磁場技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工中的應(yīng)用及研究進(jìn)展

姚黃兵，金亞美,2，張令濤，吳石林，鄭子濤，王 婷，楊 哪,2,*，徐學(xué)明,2,3

（1.江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.江南大學(xué) 江蘇省食品安全與質(zhì)量控制協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 無錫 214122；3.江南大學(xué) 食品科學(xué)與資源挖掘全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122）

在資源條件受限的大背景下，我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展問題日益凸顯，尤其是農(nóng)產(chǎn)品加工效率不高或工藝參數(shù)應(yīng)用不當(dāng)所導(dǎo)致的產(chǎn)能受限、資源浪費(fèi)、環(huán)境污染及食品安全問題等，因此，亟待探索并完善新的加工技術(shù)解決上述問題?？茖W(xué)家們除了采用分子遺傳、生物化學(xué)、機(jī)械動力和人工智能的方法外，也試圖結(jié)合其他物理技術(shù)，如超聲波[1-2]、微波[3-4]、電場[5-6]、磁場[7-9]、低溫等離子體[10-12]等，提高農(nóng)產(chǎn)品的加工效率和貯藏品質(zhì)，減少過程中的產(chǎn)品損耗、污染殘留和能源消耗[13-14]。磁場具有穿透性強(qiáng)、作用溫和且綠色安全的特點(diǎn)，由于農(nóng)產(chǎn)品及其加工制品都具有極低的磁導(dǎo)率（ur≈0），故磁場作為一種非接觸的處理手段，應(yīng)用效果往往需要一段時間才會顯現(xiàn)。相同樣品配合不同的磁場參數(shù)，可能出現(xiàn)相反的應(yīng)用效果；或者不同樣品配合相同的工藝參數(shù)，磁場也可能會展現(xiàn)出積極或消極的作用。磁場可應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的輔助貯藏[15-16]、殺菌[17-18]、發(fā)酵[19]及提取[20]。一般來說，弱磁場對細(xì)胞的生長代謝具有促進(jìn)作用，在適宜的溫度下可輔助其生長，能夠應(yīng)用于微生物發(fā)酵等領(lǐng)域[21]；中強(qiáng)磁場可用于果蔬和肉制品的輔助保藏，在一定程度上可提高其感官品質(zhì)，同時在低溫環(huán)境下也會抑制微生物的生長和繁殖[22]；高強(qiáng)磁場可破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，用于農(nóng)產(chǎn)品的表面殺菌處理[23]以及功能性物質(zhì)提取[20]。

1 磁場技術(shù)原理

1.1 磁場類型

根據(jù)磁場強(qiáng)度與時間之間的變化規(guī)律，磁場類型可分為恒定磁場和交變磁場。恒定磁場又稱為靜磁場且磁場強(qiáng)度和方向保持恒定；而交變磁場的磁場強(qiáng)度和方向隨時間會發(fā)生周期性的變化。根據(jù)所利用交流電源的不同勵磁信號波形，可分為脈沖磁場和振蕩磁場，常用波形有方波、尖峰脈沖、正弦波等，具體圖形及分類如表1所示。根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，可分為弱磁場（＜1 mT）、中強(qiáng)磁場（1～103mT）、強(qiáng)磁場（103～2×104mT）和超強(qiáng)磁場（＞2×104mT）[24]。

表1 磁場的分類及特征[16]Table 1 Classification and characteristics of magnetic field[16]

1.2 生物原料磁導(dǎo)率

磁導(dǎo)率可用于衡量物質(zhì)被磁化的難易程度。根據(jù)材料相對磁導(dǎo)率的不同，可分為順磁性物質(zhì)（相對磁導(dǎo)率＞1）、抗磁性物質(zhì)（相對磁導(dǎo)率≈1）和鐵磁性物質(zhì)（相對磁導(dǎo)率＝1）[25]。農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部含有抗磁性物質(zhì)包括水、蛋白質(zhì)、多糖、脂肪和核酸等生物大分子，以及順磁性的K＋、Na＋、Cl-和自由基等，相應(yīng)的磁性特征及電學(xué)特性如表2所示。同時，在農(nóng)產(chǎn)品原料中也存在內(nèi)源性與外源性鐵磁性中心，如Fe、Ni和Co等。生物體內(nèi)的磁性物質(zhì)對外部磁場會產(chǎn)生不同響應(yīng)，順磁性帶電粒子易受到外部磁場影響，可在較“溫和”的磁場條件下誘導(dǎo)相關(guān)代謝過程發(fā)生變化，例如在磁場輔助冷藏和發(fā)酵等過程，磁場對含順磁性金屬輔基的酶、自由基以及細(xì)胞膜的功能影響為主要作用方式[15-16,19]。另一方面，抗磁性物質(zhì)如DNA和不含金屬輔基的蛋白質(zhì)等，則需在強(qiáng)磁場條件下才會發(fā)生變化，因而常見于脈沖磁場殺菌領(lǐng)域的研究[17-18]。水屬于抗磁性物質(zhì)，同時具有一定極性，當(dāng)暴露于磁場環(huán)境時，產(chǎn)生的斥力可抑制分子聚集。此外，水分子磁化會導(dǎo)致樣品宏觀物理性質(zhì)發(fā)生變化，分子間氫鍵減弱，進(jìn)而有利于抑制冷凍過程中的冰晶成核與生長[26-27]。

表2 生物體內(nèi)物質(zhì)的磁性及電學(xué)特性[25]Table 2 Magnetic materials and electric charges in organisms[25]

1.3 磁場生物學(xué)效應(yīng)

磁場的生物學(xué)效應(yīng)是外部磁場和生物內(nèi)源性弱磁場共同作用的結(jié)果，它是研究磁場與生物體之間相互作用的基礎(chǔ)，同時也是磁場應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品加工的依據(jù)。生物磁效應(yīng)包括兩方面，一是細(xì)胞內(nèi)源性鐵磁性分子自身產(chǎn)生的磁場；二是細(xì)胞內(nèi)帶電粒子遷移形成生物電流所誘發(fā)的微弱磁場。生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)、酶、核酸、水等生物分子之間依靠氫鍵及其他化學(xué)鍵結(jié)合在一起，其化學(xué)鍵內(nèi)部電子運(yùn)動使生物大分子成為磁偶極子，即形成微弱的電流閉合回路，當(dāng)其暴露于外磁場時，分子被磁化并產(chǎn)生感生磁場。在外磁場和內(nèi)磁場的共同作用下，生物細(xì)胞、組織器官及整個生物體的新陳代謝發(fā)生改變，進(jìn)而產(chǎn)生不同的生物學(xué)效應(yīng)[28]。

磁場所引發(fā)的生物學(xué)效應(yīng)可分為熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)，熱效應(yīng)是由磁熱效應(yīng)或焦耳熱效應(yīng)所引起的生物細(xì)胞溫度變化，而非熱效應(yīng)則是由磁場與生物體內(nèi)磁性物質(zhì)之間的“機(jī)械作用”所引起的生理變化[16]。一般來說，靜磁場不會產(chǎn)生額外的熱量，因此在應(yīng)用過程中主要表現(xiàn)為非熱效應(yīng)。交變磁場或振蕩磁場會通過傳遞能量或引起分子振動而導(dǎo)致細(xì)胞溫度發(fā)生變化，因此既具有熱效應(yīng)也存在非熱效應(yīng)。就目前研究來看，磁場應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域主要基于非熱效應(yīng)的運(yùn)用，表現(xiàn)為對生物細(xì)胞[29]、遺傳因子[30]、生物大分子[31-32]及自由基的輔助作用[33-34]，作用時間相對較長。

2 磁場在農(nóng)產(chǎn)品加工中的應(yīng)用

2.1 貯藏領(lǐng)域

2.1.1 磁場輔助冷藏

磁場輔助冷藏作為一種潛在的貯藏方法，在農(nóng)產(chǎn)品的保鮮應(yīng)用中已有報(bào)道，適宜的磁場條件不僅可以抑制農(nóng)產(chǎn)品的呼吸代謝，減少營養(yǎng)損失，還可以提升其感官品質(zhì)，延長貨架期[16,35]。楊哪等[36]利用不同強(qiáng)度的靜磁場（0、1、3、5 mT）對草菇進(jìn)行輔助處理，發(fā)現(xiàn)5 mT的強(qiáng)度可有效延緩草菇的氧化劣變，在此條件下，草菇的褐變指數(shù)、脂質(zhì)氧化程度及可溶性固形物消耗量分別降低27.97%、15.98%和31.62%，總酚含量提高27.70%，且樣品狀態(tài)更為飽滿，但由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的局限性，更高強(qiáng)度磁場的應(yīng)用效果還亟待進(jìn)行探索。高夢祥等[37-39]則在較寬的強(qiáng)度范圍內(nèi)評價了交變磁場對鮮切果蔬冷藏保鮮的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同的果蔬具有特異性的磁場強(qiáng)度條件，蓮藕為1.2 A/m，草莓為4.22 A/m，葡萄為0.87 A/m或1.79 A/m；不同有機(jī)體對磁場都會有特殊的響應(yīng)，這可能與原料中自源性磁性物質(zhì)（Fe、Co元素）或其自身電導(dǎo)率有關(guān)[32]。磁場在連續(xù)的強(qiáng)度范圍內(nèi)會展現(xiàn)出多樣的作用效果，即可能存在“閾值”或“窗口”。夏廣臻[40]的研究表明，靜磁場對菠菜保鮮的作用效果也存在強(qiáng)度閾值，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度低于6 mT時，表現(xiàn)為“正效應(yīng)”，即在貯藏過程中能抑制菠菜細(xì)胞呼吸，而當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度高于6 mT時，會引起細(xì)胞呼吸消耗。此外，崔穎等[41]也發(fā)現(xiàn)，交變磁場對蜜瓜的貯藏保鮮效果存在著“時間窗口”，磁場處理10 min時，可使貯藏期間的還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在4%以上，而處理5 min或15 min時，則不利于還原糖和VC的保留。因此，研究過程需重點(diǎn)關(guān)注適宜的磁場“閾值”和“窗口”，并針對樣品存在的理化特征差異，在單位體積內(nèi)保證暴露磁場的有效通量，提高對農(nóng)產(chǎn)品保鮮效果的穩(wěn)定性。

目前，關(guān)于磁場輔助保鮮的機(jī)制研究并不完善，且大多聚焦于對細(xì)胞膜功能和相關(guān)酶活的影響。由于農(nóng)產(chǎn)品原料的磁導(dǎo)率極低，而順磁性和鐵磁性物質(zhì)具有一定磁導(dǎo)率，因此中低強(qiáng)磁場主要通過改變含有金屬離子輔基的酶，如含Cu2＋的多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）、含Cu2＋、Zn2＋的超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和含有Fe輔基的過氧化物酶（peroxidase，POD）等的活性和結(jié)構(gòu)功能，誘導(dǎo)產(chǎn)生不同的生理效應(yīng)，并隨著暴露時間的延長，使其效果顯化[42-46]。趙松松等[42]研究了交變磁場對香蕉冷害的抑制機(jī)理，通過施加2 mT、60 Hz的交變磁場連續(xù)處理，可有效抑制細(xì)胞呼吸和PPO活性，進(jìn)而減輕香蕉冷害和褐變程度。Lv Liping等[43]研究發(fā)現(xiàn)，2 mT交變磁場處理可延緩鮮切蘋果的氧化褐變，使PPO和POD活性分別降低25.92%和85.76%，并且對酶的三級結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

2.1.2 磁場輔助冷水處理

磁場可改變水分子的氫鍵能量，使水的密度、比熱及熔點(diǎn)發(fā)生變化，進(jìn)而影響其流動特性和傳熱能力[27]。Zhao Songsong等[44]開發(fā)了一種靜磁場協(xié)同冷水沖擊的果蔬保鮮方法，可提高黃瓜的冷卻速率和貯藏品質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)，黃瓜經(jīng)7 mT靜磁場協(xié)同4 ℃冷水沖擊聯(lián)合處理后，質(zhì)量損耗減少，且腐爛率和色差值較空白組分別降低40.2%和10.6%。同樣，4 mT、25 Hz的脈沖磁場與0.5 ℃冷水聯(lián)合作用也具有類似的效果[45]。然而，相較于靜磁場和脈沖磁場的正向作用，交變磁場也存在“負(fù)效應(yīng)”，在番茄的水冷過程中施加4 mT和8 mT交變磁場進(jìn)行處理反而會降低冷卻速率，同時也沒有顯著改善色澤，這可能與交變磁場共振產(chǎn)生的“渦流效應(yīng)”有關(guān)[46]。Zhao Songsong等[44]認(rèn)為果蔬貯藏品質(zhì)的改善與其抗氧化能力和細(xì)胞膜通透性有關(guān)，磁場結(jié)合冷水處理會改變果蔬體內(nèi)過氧化氫酶（catalase，CAT）和SOD活性，降低細(xì)胞內(nèi)活性氧自由基和丙二醛含量。同時，在冷水和磁場的刺激下，植物細(xì)胞膜會發(fā)生緊密收縮，使H2O、O2和CO2的自由擴(kuò)散通量減少，進(jìn)而影響呼吸代謝和水分?jǐn)U散過程[47]。一些研究為磁場在農(nóng)產(chǎn)品貯藏領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了新的思路和方法[44-46]，但目前關(guān)于該方向的研究內(nèi)容仍相對較少，在批量化處理時，由于需要大型的勵磁裝置和水冷裝置，協(xié)同操作相對復(fù)雜，因此在應(yīng)用過程中仍存在一定的局限性。

2.1.3 磁場輔助冷凍

冷凍是最常見的農(nóng)產(chǎn)品保鮮方法，可通過抑制細(xì)胞呼吸、微生物繁殖和酶促反應(yīng)速率，維持產(chǎn)品的品質(zhì)并延長貨架期[48]。冷凍效果主要取決于水分子相變過程中所形成冰晶的大小、形狀和分布情況[49]。磁場可通過提高凍品的冷卻速率、縮短相變時間、減小冰晶尺寸等改善其外觀、風(fēng)味、質(zhì)地和新鮮度[50-51]，主要作用機(jī)制可能與改變水分子凍結(jié)特性有關(guān)。在磁場作用下，隨著時間的延長，被冷凍樣品中水分子的電子自旋方向與磁場方向一致，氫鍵作用減弱，因而減少了水分子簇聚集，故冷凍過程僅形成細(xì)小均勻的冰晶，進(jìn)而減少了對細(xì)胞的機(jī)械損傷[49,52]。

20世紀(jì)初期，日本ABI公司研發(fā)了一類結(jié)合低頻振蕩磁場的冷凍設(shè)備，產(chǎn)品據(jù)稱能改善凍品品質(zhì)。隨后，一些學(xué)者也相繼報(bào)道，低頻振蕩磁場可通過電磁共振效應(yīng)提高冷卻速率，進(jìn)而改善豬肉和牛肉的凍藏品質(zhì)[53-54]。然而近年來也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)低頻振蕩磁場無法改變食物的相變時間和冰點(diǎn)，以及對其外觀、風(fēng)味等感官品質(zhì)也沒有顯著影響[55-57]。Rodríguez等[55]在豬里脊的冷凍過程中施加了0.04～0.53 mT的振蕩磁場，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，豬肉的冷凍特性沒有顯著改善。James等[56]報(bào)道低頻振蕩磁場不能改變大蒜鱗莖的冷凍特性和過冷溫度，這可能是磁場參數(shù)無法滿足該樣品的效果顯化所造成。然而，他們在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時并未考慮到風(fēng)冷環(huán)境不同帶來的效果差異，因此結(jié)論也受到了部分學(xué)者質(zhì)疑。為此，Otero等[57]在同一設(shè)備上進(jìn)行了不同組別的蟹棒冷凍實(shí)驗(yàn)，通過分別施加1.52 mT、6 Hz，1.40 mT、30 Hz和1.38 mT、59 Hz的振蕩磁場比較磁場強(qiáng)度和頻率對冷凍的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)磁場的施加無法顯著改善蟹棒的凍藏品質(zhì)。在歐美的研究中，更傾向于將靜磁場或交變磁場作用于食物的長期凍藏。近年來，該類方法在果蔬凍藏中也有涉及，Chen Aiqiang等[58]利用0～3.6 mT的靜磁場對果蔬進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)1.8 mT的磁場強(qiáng)度可抑制凍結(jié)過程的冰晶生長并提高結(jié)晶的均勻性，從而減少對細(xì)胞的機(jī)械損傷。Panayampadan等[59]研究結(jié)果表明，在4 cm×4 cm×4 cm的番石榴凍結(jié)過程中施加7.02 mT交變磁場，可使其在較短時間內(nèi)形成冰晶，此時番石榴的相變時間為74 min 55 s，較空白組縮短約62.42%，且解凍后的滴水損失和硬度分別為4.73%和1.29 N，與新鮮樣品較為接近。

總體來說，靜磁場和交變磁場在農(nóng)產(chǎn)品的輔助凍藏中具有一定的應(yīng)用潛力，但對低頻且幅值較小的振蕩磁場作用效果仍存在很大爭議，導(dǎo)致其產(chǎn)生不同結(jié)果的原因也尚不明晰，這無疑限制了其應(yīng)用發(fā)展。農(nóng)產(chǎn)品冷凍是一個極其復(fù)雜的能量傳遞和物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程，由于凍品尺寸、非均相區(qū)域結(jié)構(gòu)以及成分的不同均會影響其冷凍結(jié)果，因此針對有機(jī)樣品的冷凍機(jī)理研究較為困難[57]。此外，農(nóng)產(chǎn)品體系內(nèi)部的冰晶形成具有隨機(jī)性，加上所采用磁場的均勻性無法得到保證，進(jìn)而導(dǎo)致大部分磁場輔助冷凍實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性較差。因此，未來的研究重點(diǎn)應(yīng)是設(shè)計(jì)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)方法，從而提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重現(xiàn)性，例如對應(yīng)用磁場的均勻性和波動性進(jìn)行前期計(jì)量和校準(zhǔn)，進(jìn)而評估振蕩磁場通過樣品的有效磁通量；在更寬的范圍內(nèi)探索磁場條件，包括磁場波形、強(qiáng)度以及頻率等，同時輔助不同類型、尺寸和組成的農(nóng)產(chǎn)品凍藏實(shí)驗(yàn)；利用冷凍電鏡研究磁場對冰晶形成過程和能量傳遞的影響，揭示其具體的作用機(jī)制。

2.1.4 磁場過冷效應(yīng)

農(nóng)產(chǎn)品過冷保藏是將溫度維持在凍結(jié)溫度與成核溫度之間，使其達(dá)到并維持過冷狀態(tài)的儲藏方法。農(nóng)產(chǎn)品在過冷狀態(tài)下不僅可避免由冰晶形成導(dǎo)致的冷凍損傷，還可以抑制細(xì)胞生理代謝和微生物繁殖，對改善凍藏品質(zhì)、延長貨架期具有重要作用。然而，水的過冷態(tài)是一種不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)受到外部因素影響時，易被打破而使樣品組織內(nèi)部形成較大冰晶，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的冷凍損傷[7]。實(shí)現(xiàn)過冷態(tài)最常見的方法就是精準(zhǔn)控制冷凍溫度，盡可能排除溫度波動和物理振動的干擾，由于農(nóng)產(chǎn)品體系的復(fù)雜性，該方法實(shí)施成本較高。因此，在沒有先進(jìn)技術(shù)的前提下，研究者們采用高壓[60]、超聲[61]、電場[62]以及磁場[63]等輔助手段，改變水分子的物理特性，通過降低冰晶成核溫度，延長過冷時間。

目前，用于促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品形成過冷態(tài)的磁場類型主要有靜磁場和低頻振蕩磁場。靜磁場可通過削弱水分子間的氫鍵、干擾水分子簇聚集等抑制冰核形成，在延長食品過冷狀態(tài)中具有一定應(yīng)用潛力[49]。Lin Hengxun等[64]在0～16.12 mT的強(qiáng)度范圍內(nèi)研究了靜磁場對牛肉過冷的影響，根據(jù)工藝優(yōu)化結(jié)果將7.98～8.15 mT的靜磁場應(yīng)用于牛肉的過冷保藏，可降低牛肉的成核溫度并使其在-4 ℃維持過冷狀態(tài)14 d；掃描電子顯微鏡結(jié)果顯示在貯藏期間牛肉內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)冰核形成，且脂質(zhì)氧化水平較低，貨架期較冷藏處理可延長6 d以上，證明了靜磁場延長牛肉過冷態(tài)的有效性。然而，單一原料模型無法完全模擬實(shí)際應(yīng)用效果，就過冷效應(yīng)而言，原料脂肪含量、規(guī)格尺寸以及凍結(jié)溫度的微小變化均可能影響磁場的作用效果，在該項(xiàng)研究中，當(dāng)環(huán)境溫度從-4 ℃降低至-5 ℃時，相同磁場強(qiáng)度僅能使牛肉維持過冷狀態(tài)6～18 h，因此，未來應(yīng)在更加豐富的條件下探索不同肉品的有效強(qiáng)度區(qū)間，分析有效磁場參數(shù)與各因素之間的對應(yīng)關(guān)系或規(guī)律，從而促進(jìn)靜磁場輔助農(nóng)產(chǎn)品過冷保鮮的實(shí)際應(yīng)用。

低頻振蕩磁場與脈沖電場聯(lián)合作用可通過抑制冰晶成核促進(jìn)肉類原料形成過冷效應(yīng)，提高穩(wěn)定性[65-67]。Kang等[65]研究發(fā)現(xiàn)75 mT、1 Hz振蕩磁場結(jié)合3.5 V、20 kHz脈沖電場處理可使金槍魚在-3.2 ℃維持8 d的過冷狀態(tài)，貯藏期間，新鮮樣品和過冷樣品的電化學(xué)阻抗譜Py值（等效電路中細(xì)胞電阻的變化率）相近，分別為46.6%和45.9%，表明過冷樣品中不存在冰晶生長導(dǎo)致的細(xì)胞損傷，即未發(fā)生凍結(jié)。而后該團(tuán)隊(duì)又采用類似的方法對牛肉[66]和雞胸肉[67]進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)可使牛肉和雞胸肉分別在內(nèi)部溫度為-4 ℃和-6.5 ℃時形成并維持過冷狀態(tài)，且解凍后的樣品仍具有較好的理化特性。電磁場可通過誘導(dǎo)抗磁性的水分子產(chǎn)生偶極運(yùn)動，從而抑制冰晶成核[68]。對于復(fù)雜的肉類原料來說，脂肪會影響電場分布的均勻性，但對磁場的阻礙作用較小，因此兩者共同作用時可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)[69]。然而，該類方法的過程裝置較為復(fù)雜，且處理步驟繁瑣，在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一定局限。除肉類原料外，低頻磁場也可促進(jìn)果蔬出現(xiàn)過冷效應(yīng)，但需適當(dāng)提高磁場強(qiáng)度或通過特殊工藝使效果顯化。Her等[70]利用8 mT、1 Hz的振蕩磁場成功誘導(dǎo)鮮切蜜瓜（尺寸為3.0 cm×5.5 cm×3.5 cm）形成過冷狀態(tài)，并在磁場的間歇作用（啟/停：120/420 s）下，抑制了貯藏期間的冰晶形成，使蜜瓜在內(nèi)部溫度為-5.5 ℃的條件下貯藏21 d而不凍結(jié)。Kang等[71]通過增大磁感應(yīng)強(qiáng)度延長鮮切芒果的過冷時間，在50 mT的磁場作用下，水分子會由于斥力作用而產(chǎn)生振蕩，進(jìn)而降低冰核的形成概率，使芒果在-5 ℃的環(huán)境下保持過冷狀態(tài)7 d，且解凍后樣品的質(zhì)量損失（1.48%）和硬度（394.8 g）與新鮮樣品較為接近。綜合研究結(jié)果可知，果蔬類原料實(shí)現(xiàn)過冷效應(yīng)比肉類原料所需的磁場條件更“溫和”，這可能與果蔬的水分含量和離子濃度較高，且組織結(jié)構(gòu)單一有關(guān)[58,70]。

磁場過冷效應(yīng)的應(yīng)用是輔助冷凍保鮮的重要發(fā)展方向，在未來或許能成為常規(guī)冷凍技術(shù)的良好升級方案，但就當(dāng)前研究現(xiàn)狀來看，要實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用還存在一些具體問題需要解決，如磁場過冷效應(yīng)的潛在機(jī)制尚未完全闡明[72]；針對不同農(nóng)產(chǎn)品的適宜磁場工藝參數(shù)數(shù)據(jù)缺乏；可嵌入冷柜的弱磁場發(fā)生器模塊化技術(shù)需要開發(fā)和完善，因此未來仍要通過大量的基礎(chǔ)和工程研究促進(jìn)磁場過冷技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品貯藏中的應(yīng)用。

磁場對農(nóng)產(chǎn)品的輔助貯藏效果及機(jī)制匯總?cè)绫?所示。

表3 磁場對農(nóng)產(chǎn)品的輔助貯藏效果及機(jī)制Table 3 Auxiliary effects and mechanisms of magnetic field on the preservation of agricultural products

2.2 殺菌領(lǐng)域

高強(qiáng)度的脈沖磁場具有良好的微生物殺滅效果，當(dāng)用于農(nóng)產(chǎn)品殺菌時具有時間短、效率高、能耗低、條件溫和等優(yōu)點(diǎn)，且對產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)成分及感官品質(zhì)影響較小，因而較其他熱殺菌方法更具優(yōu)勢[73]。目前，關(guān)于脈沖磁場殺菌的研究主要集中于牛乳[74]、果蔬汁[23]及其他熱敏性食品。Lin Lin等[75]利用脈沖磁場對4 種不同蔬菜（黃瓜、生菜、胡蘿卜、西紅柿）汁進(jìn)行處理，在8 T、80 個脈沖數(shù)的磁場條件下，可將黃瓜汁中的大腸桿菌完全滅活，且殺菌后蔬菜汁的色澤和風(fēng)味較原始樣品沒有顯著變化。金江濤等[76-77]研究了更高強(qiáng)度的脈沖磁場對草莓汁的殺菌效果，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到17.3 T且脈沖數(shù)為12 個時，草莓汁的菌落總數(shù)可降低至100 CFU/mL以下，且霉菌和酵母被完全殺滅；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)一步增大至18.9 T時，可將草莓汁中POD活性鈍化至處理前的8%，有利于維持其色澤。相較于果蔬汁，牛乳則需要在相對溫和的條件才能最大程度地保留營養(yǎng)成分，高夢祥等[78]研究結(jié)果表明，采用6.33 T、15 個脈沖數(shù)的磁場處理可殺滅牛乳中99.9%的微生物，同時降低蛋白質(zhì)和乳糖的損失率，保持其天然的色澤和風(fēng)味。

表4總結(jié)了部分微生物的脈沖磁場致死效果及可能機(jī)制，不同微生物均具有特異性的致死條件，然而，關(guān)于脈沖磁場殺菌機(jī)理的解釋尚未統(tǒng)一，其中較為普遍的是高強(qiáng)度脈沖磁場通過產(chǎn)生多樣電磁效應(yīng)，如感應(yīng)電流、洛倫茲力和電離效應(yīng)等，使微生物體內(nèi)細(xì)胞代謝紊亂或結(jié)構(gòu)被破壞，進(jìn)而達(dá)到致死目的[19]。具體來說，一方面是脈沖磁場的間接作用，例如細(xì)胞內(nèi)部自源性磁性物質(zhì)或帶電粒子與外界磁場響應(yīng)，產(chǎn)生感應(yīng)電位差或洛倫茲力效應(yīng)，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞死亡[18]；以及電離效應(yīng)，即強(qiáng)磁場加速帶電粒子摩擦，導(dǎo)致分子分解和電解成陰離子和陽離子，這些離子穿過細(xì)胞膜，作用于胞內(nèi)物質(zhì)以抑制細(xì)胞代謝[75]；另一方面則是強(qiáng)磁場的直接破壞作用，主要包括其頻率和強(qiáng)度瞬時變化產(chǎn)生的振蕩效應(yīng)和不可逆的“電穿孔”，區(qū)別于傳統(tǒng)的“電穿孔”理論，細(xì)胞會同時受到磁場和感應(yīng)電流作用，而被瞬時產(chǎn)生的沖擊能量破壞[79]。近年來，相關(guān)研究內(nèi)容大多將細(xì)胞膜作為脈沖磁場的主要作用靶點(diǎn)，且聚焦于脈沖磁場處理后細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)功能變化、DNA損傷程度、胞內(nèi)物質(zhì)溢出以及異常的呼吸代謝和鈣離子跨膜等[79-84]。Lin Lin等[75]研究了脈沖磁場對大腸桿菌O157:H7的殺菌作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)脈沖磁場可通過破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)促進(jìn)胞內(nèi)物質(zhì)泄漏，在8 T、60 個脈沖數(shù)的條件下最為嚴(yán)重，可使細(xì)菌胞內(nèi)的蛋白質(zhì)和DNA質(zhì)量濃度從285 μg/mL和47.03 μg/mL分別降低至167 μg/mL和29.05 μg/mL，同時還可抑制單磷酸己糖途徑中的關(guān)鍵酶——葡萄糖-6-磷酸脫氫酶活性，降低細(xì)胞呼吸水平，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞死亡。同樣，Qian Jingya等[79]也發(fā)現(xiàn)脈沖磁場處理可導(dǎo)致枯草芽孢桿菌嚴(yán)重的細(xì)胞膜損傷和形態(tài)變化，使細(xì)胞內(nèi)容物外泄，并導(dǎo)致DNA損傷。為揭示微生物死亡的具體機(jī)制，該團(tuán)隊(duì)還運(yùn)用蛋白組學(xué)方法從細(xì)胞分子層面進(jìn)行研究，通過分析18 個差異表達(dá)的蛋白位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)脈沖磁場處理可破壞細(xì)菌的外膜蛋白，抑制胞內(nèi)的分子功能和生物過程，降低碳水化合物代謝[80]。

表4 最優(yōu)的脈沖磁場殺菌效果及推測的作用機(jī)制Table 4 Optimal sterilization effects and proposed mechanisms of action of pulsed magnetic field

除了對微生物細(xì)胞膜和DNA的直接破壞外，相關(guān)功能離子的調(diào)控也可能間接誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。生物體內(nèi)存在可調(diào)節(jié)細(xì)胞功能的第二信使——Ca2＋，同時也作為信號分子參與調(diào)節(jié)生物細(xì)胞的增殖、分化、凋亡以及相關(guān)應(yīng)激過程[81]。正常情況下，細(xì)胞內(nèi)的Ca2＋濃度會處于極低的水平（約100 nmol/L），當(dāng)受外部物理場刺激或膜通透性發(fā)生變化時，細(xì)胞內(nèi)外Ca2＋會出現(xiàn)異常的跨膜運(yùn)輸，導(dǎo)致其濃度失衡，進(jìn)而不利于細(xì)胞存活[82]。馬海樂等[83]采用Fura-2/AM熒光探針法標(biāo)記金黃色葡萄球菌的胞內(nèi)Ca2＋，并利用激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)脈沖磁場可通過提高金黃色葡萄球菌細(xì)胞膜的通透性誘導(dǎo)胞外Ca2＋跨膜進(jìn)入胞內(nèi)，使胞內(nèi)Ca2＋濃度顯著提高，且濃度變化與細(xì)菌死亡率變化高度相關(guān)。He Ronghai等[84]采用相同的方法對大腸桿菌ATCC 8099進(jìn)行處理，也得到類似的結(jié)論，并認(rèn)為胞內(nèi)Ca2＋積累可能是脈沖磁場誘導(dǎo)細(xì)菌死亡的因素之一。在此基礎(chǔ)上，Qian Jingya等[81]利用Fura-4/AM熒光指示劑對單核細(xì)胞增生李斯特菌的胞內(nèi)Ca2＋進(jìn)行標(biāo)記，并設(shè)置5 組磁場參數(shù)（分別為5 T，10、15 個和20 個脈沖數(shù)以及8 T，35 個和50 個脈沖數(shù)），發(fā)現(xiàn)經(jīng)脈沖磁場處理后，胞內(nèi)Ca2＋濃度相應(yīng)提高了約27.5%～47.2%，這與馬海樂等[83]的研究結(jié)論一致，但也僅揭示了脈沖磁場對細(xì)胞膜通透性的影響，而對于細(xì)胞暴露磁場后，其本身的Ca2＋調(diào)控機(jī)制仍不清楚。已有研究表明，不平衡的Ca2＋調(diào)控可能會引起細(xì)胞毒性，使細(xì)胞生理代謝紊亂或誘導(dǎo)細(xì)胞程序性死亡[85]。因此未來還需進(jìn)一步研究細(xì)胞死亡與Ca2＋調(diào)控之間的關(guān)系，探索高強(qiáng)度脈沖磁場下微生物死亡的具體機(jī)制。

2.3 食用菌生長及發(fā)酵領(lǐng)域

磁場可通過增強(qiáng)食用菌的呼吸代謝，提高細(xì)胞膜的通透性和流動性，促進(jìn)菌絲生長和生物傳質(zhì)過程[20]，因此可作為一種輔助手段應(yīng)用于食用菌的生長及發(fā)酵領(lǐng)域[86-87]。磁場對食用菌的作用效果與磁場頻率、強(qiáng)度、作用時間及菌類生長周期等有關(guān)，劉善勇等[88]研究發(fā)現(xiàn)，靜磁場可影響金針菇生長，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度低于10 mT時，磁場處理可促進(jìn)菌絲生長，而當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度增大至15 mT時，則表現(xiàn)為對金針菇的抑制作用。此外，在金針菇的栽種和生長期間分別施加10 mT磁場聯(lián)合處理，可顯著提高金針菇的生長速率、產(chǎn)量，改善產(chǎn)品性狀，且作用效果優(yōu)于單一處理。Jamil等[89]研究發(fā)現(xiàn)，在蘑菇的生長后期施加15 mT或25 mT的磁場處理15 min，可使其成熟菌頭數(shù)、鮮質(zhì)量和干質(zhì)量分別增加34.83%、76.43%和38.26%，且成熟時間縮短3.14%。同時，磁場對微生物的影響也具有時間的“窗口效應(yīng)”，不同的處理時間在相同的磁場強(qiáng)度也可能導(dǎo)致不利的效果[90]。

食用菌液態(tài)發(fā)酵可在短期內(nèi)獲得高品質(zhì)、高產(chǎn)量且綠色安全的發(fā)酵類產(chǎn)品。研究報(bào)道，磁場可輔助猴頭菌[91]、灰樹花[92]、樟芝[93-95]等的液態(tài)發(fā)酵，且大多是10 mT以下的低強(qiáng)交變磁場處理，可能與其產(chǎn)生的“共振效應(yīng)”更容易誘導(dǎo)細(xì)胞膜通透性變化有關(guān)[94]。高夢祥等[91]用1.06 A/m的交變磁場促進(jìn)猴頭菌的生長和多糖分泌，當(dāng)作用時間為12 h時，猴頭菌生長速率最快，菌絲干質(zhì)量增長率可達(dá)140.1%；而當(dāng)作用時間為48 h時，菌絲生長受限，但胞外多糖增長率卻可達(dá)到271.7%，說明多糖分泌較菌絲生長具有滯后性。李心怡等[92]利用3.5 mT低強(qiáng)交變磁場輔助灰樹花發(fā)酵，在最佳處理?xiàng)l件下，灰樹花的菌絲體干質(zhì)量較對照組可提高11.43%，且營養(yǎng)成分總量均有所上升；通過掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，磁場處理后的灰樹花菌絲體表面粗糙、坑洼，菌絲發(fā)生了嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)彎折且分支增多、結(jié)構(gòu)松散，因而更有利于營養(yǎng)吸收和傳質(zhì)過程。同樣，朱莉萍等[93]的研究結(jié)果也表明，樟芝菌液在8 mT交變磁場的作用下會發(fā)酵產(chǎn)生更多胞外多糖和三萜，且菌絲形態(tài)在微觀上也呈旋轉(zhuǎn)、彎折和松散的類似特征。目前，磁場輔助食用菌液態(tài)發(fā)酵的研究仍處于初始階段，相關(guān)內(nèi)容主要集中于參數(shù)優(yōu)化和效果分析，而對于磁場介入后引發(fā)的生物效應(yīng)研究仍相對缺乏。綜合目前研究結(jié)論，其機(jī)理可歸結(jié)于兩方面，一是交變磁場誘導(dǎo)順磁性金屬離子振動，改變了食用菌體內(nèi)相關(guān)酶的活性；另一方面則是磁場提高了細(xì)胞膜的通透性和流動性，加快了底物吸收和代謝速率，但具體機(jī)制仍亟待研究證實(shí)。

總體來說，磁場輔助菌絲發(fā)酵高附加值的農(nóng)產(chǎn)品，相較于其他處理而言，磁場的溫和作用是主要優(yōu)勢，且容易在長時間的暴露下效果顯化，具體應(yīng)用效果及機(jī)制如表5所示。

表5 磁場對食用菌生長發(fā)酵的應(yīng)用效果及機(jī)制Table 5 Effects and mechanisms of magnetic field on the growth and fermentation of edible fungi

2.4 功能成分提取領(lǐng)域

磁場可用于農(nóng)產(chǎn)品中功能性成分的輔助提取，在外部磁場作用下，含抗磁性物質(zhì)的溶劑會產(chǎn)生與外磁場方向相反的附加磁矩而獲得額外能量，使溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)和溶解度增大，從而提高溶劑的萃取能力[96]。周蕓等[97]研究發(fā)現(xiàn)靜磁場可提高枸杞中黃酮物質(zhì)的醇提得率，將提取液置于640 mT的靜磁場中磁化40 min，磁化溫度65 ℃，浸提回流60 min得到最佳的提取效果，枸杞黃酮的提取率可達(dá)290.81 mg/100 g，較空白組提高約7%。此外，磁場用于輔助提取茶葉中營養(yǎng)物質(zhì)時，不同磁場類型也會有較大的效果差異。Zagula等[98]研究發(fā)現(xiàn)，采用100 mT、50 Hz的交變磁場可顯著提高茶葉中咖啡因和礦物質(zhì)的提取率，而相同強(qiáng)度的靜磁場處理卻沒有明顯的提取效果，此差異可能與交變磁場產(chǎn)生的共振效應(yīng)有關(guān)，即在該作用下，植物組織細(xì)胞膜的跨膜電壓發(fā)生變化，從而導(dǎo)致離子通道更有效地傳遞咖啡因及其他離子。此外，Tarapatskyy等[99]的研究也證實(shí)了交變磁場的有效性，經(jīng)長時間磁場處理后，紅茶中氨基酸及其他營養(yǎng)成分含量均有所提高。

目前，關(guān)于磁場輔助提取的研究報(bào)道相對較少，可能是因?yàn)橄噍^于貯藏和發(fā)酵處理，提取過程的作用時間短；相較于殺菌處理而言，磁場暴露的強(qiáng)度偏低，所以磁場的作用效果不容易顯化，導(dǎo)致工藝摸索的時間較長。

3 磁場技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工中應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)與未來趨勢

3.1 當(dāng)前主要挑戰(zhàn)

近年來，雖然國內(nèi)外研究學(xué)者在磁場輔助農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新，取得了較多研究成果，但磁場技術(shù)的有效性、普適性，實(shí)驗(yàn)方案的系統(tǒng)性以及結(jié)論的準(zhǔn)確性、效果重現(xiàn)性等均有待提升。因此，在研究磁場輔助農(nóng)產(chǎn)品加工時，仍需重點(diǎn)考慮以下問題：1）磁場作用農(nóng)產(chǎn)品的“窗口效應(yīng)”使其在某些特定參數(shù)下可獲得較為顯著的效果，但在寬泛的參數(shù)區(qū)間內(nèi)尋找“窗口”無疑增加了研究的難度，且大多研究中的“窗口”并未得到廣泛驗(yàn)證；2）磁場參數(shù)種類較多，主要包括類型、波形、施加方向、強(qiáng)度、頻率、處理時間、脈沖數(shù)等，在實(shí)際應(yīng)用中還需考慮其他影響因素，因此研究方案設(shè)計(jì)需要考慮全面，特別是樣品處理室內(nèi)部磁場的波動性和均勻性，若在前期沒有進(jìn)行計(jì)量或標(biāo)定，樣品置于不同的磁場均勻區(qū)，導(dǎo)致磁場中樣品的磁通量不一致，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)論的可重現(xiàn)性；3）不同農(nóng)產(chǎn)品對磁場的響應(yīng)條件不同，即特定的工藝參數(shù)針對特定的樣品；4）機(jī)理研究不充分，大量研究僅限于磁場對農(nóng)產(chǎn)品的宏觀指標(biāo)分析，一些作用機(jī)制尚不完全明晰。如在貯藏領(lǐng)域，磁場對微生物的抑制機(jī)理和對農(nóng)產(chǎn)品原料中具有電導(dǎo)性的組織細(xì)胞作用機(jī)理仍不完全清楚，此外，在脈沖磁場殺菌領(lǐng)域的研究集中于對細(xì)胞膜的影響；5）爭議較多，由于缺乏統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)條件標(biāo)準(zhǔn)，如勵磁裝置、原料種類以及處理方法等，導(dǎo)致一些研究結(jié)論的可重復(fù)性有待考察。引起這些差異性效果的原因與磁場施加方向或通過不規(guī)則樣品的有效磁力線有關(guān)，即相同的磁場條件，對不同形態(tài)樣品會有不同的磁通量；6）在農(nóng)產(chǎn)品加工中的規(guī)模化應(yīng)用相對不成熟，優(yōu)勢并未放大，同時缺乏與其他技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，應(yīng)用場景相對局限；7）現(xiàn)有磁場發(fā)生裝置或設(shè)備仍存在一定缺陷，導(dǎo)致一些精密實(shí)驗(yàn)難以開展，如農(nóng)產(chǎn)品過冷研究中，磁場恒溫腔體和熱源未完全隔離導(dǎo)致的溫度波動，以及其他冷卻排風(fēng)部件產(chǎn)生的物理振動干擾等均會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果；8）磁場技術(shù)的應(yīng)用不夠普及，大部分人對磁場的非熱效應(yīng)較為陌生。

3.2 未來趨勢

基于以上磁場技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工應(yīng)用領(lǐng)域存在的問題和挑戰(zhàn)，未來的研究重點(diǎn)和發(fā)展趨勢應(yīng)是：1）獲取不同農(nóng)產(chǎn)品原料在實(shí)際加工場景的最佳應(yīng)用參數(shù)，完善其磁場生物學(xué)效應(yīng)數(shù)據(jù)，并構(gòu)建資源數(shù)據(jù)庫，為其加工應(yīng)用和開發(fā)提供理論支撐；2）聚焦磁場在農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域的機(jī)理性研究，可從分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)層面入手，研究磁場環(huán)境下生物大分子及帶電粒子的結(jié)構(gòu)與活性變化，為闡明其在復(fù)雜的食品體系中發(fā)揮作用的機(jī)制提供理論基礎(chǔ)，此外綜合考慮現(xiàn)有的影響因素，通過設(shè)計(jì)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)方案對已有結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證或提出新觀點(diǎn)；3）解決現(xiàn)有磁場發(fā)生裝置或設(shè)備存在的不足，開發(fā)普適性強(qiáng)、自動化程度高的工業(yè)端設(shè)備；4）利用Comsol等軟件進(jìn)行工程模擬，設(shè)計(jì)并選擇磁感應(yīng)強(qiáng)度穩(wěn)定、磁場分布均勻的區(qū)域。在處理前，利用特斯拉計(jì)進(jìn)行計(jì)量和校準(zhǔn)，盡量保證同一條件下樣品的磁通量一致，提高結(jié)論的準(zhǔn)確性與重現(xiàn)性；5）拓展磁場技術(shù)與其他物理場技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用形式，如磁場與電場、磁場與溫度場、磁場與光場、磁場與超聲等，以擴(kuò)大應(yīng)用范圍，并增強(qiáng)應(yīng)用效果；6）推廣磁場技術(shù)在高附加值農(nóng)產(chǎn)品的規(guī)?；瘧?yīng)用，建立工程案例檔案。

4 結(jié)語

本文從磁場的分類、生物效應(yīng)以及原料磁導(dǎo)率3 個方面解釋了其應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域的相關(guān)原理。在此基礎(chǔ)上，從貯藏、殺菌、發(fā)酵和提取這4 類應(yīng)用場景中，進(jìn)一步概述了其在農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域的國內(nèi)外研究進(jìn)展。同時在各領(lǐng)域中進(jìn)行分類細(xì)化，從應(yīng)用效果和機(jī)制兩方面進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段的磁場輔助農(nóng)產(chǎn)品加工仍面臨著部分機(jī)制闡述不完善、磁場參數(shù)計(jì)量和校準(zhǔn)缺乏、實(shí)際應(yīng)用不普及等挑戰(zhàn)?；诖?，本文對該技術(shù)領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢進(jìn)行了歸納和總結(jié)，期望引導(dǎo)學(xué)者結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)難題，從多領(lǐng)域共同突破，以推進(jìn)磁場技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。