食品加工中的磁致生物學效應的研究進展

周慧吉，馬海樂,2,*，吳 平，張赫男

食品加工中的磁致生物學效應的研究進展

周慧吉1，馬海樂1,2,*，吳 平1，張赫男1

（1.江蘇大學食品與生物工程學院，江蘇 鎮江 212013；2.江蘇省農產品物理加工重點實驗室，江蘇 鎮江 212013）

伴隨科技的發展，磁場已經用于各行各業。近 年來，磁場在食品方面也得到了廣泛應用。研究方向主要集中在磁場對食物的保鮮作用，磁場的 殺菌效果以及磁場對于食用菌的生物效應。因此，本文對磁場的作用機理以及該技術在食品工業中的應用等方面進行了概要闡述。

食品；農產品；磁場；生物學效應

生物磁學是研究物質磁性和磁場與生物特性及生命活動之間相互聯系相互影響的一門新興邊緣學科。隨著研究的深入，磁場作用于生物的效應與機理有了新的更深刻的認識，磁場在更寬范圍被應用于工農業生產，然而在食品加工領域仍然僅集中于殺滅有害微生物，以期提高食品的保質期。近幾年，人們開始從細胞和微生物水平探究磁場對食用動植物作用的生物學效應，希望能從食物營養特性、功效成分結構特征等方面的變化，尋求提高食品質量的新途徑。

1 應用于生物處理的外磁場類型

在現代科學技術和人類生活中，處處可遇到磁場，發電機、電動機、變壓器、電報、電話、收音機以至加速器、熱核聚變裝置、電磁測量儀表等無不與磁現象有關。甚至在人體內，伴隨著生命活動，一些組織和器官也會產生微弱的磁場。按照磁場強度和方向可將磁場劃分為恒磁場與動磁場（表1）。產生磁場有兩種方法：第一種是直接用磁鋼，如稀土磁鋼等永磁鐵作為磁源；另一類是由電流產生的，用線圈通電后產生的電磁場。當導線或線圈中通入直流電流時產生靜磁場，通入有變化的電流時則產生變動磁場。永磁材料本身所產生的磁場是靜磁場，但把它們安裝在旋轉或其他運動裝置時，也可以產生變動磁場。大部分電磁體為有阻磁體，在普通電壓下工作，需要消耗一定量的電能，產生大量的熱，所以要利用大量的水來冷卻有阻磁體，同時線圈通電后會出現電磁輻射。還有部分類型的磁體為超導材料，雖然當電流流過超導材料不產生熱量，但卻要在極低的溫度下才能達到并維持超導狀態，需要利用液態氦和液態氮來維持超導磁體的低溫狀態。因此，研究中尤其是對高強度電磁場需要精心設計和合理操作。

自然界一直存在電磁場。但直到20世紀期間，由于對電的需求以及不斷發展的無線電技術，才使得人工電磁場源的需求量持續增加。常見的場源包括高壓線路、家用電器、電腦，以及高頻或射頻場。不同于位于電磁波普上半部分的電離輻射（例如由放射性物質產生的v射線、宇宙線和X線），電磁場非常弱，它們不能打斷細胞內分子的化學鍵，不能產生電離作用。因此，電磁場的生物效應相對于超聲等其他物理因素具有溫和性，有些效應甚至可以恢復。

表1 磁場的分類Table 1 Classification of magnetic field

2 磁場基本的生物學特性

磁場能在機體內引起電動勢而作用于機體，從而對生物體產生不同的生物學效應[1]。這里所謂的生物效應包括正生物效應和負生物效應。磁場并非越大越好，也不是越小越好，而是特定的強度和作用時間會產生不同的效果，稱為“窗口效應（window effect）”[2]，而這個恰到好處的窗口是要靠不斷的摸索才能找到的。

表2 體內帶電物質Table 2 The charged materials in the body

另外，生物是具有磁性的，從分子、細胞、組織器官中任一層次分析看[3]，其體內都存在著順磁性物質與逆磁性物質。每個生物細胞都可以看做一個微型電池，也可以看做一個微型磁極子。首先，體內存在著帶電離子（表2），電荷運動產生磁場。其次，由于細胞膜內外各種離子具有不同的通透性，且分布不均勻，膜內外存在電位差，離子在細胞膜上離子通道中遷移時也會產生一定的生物電流。生物體的磁性、組成、種類、敏感性等同樣會影響到生物學效應[4]。因此，磁場的生物學效應是在磁場和生物體共同作用下才會產生，與兩者的參數密切相連。不同磁場的類型及其物理參數（場強大小、均勻性、方向性、作用時間等）會導致不同的磁場生物效應。變化磁場又因頻率高低不同、作用時間長短不一也會產生不同的生物效應[4]。

磁生物效應一般具有幾個特點[5]：1）窗口性：生物體只對某一特定強度的磁場產生效應；2）閾值性：磁場在某一范圍內才能引起生物效應；3）滯后性：生物體必須經過一段時間才能表現出相對應的磁場作用；4）協同性：很弱的外加磁場能激發很強的生物響應。

3 農產品及食品加工中的磁致生物學效應

3.1 磁場對食品的保鮮作用

在食品產銷鏈中，抑制細菌等生長能保證食品的新鮮度和品質。大量的研究發現，靜態磁場對細菌生長有一定抑制作用，磁場強度不同作用效果不同[6-8]。夏熹等[9]等將口腔嗜酸乳桿菌分為12.5、120 mT強度的靜磁場加載組和未加載磁場對照組，厭氧培養 20 h。結果顯示12.5 mT較低靜磁場對口腔嗜酸乳桿菌生長無影響，而120 mT 靜磁場能抑制細菌的生長。吳智艷等[10]研究發現100 mT和500 mT的磁場對大腸桿菌、產氣腸桿菌、普通變形菌和枯草芽孢桿菌的生理生化反應均存在不同影響，500 mT下的細菌表現出更短的陽性反應時間。這與之前邵偉等[11]發現的100 mT和500 mT靜磁場能延長大腸桿菌的世代時間和衰變速率的結果相一致。Novák等[12]也發現低頻磁場（Bm = 2.7～10 mT，f = 50 Hz，t = 0～12 min，室溫）會抑制大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的生長，磁場強度越大，作用時間越長，抑制力就越大，這可能是由于磁場能影響培養基中的含氧量[13]。靜態弱磁場能抑制大腸桿菌的生長[14-15]，提高其細胞內脫氫酶活力和胞內ATP濃度[6]，而靜態強磁場可明顯降低衰亡期大腸桿菌的死亡速率[16]。尹煥才等[17]發現強磁場能影響枯草芽孢桿菌的芽孢形成速率，延長菌體的世代周期，降低菌體死亡，對菌體生長過程中產生的各種蛋白酶活力影響各異，然而其蛋白酶含量并沒有顯著變化。對于另一種與食品的腐敗變質息息相關的酵母菌而言，Novák等[12]發現靜態強磁場對啤酒酵母有顯著抑制作用。此外，基于食品中的微生物并非獨立存在，其環境條件，如食品成分的不同對微生物受磁場作用的影響也有不同[18]。因此研究人員將磁場與食鹽介質相結合，發現它們之間存在協同聯合作用，這也使得將磁場作為食品殺菌、抑菌的柵欄因子成為可能。高夢祥等[19]用交變磁場處理草莓，可其果實中可溶性糖量比對照組降低，腐爛度也明顯降低。

3.2 磁場對食品的殺菌作用

基于對磁場抑菌的研究，且傳統加熱殺菌會破壞食品的組織結構、營養成分和顏色風味等[20-22]，高強度脈沖磁場殺菌已經開始運用食品行業中[23]。楊巧絨等[24]研究了脈沖磁場對西瓜汁殺菌效果的最優參數，并且發現在最優參數條件下還原性VC和色素的破壞率很低，可溶性固性物含量和pH值幾乎沒有變化，天然色澤也基本保持原樣。金江濤等[25]也證實當磁感應強度達到17.3 T以上，脈沖數達到12 個以上時，草莓汁中的霉菌、酵母菌可以被全部殺滅，菌落總數降到很低。同樣，在牛奶[26]、腐乳[25]中也都存在類似的殺菌效果。高強度脈沖磁場作用下，隨著磁場強度的增大或脈沖數的的增加，菌落總數、大腸桿菌和霉菌酵母存活率基本呈下降趨勢，然而達到谷值時，存活率又會隨著磁場強度和脈沖數的進一步增大有所回升。因此只有找到最佳處理條件下才能最大程度滿足商業上無菌的要求。根據大量實驗，可得出結論，此法可有效地殺滅與食品有關的幾十種細菌菌種，特別是果汁飲料中的黑霉菌、酵母菌。伊藤達彌[27]甚至研究了一套清酒釀造的磁力殺菌系統。這些研究將電磁技術與食品科學相結合，為工業上的應用打下了基礎。

本課題組10余年來一直致力于脈沖磁場殺菌的研究，并自行研制出脈沖磁場發生器用于本課題組殺菌實驗。早在2002年，鄧玉林等[28]進行了最初的電磁場殺菌原理的探討，認為場和電離的聯合作用構成了殺死細菌體的主要因素；2003年，馬海樂等[29]進行了生啤酒磁激發脈沖電磁場殺菌的實驗研究，結果顯示當場強大于2.53 T及脈沖數大于10，或場強大于2.11 T及脈沖數大于30時，生啤酒中細菌殘存總數小于50 個/mL，達到商業無菌要求；同年，馬海樂等[30]報道了在進行西瓜汁高強度脈沖磁場殺菌過程中，在某些參數下出現反彈現象，即出現了場強為2.53 T，20 個脈沖時，出現了最低殘留率；隨后的3.37 T，30 個脈沖存留率反而升高；之后的4.22 T，40 個脈沖時存留率又下降的曲折線，并且在2.53 T，20 個脈沖時殺菌效果最好，達到我國果汁飲料的衛生指標；2004年，駱新崢等[31]對脈沖磁場殺菌機理進行了分析，認為磁場的非熱效應、感應電流效應、洛倫茲力效應、振蕩效應、電離效應以及磁場作用下微生物的自由基效應等是影響微生物細胞結構特征的主要原因；同年，駱新崢等[32]繼續報道了場強達到為2.53 T時，細菌致死率最高，隨著場強的繼續增加致死率反而增加的現象；同年，高夢祥等[33]對牛奶進行脈沖磁場殺菌時，發現當場強達到8.85 T時，菌落總數和大腸菌群殘留率都達到了谷值，但隨場強再增加，殺菌效果反而變差；而脈沖數達到10時，存留率達到谷值，隨后殘留率開始升高，當達到20 個脈沖數時，殘留率又開始下降；同年，楊巧絨等[34]在進行西瓜汁脈沖殺菌研究的過程中，發現了當場強都到達6.6 T，脈沖數分別為10、12 個時，菌落總數和大腸菌群的殘留率最低，隨后再次升高的現象；2008年，王合利等[35]報道了大腸桿菌殘留率隨脈沖磁場的增加呈波動性下降趨勢，在1.06、1.00、3.47 T時出現谷值，并且3.47 T時最低，說明殺菌鮮效果最好，而脈沖數達到20 個時存留率達到谷值，隨后存留率增加，殺菌效果變差；同年，朱春梅等[36]研究高強度脈沖磁場對酵母菌、金黃色葡萄球菌的滅殺效果時，發現酵母菌的殘留率隨著場強的增加呈下降-升高-下降的趨勢，并且在2.5 T和4.5 T，脈沖數都為25 個時，酵母菌殘留率達到谷值；2009年，馬海樂等[37]研究之前的實驗數據發現在高強度脈沖磁場殺菌中出現了“窗口效應”，并且有一定的遞推性，這是本課題組首次運用此概念來闡述之前的實驗現象；2010年，許審時等[38]對脈沖磁場殺滅金黃色葡萄球菌的研究中，得到了當脈沖數為20個時的磁場強度窗值的規律經驗公式，以及Gelow模型下擬合得到的殘留率動力學變化規律；2012年錢靜亞等[39]報道了在最佳強度窗下，介質溫度為5 ℃、pH 4.5、水分活度為0.88時，殘留率分別達到最低值。這些研究充分表明脈沖磁場技術在食品中應用前景，以及可能遇到的難題，如果能穩定運用“窗口效應”所帶來的殺菌效果，那么對非熱殺菌將有重要的價值。

3.3 磁場對食用菌等真菌生長的促進作用

近年來，磁場對食用菌的作用鮮有報道。早年有過研究，磁場能促進平菇生長，在菌體數量、色澤、整齊度方面都有所提高[40]。徐忠傳等[41]以食用菌（杏鮑菇、秀珍菇、靈芝和香菇）菌絲體為對象，用6、12、17、27 mT 4 種磁感應強度進行不同時間的磁處理，研究磁場對食用菌菌絲體生長所產生的正負生物學效應。結果顯示只有適當條件的磁處理才能促進食用菌的生長，類似的還有磁場對鳳尾菇菌絲體[42]和金針菇子實體[43]方面的研究。高夢祥等[44]還研究了交變磁場對猴頭菌生長效應的影響，不僅證實了磁場對猴頭菌菌絲生長的促進作用具有閾值性，強度窗效應和時間窗效應，還發現磁場對菌絲體生長和胞外多糖產生的作用并不一致，胞外多糖的增加相對菌絲的增加有滯后性。他們認為磁場可能是改變了猴頭菌細胞膜的通透性，導致胞外多糖不斷外滲，使一部分菌絲衰老以致死亡，因此在一段時間后，菌絲干質量相對于對照組稍稍減少，而磁場胞外多糖一直表現為促進作用。之后，他們又以紅曲霉為材料做了類似研究，發現低頻交變磁場可促紅曲霉生長、進而可改變其代謝途徑，提高發酵效益[45]。然而張海英[46]發現強磁處理下，盡管隨著處理強度的增大，蛹蟲草產胞外多糖的量呈上升趨勢，但均低于對照。這說明強磁場對蛹蟲草胞外多糖的產生起抑制作用。

4 磁場的作用機制

磁場是一種相對較弱的物理因子，生物體內尚無確定的作用位點，磁場的作用因素也多，基于這些特點，磁場對生物作用機理的研究尚處于初步假設階段。由于壞境磁場是普遍存在的，必然會引起生物體生長、發育、繁殖、攝食等的變化。研究人員認為磁處理產生的生物效應主要是因為磁處理改變了某些分子包括生物大分子、自由基及細胞膜的理化性質。

4.1 磁場對細胞膜的作用機制

磁場對細胞膜功能影響作用機理假說很多，如磁場可能影響細胞膜的形態與結構，導致一些生理或生化過程的變化，從而影響與生物電活動相關的各種活動。還有的認為磁場能影響細胞膜的電極分布，特別是Ca2+的分布。Tenuzzo等[47]研究不同細胞在靜磁場（6 mT）作用下對細胞活力，細胞增殖，細胞內Ca2+濃度和細胞形態的影響。結果顯示一定強度靜磁場會干擾細胞正常的程序性死亡過程，改變細胞的表面形態，增加細胞內Ca2+的濃度。馬海樂等[48]利用Fura-2熒光探針法和激光共聚焦掃描顯微鏡（laser confocal scanning microscope，LCSM）法研究了受脈沖磁場處理后的S. aureus細胞的Ca2+的跨膜行為，發現受磁場處理后，S. aureus胞內Ca2+濃度顯著升高，胞內熒光點強度顯著增大，說明了大量Ca2+涌入胞內，且與活菌數的減少顯著相關達到-0.989 15，此跨膜行為導致的Ca2+濃度升高被認為是脈沖磁場具有殺菌作用的重要原因。Triampo等[49]對比了無磁場和暴露在（140±5）mT靜磁場中的鉤端螺旋體細胞，發現實驗組細胞密度小，凝聚反應免疫性低，而且還出現了異常的大聚體形態。有研究指出靜態磁場會顯著破壞細胞表面，減少細胞膜表面疏水性結構[15]。

4.2 磁處理對分子本身性質的影響

磁處理能改變一些分子包括核酸，蛋白質等生物大分子的理化性質。DNA或RNA具有靠氫鍵等次級鍵作用形成三維結構，磁場間接破壞這些分子內化學鍵，干擾化學鍵間的弱作用力，從而導致DNA結構發生相應變化。此外，DNA結構中的堿基對具有良好的導電性，運動的電子在弱磁場中受到洛倫磁力的作用會影響DNA復制。祝建等[50]用（50 Hz、4 mT）磁場照射洋蔥根尖細胞，其分裂增殖得到明顯促進，當磁場和溫度疊加達到一定程度時還會使細胞染色體出現異常。Phillips等[51]發現磁場能引起染色體構象變化和微核形成，DNA損傷會引起細胞功能減弱甚至細胞死亡。

Triampo等[49]將早期MG-63骨細胞暴露在低頻脈沖磁場下45 min，發現磁場不影響細胞數，蛋白質合成或核結構，僅對細胞骨架蛋白分布產生明顯變化。李剛等[52]應用了全細胞膜片鉗技術研究了不同工頻磁場對離子通道的影響，發現工頻磁場能抑制通道的電流密度，降低半數激活電壓和半數失活電壓。這就說明工頻磁場能通過影響細胞膜上蛋白質結構變化改變離子通道的正常結構。Ran Jingyu等[53]的研究表明磁場能顯著影響纖維素酶的活力，最高能比對照組提高37.01%，溶于緩沖劑的酶在磁場作用下結構發生了變化。研究中還發現處于磁場中的酶動力學參數Km相比較對照組有所提高，酶催化效率降低，這可能是由于磁場導致了酶構象變化從而改變了酶和底物的結合力。

4.3 磁場對自由基的作用機制

自由基是指帶有孤對電子的原子或原子團，既帶電荷，又有磁矩，很容易受到磁場力的作用。在許多生命活動中都伴隨有自由基的產生、變化或消失。研究表明靜態磁場提高了自由基活力。例如，腦細胞中含有大量的鐵離子，能將氧化呼吸產物過氧化氫催化成對細胞具有強毒性的羥自由基[51]。也有研究顯示旋轉磁場作用于離體血液能明顯升高超氧化物歧化酶活性，降低氧化脂質，這說明磁場具有抑制自由基，增強抗氧化能力[4]。

目前有關磁處理對于一些化學成分或細胞結構的影響已經積累了大量的實驗數據，盡管這些試驗結果有一部分可以解釋磁場的某些生物效應，但沒有全部證實磁場對生物體可以產生影響，因此迄今為止，關于磁生物效應作用機制還沒有公認的科學解釋。

5 結 語

磁場作為環境因子，影響著許多生命活動過程，但是由于磁場的作用是多方位、多渠道的，是許多因素產生的綜合效應，所以近百年來磁生物學效應實驗重復性并不理想。原因就是生物體所處的時期和狀態不同，不同生物體內信號物質和離子的分布及含量也不同，這種生物體本身的差異會導致即使在同一磁處理條件下，生物體最終產生的效應也會相差甚遠。電磁場殺菌技術橫跨電子學、化學、微生物學、物理學、工程技術等多門學科，是典型的交叉學科。迄今為止，在食品中的研究還處在一個發展階段，尤其是對動物性食品，果蔬保鮮等方面還有許多問題亟待解決。

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Progress in Understanding Magnetic Biological Effect in Food Processing

ZHOU Hui-ji1, MA Hai-le1,2,*, WU Ping1, ZHANG He-nan1
(1. College of Food and Biological Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2. Key Laboratory of Physical Processing and Agricultural Products in Jiangsu Province, Zhenjiang 212013, China)

Along with the development of science and technology, magnetic field has been applied in all walks of life. In recent years, it also has been widely used in foods. Most recent studies mainly focus on the application of magnetic field in food preservation and sterilization as well as its biological effect on edible fungi. Therefore, this paper discusses the mechanism of action and application in the food industry of magnetic field.

food; agricultural product; magnetic field; biological effect

TS205.9

A

1002-6630（2014）17-0285-05

10.7506/spkx1002-6630-201417054

2013-09-25

國家自然科學基金面上項目（31271966）

周慧吉（1990—），女，碩士研究生，研究方向為農產品加工及貯藏。E-mail：zhouhuiji0523@163.com

*通信作者：馬海樂（1963—），男，教授，博士，研究方向為農產品加工及貯藏。E-mail：mhl@ujs.edu.cn