将步骤s1所制备的氧化电解水置于活化室中，并将等离子体发生器喷射头置于氧化电解水溶液的上方或下方；以包含氮气和氧气的载气为激发气源，并通过辉光放电的方式产生低温等离子体；并喷射进入氧化电解水中，与氧化电解水发生化学反应，得到富含活性氯、活性氧和活性氮的所述活性氧/活性氮增强型氧化电解水。
9.根据本发明，获得的活性氧/活性氮增强型氧化电解水具有酸性，可影响细胞正常生理代谢，使其失活。同时活性氧/活性氮增强型氧化电解水还具有比较高的氧化性，可以
对细胞进行氧化破坏。活性氧/活性氮增强型氧化电解水中具有活性氯、活性氧和活性氮，其中活性氧/活性氮有利于氧化破坏细菌生物被膜的细胞外聚合物，可以通过与碳氢键发生反应使细菌的细胞壁变得薄弱，可以破坏肽聚糖的分子内键导致细胞壁破裂，引起微生物细胞膜的氧化应激，改变细菌的表面结构和化学状态，从而使活性氯能顺利渗透到细胞内部，导致dna分解、蛋白质破坏及其他内部成分的损伤。
10.作为优选方案，步骤s1中，阳极采用钛基铱氧化物复合电极，阴极采用钛板电极。
11.通过控制阴极极板与阳极极板的间距，更好地调整电流大小。作为优选方案，阴极极板与阳极极板的间距为0.5～5cm，优选为1～3cm。
12.作为优选方案，步骤s1中，所述均相离子交换膜为均相阳离子交换膜或均相阴离子交换膜。优选选用阳离子交换膜。
13.氯化钠浓度过低，不能通过电解产生一定浓度的有效氯；氯化钠浓度过高，电解后溶液中残余氯离子含量过高。通过控制氯化钠水溶液的浓度，避免了氯化钠浓度对有效氯含量的影响。作为优选方案，步骤s1中，氯化钠水溶液浓度为0.5～5g/l，更优选为1～3g/l。
14.作为优选方案，步骤s1中，恒流电解的恒定电流密度为1～10ma/cm2，更优选为2～7ma/cm2。
15.作为优选方案，步骤s1中，电解时间为1～60min，更优选为10～30min。
16.在满足恒流电解的恒定电流密度、上述电解时间的条件下，可更有效地影响有效氯含量，产生10～200mg/l含量的有效氯。
17.根据本发明，采用上述方法获得的酸性氧化电解水满足氧化还原电位值≥1100mv。
18.根据本发明，采用上述方法获得的酸性氧化电解水满足有效氯含量为10～200mg/l。
19.根据本发明，采用上述方法获得的酸性氧化电解水满足ph值≤3.00。
20.作为优选方案，步骤s2中，载气中氮气和氧气的体积比为(2～4)：1。
21.载气压力在一定范围内才能进行等离子体放电。载气压力过低，不能产生等离子体；载气压力过高，影响放电效率，造成大量载气不能被电离。作为优选方案，步骤s2中，载气的压力为0.1～0.3mpa，更优选为0.12～0.16mpa。
22.放电电流会影响等离子体产生效率。放电电流过低时，不能产生足够的等离子体。放电电流过高，能耗增加。作为优选方案，步骤s2中，辉光放电的电流为2.00～4.00a，更优选为3.00～3.50a。
23.活化时间会影响产生活性氧和活性氮的含量。作为优选方案，步骤s2中，活化时间为0.5～60min，更优选为1～20min。
24.作为优选方案，步骤s2中，活化体积50～200ml。
25.作为优选方案，步骤s2中，低温等离子体活化所采用方式可以为水上放电和水下放电两种方式。
26.作为优选方案，步骤s2中，等离子体喷射探头与液体间距为50～80mm(水上活化)或10～20mm(水下活化)。
27.本发明的第二方面提供由上述的活性氧/活性氮增强型氧化电解水的制备方法获得的活性氧/活性氮增强型氧化电解水。
28.根据本发明，采用上述方法获得的所述活性氧/活性氮增强型氧化电解水的ph值≤2.50。ph降低有利于提高杀菌活性。活化后，会使ph值进一步降低。
29.根据本发明，采用上述方法获得的所述活性氧/活性氮增强型氧化电解水的活性氯含量为10～200mg/l。
30.根据本发明，采用上述方法获得的所述活性氧/活性氮增强型氧化电解水的活性氧含量为10～200mg/l。
31.根据本发明，采用上述方法获得的所述活性氧/活性氮增强型氧化电解水的活性氮含量为10～200mg/l。
32.本发明的第三方面提供上述的活性氧/活性氮增强型氧化电解水在制备杀菌剂中的应用。
33.本发明的技术方案具有如下有益效果：
34.(1)采用本发明方法制备得到富含活性氯、活性氧和活性氮的活性氧/活性氮增强型氧化电解水高效杀菌剂，其对致病微生物被膜具有高效的杀菌效率。
35.(2)本发明的活性氧/活性氮增强型氧化电解水具有安全、环保和无毒害等特点，不会造成环境污染问题，具有广泛的应用性。
36.本发明的其他特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
37.下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
38.以下各实施例和对比例中，在离子膜电解槽中，采用的阳离子交换膜购自杭州绿合环保科技有限公司，型号为hocem grion 0011t；阳极采用钛基铱氧化物合金电极，其制备方法见专利名称为一种铂铱氧化物合金电极的制备方法，专利号为zl 201410452379.x的发明专利的实施例1，其中铂铱的摩尔比为1:1。等离子体发生器采用深圳市泓程电子科技有限公司生产的低温等离子体机。
39.本发明各个实施例中，整个电解反应动态进行。
40.实施例1
41.s1：氧化电解水的制备：在离子膜电解槽中，采用阳离子交换膜将离子膜电解槽分成阴极区、和阳极区两部分，阳极采用钛基铱氧化物合金电极，阴极采用钛板电极，阴极极板与阳极极板的间距为2cm，电极有效面积75cm2。在阴极区和阳极区分别加入400ml浓度为1g/l nacl溶液作为电解质。电解过程中，在电流密度4.5ma/cm2下电解3min，在阳极区得到氧化电解水。经检测，氧化电解水的ph值为2.95，氧化还原电位值为1125mv，有效氯为18.06mg/l。
42.s2：活性氧/活性氮增强型氧化电解水的制备：将步骤s1所制备的氧化电解水置于活化室中，并将等离子体发生器喷射头置于氧化电解水溶液的上方或下方；以包含氮气和氧气的载气为激发气源，并通过辉光放电的方式产生低温等离子体；并喷射进入氧化电解水中，与氧化电解水发生化学反应，得到富含活性氯、活性氧和活性氮的所述活性氧/活性
氮增强型氧化电解水。
43.活化条件为：气源类型为氮气和氧气4:1混合气，载气压力值为0.13mpa左右，放电电流为3.04a，活化体积为50ml，等离子体喷射探头与液体间距为80mm(水上)，活化时间3min。所制备的活性氧/活性氮增强型氧化电解水的ph值为2.41；氧化还原电位值为609mv；过氧化氢浓度为47.66mg/l；硝酸根离子浓度为71.38mg/l；亚硝酸根离子浓度为48.57mg/l。
44.测试例1：活性氧/活性氮增强型氧化电解水的杀菌效果
45.取培养7d以上的枯草芽孢杆菌生物被膜不锈钢片，用pbs溶液冲洗2～3次。将不锈钢片放入10ml活性氧/活性氮增强型氧化电解水中，处理10s后。取出不锈钢片置于含有10ml 0.5％硫代硫酸钠溶液(中和剂)的pe管中静置10min，取不锈钢片移入10ml灭菌生理盐水中，超声15min(100w，25℃)。做梯度稀释后选择适宜的梯度做平板培养，37℃培养24h后计数。对照组取培养7d以上的枯草芽孢杆菌生物被膜不锈钢片，用pbs溶液冲洗2～3次，将不锈钢片放入10ml灭菌生理盐水中，超声15min(100w，25℃)，做梯度稀释后选择适宜的梯度做平板培养，37℃培养24h后计数。计算得到杀灭对数值为1.76log
10 cfu。
46.实施例2
47.s1：氧化电解水的制备：在离子膜电解槽中，采用阳离子交换膜将离子膜电解槽分成阴极区、和阳极区两部分，阳极采用钛基铱氧化物合金电极，阴极采用钛板电极，阴极极板与阳极极板的间距为4cm，电极有效面积75cm2。在阴极区和阳极区分别加入400ml浓度为2g/l nacl溶液作为电解质。电解过程中，在电流密度4.5ma/cm2下电解15min，在阳极区得到氧化电解水。经检测，氧化电解水的ph值为2.69，氧化还原电位值为1171mv，有效氯为84.04mg/l。
48.s2：活性氧/活性氮增强型氧化电解水的制备：将步骤s1所制备的氧化电解水置于活化室中，并将等离子体发生器喷射头置于氧化电解水溶液的上方或下方；以包含氮气和氧气的载气为激发气源，并通过辉光放电的方式产生低温等离子体；并喷射进入氧化电解水中，与氧化电解水发生化学反应，得到富含活性氯、活性氧和活性氮的所述活性氧/活性氮增强型氧化电解水。
49.活化条件为：气源类型为压缩空气，载气压力值为0.15mpa左右，放电电流为3.04a，活化体积为200ml，等离子体喷射探头与液体间距为80mm(水上)，活化时间10min。所制备的活性氧/活性氮增强型氧化电解水的ph值为2.22；氧化还原电位值为653mv；过氧化氢浓度为22.39mg/l；硝酸根离子浓度为53.93mg/l；亚硝酸根离子浓度为13.76mg/l。
50.测试例2：活性氧/活性氮增强型氧化电解水的杀菌效果
51.杀菌过程与实施例1相同，计算得到杀灭对数值表示为1.50log
10 cfu。
52.实施例3
53.s1：氧化电解水的制备：在离子膜电解槽中，采用阳离子交换膜将离子膜电解槽分成阴极区、和阳极区两部分，阳极采用钛基铱氧化物合金电极，阴极采用钛板电极，阴极极板与阳极极板的间距为2cm，电极有效面积75cm2。在阴极区和阳极区分别加入400ml浓度为5g/l nacl溶液作为电解质。电解过程中，在电流密度7.0ma/cm2下电解30min，在阳极区得到氧化电解水。经检测，氧化电解水的ph值为2.33，氧化还原电位值为1192mv，有效氯为145.83mg/l。
54.s2：活性氧/活性氮增强型氧化电解水的制备：将步骤s1所制备的氧化电解水置于活化室中，并将等离子体发生器喷射头置于氧化电解水溶液的上方或下方；以包含氮气和氧气的载气为激发气源，并通过辉光放电的方式产生低温等离子体；并喷射进入氧化电解水中，与氧化电解水发生化学反应，得到富含活性氯、活性氧和活性氮的所述活性氧/活性氮增强型氧化电解水。
55.活化条件为：气源类型为氮气和氧气2:1混合气，载气压力值为0.20mpa左右，电流为3.50a，活化体积为200ml，等离子体喷射探头与液体间距为50mm(水上)，活化时间20min。所制备的活性氧/活性氮增强型氧化电解水的ph值为2.41；氧化还原电位值为637mv；过氧化氢浓度为116.16mg/l；硝酸根离子浓度为140.79mg/l；亚硝酸根离子浓度为134.93mg/l。
56.测试例3：活性氧/活性氮增强型氧化电解水的杀菌效果
57.杀菌过程与实施例1相同，计算得到杀灭对数值表示为2.87log
10 cfu。
58.实施例4
59.s1：氧化电解水的制备：在离子膜电解槽中，采用阴离子交换膜将离子膜电解槽分成阴极区、和阳极区两部分，阳极采用钛基铱氧化物合金电极，阴极采用钛板电极，阴极极板与阳极极板的间距为2cm，电极有效面积75cm2。在阴极区和阳极区分别加入400ml浓度为1g/l nacl溶液作为电解质。电解过程中，在电流密度4.5ma/cm2下电解8min，在阳极区得到氧化电解水。经检测，氧化电解水的ph值为2.83，氧化还原电位值为1152mv，有效氯为45.83mg/l。
60.s2：活性氧/活性氮增强型氧化电解水的制备：将步骤s1所制备的氧化电解水置于活化室中，并将等离子体发生器喷射头置于氧化电解水溶液的上方或下方；以包含氮气和氧气的载气为激发气源，并通过辉光放电的方式产生低温等离子体；并喷射进入氧化电解水中，与氧化电解水发生化学反应，得到富含活性氯、活性氧和活性氮的所述活性氧/活性氮增强型氧化电解水。
61.活化条件为：气源类型为氮气和氧气4:1混合气，载气压力值为0.13mpa左右，电流为3.04a，活化体积为200ml，等离子体喷射探头与液体间距为20mm(水下)，活化时间3min。所制备的活性氧/活性氮增强型氧化电解水的ph值为2.41；氧化还原电位值为637mv；过氧化氢浓度为16.16mg/l；硝酸根离子浓度为40.79mg/l；亚硝酸根离子浓度为34.93mg/l。
62.测试例4：活性氧/活性氮增强型氧化电解水的杀菌效果
63.杀菌过程与实施例1相同，计算得到杀灭对数值表示为1.48log
10 cfu。
64.实施例5
65.s1：氧化电解水的制备：在离子膜电解槽中，采用阳离子交换膜将离子膜电解槽分成阴极区、和阳极区两部分，阳极采用钛基铱氧化物合金电极，阴极采用钛板电极，阴极极板与阳极极板的间距为2cm，电极有效面积75cm2。在阴极区和阳极区分别加入400ml浓度为1g/l nacl溶液作为电解质。电解过程中，在电流密度4.5ma/cm2下电解3min，在阳极区得到氧化电解水。经检测，氧化电解水的ph值为2.95，氧化还原电位值为1125mv，有效氯为18.06mg/l。
66.s2：活性氧/活性氮增强型氧化电解水的制备：将步骤s1所制备的氧化电解水置于活化室中，并将等离子体发生器喷射头置于氧化电解水溶液的上方或下方；以包含氮气和氧气的载气为激发气源，并通过辉光放电的方式产生低温等离子体；并喷射进入氧化电解
水中，与氧化电解水发生化学反应，得到富含活性氯、活性氧和活性氮的所述活性氧/活性氮增强型氧化电解水。
67.活化条件为：气源类型为氮气和氧气4:1混合气，载气压力值为0.13mpa左右，放电电流为3.04a，活化体积为50ml，等离子体喷射探头与液体间距为80mm(水上)，活化时间3min。所制备的活性氧/活性氮增强型氧化电解水的ph值为2.41；氧化还原电位值为609mv；过氧化氢浓度为47.66mg/l；硝酸根离子浓度为71.38mg/l；亚硝酸根离子浓度为48.57mg/l。
68.测试例5：活性氧/活性氮增强型氧化电解水的杀菌效果
69.取1ml菌落浓度为105cfu/ml的枯草芽孢杆菌菌悬液，加入9ml活性氧/活性氮增强型氧化电解水，杀菌作用10s。然后，移取1ml上述混合溶液，并加入9ml 0.5％硫代硫酸钠溶液进行中和10min。取0.1ml进行平板计数培养；36
±
1℃恒温培养24h。计算得到杀灭对数值为2.03log
10 cfu。
70.对比例1
71.在离子膜电解槽中，采用阳离子交换膜将离子膜电解槽分成阴极区、和阳极区两部分，阳极采用钛基铱氧化物合金电极，阴极采用钛板电极，阴极极板与阳极极板的间距为2cm，电极有效面积75cm2。在阴极区和阳极区加入400ml浓度为1g/l nacl溶液作为电解质。电解过程中，在电流密度为4.5ma/cm2电解5min，在阳极区得到氧化电解水。经检测，氧化电解水的ph值为2.93，氧化还原电位值为1129mv，有效氯为19.61mg/l。
72.测试例6：氧化电解水的杀菌效果
73.杀菌过程与实施例1相同，计算得抑菌率为38.44％，用杀灭对数值表示为0.21log
10 cfu。
74.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。