17 minute read
Electrolysis of water – possible applications in the food industry Part 1. Application of alkaline electrolyzed water
Advertisement
доц. д-р Мария Кънева
Резюме Резюме
Изследванията относно получаването, свойствата и приложението на кисела и алкална електролизна вода датират отдавна, но в последните две десетилетия се наблюдава все по-широко разпространение на различни апарати за електролиза на водата, както и натрупване на нови знания за потенциала и възможните ѝ приложения. Алкалната електролизна вода се отличава с високо рН (10 до 13), отрицателен окислително-редукционен потенциал (−800 до −900 mV), голямо съдържание на разтворен водород и мощен антиоксидантен ефект. Киселата електролизна вода е с ниско рН (2,3 до 2,7), голям окислително-редукционен потенциал (над 1 000 mV), висока концентрация на разтворен кислород, съдържа активен хлор. Освен това от апаратите за електролиза на водата се получава и по-слабо алкална вода (рН 8,5 до 9,5), и по-слабо кисела вода (рН 4 до 6). Съответно и окислително-редукционният потенциал (ОРП) е с по-малки абсолютни стойности.
Приложението на алкалната електролизна вода в хранително-вкусовата промишленост (ХВП) към момента е изследвано сравнително слабо. Поради своето мощно антиоксидантно действие и алкален характер нейната употреба се свързва предимно със здравословни ползи, потвърдени в редица научни публикации. Високата алкалност на тази вода я прави потенциален агент за почистване на органични замърсявания от различни повърхности. Тя проявява и много добри емулгиращи свойства спрямо мазнините. Вероятно екстремно високите стойности на рН и ОРП могат да са лимитиращи за развитието на редица микроорганизми, но към момента липсва достатъчно информация за подобни изследвания.
Ключови думи: алкална и кисела електролизна вода, приложение в ХВП.
Electrolysis of water – possible applications in the food industry
Assoc. Prof. Maria Kaneva, PhD University of Food Technologies – Plovdiv, Department of Wine and Beer Technology m_kaneva@uft-plovdiv.bg
Abstract Abstract
The studies on the production, properties and application of acidic and alkaline electrolyzed water have been done for a long time, but in the last two decades, there is a large dissemination of diff erent appliances for water electrolysis, as well as a gathering of new knowledge about its application. The alkaline electrolyzed water has a high pH value (10–13), negative ORP (–800 to –900 mV), a high content of dissolved hydrogen and a strong antioxidant activity. The acidic electrolyzed water has a low pH value (2.3–2.7), a high ORP (>1000 mV), a high content of dissolved oxygen and free chlorine. Furthermore, less alkaline (pH 8.5–9.5) and less acidic (pH 4–5) water can be produced by appliances for electrolysis of water. Accordingly, the ORP value is lower, too.The application of alkaline electrolyzed water is a little bit studied at the moment. Because of its strong antioxidant properties and alkaline character, its application has been manly connecting with health positive aspects. Due to the high pH value this water can be used to clean organic pollutants from diff erent surfaces. It is a good emulsifi er of fats. Probably, the extremely high pH and ORP values could suppress grow of many microorganisms, but there is no enough information about such investigations.
The application of alkaline electrolyzed water in the food industry has been studied relatively poorly to date. Because of its strong antioxidant activity and alkaline character, its application has been mainly related to health
benefi ts, while a number of scientifi c publications confi rm these benefi ts. Due to the high pH value, this water can be used to clean organic pollutants from diff erent surfaces. It is also a good emulsifi er of fats. Probably, the extremely high pH and ORP values could suppress the growth of many microorganisms, but there is no enough information about such investigations.
Key words: alkaline and acidic electrolyzed water, application in food industry
Въведение Въведение
Електролизата на водата е позната на хората отдавна. Това е процес при който водата се разлага на водород и кислород под действие на електрически ток, протичащ между два електрода (анод и катод), потопени във водата. Електролизата на химически чиста вода е доста труден процес. Наличието на соли във водата реално подобрява нейната електропроводимост, което от своя страна увеличава ефективността на електролизата. През последните две десетилетия има значителен интерес и множество изследвания, свързани с разработването на апарати за електролиза и получаване на два типа вода, чрез разделянето ѝ в областта около катода от тази около анода, както и изследване на свойствата на различните типове вода. Апаратите за електролиза на водата много често се наричат йонизатори, електролизери или генератори на електролизна вода, а двата типа вода, които се получават се наименуват с най-различни термини. Водата, която се формира около катода бива означавана като: 1) електрохимически възстановена вода (electrochemically reduced water); 2) електролизно възстановена вода (electrolyzed reduced water); 3) алкална електролизна вода (basic electrolyzed water) 4) йонизирана алкална вода (ionized alkaline water) или само алкална вода; 5) католит; 6) жива вода. Водата, която се формира около анода бива назовавана като: 1) електрохимически окислена вода (electrochemically oxidizing water); 2) електролизно окислена вода (electrolyzed oxidizing water); 3) кисела електролизна вода (acidic electrolyzed water); 4) йонизирана кисела вода (ionized acidic water) или само кисела вода; 5) анолит; 6) мъртва вода.
Изследвания за свойствата на електрохимически възстановената вода са инициирани в Япония през 1931 година, а през 1966 година японското министерство на здравето, труда и благосъстоянието признава тази вода като ефективна при хронична диария, лошо храносмилане, ненормална стомашно-чревна ферментация, хиперацидност и разрешава производството на устройства за домашна употреба, с които да се получава електрохимически възстановена вода (Sanetaka et al., 2012). В днешно време тези устройства са признати за медицински изделия в Япония, Русия и Германия (Ашбах, 2017). Има редица медицински изследвания, които разглеждат влиянието на електрохимически възстановената вода при различни заболявания (Sanetaka et al., 2012).
Генераторите на електролизна вода са официално признати за приложение в хранителната индустрия от Агенцията за защита на природата в САЩ (Park et al., 2002, чрез Yu-Ru Huang et al., 2008).
В редица страни, включително и в България, се предлага голямо разнообразие от устройства за електролиза на вода за домашно ползване. В България тези устройства са познати под наименованието йонизатори за вода. За тяхното захранване се използва питейна вода от водопроводната система. Освен електролиза на водата, тези устройства в повечето случаи съдържат и филтрираща система в която са включени както активен въглен, така и други материали, които осигуряват дълбочинно пречистване на водата от редица примеси. В повечето случаи йонизаторите са проточни, но има и стационарни. В йонизаторите за домашна употреба, йонизирането на водата или поточно нейното дисоцииране на хидроксилен катион и водороден анион се постига или чрез електролиза, или чрез минерали като турмалин и корал. Използването на електролиза има много по-добър ефект в сравнение с минералите.
Системите за електролиза на вода с цел приложение в ХВП се различават от тези за домашна употреба по своя капацитет, както и по-това, че към захранващата вода се добавя натриев хлорид. В някои от системите за домашна употреба също има възможност за добавяне на електролитни разтвори, с които да се увеличи ефективността на електролизата.
В настоящата статия ще бъдат разгледани възможностите за приложение на различните типове вода, получавани от системите за електролиза на водата в ХВП. С оглед улесняване на изложението, водата получавана около катода ще бъде обозначавана като алкална електролизна вода, а тази получавана около анода с кисела електролизна вода.
Механизъм на получаване и свойства на водата обработена чрез електролиза
За да се изяснят свойствата на алкалната и кисела електролизна вода е необходимо да се познава процесът електролиза и реакциите, които протичат в електролизната клетка (фиг.1). Когато във водата се потопят два електрода (анод и катод), които са свързани към източник на електричество, се получава затворена електрическа верига, тъй като водата има свойството да провежда електрически ток. Това свойство нараства с увеличаване количеството на разтворените във водата соли. Под действие на електрическия ток водата се дисоциира на водороден йон (Н+) и хидроксилен йон (ОН¯). 2H₂O → 4H⁺ + 2OH⁻ (1)
Водородните йони се привличат от отрицателно заредения електрод (катод), където се възстановяват (редуцират) до атомен водород (Н), приемайки електрони от катода. Атомният водород е нестабилен, поради което много бързо два атома водород се свързват и образуват молекулен водород (Н2) под формата на газ. На катода винаги се получава редукция (възстановяване), тъй като реакциите които протичат там са свързани с приемане на електрони. 4H₂O + 4e- → 2H₂(газ) + 4OH⁻ (2)
Хидроксилните йони се привличат от положително заредения електрод (анод), където отдават електрони и се окисляват образувайки кислород под формата на газ (О2), както и водородни йони (Н+). На анода винаги се получава окисление, тъй като реакциите които протичат там са свързани с отдаване на електрони.
2H₂O → 4H⁺ + O₂ (газ) + 4e- (3)
Двете реакции, които протичат на анода и катода са половината от една обща окислително-редукционна реакция. Ако се направят съответните съкращения от двете страни на уравнения (2) и (3) ще се получи уравнение (1).
Както се вижда от реакциите (2) и (3) на анода се получава водороден йон (Н+), а на катода хидроксилен йон (ОН¯), т.е. в близост до анода се формира киселина, а в близост до катода равна по концентрация основа. Ако водата около катода се смесва с тази около анода няма да има промяна в рН на водата, но ако се постави мембрана, която да разделя водата около катода с тази около анода ще се формира алкална вода около катода и кисела вода около анода. Солите, които се съдържат във водата също се дисоциират на катиони и аниони, поради което анодът привлича не само хидроксилните аниони, но и всички аниони на разтворените соли, а катодът привлича не само водородните катиони, но и катионите на солите (фиг.1). (Yu-Ru Huang et al., 2008; MHI, 2022)
Когато във водата се добави натриев хлорид, хлорният йон се окислява преимуществено на анода (уравнение 4). В киселата електролизна вода се формира газообразен хлор, който реагира с водата и се получава хипохлориста киселина и разредена солна киселина (уравнение 5). 2NaCl → Cl₂ + 2Na + 2e- (4)
H₂O + Cl₂ → HOCl + HCl (5)
На катода се образува разредена натриева основа. 2NaCl + 2OH¯ → 2NaOH + 2Cl¯ (6)
Същият ефект се получава ако се прибави KCl, Ca(Cl)2 или друга сол, съдържаща хлорид. Обикновената водопроводна вода също съдържа хлориди и този ефект се получава, но в по-малка степен, тъй като концентрацията на хлоридите в питейните води е сравнително малка.(Yu-Ru Huang et al., 2008; MHI, 2022).
Освен тези реакции, според Al -Haq et al., 2005, на анода се формира хидроксилен радикал, който образува водороден пероксид. H₂O → H⁺ + ·ОН + e- (7)
·ОН + ·ОН → H₂O₂ (8)
Както бе споменато по-горе на катода протичат редукционни (възстановителни) реакции свързани с приемане на електрони от катода. Това води до получаване на отрицателен ОРП, докато на анода се формира силно положителен ОРП, тъй като протичат окислителни реакции, свързани с отдаване на електрони към анода. Обобщавайки написаното до тук от системите за електролиза на водата се получават два потока: 1) кисела електролизна вода, която се получава в зоната около анода – с ниско рН (2,3 – 2,7), голям ОРП (над 1°000 mV), значително съдържание на разтворен кислород, съдържаща свободен хлор; 2) алкална електролизна вода, която се получава около катода – с високо рН (10 – 13), отрицателен ОРП (−800 до −900 mV) и голямо съдържание на разтворен водород (Yu-Ru Huang et al., 2008, Hricova et al., 2008). Когато водопроводната вода е единственият източник на йони, системата за електролиза произвежда „леко“ алкална вода с pH (8 – 11) и отрицателен OРП (−50 до −750 mV) на катода, и „леко“ кисела вода с pH (4 – 6) и положителен OРП (+350 до + 750 mV) на анода. Тези стойности много зависят от апарата, Tap water – pH и съдържанието на йони/ минерали във водопроводната Salt solution – вода, (MHI, 2022), както и от деAmperage – бита на водата при проточните йонизатори (Ашбах, 2017, Yu-Ru Electrolyzed oxidaizing water – Huang et al., 2008). Понятията Electrolyzed reduced water – „леко“ алкална и „леко“ кисела електролизна вода не са строго Dilute– дефинирани. Стойностите на рН Membrane - и ОРП в различните публикации варират в доста големи диапаGas- зони.
Фиг. 1 Схема на електролизна клетка
Стабилността на рН и ОРП на киселата и алкалната електролизна вода, както и концентрацията на свободен хлор в киселата електролизна водата са различни и се променят с времето. Изследвания в тази посока са извършени от Khalid et al., 2021. Активната киселинност (рН) е най-устойчивият показател. Тя се запазва без промяна както в киселата, така и в алкалната електролизна вода, в продължение на седемдневно съхранение в тъмнокафяви, добре затворени бутилки при стайна температура (25 – 30°С). Окислително-редукционният потенциал на киселата електролизна вода се запазва в рамките на пет дни, след което се наблюдава тенденция към намаляване. Докато ОРП на алкалната електролизна вода бележи значително намаление още между първия и втория ден от съхранението. След третия ден, ОРП на алкалната електролизна вода се запазва сравнително постоянен, но вече има положителна стойност. В деня на получаване на киселата електролизна вода, тя съдържа по10 mg/L свободен хлор, общ хлор и водороден пероксид, но по време на съхранението тяхната концентрация намалява непрекъснато, като на седмия ден не се открива нито хлор, нито водороден пероксид (Khalid et al., 2021). Тези резултати показват, че ефективността на киселата и особено на алкалната електролизна вода намаляват с времето, което означава, че те трябва да се получават непосредствено преди използване.
В последните две десетилетия има редица научни публикации, които потвърждават антимикробното действие на киселата електролизна водата и съобщават за много добри резултати при обработка на плодове, зеленчуци, месо, животински продукти, риба, морски дарове, както и при третиране на различни повърхности с цел дезинфекция (Athayde et al.,2018; Pianpian Yan et al., 2021; Yu-Ru Huang et al., 2008). Прилагането на киселата електролизна водата като дезинфектант в ХВП се лансира като ефективен, икономически поизгоден, щадящ околната среда и хората метод. Пообстоен преглед на наличната към момента информация, свързана с възможностите, които киселата електролизна вода предлага ще бъде направен във втората част на статията.
Приложение на алкалната електролизна вода
В масовите информационни източници много интензивно се изтъкват здравословните ползи от консумацията на алкална електролизна вода. В тези източници тя се нарича жива вода, алкална йонизирана вода или много често просто алкална вода, като здравословните ползи от нейната консумация се свързват предимно с това, че водата е алкална. Подобни твърдения всъщност са непълни и понякога водят до заблуждения.
Важно е да се отбележи, че има природни алкални води, чието рН е в диапазона 8,5 – 9,5. България е богата на такива води. Голяма част от нашите найизвестни извори на натурална минерална вода, която се бутилира и предлага за питейни цели, са именно такива алкални води. Малко са обаче природните води със силно намален или отрицателен ОРП. Такива са изворите Hita Tenryosui в Япония и Nordenau в Германия (Sanetaka et al., 2012, Ашбах, 2017), Красновските минерални бани в България. Техният отрицателен ОРП бързо намалява и дори може да стане положителен когато водата се съхранява (Ашбах, 2017).
В научната литература има редица медицински изследвания свързани с въздействието на алкалната електролизна вода върху редица заболявания. Натрупаните доказателства показват, че тя е полезна за здравето и потиска заболявания, свързани с оксидативния стрес, като диабет, рак, атеросклероза, невродегенеративни заболявания и страничните ефекти на хемодиализата (Sanetaka et al., 2012).
Известно е, че механизмите за действие на антиоксидантите се основават или на пренос на водород или на пренос на електрони. Това са тъй наречените SET (single electron transfer) и HAT (hydrogen atom transfer) механизми.
Отрицателната стойност на ОРП на алкалната електролизна вода означава, че тя има излишък на електрони. Отдавайки своите свободни електрони на различни радикали, тя ги обезврежда, превръщайки ги в неутрални молекули. Предимството на алкалната електролизна вода пред другите антиоксиданти се дължи на това, че след като отдаде своите електрони на свободните радикали тя не се превръща в свободен радикал, а в неутрална молекула вода (Ашбах, 2017).
Алкалната електролизна вода има свойството да обезврежда реактивни кислородни частици. Според Sanetaka et al., 2012 механизмите на обезвреждане са сложни, като в тях участват различни елементи, присъстващи в алкалната електролизна вода. Съдържащият се в нея атомен водород има силен редуциращ (възстановяващ, антиоксидантен) ефект. Той бързо се превръща в молекулен водород, който е с по-слабо редукционно действие, но пък може да е източник на атомен водород. Освен това в алкалната електролизна вода се съдържат минерални наночастици и техни хидриди. Sanetaka et al., 2012 считат, че те имат съществена роля при формирането на антиоксидантните свойства на алкалната електролизна водата. Според тях минералните наночастици поддържат редукционна среда, тъй като постепенно се дисоциират на йони, отделяйки електрони. Освен това, чрез каталитични механизми директно обезвреждат . В допълнение стимулират отделянето на водородни атоми от редица органични молекули като антиоксиданти и метанол, а хидридите на минералните наночастици могат да освобождават водородни атоми. Според Sanetaka et al., 2012 тези механизми за обезвреждане на реактивни кислородни частици обясняват специфичните свойства както на алкалната електролизна вода, така и на природни води които имат редуктивен характер (отрицателен или много малък положителен ОРП). Авторите изказват предположение, че алкалната електролизна вода може да подпомогне ХВП чрез подобряване на вкуса, текстурата и консервирането на храните.
Високото рН на алкалната електролизна вода и образуването на основа при добавяне на електролити от рода на NaCl, KCl, CaCl2 в процеса на нейното получаване ѝ придават свойства подобни на алкално действащите препарати за почистване. Това я прави подходяща за почистване на замърсявания и на мазнини от различни повърхности. Подобно приложение се лансира и от Yu-Ru Huang et al., 2008. От друга страна стойности на рН от порядъка на 10 – 13 вероятно са лимитиращи за развитието на определени микроор-
ганизми и може да се предполага, че силно алкалната електролизна вода има антимикробни свойства, но към момента липсва достъпна информация за подобни изследвания.
В определени публикации се съобщава, че обработката на различни хранителни продукти с алкална електролизна вода преди третирането им с кисела електролизна вода увеличава антимикробния ефект спрямо обработка само с кисела електролизна вода (Hricova et al., 2008).
Заключение Заключение
Оскъдните научни данни за влиянието на алкалната електролизна вода и възможните ѝ приложения в ХВП дават широко поле за изследователска работа чрез която да се търсят отговори както на научни въпроси за механизмите на действие, така и на практически въпроси за приложението на тази вода в ХВП, медицината и бита. Наличните към момента медицински изследвания и познанието, относно действието на алкалната електролизна вода като мощен антиоксидант, могат да послужат като добра основа и катализатор за бъдещи разработки.
За контакти с автора: доц. д-р Мария Кънева Университет по хранителни технологии – Пловдив катедра „Технология на виното и пивото“ m_kaneva@uft-plovdiv.bg
Литература
1. Ашбах, Д. (2017) Живата и мъртвата вода срещу окисляването и стареенето. Издателство Перитет, София, ISBN 978-619-153-050-2. 2. Al-Haq, M.I., J.Sugiyama, S. Isobe (2005) Applications of Electrolyzed Water in Agriculture and Food Industries. Food Science and Technology Research 11 (2) 135-150. https://doi.org/10.3136/fstr.11.135 3. Hricova, D., R. Stephan, C. Zweifel (2008) Electrolyzed water and its application in the food industry. Journal of Food protection 71 (9) 1934-1947. 4. Khalid, N.I., N. S. Sulaiman, N. Ab Aziz, F.S. Taip, S. Sobri, M.A.R. Nor-Khaizura (2021) Stability of electrolyzed water: from the perspective of food industry. Food Research 5 (Suppl. 1) 47-56. https://doi.org/10.26656/fr.2017.5(S1).027 5. MHI, (2022) Molecular Hydrygen Institute. http://www. molecularhydrogeninstitute.com/electrolysis достъп май, 2022 6. Park, H., Y. C. Hung, C. Kim (2002) Effectiveness of electrolyzed water as a sanitizer for treating different surfaces. Journal of Food Protection 65 1276-1280. 7. Shirahata S., T. Hamasaki, K. Teruya (2012) Advanced research on the health benefi t of reduced water. Trends in Food Science & Technology 23 (2) 124-131. https://doi. org/10.1016/j.tifs.2011.10.009 8. Yu-RuHuang, Yen-ConHung, Shun-YaoHsu, Yao-WenHuang, Deng-FwuHwang (2008) Application of electrolyzed water in the food industry. Food Control 19 (4) 329-345. https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2007.08.012
ФНТС ВИ ПРЕДЛАГА
КОМПЛЕКСНИ УСЛУГИ:
Специалисти-консултанти за разработване на проекти, свързани с технологични иновации, финансова политика, патентна защита и др...
Федерацията на научно-техническите съюзи ще ви осигури конферентни и изложбени зали, симултанна техника, отлични възможности за провеждане на вашите събития, промоции, коктейли.
Спестете време, средства и енергия като се възползвате от комплексните услуги на Федерацията и удобните зали от 14 до 250 места, в центъра на София.
ЗАПОВЯДАЙТЕ ПРИ НАС!
Зала №4 Зала №4
Зала, Делнични дни
брой места до 2 часа
до 4 часа над 4 часа
до 4 часа над 4 часа
Зала №1 (85 кв. м) 119 лв. 225 лв. 310 лв. 275 лв.390 лв. Зала №2 (40 места) 119 лв. 215 лв. 295 лв. 265 лв.340 лв. Зала №3 (90 места) 190 лв. 285 лв. 360 лв. 360 лв. 425 лв. Зала №4 (250 места) 395 лв. 495 лв. 495 лв.595 лв. Зала №105 А (54 места) 109 лв. 200 лв. 295 лв. 255 лв.340 лв. Зала №108 69 лв. 89 лв. 105 лв.135 лв. Зала №109 (до 27 места) 85 лв. 105 лв. 140 лв. 140 лв.190 лв. Зала №302 (14 места/ 65 лв. 89 лв. 120 лв. 120 лв.165 лв. Зала №312 (до 25 места) 85 лв. 105 лв. 140 лв. 140 лв.190 лв. Зала №315 (14 места) 69 лв. 89 лв. 105 лв.135 лв. Зала №507 (20 места) 72 лв. 95 лв. 130 лв. 130 лв.175 лв.
Зала №3 Зала №3
