磁場技術在農產品加工中的應用及研究進展

姚黃兵，金亞美,2，張令濤，吳石林，鄭子濤，王 婷，楊 哪,2,*，徐學明,2,3

（1.江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122；2.江南大學 江蘇省食品安全與質量控制協同創新中心，江蘇 無錫 214122；3.江南大學 食品科學與資源挖掘全國重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

在資源條件受限的大背景下，我國農業的可持續性發展問題日益凸顯，尤其是農產品加工效率不高或工藝參數應用不當所導致的產能受限、資源浪費、環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解決上述問題?？茖W家們除了采用分子遺傳、生物化學、機械動力和人工智能的方法外，也試圖結合其他物理技術，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，提高農產品的加工效率和貯藏品質，減少過程中的產品損耗、污染殘留和能源消耗[13-14]。磁場具有穿透性強、作用溫和且綠色安全的特點，由于農產品及其加工制品都具有極低的磁導率（ur≈0），故磁場作為一種非接觸的處理手段，應用效果往往需要一段時間才會顯現。相同樣品配合不同的磁場參數，可能出現相反的應用效果；或者不同樣品配合相同的工藝參數，磁場也可能會展現出積極或消極的作用。磁場可應用于農產品的輔助貯藏[15-16]、殺菌[17-18]、發酵[19]及提取[20]。一般來說，弱磁場對細胞的生長代謝具有促進作用，在適宜的溫度下可輔助其生長，能夠應用于微生物發酵等領域[21]；中強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，同時在低溫環境下也會抑制微生物的生長和繁殖[22]；高強磁場可破壞細胞膜結構，用于農產品的表面殺菌處理[23]以及功能性物質提取[20]。

1 磁場技術原理

1.1 磁場類型

根據磁場強度與時間之間的變化規律，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度和方向保持恒定；而交變磁場的磁場強度和方向隨時間會發生周期性的變化。根據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。根據磁感應強度大小，可分為弱磁場（＜1 mT）、中強磁場（1～103mT）、強磁場（103～2×104mT）和超強磁場（＞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 生物原料磁導率

磁導率可用于衡量物質被磁化的難易程度。根據材料相對磁導率的不同，可分為順磁性物質（相對磁導率＞1）、抗磁性物質（相對磁導率≈1）和鐵磁性物質（相對磁導率＝1）[25]。農產品內部含有抗磁性物質包括水、蛋白質、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，相應的磁性特征及電學特性如表2所示。同時，在農產品原料中也存在內源性與外源性鐵磁性中心，如Fe、Ni和Co等。生物體內的磁性物質對外部磁場會產生不同響應，順磁性帶電粒子易受到外部磁場影響，可在較“溫和”的磁場條件下誘導相關代謝過程發生變化，例如在磁場輔助冷藏和發酵等過程，磁場對含順磁性金屬輔基的酶、自由基以及細胞膜的功能影響為主要作用方式[15-16,19]。另一方面，抗磁性物質如DNA和不含金屬輔基的蛋白質等，則需在強磁場條件下才會發生變化，因而常見于脈沖磁場殺菌領域的研究[17-18]。水屬于抗磁性物質，同時具有一定極性，當暴露于磁場環境時，產生的斥力可抑制分子聚集。此外，水分子磁化會導致樣品宏觀物理性質發生變化，分子間氫鍵減弱，進而有利于抑制冷凍過程中的冰晶成核與生長[26-27]。

表2 生物體內物質的磁性及電學特性[25]Table 2 Magnetic materials and electric charges in organisms[25]

1.3 磁場生物學效應

磁場的生物學效應是外部磁場和生物內源性弱磁場共同作用的結果，它是研究磁場與生物體之間相互作用的基礎，同時也是磁場應用于農產品加工的依據。生物磁效應包括兩方面，一是細胞內源性鐵磁性分子自身產生的磁場；二是細胞內帶電粒子遷移形成生物電流所誘發的微弱磁場。生物細胞中的蛋白質、酶、核酸、水等生物分子之間依靠氫鍵及其他化學鍵結合在一起，其化學鍵內部電子運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，當其暴露于外磁場時，分子被磁化并產生感生磁場。在外磁場和內磁場的共同作用下，生物細胞、組織器官及整個生物體的新陳代謝發生改變，進而產生不同的生物學效應[28]。

磁場所引發的生物學效應可分為熱效應和非熱效應，熱效應是由磁熱效應或焦耳熱效應所引起的生物細胞溫度變化，而非熱效應則是由磁場與生物體內磁性物質之間的“機械作用”所引起的生理變化[16]。一般來說，靜磁場不會產生額外的熱量，因此在應用過程中主要表現為非熱效應。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致細胞溫度發生變化，因此既具有熱效應也存在非熱效應。就目前研究來看，磁場應用于農業領域主要基于非熱效應的運用，表現為對生物細胞[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 磁場在農產品加工中的應用

2.1 貯藏領域

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，在農產品的保鮮應用中已有報道，適宜的磁場條件不僅可以抑制農產品的呼吸代謝，減少營養損失，還可以提升其感官品質，延長貨架期[16,35]。楊哪等[36]利用不同強度的靜磁場（0、1、3、5 mT）對草菇進行輔助處理，發現5 mT的強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、脂質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%，且樣品狀態更為飽滿，但由于實驗設備的局限性，更高強度磁場的應用效果還亟待進行探索。高夢祥等[37-39]則在較寬的強度范圍內評價了交變磁場對鮮切果蔬冷藏保鮮的效果，結果發現不同的果蔬具有特異性的磁場強度條件，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；不同有機體對磁場都會有特殊的響應，這可能與原料中自源性磁性物質（Fe、Co元素）或其自身電導率有關[32]。磁場在連續的強度范圍內會展現出多樣的作用效果，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度閾值，當磁感應強度低于6 mT時，表現為“正效應”，即在貯藏過程中能抑制菠菜細胞呼吸，而當磁感應強度高于6 mT時，會引起細胞呼吸消耗。此外，崔穎等[41]也發現，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量分數保持在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，研究過程需重點關注適宜的磁場“閾值”和“窗口”，并針對樣品存在的理化特征差異，在單位體積內保證暴露磁場的有效通量，提高對農產品保鮮效果的穩定性。

目前，關于磁場輔助保鮮的機制研究并不完善，且大多聚焦于對細胞膜功能和相關酶活的影響。由于農產品原料的磁導率極低，而順磁性和鐵磁性物質具有一定磁導率，因此中低強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）等的活性和結構功能，誘導產生不同的生理效應，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理，通過施加2 mT、60 Hz的交變磁場連續處理，可有效抑制細胞呼吸和PPO活性，進而減輕香蕉冷害和褐變程度。Lv Liping等[43]研究發現，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%，并且對酶的三級結構產生影響。

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、比熱及熔點發生變化，進而影響其流動特性和傳熱能力[27]。Zhao Songsong等[44]開發了一種靜磁場協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，研究發現，黃瓜經7 mT靜磁場協同4 ℃冷水沖擊聯合處理后，質量損耗減少，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“負效應”，在番茄的水冷過程中施加4 mT和8 mT交變磁場進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生的“渦流效應”有關[46]。Zhao Songsong等[44]認為果蔬貯藏品質的改善與其抗氧化能力和細胞膜通透性有關，磁場結合冷水處理會改變果蔬體內過氧化氫酶（catalase，CAT）和SOD活性，降低細胞內活性氧自由基和丙二醛含量。同時，在冷水和磁場的刺激下，植物細胞膜會發生緊密收縮，使H2O、O2和CO2的自由擴散通量減少，進而影響呼吸代謝和水分擴散過程[47]。一些研究為磁場在農產品貯藏領域中的應用提供了新的思路和方法[44-46]，但目前關于該方向的研究內容仍相對較少，在批量化處理時，由于需要大型的勵磁裝置和水冷裝置，協同操作相對復雜，因此在應用過程中仍存在一定的局限性。

2.1.3 磁場輔助冷凍

冷凍是最常見的農產品保鮮方法，可通過抑制細胞呼吸、微生物繁殖和酶促反應速率，維持產品的品質并延長貨架期[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、風味、質地和新鮮度[50-51]，主要作用機制可能與改變水分子凍結特性有關。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小均勻的冰晶，進而減少了對細胞的機械損傷[49,52]。

20世紀初期，日本ABI公司研發了一類結合低頻振蕩磁場的冷凍設備，產品據稱能改善凍品品質。隨后，一些學者也相繼報道，低頻振蕩磁場可通過電磁共振效應提高冷卻速率，進而改善豬肉和牛肉的凍藏品質[53-54]。然而近年來也有學者發現低頻振蕩磁場無法改變食物的相變時間和冰點，以及對其外觀、風味等感官品質也沒有顯著影響[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，發現與對照組相比，豬肉的冷凍特性沒有顯著改善。James等[56]報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，這可能是磁場參數無法滿足該樣品的效果顯化所造成。然而，他們在實驗設計時并未考慮到風冷環境不同帶來的效果差異，因此結論也受到了部分學者質疑。為此，Otero等[57]在同一設備上進行了不同組別的蟹棒冷凍實驗，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度和頻率對冷凍的影響，結果發現磁場的施加無法顯著改善蟹棒的凍藏品質。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的靜磁場對果蔬進行處理，發現1.8 mT的磁場強度可抑制凍結過程的冰晶生長并提高結晶的均勻性，從而減少對細胞的機械損傷。Panayampadan等[59]研究結果表明，在4 cm×4 cm×4 cm的番石榴凍結過程中施加7.02 mT交變磁場，可使其在較短時間內形成冰晶，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產品的輔助凍藏中具有一定的應用潛力，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，導致其產生不同結果的原因也尚不明晰，這無疑限制了其應用發展。農產品冷凍是一個極其復雜的能量傳遞和物質轉化過程，由于凍品尺寸、非均相區域結構以及成分的不同均會影響其冷凍結果，因此針對有機樣品的冷凍機理研究較為困難[57]。此外，農產品體系內部的冰晶形成具有隨機性，加上所采用磁場的均勻性無法得到保證，進而導致大部分磁場輔助冷凍實驗的重現性較差。因此，未來的研究重點應是設計科學嚴謹的實驗方法，從而提高實驗結果的準確性和可重現性，例如對應用磁場的均勻性和波動性進行前期計量和校準，進而評估振蕩磁場通過樣品的有效磁通量；在更寬的范圍內探索磁場條件，包括磁場波形、強度以及頻率等，同時輔助不同類型、尺寸和組成的農產品凍藏實驗；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制。

2.1.4 磁場過冷效應

農產品過冷保藏是將溫度維持在凍結溫度與成核溫度之間，使其達到并維持過冷狀態的儲藏方法。農產品在過冷狀態下不僅可避免由冰晶形成導致的冷凍損傷，還可以抑制細胞生理代謝和微生物繁殖，對改善凍藏品質、延長貨架期具有重要作用。然而，水的過冷態是一種不穩定狀態，當受到外部因素影響時，易被打破而使樣品組織內部形成較大冰晶，進而導致嚴重的冷凍損傷[7]。實現過冷態最常見的方法就是精準控制冷凍溫度，盡可能排除溫度波動和物理振動的干擾，由于農產品體系的復雜性，該方法實施成本較高。因此，在沒有先進技術的前提下，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，用于促進農產品形成過冷態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中具有一定應用潛力[49]。Lin Hengxun等[64]在0～16.12 mT的強度范圍內研究了靜磁場對牛肉過冷的影響，根據工藝優化結果將7.98～8.15 mT的靜磁場應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14 d；掃描電子顯微鏡結果顯示在貯藏期間牛肉內部未發現冰核形成，且脂質氧化水平較低，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的有效性。然而，單一原料模型無法完全模擬實際應用效果，就過冷效應而言，原料脂肪含量、規格尺寸以及凍結溫度的微小變化均可能影響磁場的作用效果，在該項研究中，當環境溫度從-4 ℃降低至-5 ℃時，相同磁場強度僅能使牛肉維持過冷狀態6～18 h，因此，未來應在更加豐富的條件下探索不同肉品的有效強度區間，分析有效磁場參數與各因素之間的對應關系或規律，從而促進靜磁場輔助農產品過冷保鮮的實際應用。

低頻振蕩磁場與脈沖電場聯合作用可通過抑制冰晶成核促進肉類原料形成過冷效應，提高穩定性[65-67]。Kang等[65]研究發現75 mT、1 Hz振蕩磁場結合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，貯藏期間，新鮮樣品和過冷樣品的電化學阻抗譜Py值（等效電路中細胞電阻的變化率）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致的細胞損傷，即未發生凍結。而后該團隊又采用類似的方法對牛肉[66]和雞胸肉[67]進行處理，發現可使牛肉和雞胸肉分別在內部溫度為-4 ℃和-6.5 ℃時形成并維持過冷狀態，且解凍后的樣品仍具有較好的理化特性。電磁場可通過誘導抗磁性的水分子產生偶極運動，從而抑制冰晶成核[68]。對于復雜的肉類原料來說，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生協同效應[69]。然而，該類方法的過程裝置較為復雜，且處理步驟繁瑣，在實際應用中仍存在一定局限。除肉類原料外，低頻磁場也可促進果蔬出現過冷效應，但需適當提高磁場強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鮮切蜜瓜（尺寸為3.0 cm×5.5 cm×3.5 cm）形成過冷狀態，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，使蜜瓜在內部溫度為-5.5 ℃的條件下貯藏21 d而不凍結。Kang等[71]通過增大磁感應強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生振蕩，進而降低冰核的形成概率，使芒果在-5 ℃的環境下保持過冷狀態7 d，且解凍后樣品的質量損失（1.48%）和硬度（394.8 g）與新鮮樣品較為接近。綜合研究結果可知，果蔬類原料實現過冷效應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，且組織結構單一有關[58,70]。

磁場過冷效應的應用是輔助冷凍保鮮的重要發展方向，在未來或許能成為常規冷凍技術的良好升級方案，但就當前研究現狀來看，要實現規?；瘧眠€存在一些具體問題需要解決，如磁場過冷效應的潛在機制尚未完全闡明[72]；針對不同農產品的適宜磁場工藝參數數據缺乏；可嵌入冷柜的弱磁場發生器模塊化技術需要開發和完善，因此未來仍要通過大量的基礎和工程研究促進磁場過冷技術在農產品貯藏中的應用。

磁場對農產品的輔助貯藏效果及機制匯總如表3所示。

表3 磁場對農產品的輔助貯藏效果及機制Table 3 Auxiliary effects and mechanisms of magnetic field on the preservation of agricultural products

2.2 殺菌領域

高強度的脈沖磁場具有良好的微生物殺滅效果，當用于農產品殺菌時具有時間短、效率高、能耗低、條件溫和等優點，且對產品的組織結構、營養成分及感官品質影響較小，因而較其他熱殺菌方法更具優勢[73]。目前，關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）汁進行處理，在8 T、80 個脈沖數的磁場條件下，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味較原始樣品沒有顯著變化。金江濤等[76-77]研究了更高強度的脈沖磁場對草莓汁的殺菌效果，當磁感應強度達到17.3 T且脈沖數為12 個時，草莓汁的菌落總數可降低至100 CFU/mL以下，且霉菌和酵母被完全殺滅；當磁感應強度進一步增大至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成分，高夢祥等[78]研究結果表明，采用6.33 T、15 個脈沖數的磁場處理可殺滅牛乳中99.9%的微生物，同時降低蛋白質和乳糖的損失率，保持其天然的色澤和風味。

表4總結了部分微生物的脈沖磁場致死效果及可能機制，不同微生物均具有特異性的致死條件，然而，關于脈沖磁場殺菌機理的解釋尚未統一，其中較為普遍的是高強度脈沖磁場通過產生多樣電磁效應，如感應電流、洛倫茲力和電離效應等，使微生物體內細胞代謝紊亂或結構被破壞，進而達到致死目的[19]。具體來說，一方面是脈沖磁場的間接作用，例如細胞內部自源性磁性物質或帶電粒子與外界磁場響應，產生感應電位差或洛倫茲力效應，進而誘導細胞死亡[18]；以及電離效應，即強磁場加速帶電粒子摩擦，導致分子分解和電解成陰離子和陽離子，這些離子穿過細胞膜，作用于胞內物質以抑制細胞代謝[75]；另一方面則是強磁場的直接破壞作用，主要包括其頻率和強度瞬時變化產生的振蕩效應和不可逆的“電穿孔”，區別于傳統的“電穿孔”理論，細胞會同時受到磁場和感應電流作用，而被瞬時產生的沖擊能量破壞[79]。近年來，相關研究內容大多將細胞膜作為脈沖磁場的主要作用靶點，且聚焦于脈沖磁場處理后細胞膜的結構功能變化、DNA損傷程度、胞內物質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的殺菌作用機理，發現脈沖磁場可通過破壞細胞膜結構促進胞內物質泄漏，在8 T、60 個脈沖數的條件下最為嚴重，可使細菌胞內的蛋白質和DNA質量濃度從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鍵酶——葡萄糖-6-磷酸脫氫酶活性，降低細胞呼吸水平，進而促進細胞死亡。同樣，Qian Jingya等[79]也發現脈沖磁場處理可導致枯草芽孢桿菌嚴重的細胞膜損傷和形態變化，使細胞內容物外泄，并導致DNA損傷。為揭示微生物死亡的具體機制，該團隊還運用蛋白組學方法從細胞分子層面進行研究，通過分析18 個差異表達的蛋白位點，發現脈沖磁場處理可破壞細菌的外膜蛋白，抑制胞內的分子功能和生物過程，降低碳水化合物代謝[80]。

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

除了對微生物細胞膜和DNA的直接破壞外，相關功能離子的調控也可能間接誘導細胞死亡。生物體內存在可調節細胞功能的第二信使——Ca2＋，同時也作為信號分子參與調節生物細胞的增殖、分化、凋亡以及相關應激過程[81]。正常情況下，細胞內的Ca2＋濃度會處于極低的水平（約100 nmol/L），當受外部物理場刺激或膜通透性發生變化時，細胞內外Ca2＋會出現異常的跨膜運輸，導致其濃度失衡，進而不利于細胞存活[82]。馬海樂等[83]采用Fura-2/AM熒光探針法標記金黃色葡萄球菌的胞內Ca2＋，并利用激光共聚焦顯微鏡進行觀察，發現高強脈沖磁場可通過提高金黃色葡萄球菌細胞膜的通透性誘導胞外Ca2＋跨膜進入胞內，使胞內Ca2＋濃度顯著提高，且濃度變化與細菌死亡率變化高度相關。He Ronghai等[84]采用相同的方法對大腸桿菌ATCC 8099進行處理，也得到類似的結論，并認為胞內Ca2＋積累可能是脈沖磁場誘導細菌死亡的因素之一。在此基礎上，Qian Jingya等[81]利用Fura-4/AM熒光指示劑對單核細胞增生李斯特菌的胞內Ca2＋進行標記，并設置5 組磁場參數（分別為5 T，10、15 個和20 個脈沖數以及8 T，35 個和50 個脈沖數），發現經脈沖磁場處理后，胞內Ca2＋濃度相應提高了約27.5%～47.2%，這與馬海樂等[83]的研究結論一致，但也僅揭示了脈沖磁場對細胞膜通透性的影響，而對于細胞暴露磁場后，其本身的Ca2＋調控機制仍不清楚。已有研究表明，不平衡的Ca2＋調控可能會引起細胞毒性，使細胞生理代謝紊亂或誘導細胞程序性死亡[85]。因此未來還需進一步研究細胞死亡與Ca2＋調控之間的關系，探索高強度脈沖磁場下微生物死亡的具體機制。

2.3 食用菌生長及發酵領域

磁場可通過增強食用菌的呼吸代謝，提高細胞膜的通透性和流動性，促進菌絲生長和生物傳質過程[20]，因此可作為一種輔助手段應用于食用菌的生長及發酵領域[86-87]。磁場對食用菌的作用效果與磁場頻率、強度、作用時間及菌類生長周期等有關，劉善勇等[88]研究發現，靜磁場可影響金針菇生長，當磁感應強度低于10 mT時，磁場處理可促進菌絲生長，而當磁感應強度增大至15 mT時，則表現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磁場聯合處理，可顯著提高金針菇的生長速率、產量，改善產品性狀，且作用效果優于單一處理。Jamil等[89]研究發現，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、鮮質量和干質量分別增加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”，不同的處理時間在相同的磁場強度也可能導致不利的效果[90]。

食用菌液態發酵可在短期內獲得高品質、高產量且綠色安全的發酵類產品。研究報道，磁場可輔助猴頭菌[91]、灰樹花[92]、樟芝[93-95]等的液態發酵，且大多是10 mT以下的低強交變磁場處理，可能與其產生的“共振效應”更容易誘導細胞膜通透性變化有關[94]。高夢祥等[91]用1.06 A/m的交變磁場促進猴頭菌的生長和多糖分泌，當作用時間為12 h時，猴頭菌生長速率最快，菌絲干質量增長率可達140.1%；而當作用時間為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低強交變磁場輔助灰樹花發酵，在最佳處理條件下，灰樹花的菌絲體干質量較對照組可提高11.43%，且營養成分總量均有所上升；通過掃描電子顯微鏡觀察發現，磁場處理后的灰樹花菌絲體表面粗糙、坑洼，菌絲發生了嚴重的旋轉彎折且分支增多、結構松散，因而更有利于營養吸收和傳質過程。同樣，朱莉萍等[93]的研究結果也表明，樟芝菌液在8 mT交變磁場的作用下會發酵產生更多胞外多糖和三萜，且菌絲形態在微觀上也呈旋轉、彎折和松散的類似特征。目前，磁場輔助食用菌液態發酵的研究仍處于初始階段，相關內容主要集中于參數優化和效果分析，而對于磁場介入后引發的生物效應研究仍相對缺乏。綜合目前研究結論，其機理可歸結于兩方面，一是交變磁場誘導順磁性金屬離子振動，改變了食用菌體內相關酶的活性；另一方面則是磁場提高了細胞膜的通透性和流動性，加快了底物吸收和代謝速率，但具體機制仍亟待研究證實。

總體來說，磁場輔助菌絲發酵高附加值的農產品，相較于其他處理而言，磁場的溫和作用是主要優勢，且容易在長時間的暴露下效果顯化，具體應用效果及機制如表5所示。

表5 磁場對食用菌生長發酵的應用效果及機制Table 5 Effects and mechanisms of magnetic field on the growth and fermentation of edible fungi

2.4 功能成分提取領域

磁場可用于農產品中功能性成分的輔助提取，在外部磁場作用下，含抗磁性物質的溶劑會產生與外磁場方向相反的附加磁矩而獲得額外能量，使溶質擴散系數和溶解度增大，從而提高溶劑的萃取能力[96]。周蕓等[97]研究發現靜磁場可提高枸杞中黃酮物質的醇提得率，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物質時，不同磁場類型也會有較大的效果差異。Zagula等[98]研究發現，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的提取率，而相同強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生的共振效應有關，即在該作用下，植物組織細胞膜的跨膜電壓發生變化，從而導致離子通道更有效地傳遞咖啡因及其他離子。此外，Tarapatskyy等[99]的研究也證實了交變磁場的有效性，經長時間磁場處理后，紅茶中氨基酸及其他營養成分含量均有所提高。

目前，關于磁場輔助提取的研究報道相對較少，可能是因為相較于貯藏和發酵處理，提取過程的作用時間短；相較于殺菌處理而言，磁場暴露的強度偏低，所以磁場的作用效果不容易顯化，導致工藝摸索的時間較長。

3 磁場技術在農產品加工中應用所面臨的挑戰與未來趨勢

3.1 當前主要挑戰

近年來，雖然國內外研究學者在磁場輔助農產品加工領域進行了大量實驗與創新，取得了較多研究成果，但磁場技術的有效性、普適性，實驗方案的系統性以及結論的準確性、效果重現性等均有待提升。因此，在研究磁場輔助農產品加工時，仍需重點考慮以下問題：1）磁場作用農產品的“窗口效應”使其在某些特定參數下可獲得較為顯著的效果，但在寬泛的參數區間內尋找“窗口”無疑增加了研究的難度，且大多研究中的“窗口”并未得到廣泛驗證；2）磁場參數種類較多，主要包括類型、波形、施加方向、強度、頻率、處理時間、脈沖數等，在實際應用中還需考慮其他影響因素，因此研究方案設計需要考慮全面，特別是樣品處理室內部磁場的波動性和均勻性，若在前期沒有進行計量或標定，樣品置于不同的磁場均勻區，導致磁場中樣品的磁通量不一致，進而影響實驗結論的可重現性；3）不同農產品對磁場的響應條件不同，即特定的工藝參數針對特定的樣品；4）機理研究不充分，大量研究僅限于磁場對農產品的宏觀指標分析，一些作用機制尚不完全明晰。如在貯藏領域，磁場對微生物的抑制機理和對農產品原料中具有電導性的組織細胞作用機理仍不完全清楚，此外，在脈沖磁場殺菌領域的研究集中于對細胞膜的影響；5）爭議較多，由于缺乏統一的實驗條件標準，如勵磁裝置、原料種類以及處理方法等，導致一些研究結論的可重復性有待考察。引起這些差異性效果的原因與磁場施加方向或通過不規則樣品的有效磁力線有關，即相同的磁場條件，對不同形態樣品會有不同的磁通量；6）在農產品加工中的規?；瘧孟鄬Σ怀墒?，優勢并未放大，同時缺乏與其他技術的聯合應用，應用場景相對局限；7）現有磁場發生裝置或設備仍存在一定缺陷，導致一些精密實驗難以開展，如農產品過冷研究中，磁場恒溫腔體和熱源未完全隔離導致的溫度波動，以及其他冷卻排風部件產生的物理振動干擾等均會影響實驗結果；8）磁場技術的應用不夠普及，大部分人對磁場的非熱效應較為陌生。

3.2 未來趨勢

基于以上磁場技術在農產品加工應用領域存在的問題和挑戰，未來的研究重點和發展趨勢應是：1）獲取不同農產品原料在實際加工場景的最佳應用參數，完善其磁場生物學效應數據，并構建資源數據庫，為其加工應用和開發提供理論支撐；2）聚焦磁場在農產品加工領域的機理性研究，可從分子生物學和細胞生物學層面入手，研究磁場環境下生物大分子及帶電粒子的結構與活性變化，為闡明其在復雜的食品體系中發揮作用的機制提供理論基礎，此外綜合考慮現有的影響因素，通過設計科學嚴謹的實驗方案對已有結論進行驗證或提出新觀點；3）解決現有磁場發生裝置或設備存在的不足，開發普適性強、自動化程度高的工業端設備；4）利用Comsol等軟件進行工程模擬，設計并選擇磁感應強度穩定、磁場分布均勻的區域。在處理前，利用特斯拉計進行計量和校準，盡量保證同一條件下樣品的磁通量一致，提高結論的準確性與重現性；5）拓展磁場技術與其他物理場技術的聯合應用形式，如磁場與電場、磁場與溫度場、磁場與光場、磁場與超聲等，以擴大應用范圍，并增強應用效果；6）推廣磁場技術在高附加值農產品的規?；瘧?，建立工程案例檔案。

4 結語

本文從磁場的分類、生物效應以及原料磁導率3 個方面解釋了其應用于農產品加工領域的相關原理。在此基礎上，從貯藏、殺菌、發酵和提取這4 類應用場景中，進一步概述了其在農產品加工領域的國內外研究進展。同時在各領域中進行分類細化，從應用效果和機制兩方面進行對比分析，發現現階段的磁場輔助農產品加工仍面臨著部分機制闡述不完善、磁場參數計量和校準缺乏、實際應用不普及等挑戰?；诖?，本文對該技術領域的主要發展趨勢進行了歸納和總結，期望引導學者結合現有的技術難題，從多領域共同突破，以推進磁場技術在農產品加工領域的應用和發展。