付 浩，周 蓉，周 全，陈乐平

(南昌航空大学航空制造工程学院，江西 南昌330063)

0 引言

水的消毒杀菌法主要分为化学消毒杀菌法和物理消毒杀菌法。传统的化学消毒方法在水处理中被普遍采用，常用的有臭氧消毒法、加氯消毒法以及加入其它净水剂和消毒剂的方法;水的物理消毒法主要有紫外线消毒和电磁场消毒等［1］。食品工业中采用的杀菌方式主要分为两类:加热杀菌和非加热杀菌。加热杀菌是较传统的，已日臻完善的灭菌方法。现代食品的非加热杀菌技术主要包括:超高压杀菌、辐照杀菌、脉冲电场杀菌、脉冲强光杀菌和脉冲磁场杀菌等［2］。非热杀菌技术是一种新型的杀菌技术，它能够保存食品的生理活性并且将处理过程中造成食品本身的风味和营养成分的损害降到最低［3］。随着科学技术的发展，目前在众多的食品加工和水处理工业中，脉冲磁场杀菌处理技术成为一项很有应用前景的新技术。本文主要对脉冲磁场杀菌技术的研究进展作一综述。

1 脉冲磁场杀菌技术概述

1.1 几种脉冲物理场杀菌技术的比较

脉冲物理场杀菌技术主要包括脉冲电场杀菌技术、脉冲磁场杀菌技术及脉冲强光杀菌技术。脉冲电场杀菌是通过高强度脉冲电场瞬时破坏微生物的细胞膜使微生物致死，杀菌过程中的温度低(最高温度不超过50℃)，从而可以避免热杀菌的缺陷。经脉冲电场杀菌处理的食品具有安全、耐贮藏及风味佳等特点［4］。脉冲电场在牛乳、蛋液等液态物料的加工中也有着广泛的应用［5，6］。目前脉冲电场杀菌技术的应用才刚刚起步，它作为一种先进的杀菌手段，能够实现无污染的绿色保鲜。脉冲磁场杀菌和脉冲电场杀菌基本相同，但脉冲磁场杀菌可避免电极与杀菌物料的直接接触，同时脉冲磁场杀菌装置的结构相对简单，易于工业化应用。脉冲强光杀菌是利用瞬时、高强度的脉冲光能量杀灭食品和包装上的各类微生物，有效地保持食品质量。脉冲强光杀菌是可见光、红外光和紫外光的协同效应，它们可对菌体细胞中的DNA、细胞膜、蛋白质和其它大分子产生不可逆的破坏作用，从而杀灭微生物［7］。在表面或透明介质之能任光线穿透者，脉冲强光具极高的灭菌水平;一般不透明及食品的不规则表面，有些微生物可被隐蔽。相对脉冲强光杀菌技术，脉冲磁场对物料具有较强的穿透能力，能深入物料的内部，杀菌无死角。

1.2 脉冲磁场杀菌技术的原理

脉冲磁场杀菌装置的原理如图1所示，主要包括脉冲电场发生系统和脉冲磁场作用系统2个部分。脉冲磁场作用系统主要包括螺线管工作线圈、杀菌容器、物料及基座，如图2所示。脉冲电场发生系统产生的脉冲电流通过磁场作用系统的螺线管线圈产生高强度的脉冲磁场，高强度的脉冲磁场将物料中的细菌杀死。电磁场杀菌是利用电磁能破坏或影响微生物机体组织结构从而达到消灭或抑制微生物的目的［8］。脉冲磁场是一种电磁场，在物料杀菌过程中，会产生各种电磁效应，主要有感应电流效应、洛伦兹力效应、振荡效应及电离效应等，这些电磁效应会引起细胞的生物学效应，对杀菌过程有着重要影响［9］。

图1 脉冲磁场杀菌装置原理图

1.3 脉冲磁场杀菌技术的特点

脉冲磁场杀菌一般每次脉冲磁场持续的时间为l μs左右，可使物料基质中的有害细菌数减少2个数量级，整个处理通常只需5～10次脉冲即可满足物料的杀菌要求，由于脉冲磁场杀菌处理时间短、不经高温，因而对于一些热敏感的物料杀菌处理尤其适合［10］。利用脉冲磁场在常温常压下进行瞬时杀菌，主要由4个要素组成:线圈中的磁场强度、脉冲次数、脉冲电流的波形特征及物料特征。脉冲磁场杀菌除了保持一般物理冷杀菌的特点外，其突出的优势表现在:杀菌物料的温升一般不超过5℃，所以物料的组织结构、营养成分、颜色均不被破坏，不会影响原有的风味;距离线圈2 m左右处，磁场强度则衰减为相当于地磁强度，因此无漏磁问题，安全性好;与连续波和恒定磁场比较，脉冲磁场杀菌设备具有功率消耗低，杀菌时间短，对微生物杀灭力强，效率高的特点;磁场的产生和中止迅速，便于用电脑控制;由于脉冲磁场对物料具有较强的穿透能力，能深入物料的内部，另外还可以通过物料流动强化液料的搅拌传质效果，致使灭菌无死角，杀菌彻底［11］。由于脉冲磁场杀菌不加热、时间短，因此在冷杀菌工艺中有着广阔的市场潜力。大量的研究表明高强度脉冲磁场杀菌在食品、水处理等行业有很重要的应用价值。

图2 脉冲磁场作用系统示意图

2 脉冲磁场杀菌技术的应用研究

2.1 脉冲磁场杀菌技术在水处理方面的应用

随着工业的发展，水质受到各种有机物质的污染，传统的消毒方法会产生对人体有害的物质，于是，研究新的替代杀菌手段日益成为国内外研究的热点，磁场水处理是其中一个较特殊的领域。磁场在水处理领域目前集中在防垢、除垢、缓蚀、分离净化等方面［12］，有关磁场处理在杀菌方面的研究还比较少。近年来，磁场的生物学效应愈来愈受到人们的关注，磁场能使细胞发生形态、结构和功能的变化，即使是弱磁场也能强烈地影响生物系统，而脉冲磁场比恒定磁场具有更强的生物效应［13］。

唐伟强［14］等研究表明900 G的脉冲磁场对池塘水中细菌的杀灭作用最强;当磁场强度大于900 G时，随着磁场强度的增强，对池塘水中细菌的存活率变化影响较小。李梅［15，16］等实验表明脉冲磁场对生活废水具有明显的杀菌作用，对循环水系统中大肠杆菌具有良好的灭活作用;增加磁场强度、处理时间和脉冲频率可以提高杀菌效果;当停留时间为30 min，磁场强度500 mT，脉冲频率40 kHz实验条件下，循环处理后水中细菌总数的存活率为0.01%;在扫频范围0.4～60 kHz、输出功率20 W、电流1～2 A条件下，脉冲磁场对生活污水具有一定的灭菌作用，其杀菌性能随作用时间、pH值、温度及原水菌数的升高而升高;当温度为25℃，pH为7.47时，原水经磁场处理4 h后，细菌总数从7.2×106个/mL，下降到2.2× 104个/mL，去除率为99.7%;大肠杆菌数从9.2 ×105个/mL下降到3.5×104个/mL，去除率为96.2%。

吴春笃［17］等研究发现随着脉冲磁场强度、脉冲数或pH值的增加，生活污水中细菌去除率会出现一峰值，杀菌效果最好;之后随着磁场强度、脉冲数或pH值的进一步增加，杀菌效果反而变差;在磁场强度分别为7.6 T和6.6 T左右时，细菌总数杀菌率和大肠菌群杀菌率分别出现了峰值;在脉冲数分别为10和12时，细菌总数和大肠菌群杀菌率出现峰值;细菌总数去除率和大肠菌群去除率都随污水温度的上升而升高，污水温度越高，微生物对磁场的敏感性越强，杀菌效果越好;脉冲磁场对生活污水杀菌的主次因素为:磁场强度＞脉冲数＞污水温度＞pH值。

孙敏华［18］等实验表明利用脉冲电磁场处理冷却水系统中的微生物是切实可行的，此方法具有明显的杀菌作用，杀菌率随着输出电压、水温、单次作用时间和频率的选择而变化;当输出电压为10 V，扫频范围为11～17 kHz，单次作用时间为0.09 s，水温为30℃时，可以达到82%的杀菌率，杀菌效果较明显。

2.2 脉冲磁场杀菌技术在食品工业中的应用

2.2.1 脉冲磁场对果汁的杀菌 马海乐［19］等研究发现随着脉冲磁场强度和脉冲数的增加，从整体上讲，西瓜汁的杀菌效果增强;在磁场强度为2.53 T、脉冲数为20时，西瓜汁的杀菌效果最好;当脉冲数为40时，磁场强度对杀菌效果的影响为单调增加;当磁场强度为4.22 T时，脉冲数对杀菌效果的影响为单调增加。高梦祥［20］等研究表明随着磁场强度或脉冲数的增加，西瓜汁中细菌残留数会出现一极值，杀菌效果最好;之后随着磁场强度或脉冲数的进一步增加，杀菌效果反而变差;在细菌残留数出现峰值之后，杀菌效果再度变好;物料温度越高，微生物对磁场的敏感性越强，杀菌效果越好;脉冲磁场对西瓜汁杀菌的主次因素为磁场强度＞脉冲数＞西瓜汁温度;最佳参数组合为磁场强度7.59 T，脉冲数15，西瓜汁温度20℃;最佳参数下菌落总数和大肠菌群数可达到商业无菌要求。

唐伟强［14］等研究发现900 G的磁场强度对桔子汁杀灭效果最好，磁场强度的增强，对细菌的杀灭作用不但没有随之增强，反面有所下降。金江涛［21］等研究发现随着脉冲磁场强度和脉冲数的增加，草莓汁的杀菌效果总体趋势不断增强;霉菌、酵母菌对脉冲磁场有一定的耐性，需要较高的磁感应强度才能将其杀灭;在室温下(28±1℃)，当磁感应强度达到17.3 T以上，脉冲数达到12个以上时，菌落总数可以降低到100 cfu/mL以下，霉菌、酵母菌可以被全部杀灭，可以达到商业无菌的要求。

2.2.2 脉冲磁场对牛奶的杀菌 骆新峥［22］等研究发现脉冲磁场对牛初乳中的细菌有很高的致死率，都在99.9%以上;当脉冲数小于20个，牛初乳中的菌落总数随脉冲数的增加而减少;磁场强度小于2.53 T时，牛初乳中的菌落总数随磁场强度的增加而减少。高梦祥［23］等研究表明随着磁场强度或脉冲数的增加，新鲜牛奶中细菌残留数会出现一谷值，杀菌效果最好;之后随着磁场强度或脉冲数的进一步增加，杀菌效果反而变差;在细菌残留数出现峰值之后，杀菌效果再度变好;物料温度越高，微生物对磁场的敏感性越强，杀菌效果越好;脉冲磁场对牛奶杀菌的主次因素为牛奶温度＞磁场强度＞脉冲数，最佳参数组合为牛奶温度50℃，磁场强度6.33 T，脉冲数15;在最佳参数下，经磁场杀菌后的牛奶，菌落总数和大肠菌群数已达到商业无菌要求。郭丹丹［24］等实验表明高强度脉冲磁场对鲜牛奶杀菌效果显著，随磁场强度或脉冲数的增大，菌落总数、大肠杆菌和霉菌酵母的存活率基本呈下降趋势，但出现谷值后，存活率随着磁场强度和脉冲数的进一步增大有所回升;在磁场强度为16.02 T，脉冲数为6时，鲜牛奶中菌落总数和大肠杆菌杀菌效果最好;而磁场强度为16.02 T，脉冲数为8时，对霉菌酵母杀菌效果最好;与菌落总数和大肠杆菌相比，霉菌酵母对脉冲磁场有较强的抵抗力;在最佳处理条件下，经脉冲磁场处理的牛奶可达到商业无菌的要求。

2.2.3 脉冲磁场对其它食品的杀菌 马海乐［25］等研究表明随着场强和脉冲数的增加，生啤酒的杀菌效果增强;脉冲磁场强度大于2.53 T，且脉冲数大于10，或场强大于2.11 T，且脉冲数大于30时，生啤酒中残存的细菌总数小于50个/mL，达到商业要求。

肖凯军［26］实验发现高强度脉冲磁场对腐乳的杀菌效果显著，随着磁场强度的增大或脉冲数的增加，菌落总数和霉菌酵母存活率基本呈下降趋势，但出现谷值后，两者的存活率随着磁场强度和脉冲数的进一步增大有所回升，其中在磁场强度为16.02 T、脉冲数为6个时对腐乳中菌落总数的杀菌效果最好;而在磁场强度为16.02 T、脉冲数为8个时对霉菌酵母的杀菌效果最好，与菌落总数相比，霉菌酵母对脉冲磁场有较强的抵抗力。

2.2.4 脉冲磁场对不同细菌的杀菌效果 马海乐［27］等研究了脉冲磁场对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、酿酒酵母和枯草芽孢杆菌在不同介质温度、pH值、初始菌落数和Na+浓度等情况下的杀菌试验，发现介质温度越高，脉冲磁场杀菌效果越好，但该温度远低于热致死温度;介质pH越偏中性，杀菌效果越差，pH值小于5时，杀菌效果较好;微生物残留率随着Na+浓度的升高而降低，Na+浓度越高，杀菌效果越好;微生物残留率随着初始菌落数的增大而下降，初始菌落数越高，杀菌效果越好;菌种不同，残留率不同，酿酒酵母的残留率最低，枯草芽孢杆菌的残留率最高:酿酒酵母的残留率随着葡萄糖和乳糖含量的增大而上升，含量越大，杀菌效果越差;酿酒酵母残留率随着乙醇含量的增大而下降，含量越大，杀菌效果越好;酿酒酵母残留率随着蛋白胨含量的增大而上升，含量越大，杀菌效果越差;酿酒酵母残留率随着干酪素含量的增大而下降，含量越大，杀菌效果越好。

王合利［28］等研究发现大肠杆菌在对数生长前期对脉冲磁场更敏感;随着磁场强度的增加，杀菌效果呈现波动性变化，在磁场强度为3.47 T时杀菌效果最好;随着脉冲数的增加，细菌残余率会出现一谷值，之后随脉冲数的进一步增加，杀菌效果反而变差，在脉冲数为20个时，杀菌效果最好;物料温度越高，细菌残余率越低，杀菌效果越好，但该温度远低于热致死温度;脉冲磁场对大肠杆菌杀菌的主次因素为:磁场强度＞脉冲数＞物料温度;最佳参数组合为磁场强度3.47 T，脉冲数20，物料温度30℃。

曹辉［29］等研究发现高压脉冲磁场对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有显著的杀菌效果;大肠杆菌和金黄色葡萄球菌模型溶液在脉冲数超过20个时，随着脉冲数的增加，杀菌效果变化均不再明显，残余菌数趋于稳定，大肠杆菌残余数在600个/mL以下，金黄色葡萄球菌残余数在400个/mL以下，这说明脉冲磁场对金黄色葡萄球菌的杀伤率大于大肠杆菌;随着磁场强度的增强，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的总数均呈下降趋势，但脉冲数大于10以后，杀菌效果受磁场强度的影响不大。

3 脉冲磁场杀菌技术的理论研究

细胞在磁场下运动时，如果细胞所做运动是切割磁力线的运动，就会导致其中磁通量变化并激励起感应电流，这个电流的大小方向和形式是对细胞产生生物效应的主要原因。李梅［15］等认为磁场的生物效应与物料内部电气性质有关，构成生物体的生物材料均为磁导体，磁导率与真空中的磁导率相近，因此磁场很容易穿透生物体。对细菌而言，在脉冲磁场的作用下产生的感应电流与磁场的相互作用力可以破坏细胞正常形态、结构和功能，从而引起生物效应。细菌在磁场中可看成是宽度0.5～1 μm，长度为1～8 μm的磁偶极子，当脉冲磁场作用时，受到感应电流与磁场的相互作用，此感应电流的大小、方向和形式是对细胞产生生物效应的主要原因。感应电流越强，生物效应就越明显。当感应电流达到一定强度时(10－3Am－2)，会使细胞破坏，或改变离子通过细胞膜的途径，使蛋白质变性或破坏酶的活性。增大脉冲磁场强度，通过细胞的磁通量变化率增大，相应的感应电流增大，因此破坏细胞正常形态和生理功能的感应电流与磁场的作用力也增大，使更多的细菌细胞不能承受磁场的作用而被灭活或杀死。水样在磁场中实际暴露时间为脉冲时延与脉冲次数的乘积，在相同的水力停留时间下，不同脉冲频率所对应的脉冲次数不同，频率越高，脉冲次数越多，因此水样在磁场中的实际暴露时间越长，杀菌效果也就越好。此外，在电磁波的作用下，生物体内不产生明显的升温，但可以产生强烈的生物响应，使生物体内发生各种生理、生化和功能的变化，这些变化表现出对频率和功率选择。就磁场对细胞产生的感应电流效应而言，恒强磁场不及旋转磁场，旋转磁场不及脉冲磁场，这就是为何脉冲磁场只要很短的时间和较小的场强就会产生显著的杀菌效果［9］。

周蔚红［30］等研究表明在磁场下，细胞中的带电粒子尤其是质量小的电子和离子，由于受到洛伦兹力的影响，其运动轨迹常被束缚在某一半径之内，磁场越大，半径越小。当磁场强度较大时，洛伦兹力加大，拉默半径小于细胞的大小，导致细胞内的电子和离子不能正常传递，从而影响细胞正常的生理功能。细胞内的大分子如酶等则因在磁场下所携带的不同电荷的运动方向不同而导致大分子构相的扭曲或变形，改变了酶的活性，因而细胞正常的生理活动也受到影响。

生物体内的大多数分子和原子是具有极性和磁性的，因此外加磁场必然会对生物产生影响或作用。不同强度分布的外加磁场对不同生物的影响程度是不同的。当电磁场达到一定值时，细胞膜就发生不可修复的破裂，这种现象称为电穿孔。同时，由于脉冲磁场是变化的，在极短的时间内，电磁场的频率、强度都会发生极大的变化，在细胞膜上产生振荡效应。不可逆的电穿孔和激烈的振荡效应能使细胞膜破裂，这种破裂导致细胞结构紊乱，从而达到杀死细胞的目的，进而杀死细菌［31］。

脉冲磁场的介电阻断性对食品中的微生物具有抑制作用。在外加电磁场的作用下，物料空间中的带电粒子将产生高速运动，撞击物料分子，使物料分子分解，产生阴阳离子，同时，电解质电解出阴阳离子，这些阴阳离子在脉冲磁场的作用下极为活跃，可以穿过本来就已提高通透性的细胞膜，与微生物内的生命物质如蛋白质、RNA作用，因而阻断了细胞内正常生化反应和新陈代谢的进行。另外，脉冲磁场能够使水分子的氢氧键断裂，在水中生成过量的超氧阴离子自由基，过氧化氢及自由质子。而过氧化氢有强烈的氧化作用，作用于生物分子，会破坏DNA，导致细胞死亡，进而杀死细菌。应该特别指出的是利用磁场杀菌要求食品材料具有较高的电阻率一般大于10 Ω·m，以防材料内部产生涡流效应而导致磁屏蔽，这也就可以解释为什么脉冲磁场杀菌对有些食品材料具有很好的杀菌效果而有些杀菌效果较差［9］。

脉冲磁场对细胞的作用，主要集中在细胞膜上。因此，研究在脉冲磁场作用下细胞膜上跨膜电位的变化是十分重要的。脉冲磁场是依靠外电磁场“触发”生物系统释放出强的新陈代谢能量而引起生物效应。马海乐［19，25］等认为生物体在脉冲场的作用下可使细胞膜在原有静息膜电位的基础上，产生一个新的跨膜电位。由外场产生的激励电流随入射到细胞膜上的电磁波的变化而变化，脉冲磁场产生的电磁脉冲包含有丰富的频谱，易于被细胞吸收。随着磁场的增强，入射的电磁波激励的电流也增强，从而导致膜电压上升，一旦达到临界值，就可能导致细胞膜的破坏，从而影响细菌的存活率。细胞在磁场的辐射下产生的感应电流与磁场相互作用的力将细胞破坏。对于带有不同电荷基团的大分子如酶等则因在磁场下，不同电荷的运动方向不同而导致大分子构象的扭曲或变形，从而改变了酶的活性，因而细胞正常的生理活动受到影响。Liu［32］等建立了一个非线性的模型，更加符合通道中离子的运动实际。该模型指出，离子的能量S是通道两边的电压差的函数，而膜电压又是激励电流的函数。这样，随着激励电流的变化，离子能量也将产生变化，一旦膜电压达到临界值，离子通道被击穿，细胞膜局部产生一强动作电位从而使细胞膜结构瓦解，破坏细胞，杀死细菌。

4 结束语

由于大量的工业废水和生活污水不经处理就直接排入自然界，造成了水体的污染，而传统的杀菌方式对污水的处理或者不能达到预期效果，或者能达到效果，但处理比较复杂甚至会引起二次污染，从而给人类带来危害，而脉冲磁场杀菌属于比较理想的杀菌方式，对环境保护和人类健康都有着十分重要的意义。目前我国食品工业中的大多数产品是利用传统的加热方式进行杀菌，生产技术落后，致使产品加工质量和档次不高。为使我国食品工业尽快与国际接轨，就必须尽快引进和推广高新杀菌技术。脉冲磁场杀菌与传统的加热杀菌不同，既能保持食品的原有风味，又有处理时间短、能耗低的优点，有望取代或补充传统的加热杀菌技术。由于脉冲磁场杀菌处理同样时间短、不经高温，因而对于热敏感的食品杀菌处理尤其适合。虽然脉冲磁场杀菌技术的应用研究在实验室水平上已取得一定成果，但由于处理系统电路设计的复杂性使得其造价非常昂贵，从而限制了其工业化应用。另外，我国在脉冲磁场杀菌方面的研究还处于初级阶段，因此无论是基础理论，还是开发应用，都有待深入研究。随着对脉冲磁场研究的深入，特别是设备操作安全性和降低成本方面，脉冲磁场杀菌技术必将在我国水处理和食品工业中得到大规模的工业化应用。

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