脈沖磁場殺菌技術研究進展

付 浩，周 蓉，周 全，陳樂平

(南昌航空大學航空制造工程學院，江西 南昌330063)

0 引言

水的消毒殺菌法主要分為化學消毒殺菌法和物理消毒殺菌法。傳統的化學消毒方法在水處理中被普遍采用，常用的有臭氧消毒法、加氯消毒法以及加入其它凈水劑和消毒劑的方法;水的物理消毒法主要有紫外線消毒和電磁場消毒等［1］。食品工業中采用的殺菌方式主要分為兩類:加熱殺菌和非加熱殺菌。加熱殺菌是較傳統的，已日臻完善的滅菌方法。現代食品的非加熱殺菌技術主要包括:超高壓殺菌、輻照殺菌、脈沖電場殺菌、脈沖強光殺菌和脈沖磁場殺菌等［2］。非熱殺菌技術是一種新型的殺菌技術，它能夠保存食品的生理活性并且將處理過程中造成食品本身的風味和營養成分的損害降到最低［3］。隨著科學技術的發展，目前在眾多的食品加工和水處理工業中，脈沖磁場殺菌處理技術成為一項很有應用前景的新技術。本文主要對脈沖磁場殺菌技術的研究進展作一綜述。

1 脈沖磁場殺菌技術概述

1.1 幾種脈沖物理場殺菌技術的比較

脈沖物理場殺菌技術主要包括脈沖電場殺菌技術、脈沖磁場殺菌技術及脈沖強光殺菌技術。脈沖電場殺菌是通過高強度脈沖電場瞬時破壞微生物的細胞膜使微生物致死，殺菌過程中的溫度低(最高溫度不超過50℃)，從而可以避免熱殺菌的缺陷。經脈沖電場殺菌處理的食品具有安全、耐貯藏及風味佳等特點［4］。脈沖電場在牛乳、蛋液等液態物料的加工中也有著廣泛的應用［5，6］。目前脈沖電場殺菌技術的應用才剛剛起步，它作為一種先進的殺菌手段，能夠實現無污染的綠色保鮮。脈沖磁場殺菌和脈沖電場殺菌基本相同，但脈沖磁場殺菌可避免電極與殺菌物料的直接接觸，同時脈沖磁場殺菌裝置的結構相對簡單，易于工業化應用。脈沖強光殺菌是利用瞬時、高強度的脈沖光能量殺滅食品和包裝上的各類微生物，有效地保持食品質量。脈沖強光殺菌是可見光、紅外光和紫外光的協同效應，它們可對菌體細胞中的DNA、細胞膜、蛋白質和其它大分子產生不可逆的破壞作用，從而殺滅微生物［7］。在表面或透明介質之能任光線穿透者，脈沖強光具極高的滅菌水平;一般不透明及食品的不規則表面，有些微生物可被隱蔽。相對脈沖強光殺菌技術，脈沖磁場對物料具有較強的穿透能力，能深入物料的內部，殺菌無死角。

1.2 脈沖磁場殺菌技術的原理

脈沖磁場殺菌裝置的原理如圖1所示，主要包括脈沖電場發生系統和脈沖磁場作用系統2個部分。脈沖磁場作用系統主要包括螺線管工作線圈、殺菌容器、物料及基座，如圖2所示。脈沖電場發生系統產生的脈沖電流通過磁場作用系統的螺線管線圈產生高強度的脈沖磁場，高強度的脈沖磁場將物料中的細菌殺死。電磁場殺菌是利用電磁能破壞或影響微生物機體組織結構從而達到消滅或抑制微生物的目的［8］。脈沖磁場是一種電磁場，在物料殺菌過程中，會產生各種電磁效應，主要有感應電流效應、洛倫茲力效應、振蕩效應及電離效應等，這些電磁效應會引起細胞的生物學效應，對殺菌過程有著重要影響［9］。

圖1 脈沖磁場殺菌裝置原理圖

1.3 脈沖磁場殺菌技術的特點

脈沖磁場殺菌一般每次脈沖磁場持續的時間為l μs左右，可使物料基質中的有害細菌數減少2個數量級，整個處理通常只需5～10次脈沖即可滿足物料的殺菌要求，由于脈沖磁場殺菌處理時間短、不經高溫，因而對于一些熱敏感的物料殺菌處理尤其適合［10］。利用脈沖磁場在常溫常壓下進行瞬時殺菌，主要由4個要素組成:線圈中的磁場強度、脈沖次數、脈沖電流的波形特征及物料特征。脈沖磁場殺菌除了保持一般物理冷殺菌的特點外，其突出的優勢表現在:殺菌物料的溫升一般不超過5℃，所以物料的組織結構、營養成分、顏色均不被破壞，不會影響原有的風味;距離線圈2 m左右處，磁場強度則衰減為相當于地磁強度，因此無漏磁問題，安全性好;與連續波和恒定磁場比較，脈沖磁場殺菌設備具有功率消耗低，殺菌時間短，對微生物殺滅力強，效率高的特點;磁場的產生和中止迅速，便于用電腦控制;由于脈沖磁場對物料具有較強的穿透能力，能深入物料的內部，另外還可以通過物料流動強化液料的攪拌傳質效果，致使滅菌無死角，殺菌徹底［11］。由于脈沖磁場殺菌不加熱、時間短，因此在冷殺菌工藝中有著廣闊的市場潛力。大量的研究表明高強度脈沖磁場殺菌在食品、水處理等行業有很重要的應用價值。

圖2 脈沖磁場作用系統示意圖

2 脈沖磁場殺菌技術的應用研究

2.1 脈沖磁場殺菌技術在水處理方面的應用

隨著工業的發展，水質受到各種有機物質的污染，傳統的消毒方法會產生對人體有害的物質，于是，研究新的替代殺菌手段日益成為國內外研究的熱點，磁場水處理是其中一個較特殊的領域。磁場在水處理領域目前集中在防垢、除垢、緩蝕、分離凈化等方面［12］，有關磁場處理在殺菌方面的研究還比較少。近年來，磁場的生物學效應愈來愈受到人們的關注，磁場能使細胞發生形態、結構和功能的變化，即使是弱磁場也能強烈地影響生物系統，而脈沖磁場比恒定磁場具有更強的生物效應［13］。

唐偉強［14］等研究表明900 G的脈沖磁場對池塘水中細菌的殺滅作用最強;當磁場強度大于900 G時，隨著磁場強度的增強，對池塘水中細菌的存活率變化影響較小。李梅［15，16］等實驗表明脈沖磁場對生活廢水具有明顯的殺菌作用，對循環水系統中大腸桿菌具有良好的滅活作用;增加磁場強度、處理時間和脈沖頻率可以提高殺菌效果;當停留時間為30 min，磁場強度500 mT，脈沖頻率40 kHz實驗條件下，循環處理后水中細菌總數的存活率為0.01%;在掃頻范圍0.4～60 kHz、輸出功率20 W、電流1～2 A條件下，脈沖磁場對生活污水具有一定的滅菌作用，其殺菌性能隨作用時間、pH值、溫度及原水菌數的升高而升高;當溫度為25℃，pH為7.47時，原水經磁場處理4 h后，細菌總數從7.2×106個/mL，下降到2.2× 104個/mL，去除率為99.7%;大腸桿菌數從9.2 ×105個/mL下降到3.5×104個/mL，去除率為96.2%。

吳春篤［17］等研究發現隨著脈沖磁場強度、脈沖數或pH值的增加，生活污水中細菌去除率會出現一峰值，殺菌效果最好;之后隨著磁場強度、脈沖數或pH值的進一步增加，殺菌效果反而變差;在磁場強度分別為7.6 T和6.6 T左右時，細菌總數殺菌率和大腸菌群殺菌率分別出現了峰值;在脈沖數分別為10和12時，細菌總數和大腸菌群殺菌率出現峰值;細菌總數去除率和大腸菌群去除率都隨污水溫度的上升而升高，污水溫度越高，微生物對磁場的敏感性越強，殺菌效果越好;脈沖磁場對生活污水殺菌的主次因素為:磁場強度＞脈沖數＞污水溫度＞pH值。

孫敏華［18］等實驗表明利用脈沖電磁場處理冷卻水系統中的微生物是切實可行的，此方法具有明顯的殺菌作用，殺菌率隨著輸出電壓、水溫、單次作用時間和頻率的選擇而變化;當輸出電壓為10 V，掃頻范圍為11～17 kHz，單次作用時間為0.09 s，水溫為30℃時，可以達到82%的殺菌率，殺菌效果較明顯。

2.2 脈沖磁場殺菌技術在食品工業中的應用

2.2.1 脈沖磁場對果汁的殺菌 馬海樂［19］等研究發現隨著脈沖磁場強度和脈沖數的增加，從整體上講，西瓜汁的殺菌效果增強;在磁場強度為2.53 T、脈沖數為20時，西瓜汁的殺菌效果最好;當脈沖數為40時，磁場強度對殺菌效果的影響為單調增加;當磁場強度為4.22 T時，脈沖數對殺菌效果的影響為單調增加。高夢祥［20］等研究表明隨著磁場強度或脈沖數的增加，西瓜汁中細菌殘留數會出現一極值，殺菌效果最好;之后隨著磁場強度或脈沖數的進一步增加，殺菌效果反而變差;在細菌殘留數出現峰值之后，殺菌效果再度變好;物料溫度越高，微生物對磁場的敏感性越強，殺菌效果越好;脈沖磁場對西瓜汁殺菌的主次因素為磁場強度＞脈沖數＞西瓜汁溫度;最佳參數組合為磁場強度7.59 T，脈沖數15，西瓜汁溫度20℃;最佳參數下菌落總數和大腸菌群數可達到商業無菌要求。

唐偉強［14］等研究發現900 G的磁場強度對桔子汁殺滅效果最好，磁場強度的增強，對細菌的殺滅作用不但沒有隨之增強，反面有所下降。金江濤［21］等研究發現隨著脈沖磁場強度和脈沖數的增加，草莓汁的殺菌效果總體趨勢不斷增強;霉菌、酵母菌對脈沖磁場有一定的耐性，需要較高的磁感應強度才能將其殺滅;在室溫下(28±1℃)，當磁感應強度達到17.3 T以上，脈沖數達到12個以上時，菌落總數可以降低到100 cfu/mL以下，霉菌、酵母菌可以被全部殺滅，可以達到商業無菌的要求。

2.2.2 脈沖磁場對牛奶的殺菌 駱新崢［22］等研究發現脈沖磁場對牛初乳中的細菌有很高的致死率，都在99.9%以上;當脈沖數小于20個，牛初乳中的菌落總數隨脈沖數的增加而減少;磁場強度小于2.53 T時，牛初乳中的菌落總數隨磁場強度的增加而減少。高夢祥［23］等研究表明隨著磁場強度或脈沖數的增加，新鮮牛奶中細菌殘留數會出現一谷值，殺菌效果最好;之后隨著磁場強度或脈沖數的進一步增加，殺菌效果反而變差;在細菌殘留數出現峰值之后，殺菌效果再度變好;物料溫度越高，微生物對磁場的敏感性越強，殺菌效果越好;脈沖磁場對牛奶殺菌的主次因素為牛奶溫度＞磁場強度＞脈沖數，最佳參數組合為牛奶溫度50℃，磁場強度6.33 T，脈沖數15;在最佳參數下，經磁場殺菌后的牛奶，菌落總數和大腸菌群數已達到商業無菌要求。郭丹丹［24］等實驗表明高強度脈沖磁場對鮮牛奶殺菌效果顯著，隨磁場強度或脈沖數的增大，菌落總數、大腸桿菌和霉菌酵母的存活率基本呈下降趨勢，但出現谷值后，存活率隨著磁場強度和脈沖數的進一步增大有所回升;在磁場強度為16.02 T，脈沖數為6時，鮮牛奶中菌落總數和大腸桿菌殺菌效果最好;而磁場強度為16.02 T，脈沖數為8時，對霉菌酵母殺菌效果最好;與菌落總數和大腸桿菌相比，霉菌酵母對脈沖磁場有較強的抵抗力;在最佳處理條件下，經脈沖磁場處理的牛奶可達到商業無菌的要求。

2.2.3 脈沖磁場對其它食品的殺菌 馬海樂［25］等研究表明隨著場強和脈沖數的增加，生啤酒的殺菌效果增強;脈沖磁場強度大于2.53 T，且脈沖數大于10，或場強大于2.11 T，且脈沖數大于30時，生啤酒中殘存的細菌總數小于50個/mL，達到商業要求。

肖凱軍［26］實驗發現高強度脈沖磁場對腐乳的殺菌效果顯著，隨著磁場強度的增大或脈沖數的增加，菌落總數和霉菌酵母存活率基本呈下降趨勢，但出現谷值后，兩者的存活率隨著磁場強度和脈沖數的進一步增大有所回升，其中在磁場強度為16.02 T、脈沖數為6個時對腐乳中菌落總數的殺菌效果最好;而在磁場強度為16.02 T、脈沖數為8個時對霉菌酵母的殺菌效果最好，與菌落總數相比，霉菌酵母對脈沖磁場有較強的抵抗力。

2.2.4 脈沖磁場對不同細菌的殺菌效果 馬海樂［27］等研究了脈沖磁場對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、釀酒酵母和枯草芽孢桿菌在不同介質溫度、pH值、初始菌落數和Na+濃度等情況下的殺菌試驗，發現介質溫度越高，脈沖磁場殺菌效果越好，但該溫度遠低于熱致死溫度;介質pH越偏中性，殺菌效果越差，pH值小于5時，殺菌效果較好;微生物殘留率隨著Na+濃度的升高而降低，Na+濃度越高，殺菌效果越好;微生物殘留率隨著初始菌落數的增大而下降，初始菌落數越高，殺菌效果越好;菌種不同，殘留率不同，釀酒酵母的殘留率最低，枯草芽孢桿菌的殘留率最高:釀酒酵母的殘留率隨著葡萄糖和乳糖含量的增大而上升，含量越大，殺菌效果越差;釀酒酵母殘留率隨著乙醇含量的增大而下降，含量越大，殺菌效果越好;釀酒酵母殘留率隨著蛋白胨含量的增大而上升，含量越大，殺菌效果越差;釀酒酵母殘留率隨著干酪素含量的增大而下降，含量越大，殺菌效果越好。

王合利［28］等研究發現大腸桿菌在對數生長前期對脈沖磁場更敏感;隨著磁場強度的增加，殺菌效果呈現波動性變化，在磁場強度為3.47 T時殺菌效果最好;隨著脈沖數的增加，細菌殘余率會出現一谷值，之后隨脈沖數的進一步增加，殺菌效果反而變差，在脈沖數為20個時，殺菌效果最好;物料溫度越高，細菌殘余率越低，殺菌效果越好，但該溫度遠低于熱致死溫度;脈沖磁場對大腸桿菌殺菌的主次因素為:磁場強度＞脈沖數＞物料溫度;最佳參數組合為磁場強度3.47 T，脈沖數20，物料溫度30℃。

曹輝［29］等研究發現高壓脈沖磁場對于大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有顯著的殺菌效果;大腸桿菌和金黃色葡萄球菌模型溶液在脈沖數超過20個時，隨著脈沖數的增加，殺菌效果變化均不再明顯，殘余菌數趨于穩定，大腸桿菌殘余數在600個/mL以下，金黃色葡萄球菌殘余數在400個/mL以下，這說明脈沖磁場對金黃色葡萄球菌的殺傷率大于大腸桿菌;隨著磁場強度的增強，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的總數均呈下降趨勢，但脈沖數大于10以后，殺菌效果受磁場強度的影響不大。

3 脈沖磁場殺菌技術的理論研究

細胞在磁場下運動時，如果細胞所做運動是切割磁力線的運動，就會導致其中磁通量變化并激勵起感應電流，這個電流的大小方向和形式是對細胞產生生物效應的主要原因。李梅［15］等認為磁場的生物效應與物料內部電氣性質有關，構成生物體的生物材料均為磁導體，磁導率與真空中的磁導率相近，因此磁場很容易穿透生物體。對細菌而言，在脈沖磁場的作用下產生的感應電流與磁場的相互作用力可以破壞細胞正常形態、結構和功能，從而引起生物效應。細菌在磁場中可看成是寬度0.5～1 μm，長度為1～8 μm的磁偶極子，當脈沖磁場作用時，受到感應電流與磁場的相互作用，此感應電流的大小、方向和形式是對細胞產生生物效應的主要原因。感應電流越強，生物效應就越明顯。當感應電流達到一定強度時(10－3Am－2)，會使細胞破壞，或改變離子通過細胞膜的途徑，使蛋白質變性或破壞酶的活性。增大脈沖磁場強度，通過細胞的磁通量變化率增大，相應的感應電流增大，因此破壞細胞正常形態和生理功能的感應電流與磁場的作用力也增大，使更多的細菌細胞不能承受磁場的作用而被滅活或殺死。水樣在磁場中實際暴露時間為脈沖時延與脈沖次數的乘積，在相同的水力停留時間下，不同脈沖頻率所對應的脈沖次數不同，頻率越高，脈沖次數越多，因此水樣在磁場中的實際暴露時間越長，殺菌效果也就越好。此外，在電磁波的作用下，生物體內不產生明顯的升溫，但可以產生強烈的生物響應，使生物體內發生各種生理、生化和功能的變化，這些變化表現出對頻率和功率選擇。就磁場對細胞產生的感應電流效應而言，恒強磁場不及旋轉磁場，旋轉磁場不及脈沖磁場，這就是為何脈沖磁場只要很短的時間和較小的場強就會產生顯著的殺菌效果［9］。

周蔚紅［30］等研究表明在磁場下，細胞中的帶電粒子尤其是質量小的電子和離子，由于受到洛倫茲力的影響，其運動軌跡常被束縛在某一半徑之內，磁場越大，半徑越小。當磁場強度較大時，洛倫茲力加大，拉默半徑小于細胞的大小，導致細胞內的電子和離子不能正常傳遞，從而影響細胞正常的生理功能。細胞內的大分子如酶等則因在磁場下所攜帶的不同電荷的運動方向不同而導致大分子構相的扭曲或變形，改變了酶的活性，因而細胞正常的生理活動也受到影響。

生物體內的大多數分子和原子是具有極性和磁性的，因此外加磁場必然會對生物產生影響或作用。不同強度分布的外加磁場對不同生物的影響程度是不同的。當電磁場達到一定值時，細胞膜就發生不可修復的破裂，這種現象稱為電穿孔。同時，由于脈沖磁場是變化的，在極短的時間內，電磁場的頻率、強度都會發生極大的變化，在細胞膜上產生振蕩效應。不可逆的電穿孔和激烈的振蕩效應能使細胞膜破裂，這種破裂導致細胞結構紊亂，從而達到殺死細胞的目的，進而殺死細菌［31］。

脈沖磁場的介電阻斷性對食品中的微生物具有抑制作用。在外加電磁場的作用下，物料空間中的帶電粒子將產生高速運動，撞擊物料分子，使物料分子分解，產生陰陽離子，同時，電解質電解出陰陽離子，這些陰陽離子在脈沖磁場的作用下極為活躍，可以穿過本來就已提高通透性的細胞膜，與微生物內的生命物質如蛋白質、RNA作用，因而阻斷了細胞內正常生化反應和新陳代謝的進行。另外，脈沖磁場能夠使水分子的氫氧鍵斷裂，在水中生成過量的超氧陰離子自由基，過氧化氫及自由質子。而過氧化氫有強烈的氧化作用，作用于生物分子，會破壞DNA，導致細胞死亡，進而殺死細菌。應該特別指出的是利用磁場殺菌要求食品材料具有較高的電阻率一般大于10 Ω·m，以防材料內部產生渦流效應而導致磁屏蔽，這也就可以解釋為什么脈沖磁場殺菌對有些食品材料具有很好的殺菌效果而有些殺菌效果較差［9］。

脈沖磁場對細胞的作用，主要集中在細胞膜上。因此，研究在脈沖磁場作用下細胞膜上跨膜電位的變化是十分重要的。脈沖磁場是依靠外電磁場“觸發”生物系統釋放出強的新陳代謝能量而引起生物效應。馬海樂［19，25］等認為生物體在脈沖場的作用下可使細胞膜在原有靜息膜電位的基礎上，產生一個新的跨膜電位。由外場產生的激勵電流隨入射到細胞膜上的電磁波的變化而變化，脈沖磁場產生的電磁脈沖包含有豐富的頻譜，易于被細胞吸收。隨著磁場的增強，入射的電磁波激勵的電流也增強，從而導致膜電壓上升，一旦達到臨界值，就可能導致細胞膜的破壞，從而影響細菌的存活率。細胞在磁場的輻射下產生的感應電流與磁場相互作用的力將細胞破壞。對于帶有不同電荷基團的大分子如酶等則因在磁場下，不同電荷的運動方向不同而導致大分子構象的扭曲或變形，從而改變了酶的活性，因而細胞正常的生理活動受到影響。Liu［32］等建立了一個非線性的模型，更加符合通道中離子的運動實際。該模型指出，離子的能量S是通道兩邊的電壓差的函數，而膜電壓又是激勵電流的函數。這樣，隨著激勵電流的變化，離子能量也將產生變化，一旦膜電壓達到臨界值，離子通道被擊穿，細胞膜局部產生一強動作電位從而使細胞膜結構瓦解，破壞細胞，殺死細菌。

4 結束語

由于大量的工業廢水和生活污水不經處理就直接排入自然界，造成了水體的污染，而傳統的殺菌方式對污水的處理或者不能達到預期效果，或者能達到效果，但處理比較復雜甚至會引起二次污染，從而給人類帶來危害，而脈沖磁場殺菌屬于比較理想的殺菌方式，對環境保護和人類健康都有著十分重要的意義。目前我國食品工業中的大多數產品是利用傳統的加熱方式進行殺菌，生產技術落后，致使產品加工質量和檔次不高。為使我國食品工業盡快與國際接軌，就必須盡快引進和推廣高新殺菌技術。脈沖磁場殺菌與傳統的加熱殺菌不同，既能保持食品的原有風味，又有處理時間短、能耗低的優點，有望取代或補充傳統的加熱殺菌技術。由于脈沖磁場殺菌處理同樣時間短、不經高溫，因而對于熱敏感的食品殺菌處理尤其適合。雖然脈沖磁場殺菌技術的應用研究在實驗室水平上已取得一定成果，但由于處理系統電路設計的復雜性使得其造價非常昂貴，從而限制了其工業化應用。另外，我國在脈沖磁場殺菌方面的研究還處于初級階段，因此無論是基礎理論，還是開發應用，都有待深入研究。隨著對脈沖磁場研究的深入，特別是設備操作安全性和降低成本方面，脈沖磁場殺菌技術必將在我國水處理和食品工業中得到大規模的工業化應用。

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