磁场技术在农产品加工中的应用及研究进展

姚黄兵，金亚美,2，张令涛，吴石林，郑子涛，王 婷，杨 哪,2,*，徐学明,2,3

（1.江南大学食品学院，江苏 无锡 214122；2.江南大学 江苏省食品安全与质量控制协同创新中心，江苏 无锡 214122；3.江南大学 食品科学与资源挖掘全国重点实验室，江苏 无锡 214122）

在资源条件受限的大背景下，我国农业的可持续性发展问题日益凸显，尤其是农产品加工效率不高或工艺参数应用不当所导致的产能受限、资源浪费、环境污染及食品安全问题等，因此，亟待探索并完善新的加工技术解决上述问题。科学家们除了采用分子遗传、生物化学、机械动力和人工智能的方法外，也试图结合其他物理技术，如超声波[1-2]、微波[3-4]、电场[5-6]、磁场[7-9]、低温等离子体[10-12]等，提高农产品的加工效率和贮藏品质，减少过程中的产品损耗、污染残留和能源消耗[13-14]。磁场具有穿透性强、作用温和且绿色安全的特点，由于农产品及其加工制品都具有极低的磁导率（ur≈0），故磁场作为一种非接触的处理手段，应用效果往往需要一段时间才会显现。相同样品配合不同的磁场参数，可能出现相反的应用效果；或者不同样品配合相同的工艺参数，磁场也可能会展现出积极或消极的作用。磁场可应用于农产品的辅助贮藏[15-16]、杀菌[17-18]、发酵[19]及提取[20]。一般来说，弱磁场对细胞的生长代谢具有促进作用，在适宜的温度下可辅助其生长，能够应用于微生物发酵等领域[21]；中强磁场可用于果蔬和肉制品的辅助保藏，在一定程度上可提高其感官品质，同时在低温环境下也会抑制微生物的生长和繁殖[22]；高强磁场可破坏细胞膜结构，用于农产品的表面杀菌处理[23]以及功能性物质提取[20]。

1 磁场技术原理

1.1 磁场类型

根据磁场强度与时间之间的变化规律，磁场类型可分为恒定磁场和交变磁场。恒定磁场又称为静磁场且磁场强度和方向保持恒定；而交变磁场的磁场强度和方向随时间会发生周期性的变化。根据所利用交流电源的不同励磁信号波形，可分为脉冲磁场和振荡磁场，常用波形有方波、尖峰脉冲、正弦波等，具体图形及分类如表1所示。根据磁感应强度大小，可分为弱磁场（＜1 mT）、中强磁场（1～103mT）、强磁场（103～2×104mT）和超强磁场（＞2×104mT）[24]。

表1 磁场的分类及特征[16]Table 1 Classification and characteristics of magnetic field[16]

1.2 生物原料磁导率

磁导率可用于衡量物质被磁化的难易程度。根据材料相对磁导率的不同，可分为顺磁性物质（相对磁导率＞1）、抗磁性物质（相对磁导率≈1）和铁磁性物质（相对磁导率＝1）[25]。农产品内部含有抗磁性物质包括水、蛋白质、多糖、脂肪和核酸等生物大分子，以及顺磁性的K＋、Na＋、Cl-和自由基等，相应的磁性特征及电学特性如表2所示。同时，在农产品原料中也存在内源性与外源性铁磁性中心，如Fe、Ni和Co等。生物体内的磁性物质对外部磁场会产生不同响应，顺磁性带电粒子易受到外部磁场影响，可在较“温和”的磁场条件下诱导相关代谢过程发生变化，例如在磁场辅助冷藏和发酵等过程，磁场对含顺磁性金属辅基的酶、自由基以及细胞膜的功能影响为主要作用方式[15-16,19]。另一方面，抗磁性物质如DNA和不含金属辅基的蛋白质等，则需在强磁场条件下才会发生变化，因而常见于脉冲磁场杀菌领域的研究[17-18]。水属于抗磁性物质，同时具有一定极性，当暴露于磁场环境时，产生的斥力可抑制分子聚集。此外，水分子磁化会导致样品宏观物理性质发生变化，分子间氢键减弱，进而有利于抑制冷冻过程中的冰晶成核与生长[26-27]。

表2 生物体内物质的磁性及电学特性[25]Table 2 Magnetic materials and electric charges in organisms[25]

1.3 磁场生物学效应

磁场的生物学效应是外部磁场和生物内源性弱磁场共同作用的结果，它是研究磁场与生物体之间相互作用的基础，同时也是磁场应用于农产品加工的依据。生物磁效应包括两方面，一是细胞内源性铁磁性分子自身产生的磁场；二是细胞内带电粒子迁移形成生物电流所诱发的微弱磁场。生物细胞中的蛋白质、酶、核酸、水等生物分子之间依靠氢键及其他化学键结合在一起，其化学键内部电子运动使生物大分子成为磁偶极子，即形成微弱的电流闭合回路，当其暴露于外磁场时，分子被磁化并产生感生磁场。在外磁场和内磁场的共同作用下，生物细胞、组织器官及整个生物体的新陈代谢发生改变，进而产生不同的生物学效应[28]。

磁场所引发的生物学效应可分为热效应和非热效应，热效应是由磁热效应或焦耳热效应所引起的生物细胞温度变化，而非热效应则是由磁场与生物体内磁性物质之间的“机械作用”所引起的生理变化[16]。一般来说，静磁场不会产生额外的热量，因此在应用过程中主要表现为非热效应。交变磁场或振荡磁场会通过传递能量或引起分子振动而导致细胞温度发生变化，因此既具有热效应也存在非热效应。就目前研究来看，磁场应用于农业领域主要基于非热效应的运用，表现为对生物细胞[29]、遗传因子[30]、生物大分子[31-32]及自由基的辅助作用[33-34]，作用时间相对较长。

2 磁场在农产品加工中的应用

2.1 贮藏领域

2.1.1 磁场辅助冷藏

磁场辅助冷藏作为一种潜在的贮藏方法，在农产品的保鲜应用中已有报道，适宜的磁场条件不仅可以抑制农产品的呼吸代谢，减少营养损失，还可以提升其感官品质，延长货架期[16,35]。杨哪等[36]利用不同强度的静磁场（0、1、3、5 mT）对草菇进行辅助处理，发现5 mT的强度可有效延缓草菇的氧化劣变，在此条件下，草菇的褐变指数、脂质氧化程度及可溶性固形物消耗量分别降低27.97%、15.98%和31.62%，总酚含量提高27.70%，且样品状态更为饱满，但由于实验设备的局限性，更高强度磁场的应用效果还亟待进行探索。高梦祥等[37-39]则在较宽的强度范围内评价了交变磁场对鲜切果蔬冷藏保鲜的效果，结果发现不同的果蔬具有特异性的磁场强度条件，莲藕为1.2 A/m，草莓为4.22 A/m，葡萄为0.87 A/m或1.79 A/m；不同有机体对磁场都会有特殊的响应，这可能与原料中自源性磁性物质（Fe、Co元素）或其自身电导率有关[32]。磁场在连续的强度范围内会展现出多样的作用效果，即可能存在“阈值”或“窗口”。夏广臻[40]的研究表明，静磁场对菠菜保鲜的作用效果也存在强度阈值，当磁感应强度低于6 mT时，表现为“正效应”，即在贮藏过程中能抑制菠菜细胞呼吸，而当磁感应强度高于6 mT时，会引起细胞呼吸消耗。此外，崔颖等[41]也发现，交变磁场对蜜瓜的贮藏保鲜效果存在着“时间窗口”，磁场处理10 min时，可使贮藏期间的还原糖质量分数保持在4%以上，而处理5 min或15 min时，则不利于还原糖和VC的保留。因此，研究过程需重点关注适宜的磁场“阈值”和“窗口”，并针对样品存在的理化特征差异，在单位体积内保证暴露磁场的有效通量，提高对农产品保鲜效果的稳定性。

目前，关于磁场辅助保鲜的机制研究并不完善，且大多聚焦于对细胞膜功能和相关酶活的影响。由于农产品原料的磁导率极低，而顺磁性和铁磁性物质具有一定磁导率，因此中低强磁场主要通过改变含有金属离子辅基的酶，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辅基的过氧化物酶（peroxidase，POD）等的活性和结构功能，诱导产生不同的生理效应，并随着暴露时间的延长，使其效果显化[42-46]。赵松松等[42]研究了交变磁场对香蕉冷害的抑制机理，通过施加2 mT、60 Hz的交变磁场连续处理，可有效抑制细胞呼吸和PPO活性，进而减轻香蕉冷害和褐变程度。Lv Liping等[43]研究发现，2 mT交变磁场处理可延缓鲜切苹果的氧化褐变，使PPO和POD活性分别降低25.92%和85.76%，并且对酶的三级结构产生影响。

2.1.2 磁场辅助冷水处理

磁场可改变水分子的氢键能量，使水的密度、比热及熔点发生变化，进而影响其流动特性和传热能力[27]。Zhao Songsong等[44]开发了一种静磁场协同冷水冲击的果蔬保鲜方法，可提高黄瓜的冷却速率和贮藏品质，研究发现，黄瓜经7 mT静磁场协同4 ℃冷水冲击联合处理后，质量损耗减少，且腐烂率和色差值较空白组分别降低40.2%和10.6%。同样，4 mT、25 Hz的脉冲磁场与0.5 ℃冷水联合作用也具有类似的效果[45]。然而，相较于静磁场和脉冲磁场的正向作用，交变磁场也存在“负效应”，在番茄的水冷过程中施加4 mT和8 mT交变磁场进行处理反而会降低冷却速率，同时也没有显著改善色泽，这可能与交变磁场共振产生的“涡流效应”有关[46]。Zhao Songsong等[44]认为果蔬贮藏品质的改善与其抗氧化能力和细胞膜通透性有关，磁场结合冷水处理会改变果蔬体内过氧化氢酶（catalase，CAT）和SOD活性，降低细胞内活性氧自由基和丙二醛含量。同时，在冷水和磁场的刺激下，植物细胞膜会发生紧密收缩，使H2O、O2和CO2的自由扩散通量减少，进而影响呼吸代谢和水分扩散过程[47]。一些研究为磁场在农产品贮藏领域中的应用提供了新的思路和方法[44-46]，但目前关于该方向的研究内容仍相对较少，在批量化处理时，由于需要大型的励磁装置和水冷装置，协同操作相对复杂，因此在应用过程中仍存在一定的局限性。

2.1.3 磁场辅助冷冻

冷冻是最常见的农产品保鲜方法，可通过抑制细胞呼吸、微生物繁殖和酶促反应速率，维持产品的品质并延长货架期[48]。冷冻效果主要取决于水分子相变过程中所形成冰晶的大小、形状和分布情况[49]。磁场可通过提高冻品的冷却速率、缩短相变时间、减小冰晶尺寸等改善其外观、风味、质地和新鲜度[50-51]，主要作用机制可能与改变水分子冻结特性有关。在磁场作用下，随着时间的延长，被冷冻样品中水分子的电子自旋方向与磁场方向一致，氢键作用减弱，因而减少了水分子簇聚集，故冷冻过程仅形成细小均匀的冰晶，进而减少了对细胞的机械损伤[49,52]。

20世纪初期，日本ABI公司研发了一类结合低频振荡磁场的冷冻设备，产品据称能改善冻品品质。随后，一些学者也相继报道，低频振荡磁场可通过电磁共振效应提高冷却速率，进而改善猪肉和牛肉的冻藏品质[53-54]。然而近年来也有学者发现低频振荡磁场无法改变食物的相变时间和冰点，以及对其外观、风味等感官品质也没有显著影响[55-57]。Rodríguez等[55]在猪里脊的冷冻过程中施加了0.04～0.53 mT的振荡磁场，发现与对照组相比，猪肉的冷冻特性没有显著改善。James等[56]报道低频振荡磁场不能改变大蒜鳞茎的冷冻特性和过冷温度，这可能是磁场参数无法满足该样品的效果显化所造成。然而，他们在实验设计时并未考虑到风冷环境不同带来的效果差异，因此结论也受到了部分学者质疑。为此，Otero等[57]在同一设备上进行了不同组别的蟹棒冷冻实验，通过分别施加1.52 mT、6 Hz，1.40 mT、30 Hz和1.38 mT、59 Hz的振荡磁场比较磁场强度和频率对冷冻的影响，结果发现磁场的施加无法显著改善蟹棒的冻藏品质。在欧美的研究中，更倾向于将静磁场或交变磁场作用于食物的长期冻藏。近年来，该类方法在果蔬冻藏中也有涉及，Chen Aiqiang等[58]利用0～3.6 mT的静磁场对果蔬进行处理，发现1.8 mT的磁场强度可抑制冻结过程的冰晶生长并提高结晶的均匀性，从而减少对细胞的机械损伤。Panayampadan等[59]研究结果表明，在4 cm×4 cm×4 cm的番石榴冻结过程中施加7.02 mT交变磁场，可使其在较短时间内形成冰晶，此时番石榴的相变时间为74 min 55 s，较空白组缩短约62.42%，且解冻后的滴水损失和硬度分别为4.73%和1.29 N，与新鲜样品较为接近。

总体来说，静磁场和交变磁场在农产品的辅助冻藏中具有一定的应用潜力，但对低频且幅值较小的振荡磁场作用效果仍存在很大争议，导致其产生不同结果的原因也尚不明晰，这无疑限制了其应用发展。农产品冷冻是一个极其复杂的能量传递和物质转化过程，由于冻品尺寸、非均相区域结构以及成分的不同均会影响其冷冻结果，因此针对有机样品的冷冻机理研究较为困难[57]。此外，农产品体系内部的冰晶形成具有随机性，加上所采用磁场的均匀性无法得到保证，进而导致大部分磁场辅助冷冻实验的重现性较差。因此，未来的研究重点应是设计科学严谨的实验方法，从而提高实验结果的准确性和可重现性，例如对应用磁场的均匀性和波动性进行前期计量和校准，进而评估振荡磁场通过样品的有效磁通量；在更宽的范围内探索磁场条件，包括磁场波形、强度以及频率等，同时辅助不同类型、尺寸和组成的农产品冻藏实验；利用冷冻电镜研究磁场对冰晶形成过程和能量传递的影响，揭示其具体的作用机制。

2.1.4 磁场过冷效应

农产品过冷保藏是将温度维持在冻结温度与成核温度之间，使其达到并维持过冷状态的储藏方法。农产品在过冷状态下不仅可避免由冰晶形成导致的冷冻损伤，还可以抑制细胞生理代谢和微生物繁殖，对改善冻藏品质、延长货架期具有重要作用。然而，水的过冷态是一种不稳定状态，当受到外部因素影响时，易被打破而使样品组织内部形成较大冰晶，进而导致严重的冷冻损伤[7]。实现过冷态最常见的方法就是精准控制冷冻温度，尽可能排除温度波动和物理振动的干扰，由于农产品体系的复杂性，该方法实施成本较高。因此，在没有先进技术的前提下，研究者们采用高压[60]、超声[61]、电场[62]以及磁场[63]等辅助手段，改变水分子的物理特性，通过降低冰晶成核温度，延长过冷时间。

目前，用于促进农产品形成过冷态的磁场类型主要有静磁场和低频振荡磁场。静磁场可通过削弱水分子间的氢键、干扰水分子簇聚集等抑制冰核形成，在延长食品过冷状态中具有一定应用潜力[49]。Lin Hengxun等[64]在0～16.12 mT的强度范围内研究了静磁场对牛肉过冷的影响，根据工艺优化结果将7.98～8.15 mT的静磁场应用于牛肉的过冷保藏，可降低牛肉的成核温度并使其在-4 ℃维持过冷状态14 d；扫描电子显微镜结果显示在贮藏期间牛肉内部未发现冰核形成，且脂质氧化水平较低，货架期较冷藏处理可延长6 d以上，证明了静磁场延长牛肉过冷态的有效性。然而，单一原料模型无法完全模拟实际应用效果，就过冷效应而言，原料脂肪含量、规格尺寸以及冻结温度的微小变化均可能影响磁场的作用效果，在该项研究中，当环境温度从-4 ℃降低至-5 ℃时，相同磁场强度仅能使牛肉维持过冷状态6～18 h，因此，未来应在更加丰富的条件下探索不同肉品的有效强度区间，分析有效磁场参数与各因素之间的对应关系或规律，从而促进静磁场辅助农产品过冷保鲜的实际应用。

低频振荡磁场与脉冲电场联合作用可通过抑制冰晶成核促进肉类原料形成过冷效应，提高稳定性[65-67]。Kang等[65]研究发现75 mT、1 Hz振荡磁场结合3.5 V、20 kHz脉冲电场处理可使金枪鱼在-3.2 ℃维持8 d的过冷状态，贮藏期间，新鲜样品和过冷样品的电化学阻抗谱Py值（等效电路中细胞电阻的变化率）相近，分别为46.6%和45.9%，表明过冷样品中不存在冰晶生长导致的细胞损伤，即未发生冻结。而后该团队又采用类似的方法对牛肉[66]和鸡胸肉[67]进行处理，发现可使牛肉和鸡胸肉分别在内部温度为-4 ℃和-6.5 ℃时形成并维持过冷状态，且解冻后的样品仍具有较好的理化特性。电磁场可通过诱导抗磁性的水分子产生偶极运动，从而抑制冰晶成核[68]。对于复杂的肉类原料来说，脂肪会影响电场分布的均匀性，但对磁场的阻碍作用较小，因此两者共同作用时可产生协同效应[69]。然而，该类方法的过程装置较为复杂，且处理步骤繁琐，在实际应用中仍存在一定局限。除肉类原料外，低频磁场也可促进果蔬出现过冷效应，但需适当提高磁场强度或通过特殊工艺使效果显化。Her等[70]利用8 mT、1 Hz的振荡磁场成功诱导鲜切蜜瓜（尺寸为3.0 cm×5.5 cm×3.5 cm）形成过冷状态，并在磁场的间歇作用（启/停：120/420 s）下，抑制了贮藏期间的冰晶形成，使蜜瓜在内部温度为-5.5 ℃的条件下贮藏21 d而不冻结。Kang等[71]通过增大磁感应强度延长鲜切芒果的过冷时间，在50 mT的磁场作用下，水分子会由于斥力作用而产生振荡，进而降低冰核的形成概率，使芒果在-5 ℃的环境下保持过冷状态7 d，且解冻后样品的质量损失（1.48%）和硬度（394.8 g）与新鲜样品较为接近。综合研究结果可知，果蔬类原料实现过冷效应比肉类原料所需的磁场条件更“温和”，这可能与果蔬的水分含量和离子浓度较高，且组织结构单一有关[58,70]。

磁场过冷效应的应用是辅助冷冻保鲜的重要发展方向，在未来或许能成为常规冷冻技术的良好升级方案，但就当前研究现状来看，要实现规模化应用还存在一些具体问题需要解决，如磁场过冷效应的潜在机制尚未完全阐明[72]；针对不同农产品的适宜磁场工艺参数数据缺乏；可嵌入冷柜的弱磁场发生器模块化技术需要开发和完善，因此未来仍要通过大量的基础和工程研究促进磁场过冷技术在农产品贮藏中的应用。

磁场对农产品的辅助贮藏效果及机制汇总如表3所示。

表3 磁场对农产品的辅助贮藏效果及机制Table 3 Auxiliary effects and mechanisms of magnetic field on the preservation of agricultural products

2.2 杀菌领域

高强度的脉冲磁场具有良好的微生物杀灭效果，当用于农产品杀菌时具有时间短、效率高、能耗低、条件温和等优点，且对产品的组织结构、营养成分及感官品质影响较小，因而较其他热杀菌方法更具优势[73]。目前，关于脉冲磁场杀菌的研究主要集中于牛乳[74]、果蔬汁[23]及其他热敏性食品。Lin Lin等[75]利用脉冲磁场对4 种不同蔬菜（黄瓜、生菜、胡萝卜、西红柿）汁进行处理，在8 T、80 个脉冲数的磁场条件下，可将黄瓜汁中的大肠杆菌完全灭活，且杀菌后蔬菜汁的色泽和风味较原始样品没有显著变化。金江涛等[76-77]研究了更高强度的脉冲磁场对草莓汁的杀菌效果，当磁感应强度达到17.3 T且脉冲数为12 个时，草莓汁的菌落总数可降低至100 CFU/mL以下，且霉菌和酵母被完全杀灭；当磁感应强度进一步增大至18.9 T时，可将草莓汁中POD活性钝化至处理前的8%，有利于维持其色泽。相较于果蔬汁，牛乳则需要在相对温和的条件才能最大程度地保留营养成分，高梦祥等[78]研究结果表明，采用6.33 T、15 个脉冲数的磁场处理可杀灭牛乳中99.9%的微生物，同时降低蛋白质和乳糖的损失率，保持其天然的色泽和风味。

表4总结了部分微生物的脉冲磁场致死效果及可能机制，不同微生物均具有特异性的致死条件，然而，关于脉冲磁场杀菌机理的解释尚未统一，其中较为普遍的是高强度脉冲磁场通过产生多样电磁效应，如感应电流、洛伦兹力和电离效应等，使微生物体内细胞代谢紊乱或结构被破坏，进而达到致死目的[19]。具体来说，一方面是脉冲磁场的间接作用，例如细胞内部自源性磁性物质或带电粒子与外界磁场响应，产生感应电位差或洛伦兹力效应，进而诱导细胞死亡[18]；以及电离效应，即强磁场加速带电粒子摩擦，导致分子分解和电解成阴离子和阳离子，这些离子穿过细胞膜，作用于胞内物质以抑制细胞代谢[75]；另一方面则是强磁场的直接破坏作用，主要包括其频率和强度瞬时变化产生的振荡效应和不可逆的“电穿孔”，区别于传统的“电穿孔”理论，细胞会同时受到磁场和感应电流作用，而被瞬时产生的冲击能量破坏[79]。近年来，相关研究内容大多将细胞膜作为脉冲磁场的主要作用靶点，且聚焦于脉冲磁场处理后细胞膜的结构功能变化、DNA损伤程度、胞内物质溢出以及异常的呼吸代谢和钙离子跨膜等[79-84]。Lin Lin等[75]研究了脉冲磁场对大肠杆菌O157:H7的杀菌作用机理，发现脉冲磁场可通过破坏细胞膜结构促进胞内物质泄漏，在8 T、60 个脉冲数的条件下最为严重，可使细菌胞内的蛋白质和DNA质量浓度从285 μg/mL和47.03 μg/mL分别降低至167 μg/mL和29.05 μg/mL，同时还可抑制单磷酸己糖途径中的关键酶——葡萄糖-6-磷酸脱氢酶活性，降低细胞呼吸水平，进而促进细胞死亡。同样，Qian Jingya等[79]也发现脉冲磁场处理可导致枯草芽孢杆菌严重的细胞膜损伤和形态变化，使细胞内容物外泄，并导致DNA损伤。为揭示微生物死亡的具体机制，该团队还运用蛋白组学方法从细胞分子层面进行研究，通过分析18 个差异表达的蛋白位点，发现脉冲磁场处理可破坏细菌的外膜蛋白，抑制胞内的分子功能和生物过程，降低碳水化合物代谢[80]。

表4 最优的脉冲磁场杀菌效果及推测的作用机制Table 4 Optimal sterilization effects and proposed mechanisms of action of pulsed magnetic field

除了对微生物细胞膜和DNA的直接破坏外，相关功能离子的调控也可能间接诱导细胞死亡。生物体内存在可调节细胞功能的第二信使——Ca2＋，同时也作为信号分子参与调节生物细胞的增殖、分化、凋亡以及相关应激过程[81]。正常情况下，细胞内的Ca2＋浓度会处于极低的水平（约100 nmol/L），当受外部物理场刺激或膜通透性发生变化时，细胞内外Ca2＋会出现异常的跨膜运输，导致其浓度失衡，进而不利于细胞存活[82]。马海乐等[83]采用Fura-2/AM荧光探针法标记金黄色葡萄球菌的胞内Ca2＋，并利用激光共聚焦显微镜进行观察，发现高强脉冲磁场可通过提高金黄色葡萄球菌细胞膜的通透性诱导胞外Ca2＋跨膜进入胞内，使胞内Ca2＋浓度显著提高，且浓度变化与细菌死亡率变化高度相关。He Ronghai等[84]采用相同的方法对大肠杆菌ATCC 8099进行处理，也得到类似的结论，并认为胞内Ca2＋积累可能是脉冲磁场诱导细菌死亡的因素之一。在此基础上，Qian Jingya等[81]利用Fura-4/AM荧光指示剂对单核细胞增生李斯特菌的胞内Ca2＋进行标记，并设置5 组磁场参数（分别为5 T，10、15 个和20 个脉冲数以及8 T，35 个和50 个脉冲数），发现经脉冲磁场处理后，胞内Ca2＋浓度相应提高了约27.5%～47.2%，这与马海乐等[83]的研究结论一致，但也仅揭示了脉冲磁场对细胞膜通透性的影响，而对于细胞暴露磁场后，其本身的Ca2＋调控机制仍不清楚。已有研究表明，不平衡的Ca2＋调控可能会引起细胞毒性，使细胞生理代谢紊乱或诱导细胞程序性死亡[85]。因此未来还需进一步研究细胞死亡与Ca2＋调控之间的关系，探索高强度脉冲磁场下微生物死亡的具体机制。

2.3 食用菌生长及发酵领域

磁场可通过增强食用菌的呼吸代谢，提高细胞膜的通透性和流动性，促进菌丝生长和生物传质过程[20]，因此可作为一种辅助手段应用于食用菌的生长及发酵领域[86-87]。磁场对食用菌的作用效果与磁场频率、强度、作用时间及菌类生长周期等有关，刘善勇等[88]研究发现，静磁场可影响金针菇生长，当磁感应强度低于10 mT时，磁场处理可促进菌丝生长，而当磁感应强度增大至15 mT时，则表现为对金针菇的抑制作用。此外，在金针菇的栽种和生长期间分别施加10 mT磁场联合处理，可显著提高金针菇的生长速率、产量，改善产品性状，且作用效果优于单一处理。Jamil等[89]研究发现，在蘑菇的生长后期施加15 mT或25 mT的磁场处理15 min，可使其成熟菌头数、鲜质量和干质量分别增加34.83%、76.43%和38.26%，且成熟时间缩短3.14%。同时，磁场对微生物的影响也具有时间的“窗口效应”，不同的处理时间在相同的磁场强度也可能导致不利的效果[90]。

食用菌液态发酵可在短期内获得高品质、高产量且绿色安全的发酵类产品。研究报道，磁场可辅助猴头菌[91]、灰树花[92]、樟芝[93-95]等的液态发酵，且大多是10 mT以下的低强交变磁场处理，可能与其产生的“共振效应”更容易诱导细胞膜通透性变化有关[94]。高梦祥等[91]用1.06 A/m的交变磁场促进猴头菌的生长和多糖分泌，当作用时间为12 h时，猴头菌生长速率最快，菌丝干质量增长率可达140.1%；而当作用时间为48 h时，菌丝生长受限，但胞外多糖增长率却可达到271.7%，说明多糖分泌较菌丝生长具有滞后性。李心怡等[92]利用3.5 mT低强交变磁场辅助灰树花发酵，在最佳处理条件下，灰树花的菌丝体干质量较对照组可提高11.43%，且营养成分总量均有所上升；通过扫描电子显微镜观察发现，磁场处理后的灰树花菌丝体表面粗糙、坑洼，菌丝发生了严重的旋转弯折且分支增多、结构松散，因而更有利于营养吸收和传质过程。同样，朱莉萍等[93]的研究结果也表明，樟芝菌液在8 mT交变磁场的作用下会发酵产生更多胞外多糖和三萜，且菌丝形态在微观上也呈旋转、弯折和松散的类似特征。目前，磁场辅助食用菌液态发酵的研究仍处于初始阶段，相关内容主要集中于参数优化和效果分析，而对于磁场介入后引发的生物效应研究仍相对缺乏。综合目前研究结论，其机理可归结于两方面，一是交变磁场诱导顺磁性金属离子振动，改变了食用菌体内相关酶的活性；另一方面则是磁场提高了细胞膜的通透性和流动性，加快了底物吸收和代谢速率，但具体机制仍亟待研究证实。

总体来说，磁场辅助菌丝发酵高附加值的农产品，相较于其他处理而言，磁场的温和作用是主要优势，且容易在长时间的暴露下效果显化，具体应用效果及机制如表5所示。

表5 磁场对食用菌生长发酵的应用效果及机制Table 5 Effects and mechanisms of magnetic field on the growth and fermentation of edible fungi

2.4 功能成分提取领域

磁场可用于农产品中功能性成分的辅助提取，在外部磁场作用下，含抗磁性物质的溶剂会产生与外磁场方向相反的附加磁矩而获得额外能量，使溶质扩散系数和溶解度增大，从而提高溶剂的萃取能力[96]。周芸等[97]研究发现静磁场可提高枸杞中黄酮物质的醇提得率，将提取液置于640 mT的静磁场中磁化40 min，磁化温度65 ℃，浸提回流60 min得到最佳的提取效果，枸杞黄酮的提取率可达290.81 mg/100 g，较空白组提高约7%。此外，磁场用于辅助提取茶叶中营养物质时，不同磁场类型也会有较大的效果差异。Zagula等[98]研究发现，采用100 mT、50 Hz的交变磁场可显著提高茶叶中咖啡因和矿物质的提取率，而相同强度的静磁场处理却没有明显的提取效果，此差异可能与交变磁场产生的共振效应有关，即在该作用下，植物组织细胞膜的跨膜电压发生变化，从而导致离子通道更有效地传递咖啡因及其他离子。此外，Tarapatskyy等[99]的研究也证实了交变磁场的有效性，经长时间磁场处理后，红茶中氨基酸及其他营养成分含量均有所提高。

目前，关于磁场辅助提取的研究报道相对较少，可能是因为相较于贮藏和发酵处理，提取过程的作用时间短；相较于杀菌处理而言，磁场暴露的强度偏低，所以磁场的作用效果不容易显化，导致工艺摸索的时间较长。

3 磁场技术在农产品加工中应用所面临的挑战与未来趋势

3.1 当前主要挑战

近年来，虽然国内外研究学者在磁场辅助农产品加工领域进行了大量实验与创新，取得了较多研究成果，但磁场技术的有效性、普适性，实验方案的系统性以及结论的准确性、效果重现性等均有待提升。因此，在研究磁场辅助农产品加工时，仍需重点考虑以下问题：1）磁场作用农产品的“窗口效应”使其在某些特定参数下可获得较为显著的效果，但在宽泛的参数区间内寻找“窗口”无疑增加了研究的难度，且大多研究中的“窗口”并未得到广泛验证；2）磁场参数种类较多，主要包括类型、波形、施加方向、强度、频率、处理时间、脉冲数等，在实际应用中还需考虑其他影响因素，因此研究方案设计需要考虑全面，特别是样品处理室内部磁场的波动性和均匀性，若在前期没有进行计量或标定，样品置于不同的磁场均匀区，导致磁场中样品的磁通量不一致，进而影响实验结论的可重现性；3）不同农产品对磁场的响应条件不同，即特定的工艺参数针对特定的样品；4）机理研究不充分，大量研究仅限于磁场对农产品的宏观指标分析，一些作用机制尚不完全明晰。如在贮藏领域，磁场对微生物的抑制机理和对农产品原料中具有电导性的组织细胞作用机理仍不完全清楚，此外，在脉冲磁场杀菌领域的研究集中于对细胞膜的影响；5）争议较多，由于缺乏统一的实验条件标准，如励磁装置、原料种类以及处理方法等，导致一些研究结论的可重复性有待考察。引起这些差异性效果的原因与磁场施加方向或通过不规则样品的有效磁力线有关，即相同的磁场条件，对不同形态样品会有不同的磁通量；6）在农产品加工中的规模化应用相对不成熟，优势并未放大，同时缺乏与其他技术的联合应用，应用场景相对局限；7）现有磁场发生装置或设备仍存在一定缺陷，导致一些精密实验难以开展，如农产品过冷研究中，磁场恒温腔体和热源未完全隔离导致的温度波动，以及其他冷却排风部件产生的物理振动干扰等均会影响实验结果；8）磁场技术的应用不够普及，大部分人对磁场的非热效应较为陌生。

3.2 未来趋势

基于以上磁场技术在农产品加工应用领域存在的问题和挑战，未来的研究重点和发展趋势应是：1）获取不同农产品原料在实际加工场景的最佳应用参数，完善其磁场生物学效应数据，并构建资源数据库，为其加工应用和开发提供理论支撑；2）聚焦磁场在农产品加工领域的机理性研究，可从分子生物学和细胞生物学层面入手，研究磁场环境下生物大分子及带电粒子的结构与活性变化，为阐明其在复杂的食品体系中发挥作用的机制提供理论基础，此外综合考虑现有的影响因素，通过设计科学严谨的实验方案对已有结论进行验证或提出新观点；3）解决现有磁场发生装置或设备存在的不足，开发普适性强、自动化程度高的工业端设备；4）利用Comsol等软件进行工程模拟，设计并选择磁感应强度稳定、磁场分布均匀的区域。在处理前，利用特斯拉计进行计量和校准，尽量保证同一条件下样品的磁通量一致，提高结论的准确性与重现性；5）拓展磁场技术与其他物理场技术的联合应用形式，如磁场与电场、磁场与温度场、磁场与光场、磁场与超声等，以扩大应用范围，并增强应用效果；6）推广磁场技术在高附加值农产品的规模化应用，建立工程案例档案。

4 结语

本文从磁场的分类、生物效应以及原料磁导率3 个方面解释了其应用于农产品加工领域的相关原理。在此基础上，从贮藏、杀菌、发酵和提取这4 类应用场景中，进一步概述了其在农产品加工领域的国内外研究进展。同时在各领域中进行分类细化，从应用效果和机制两方面进行对比分析，发现现阶段的磁场辅助农产品加工仍面临着部分机制阐述不完善、磁场参数计量和校准缺乏、实际应用不普及等挑战。基于此，本文对该技术领域的主要发展趋势进行了归纳和总结，期望引导学者结合现有的技术难题，从多领域共同突破，以推进磁场技术在农产品加工领域的应用和发展。