付 浩，周 蓉，周 全，陳樂(lè)平

(南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，江西 南昌330063)

0 引言

水的消毒殺菌法主要分為化學(xué)消毒殺菌法和物理消毒殺菌法。傳統(tǒng)的化學(xué)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(chǎng)消毒等［1］。食品工業(yè)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(tǒng)的，已日臻完善的滅菌方法?，F(xiàn)代食品的非加熱殺菌技術(shù)主要包括:超高壓殺菌、輻照殺菌、脈沖電場(chǎng)殺菌、脈沖強(qiáng)光殺菌和脈沖磁場(chǎng)殺菌等［2］。非熱殺菌技術(shù)是一種新型的殺菌技術(shù)，它能夠保存食品的生理活性并且將處理過(guò)程中造成食品本身的風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)成分的損害降到最低［3］。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前在眾多的食品加工和水處理工業(yè)中，脈沖磁場(chǎng)殺菌處理技術(shù)成為一項(xiàng)很有應(yīng)用前景的新技術(shù)。本文主要對(duì)脈沖磁場(chǎng)殺菌技術(shù)的研究進(jìn)展作一綜述。

1 脈沖磁場(chǎng)殺菌技術(shù)概述

1.1 幾種脈沖物理場(chǎng)殺菌技術(shù)的比較

脈沖物理場(chǎng)殺菌技術(shù)主要包括脈沖電場(chǎng)殺菌技術(shù)、脈沖磁場(chǎng)殺菌技術(shù)及脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)。脈沖電場(chǎng)殺菌是通過(guò)高強(qiáng)度脈沖電場(chǎng)瞬時(shí)破壞微生物的細(xì)胞膜使微生物致死，殺菌過(guò)程中的溫度低(最高溫度不超過(guò)50℃)，從而可以避免熱殺菌的缺陷。經(jīng)脈沖電場(chǎng)殺菌處理的食品具有安全、耐貯藏及風(fēng)味佳等特點(diǎn)［4］。脈沖電場(chǎng)在牛乳、蛋液等液態(tài)物料的加工中也有著廣泛的應(yīng)用［5，6］。目前脈沖電場(chǎng)殺菌技術(shù)的應(yīng)用才剛剛起步，它作為一種先進(jìn)的殺菌手段，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)污染的綠色保鮮。脈沖磁場(chǎng)殺菌和脈沖電場(chǎng)殺菌基本相同，但脈沖磁場(chǎng)殺菌可避免電極與殺菌物料的直接接觸，同時(shí)脈沖磁場(chǎng)殺菌裝置的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于工業(yè)化應(yīng)用。脈沖強(qiáng)光殺菌是利用瞬時(shí)、高強(qiáng)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(zhì)量。脈沖強(qiáng)光殺菌是可見(jiàn)光、紅外光和紫外光的協(xié)同效應(yīng)，它們可對(duì)菌體細(xì)胞中的DNA、細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)和其它大分子產(chǎn)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(zhì)之能任光線穿透者，脈沖強(qiáng)光具極高的滅菌水平;一般不透明及食品的不規(guī)則表面，有些微生物可被隱蔽。相對(duì)脈沖強(qiáng)光殺菌技術(shù)，脈沖磁場(chǎng)對(duì)物料具有較強(qiáng)的穿透能力，能深入物料的內(nèi)部，殺菌無(wú)死角。

1.2 脈沖磁場(chǎng)殺菌技術(shù)的原理

脈沖磁場(chǎng)殺菌裝置的原理如圖1所示，主要包括脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)和脈沖磁場(chǎng)作用系統(tǒng)2個(gè)部分。脈沖磁場(chǎng)作用系統(tǒng)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(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖電流通過(guò)磁場(chǎng)作用系統(tǒng)的螺線管線圈產(chǎn)生高強(qiáng)度的脈沖磁場(chǎng)，高強(qiáng)度的脈沖磁場(chǎng)將物料中的細(xì)菌殺死。電磁場(chǎng)殺菌是利用電磁能破壞或影響微生物機(jī)體組織結(jié)構(gòu)從而達(dá)到消滅或抑制微生物的目的［8］。脈沖磁場(chǎng)是一種電磁場(chǎng)，在物料殺菌過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生各種電磁效應(yīng)，主要有感應(yīng)電流效應(yīng)、洛倫茲力效應(yīng)、振蕩效應(yīng)及電離效應(yīng)等，這些電磁效應(yīng)會(huì)引起細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)，對(duì)殺菌過(guò)程有著重要影響［9］。

圖1 脈沖磁場(chǎng)殺菌裝置原理圖

1.3 脈沖磁場(chǎng)殺菌技術(shù)的特點(diǎn)

脈沖磁場(chǎng)殺菌一般每次脈沖磁場(chǎng)持續(xù)的時(shí)間為l μs左右，可使物料基質(zhì)中的有害細(xì)菌數(shù)減少2個(gè)數(shù)量級(jí)，整個(gè)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(chǎng)殺菌處理時(shí)間短、不經(jīng)高溫，因而對(duì)于一些熱敏感的物料殺菌處理尤其適合［10］。利用脈沖磁場(chǎng)在常溫常壓下進(jìn)行瞬時(shí)殺菌，主要由4個(gè)要素組成:線圈中的磁場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖次數(shù)、脈沖電流的波形特征及物料特征。脈沖磁場(chǎng)殺菌除了保持一般物理冷殺菌的特點(diǎn)外，其突出的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在:殺菌物料的溫升一般不超過(guò)5℃，所以物料的組織結(jié)構(gòu)、營(yíng)養(yǎng)成分、顏色均不被破壞，不會(huì)影響原有的風(fēng)味;距離線圈2 m左右處，磁場(chǎng)強(qiáng)度則衰減為相當(dāng)于地磁強(qiáng)度，因此無(wú)漏磁問(wèn)題，安全性好;與連續(xù)波和恒定磁場(chǎng)比較，脈沖磁場(chǎng)殺菌設(shè)備具有功率消耗低，殺菌時(shí)間短，對(duì)微生物殺滅力強(qiáng)，效率高的特點(diǎn);磁場(chǎng)的產(chǎn)生和中止迅速，便于用電腦控制;由于脈沖磁場(chǎng)對(duì)物料具有較強(qiáng)的穿透能力，能深入物料的內(nèi)部，另外還可以通過(guò)物料流動(dòng)強(qiáng)化液料的攪拌傳質(zhì)效果，致使滅菌無(wú)死角，殺菌徹底［11］。由于脈沖磁場(chǎng)殺菌不加熱、時(shí)間短，因此在冷殺菌工藝中有著廣闊的市場(chǎng)潛力。大量的研究表明高強(qiáng)度脈沖磁場(chǎng)殺菌在食品、水處理等行業(yè)有很重要的應(yīng)用價(jià)值。

圖2 脈沖磁場(chǎng)作用系統(tǒng)示意圖

2 脈沖磁場(chǎng)殺菌技術(shù)的應(yīng)用研究

2.1 脈沖磁場(chǎng)殺菌技術(shù)在水處理方面的應(yīng)用

隨著工業(yè)的發(fā)展，水質(zhì)受到各種有機(jī)物質(zhì)的污染，傳統(tǒng)的消毒方法會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的物質(zhì)，于是，研究新的替代殺菌手段日益成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，磁場(chǎng)水處理是其中一個(gè)較特殊的領(lǐng)域。磁場(chǎng)在水處理領(lǐng)域目前集中在防垢、除垢、緩蝕、分離凈化等方面［12］，有關(guān)磁場(chǎng)處理在殺菌方面的研究還比較少。近年來(lái)，磁場(chǎng)的生物學(xué)效應(yīng)愈來(lái)愈受到人們的關(guān)注，磁場(chǎng)能使細(xì)胞發(fā)生形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能的變化，即使是弱磁場(chǎng)也能強(qiáng)烈地影響生物系統(tǒng)，而脈沖磁場(chǎng)比恒定磁場(chǎng)具有更強(qiáng)的生物效應(yīng)［13］。

唐偉強(qiáng)［14］等研究表明900 G的脈沖磁場(chǎng)對(duì)池塘水中細(xì)菌的殺滅作用最強(qiáng);當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度大于900 G時(shí)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，對(duì)池塘水中細(xì)菌的存活率變化影響較小。李梅［15，16］等實(shí)驗(yàn)表明脈沖磁場(chǎng)對(duì)生活廢水具有明顯的殺菌作用，對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)中大腸桿菌具有良好的滅活作用;增加磁場(chǎng)強(qiáng)度、處理時(shí)間和脈沖頻率可以提高殺菌效果;當(dāng)停留時(shí)間為30 min，磁場(chǎng)強(qiáng)度500 mT，脈沖頻率40 kHz實(shí)驗(yàn)條件下，循環(huán)處理后水中細(xì)菌總數(shù)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(chǎng)對(duì)生活污水具有一定的滅菌作用，其殺菌性能隨作用時(shí)間、pH值、溫度及原水菌數(shù)的升高而升高;當(dāng)溫度為25℃，pH為7.47時(shí)，原水經(jīng)磁場(chǎng)處理4 h后，細(xì)菌總數(shù)從7.2×106個(gè)/mL，下降到2.2× 104個(gè)/mL，去除率為99.7%;大腸桿菌數(shù)從9.2 ×105個(gè)/mL下降到3.5×104個(gè)/mL，去除率為96.2%。

吳春篤［17］等研究發(fā)現(xiàn)隨著脈沖磁場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖數(shù)或pH值的增加，生活污水中細(xì)菌去除率會(huì)出現(xiàn)一峰值，殺菌效果最好;之后隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖數(shù)或pH值的進(jìn)一步增加，殺菌效果反而變差;在磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為7.6 T和6.6 T左右時(shí)，細(xì)菌總數(shù)殺菌率和大腸菌群殺菌率分別出現(xiàn)了峰值;在脈沖數(shù)分別為10和12時(shí)，細(xì)菌總數(shù)和大腸菌群殺菌率出現(xiàn)峰值;細(xì)菌總數(shù)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(duì)磁場(chǎng)的敏感性越強(qiáng)，殺菌效果越好;脈沖磁場(chǎng)對(duì)生活污水殺菌的主次因素為:磁場(chǎng)強(qiáng)度＞脈沖數(shù)＞污水溫度＞pH值。

孫敏華［18］等實(shí)驗(yàn)表明利用脈沖電磁場(chǎng)處理冷卻水系統(tǒng)中的微生物是切實(shí)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(shí)間和頻率的選擇而變化;當(dāng)輸出電壓為10 V，掃頻范圍為11～17 kHz，單次作用時(shí)間為0.09 s，水溫為30℃時(shí)，可以達(dá)到82%的殺菌率，殺菌效果較明顯。

2.2 脈沖磁場(chǎng)殺菌技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

2.2.1 脈沖磁場(chǎng)對(duì)果汁的殺菌 馬海樂(lè)［19］等研究發(fā)現(xiàn)隨著脈沖磁場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)的增加，從整體上講，西瓜汁的殺菌效果增強(qiáng);在磁場(chǎng)強(qiáng)度為2.53 T、脈沖數(shù)為20時(shí)，西瓜汁的殺菌效果最好;當(dāng)脈沖數(shù)為40時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)殺菌效果的影響為單調(diào)增加;當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為4.22 T時(shí)，脈沖數(shù)對(duì)殺菌效果的影響為單調(diào)增加。高夢(mèng)祥［20］等研究表明隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度或脈沖數(shù)的增加，西瓜汁中細(xì)菌殘留數(shù)會(huì)出現(xiàn)一極值，殺菌效果最好;之后隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度或脈沖數(shù)的進(jìn)一步增加，殺菌效果反而變差;在細(xì)菌殘留數(shù)出現(xiàn)峰值之后，殺菌效果再度變好;物料溫度越高，微生物對(duì)磁場(chǎng)的敏感性越強(qiáng)，殺菌效果越好;脈沖磁場(chǎng)對(duì)西瓜汁殺菌的主次因素為磁場(chǎng)強(qiáng)度＞脈沖數(shù)＞西瓜汁溫度;最佳參數(shù)組合為磁場(chǎng)強(qiáng)度7.59 T，脈沖數(shù)15，西瓜汁溫度20℃;最佳參數(shù)下菌落總數(shù)和大腸菌群數(shù)可達(dá)到商業(yè)無(wú)菌要求。

唐偉強(qiáng)［14］等研究發(fā)現(xiàn)900 G的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)桔子汁殺滅效果最好，磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，對(duì)細(xì)菌的殺滅作用不但沒(méi)有隨之增強(qiáng)，反面有所下降。金江濤［21］等研究發(fā)現(xiàn)隨著脈沖磁場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)的增加，草莓汁的殺菌效果總體趨勢(shì)不斷增強(qiáng);霉菌、酵母菌對(duì)脈沖磁場(chǎng)有一定的耐性，需要較高的磁感應(yīng)強(qiáng)度才能將其殺滅;在室溫下(28±1℃)，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到17.3 T以上，脈沖數(shù)達(dá)到12個(gè)以上時(shí)，菌落總數(shù)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(dá)到商業(yè)無(wú)菌的要求。

2.2.2 脈沖磁場(chǎng)對(duì)牛奶的殺菌 駱新崢［22］等研究發(fā)現(xiàn)脈沖磁場(chǎng)對(duì)牛初乳中的細(xì)菌有很高的致死率，都在99.9%以上;當(dāng)脈沖數(shù)小于20個(gè)，牛初乳中的菌落總數(shù)隨脈沖數(shù)的增加而減少;磁場(chǎng)強(qiáng)度小于2.53 T時(shí)，牛初乳中的菌落總數(shù)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而減少。高夢(mèng)祥［23］等研究表明隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度或脈沖數(shù)的增加，新鮮牛奶中細(xì)菌殘留數(shù)會(huì)出現(xiàn)一谷值，殺菌效果最好;之后隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度或脈沖數(shù)的進(jìn)一步增加，殺菌效果反而變差;在細(xì)菌殘留數(shù)出現(xiàn)峰值之后，殺菌效果再度變好;物料溫度越高，微生物對(duì)磁場(chǎng)的敏感性越強(qiáng)，殺菌效果越好;脈沖磁場(chǎng)對(duì)牛奶殺菌的主次因素為牛奶溫度＞磁場(chǎng)強(qiáng)度＞脈沖數(shù)，最佳參數(shù)組合為牛奶溫度50℃，磁場(chǎng)強(qiáng)度6.33 T，脈沖數(shù)15;在最佳參數(shù)下，經(jīng)磁場(chǎng)殺菌后的牛奶，菌落總數(shù)和大腸菌群數(shù)已達(dá)到商業(yè)無(wú)菌要求。郭丹丹［24］等實(shí)驗(yàn)表明高強(qiáng)度脈沖磁場(chǎng)對(duì)鮮牛奶殺菌效果顯著，隨磁場(chǎng)強(qiáng)度或脈沖數(shù)的增大，菌落總數(shù)、大腸桿菌和霉菌酵母的存活率基本呈下降趨勢(shì)，但出現(xiàn)谷值后，存活率隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)的進(jìn)一步增大有所回升;在磁場(chǎng)強(qiáng)度為16.02 T，脈沖數(shù)為6時(shí)，鮮牛奶中菌落總數(shù)和大腸桿菌殺菌效果最好;而磁場(chǎng)強(qiáng)度為16.02 T，脈沖數(shù)為8時(shí)，對(duì)霉菌酵母殺菌效果最好;與菌落總數(shù)和大腸桿菌相比，霉菌酵母對(duì)脈沖磁場(chǎng)有較強(qiáng)的抵抗力;在最佳處理?xiàng)l件下，經(jīng)脈沖磁場(chǎng)處理的牛奶可達(dá)到商業(yè)無(wú)菌的要求。

2.2.3 脈沖磁場(chǎng)對(duì)其它食品的殺菌 馬海樂(lè)［25］等研究表明隨著場(chǎng)強(qiáng)和脈沖數(shù)的增加，生啤酒的殺菌效果增強(qiáng);脈沖磁場(chǎng)強(qiáng)度大于2.53 T，且脈沖數(shù)大于10，或場(chǎng)強(qiáng)大于2.11 T，且脈沖數(shù)大于30時(shí)，生啤酒中殘存的細(xì)菌總數(shù)小于50個(gè)/mL，達(dá)到商業(yè)要求。

肖凱軍［26］實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度脈沖磁場(chǎng)對(duì)腐乳的殺菌效果顯著，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大或脈沖數(shù)的增加，菌落總數(shù)和霉菌酵母存活率基本呈下降趨勢(shì)，但出現(xiàn)谷值后，兩者的存活率隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)的進(jìn)一步增大有所回升，其中在磁場(chǎng)強(qiáng)度為16.02 T、脈沖數(shù)為6個(gè)時(shí)對(duì)腐乳中菌落總數(shù)的殺菌效果最好;而在磁場(chǎng)強(qiáng)度為16.02 T、脈沖數(shù)為8個(gè)時(shí)對(duì)霉菌酵母的殺菌效果最好，與菌落總數(shù)相比，霉菌酵母對(duì)脈沖磁場(chǎng)有較強(qiáng)的抵抗力。

2.2.4 脈沖磁場(chǎng)對(duì)不同細(xì)菌的殺菌效果 馬海樂(lè)［27］等研究了脈沖磁場(chǎng)對(duì)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(zhì)溫度、pH值、初始菌落數(shù)和Na+濃度等情況下的殺菌試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)溫度越高，脈沖磁場(chǎng)殺菌效果越好，但該溫度遠(yuǎn)低于熱致死溫度;介質(zhì)pH越偏中性，殺菌效果越差，pH值小于5時(shí)，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(shù)的增大而下降，初始菌落數(shù)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(fā)現(xiàn)大腸桿菌在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)前期對(duì)脈沖磁場(chǎng)更敏感;隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，殺菌效果呈現(xiàn)波動(dòng)性變化，在磁場(chǎng)強(qiáng)度為3.47 T時(shí)殺菌效果最好;隨著脈沖數(shù)的增加，細(xì)菌殘余率會(huì)出現(xiàn)一谷值，之后隨脈沖數(shù)的進(jìn)一步增加，殺菌效果反而變差，在脈沖數(shù)為20個(gè)時(shí)，殺菌效果最好;物料溫度越高，細(xì)菌殘余率越低，殺菌效果越好，但該溫度遠(yuǎn)低于熱致死溫度;脈沖磁場(chǎng)對(duì)大腸桿菌殺菌的主次因素為:磁場(chǎng)強(qiáng)度＞脈沖數(shù)＞物料溫度;最佳參數(shù)組合為磁場(chǎng)強(qiáng)度3.47 T，脈沖數(shù)20，物料溫度30℃。

曹輝［29］等研究發(fā)現(xiàn)高壓脈沖磁場(chǎng)對(duì)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(shù)超過(guò)20個(gè)時(shí)，隨著脈沖數(shù)的增加，殺菌效果變化均不再明顯，殘余菌數(shù)趨于穩(wěn)定，大腸桿菌殘余數(shù)在600個(gè)/mL以下，金黃色葡萄球菌殘余數(shù)在400個(gè)/mL以下，這說(shuō)明脈沖磁場(chǎng)對(duì)金黃色葡萄球菌的殺傷率大于大腸桿菌;隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的總數(shù)均呈下降趨勢(shì)，但脈沖數(shù)大于10以后，殺菌效果受磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響不大。

3 脈沖磁場(chǎng)殺菌技術(shù)的理論研究

細(xì)胞在磁場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果細(xì)胞所做運(yùn)動(dòng)是切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致其中磁通量變化并激勵(lì)起感應(yīng)電流，這個(gè)電流的大小方向和形式是對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生生物效應(yīng)的主要原因。李梅［15］等認(rèn)為磁場(chǎng)的生物效應(yīng)與物料內(nèi)部電氣性質(zhì)有關(guān)，構(gòu)成生物體的生物材料均為磁導(dǎo)體，磁導(dǎo)率與真空中的磁導(dǎo)率相近，因此磁場(chǎng)很容易穿透生物體。對(duì)細(xì)菌而言，在脈沖磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電流與磁場(chǎng)的相互作用力可以破壞細(xì)胞正常形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能，從而引起生物效應(yīng)。細(xì)菌在磁場(chǎng)中可看成是寬度0.5～1 μm，長(zhǎng)度為1～8 μm的磁偶極子，當(dāng)脈沖磁場(chǎng)作用時(shí)，受到感應(yīng)電流與磁場(chǎng)的相互作用，此感應(yīng)電流的大小、方向和形式是對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生生物效應(yīng)的主要原因。感應(yīng)電流越強(qiáng)，生物效應(yīng)就越明顯。當(dāng)感應(yīng)電流達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)(10－3Am－2)，會(huì)使細(xì)胞破壞，或改變離子通過(guò)細(xì)胞膜的途徑，使蛋白質(zhì)變性或破壞酶的活性。增大脈沖磁場(chǎng)強(qiáng)度，通過(guò)細(xì)胞的磁通量變化率增大，相應(yīng)的感應(yīng)電流增大，因此破壞細(xì)胞正常形態(tài)和生理功能的感應(yīng)電流與磁場(chǎng)的作用力也增大，使更多的細(xì)菌細(xì)胞不能承受磁場(chǎng)的作用而被滅活或殺死。水樣在磁場(chǎng)中實(shí)際暴露時(shí)間為脈沖時(shí)延與脈沖次數(shù)的乘積，在相同的水力停留時(shí)間下，不同脈沖頻率所對(duì)應(yīng)的脈沖次數(shù)不同，頻率越高，脈沖次數(shù)越多，因此水樣在磁場(chǎng)中的實(shí)際暴露時(shí)間越長(zhǎng)，殺菌效果也就越好。此外，在電磁波的作用下，生物體內(nèi)不產(chǎn)生明顯的升溫，但可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的生物響應(yīng)，使生物體內(nèi)發(fā)生各種生理、生化和功能的變化，這些變化表現(xiàn)出對(duì)頻率和功率選擇。就磁場(chǎng)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生的感應(yīng)電流效應(yīng)而言，恒強(qiáng)磁場(chǎng)不及旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不及脈沖磁場(chǎng)，這就是為何脈沖磁場(chǎng)只要很短的時(shí)間和較小的場(chǎng)強(qiáng)就會(huì)產(chǎn)生顯著的殺菌效果［9］。

周蔚紅［30］等研究表明在磁場(chǎng)下，細(xì)胞中的帶電粒子尤其是質(zhì)量小的電子和離子，由于受到洛倫茲力的影響，其運(yùn)動(dòng)軌跡常被束縛在某一半徑之內(nèi)，磁場(chǎng)越大，半徑越小。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí)，洛倫茲力加大，拉默半徑小于細(xì)胞的大小，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的電子和離子不能正常傳遞，從而影響細(xì)胞正常的生理功能。細(xì)胞內(nèi)的大分子如酶等則因在磁場(chǎng)下所攜帶的不同電荷的運(yùn)動(dòng)方向不同而導(dǎo)致大分子構(gòu)相的扭曲或變形，改變了酶的活性，因而細(xì)胞正常的生理活動(dòng)也受到影響。

生物體內(nèi)的大多數(shù)分子和原子是具有極性和磁性的，因此外加磁場(chǎng)必然會(huì)對(duì)生物產(chǎn)生影響或作用。不同強(qiáng)度分布的外加磁場(chǎng)對(duì)不同生物的影響程度是不同的。當(dāng)電磁場(chǎng)達(dá)到一定值時(shí)，細(xì)胞膜就發(fā)生不可修復(fù)的破裂，這種現(xiàn)象稱為電穿孔。同時(shí)，由于脈沖磁場(chǎng)是變化的，在極短的時(shí)間內(nèi)，電磁場(chǎng)的頻率、強(qiáng)度都會(huì)發(fā)生極大的變化，在細(xì)胞膜上產(chǎn)生振蕩效應(yīng)。不可逆的電穿孔和激烈的振蕩效應(yīng)能使細(xì)胞膜破裂，這種破裂導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)紊亂，從而達(dá)到殺死細(xì)胞的目的，進(jìn)而殺死細(xì)菌［31］。

脈沖磁場(chǎng)的介電阻斷性對(duì)食品中的微生物具有抑制作用。在外加電磁場(chǎng)的作用下，物料空間中的帶電粒子將產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)，撞擊物料分子，使物料分子分解，產(chǎn)生陰陽(yáng)離子，同時(shí)，電解質(zhì)電解出陰陽(yáng)離子，這些陰陽(yáng)離子在脈沖磁場(chǎng)的作用下極為活躍，可以穿過(guò)本來(lái)就已提高通透性的細(xì)胞膜，與微生物內(nèi)的生命物質(zhì)如蛋白質(zhì)、RNA作用，因而阻斷了細(xì)胞內(nèi)正常生化反應(yīng)和新陳代謝的進(jìn)行。另外，脈沖磁場(chǎng)能夠使水分子的氫氧鍵斷裂，在水中生成過(guò)量的超氧陰離子自由基，過(guò)氧化氫及自由質(zhì)子。而過(guò)氧化氫有強(qiáng)烈的氧化作用，作用于生物分子，會(huì)破壞DNA，導(dǎo)致細(xì)胞死亡，進(jìn)而殺死細(xì)菌。應(yīng)該特別指出的是利用磁場(chǎng)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(nèi)部產(chǎn)生渦流效應(yīng)而導(dǎo)致磁屏蔽，這也就可以解釋為什么脈沖磁場(chǎng)殺菌對(duì)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(chǎng)對(duì)細(xì)胞的作用，主要集中在細(xì)胞膜上。因此，研究在脈沖磁場(chǎng)作用下細(xì)胞膜上跨膜電位的變化是十分重要的。脈沖磁場(chǎng)是依靠外電磁場(chǎng)“觸發(fā)”生物系統(tǒng)釋放出強(qiáng)的新陳代謝能量而引起生物效應(yīng)。馬海樂(lè)［19，25］等認(rèn)為生物體在脈沖場(chǎng)的作用下可使細(xì)胞膜在原有靜息膜電位的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生一個(gè)新的跨膜電位。由外場(chǎng)產(chǎn)生的激勵(lì)電流隨入射到細(xì)胞膜上的電磁波的變化而變化，脈沖磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁脈沖包含有豐富的頻譜，易于被細(xì)胞吸收。隨著磁場(chǎng)的增強(qiáng)，入射的電磁波激勵(lì)的電流也增強(qiáng)，從而導(dǎo)致膜電壓上升，一旦達(dá)到臨界值，就可能導(dǎo)致細(xì)胞膜的破壞，從而影響細(xì)菌的存活率。細(xì)胞在磁場(chǎng)的輻射下產(chǎn)生的感應(yīng)電流與磁場(chǎng)相互作用的力將細(xì)胞破壞。對(duì)于帶有不同電荷基團(tuán)的大分子如酶等則因在磁場(chǎng)下，不同電荷的運(yùn)動(dòng)方向不同而導(dǎo)致大分子構(gòu)象的扭曲或變形，從而改變了酶的活性，因而細(xì)胞正常的生理活動(dòng)受到影響。Liu［32］等建立了一個(gè)非線性的模型，更加符合通道中離子的運(yùn)動(dòng)實(shí)際。該模型指出，離子的能量S是通道兩邊的電壓差的函數(shù)，而膜電壓又是激勵(lì)電流的函數(shù)。這樣，隨著激勵(lì)電流的變化，離子能量也將產(chǎn)生變化，一旦膜電壓達(dá)到臨界值，離子通道被擊穿，細(xì)胞膜局部產(chǎn)生一強(qiáng)動(dòng)作電位從而使細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)瓦解，破壞細(xì)胞，殺死細(xì)菌。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于大量的工業(yè)廢水和生活污水不經(jīng)處理就直接排入自然界，造成了水體的污染，而傳統(tǒng)的殺菌方式對(duì)污水的處理或者不能達(dá)到預(yù)期效果，或者能達(dá)到效果，但處理比較復(fù)雜甚至?xí)鸲挝廴?，從而給人類帶來(lái)危害，而脈沖磁場(chǎng)殺菌屬于比較理想的殺菌方式，對(duì)環(huán)境保護(hù)和人類健康都有著十分重要的意義。目前我國(guó)食品工業(yè)中的大多數(shù)產(chǎn)品是利用傳統(tǒng)的加熱方式進(jìn)行殺菌，生產(chǎn)技術(shù)落后，致使產(chǎn)品加工質(zhì)量和檔次不高。為使我國(guó)食品工業(yè)盡快與國(guó)際接軌，就必須盡快引進(jìn)和推廣高新殺菌技術(shù)。脈沖磁場(chǎng)殺菌與傳統(tǒng)的加熱殺菌不同，既能保持食品的原有風(fēng)味，又有處理時(shí)間短、能耗低的優(yōu)點(diǎn)，有望取代或補(bǔ)充傳統(tǒng)的加熱殺菌技術(shù)。由于脈沖磁場(chǎng)殺菌處理同樣時(shí)間短、不經(jīng)高溫，因而對(duì)于熱敏感的食品殺菌處理尤其適合。雖然脈沖磁場(chǎng)殺菌技術(shù)的應(yīng)用研究在實(shí)驗(yàn)室水平上已取得一定成果，但由于處理系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性使得其造價(jià)非常昂貴，從而限制了其工業(yè)化應(yīng)用。另外，我國(guó)在脈沖磁場(chǎng)殺菌方面的研究還處于初級(jí)階段，因此無(wú)論是基礎(chǔ)理論，還是開(kāi)發(fā)應(yīng)用，都有待深入研究。隨著對(duì)脈沖磁場(chǎng)研究的深入，特別是設(shè)備操作安全性和降低成本方面，脈沖磁場(chǎng)殺菌技術(shù)必將在我國(guó)水處理和食品工業(yè)中得到大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。

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