番茄高壓靜電場處理的生物效應(yīng)研究

陳建中　胡建芳　杜慧玲　王玉國

摘要：從高壓靜電場的產(chǎn)生及其生物效應(yīng)特點出發(fā)，綜述了其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，概述了靜電場處理應(yīng)用于番茄（Solanum lycopersicum）的生物學(xué)效應(yīng)研究概況，力求為利用高壓靜電場新技術(shù)促進番茄增產(chǎn)增效提供借鑒和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：番茄（Solanum lycopersicum）；高壓靜電場；生物效應(yīng)

中圖分類號：S641.2；Q689 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）01-0007-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.01.002

番茄（Solanum lycopersicum）又稱西紅柿、洋柿子、番柿等，屬于茄科番茄屬中以成熟多汁漿果為產(chǎn)品的一年生或多年生草本植物。番茄原產(chǎn)于南美洲的秘魯、厄瓜多爾和玻利維亞。16世紀(jì)由墨西哥傳入歐洲，在意大利、西班牙、英國、法國等國家最早只是作為觀賞植物。直到17世紀(jì)，番茄才在歐洲作為蔬菜栽培。19世紀(jì)中后期，番茄生產(chǎn)急劇增加，幾乎涉及到全世界。大約17世紀(jì)末至18世紀(jì)初，番茄才引入中國。解放以后，番茄生產(chǎn)才在中國迅速發(fā)展，成為最主要的果菜之一。番茄作為食用蔬果現(xiàn)已被全球性廣泛種植[1]。

番茄果實色澤鮮艷，肉質(zhì)纖細，酸甜適口，汁多味鮮，富含可溶性糖、有機酸、蛋白質(zhì)、維生素A、維生素B1、維生素C、胡蘿卜素和礦物質(zhì)等多種營養(yǎng)物質(zhì)，礦物質(zhì)中所含有的鈣、鐵、磷、硫、鉀、鈉、鎂等礦物鹽類，對血液的新陳代謝起很好的作用。番茄除可生食與熟食外，還可制成原汁、罐頭、番茄醬、番茄粉和番茄干等多種加工制品。番茄味甘、酸、微寒，有消熱解毒、生津止渴、養(yǎng)陰涼血、健胃消食等作用；番茄皮含有很高的膳食纖維，具有改善腸內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，排泄有毒物質(zhì)等功能；番茄紅素可預(yù)防及治療癌癥及心血管病、消除香煙和汽車尾氣中的有毒物質(zhì)、提高人體免疫力、抗衰老、降血脂和膽固醇。此外，一些特色番茄品種如櫻桃番茄等兼具觀賞價值，使其越來越受到老百姓的喜愛[2]。

1 高壓靜電場技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

人類和各種生物賴以生存的地球表面，本身是一個天然的電場，地球電離層相對于地面有360 kV的正電位，其強度為130 V/m，每1 s內(nèi)，大約有1 800 C的正電荷從大氣中流入地下，突出于地面的植物正是這1 800 A大氣電流的重要通道[3]，長期生長于地球表面的植物，其電荷分布、排序以及運動都有一定的規(guī)律性，自然靜電場的存在已經(jīng)成為它們生長、發(fā)育不可缺少的條件，所以生物體周圍電場的變化必然會影響其新陳代謝的過程[4]。高壓靜電場處理技術(shù)作為物理農(nóng)業(yè)的一種新技術(shù)，雖然發(fā)展和起步較晚，但由于它契合著生態(tài)農(nóng)業(yè)、物理農(nóng)業(yè)的潮流，簡單、有效、省時、低耗、無環(huán)境污染和廣泛適用的處理手段，使其展現(xiàn)出強大的生命力，成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用和研究的新熱點，越來越受到農(nóng)業(yè)專家的追捧和農(nóng)業(yè)從業(yè)者的重視。

1.1 高壓靜電場的產(chǎn)生

靜電生物效應(yīng)就是研究靜電場對生物體（包括動物、植物、微生物和人）所產(chǎn)生的影響。將220 V的電壓升高整流，再通過高壓電纜、保護電阻等加到電暈線或金屬板上，這樣就形成了高壓電場。高壓電場有靜電場和交變電場，靜電場又分為非均勻電場和均勻電場。電暈線電場屬于非均勻電場，通過調(diào)整電暈線與金屬板之間的距離來控制電場強度的大小，并通過高電壓電離空氣產(chǎn)生的空氣離子和臭氧發(fā)揮作用[5]，由兩塊平行金屬板作電極組成的電場是均勻電場，均勻電場可忽略邊緣效應(yīng)。

1.2 高壓靜電場生物效應(yīng)特點

相關(guān)資料表明：高壓靜電場誘導(dǎo)生物效應(yīng)的變化具有劑量不定性、參數(shù)多元性、多向性及閾值、階段性及消退效應(yīng)等特點[6-13]。劑量不定性是指相同的生物，施以不同劑量的電場，產(chǎn)生的效果各異，不同的生物施以相同劑量的電場產(chǎn)生的效果也不同，在進行電場技術(shù)應(yīng)用時，一定要正確選取電場劑量；參數(shù)多元性是指生物所受高壓靜電場的生物效應(yīng)不僅與場強和作用時間有關(guān)，也與生物體自身品種、種類、含水量以及周圍環(huán)境中的溫度、濕度等生物生長的自然條件和自然環(huán)境電磁場的大小及生物體放置的方向等諸多外界因素有關(guān)，具有多元性，是生物內(nèi)外因素綜合作用的結(jié)果；多向性是指不同的生物對象對電場的方向性要求不一樣，即生物在受到電場作用時，正負電場的作用效果均不一樣；闕值是指電場影響生物分三種形式，即對生物的生長表現(xiàn)為促進、抑制和無變化；階段性是指在生命過程中靜電場的生物效應(yīng)也隨生物體的生長發(fā)育而變化，即呈現(xiàn)出明顯的階段性；消退效應(yīng)是指生物體施加電場后的生物效應(yīng)會隨時間推移逐漸減弱乃至消失。

1.3 高壓靜電場在物理農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究

生物體的高壓靜電場處理作為一種物理技術(shù)，既是物理的，又是生理生化極其復(fù)雜的轉(zhuǎn)化過程。

電場對生物影響的研究始于18世紀(jì)中葉，主要研究電場作用于生物體而引起生物體刺激或抑制生物生長發(fā)育或致死效應(yīng)[6]。利用高壓靜電場處理植物的種子，提高種子活力，是靜電生物效應(yīng)研究最早、范圍最廣的領(lǐng)域，國外早在20世紀(jì)50～60年代就進行了研究，我國在20世紀(jì)60年代只進行了一些初步探索，直到20世紀(jì)90年代才開始大量的研究[12]。目前，高壓靜電場在農(nóng)業(yè)中的主要應(yīng)用有：靜電處理種子、靜電噴霧施藥、空間電場防病促生技術(shù)、電場保鮮技術(shù)、高壓電場干燥技術(shù)及高壓靜電場在作物抗逆性中的應(yīng)用研究等。相關(guān)研究表明：第一，利用高壓靜電場預(yù)處理種子，既能促進種子萌發(fā)，顯著提高種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、根系活力和呼吸強度，同時，能促進？琢淀粉酶、超氧化歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）的活性和可溶性蛋白質(zhì)含量、ATP含量提高，又具有殺菌效果。其次，還可利用種子電學(xué)特性差異來分選不同活力與含水量的種子，提高種子純度。再次，靜電場產(chǎn)生電暈放電，可促進植物的光合作用，使植物生長快、開花早、花期長，從而實現(xiàn)高產(chǎn)[14-20]。此外，對植物施以靜電場，可明顯促進植物的生長發(fā)育。第二，利用靜電噴霧技術(shù)防治農(nóng)作物病蟲害，作為現(xiàn)代植保施藥的一項新技術(shù)，能有效減少藥液損失，降低環(huán)境污染[21-23]。第三，在作物生長空間人為地加上特定強度的高壓靜電場，從而對植物的多種生理活動進行調(diào)控，這種空間電場防病促生技術(shù)有較好的促進生長和防病作用[24]。第四，依靠高壓靜電場，使帶有電荷的涂料微粒在電場力的作用下，沉積在果蔬、食品表面以形成均勻涂膜的表面靜電涂敷，有較好的防腐保鮮效果；高壓靜電場處理果蔬，能延緩果蔬成熟衰老，對黃瓜、斑豆、番茄、豌豆莢、蘋果、香蕉、紅薯、谷物、藍莓果等果蔬的保鮮效果顯著，表明高壓靜電場在保鮮方面具有良好的發(fā)展前景[25，26]。第五，高壓靜電場干燥技術(shù)具有能耗低，不污染環(huán)境，干燥均勻，物料不升溫，還可殺菌的優(yōu)點，能很好地保存物料的有效成分，使果蔬在脫水的同時，能最大程度地保留其營養(yǎng)成分和感觀質(zhì)量，減少干制過程對果蔬中營養(yǎng)成分的破壞及對色澤等方面的影響，且在能源消耗、設(shè)備投資和操作費用方面耗資較少[27]。此外，高壓靜電場處理能提高抗氧化酶活性，增強滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，從而提高植物的抗逆性[28-30]。endprint

1.4 高壓靜電場作用機理研究

近幾十年來，高壓靜電場對生物體的影響已在許多方面得到研究和開發(fā)利用，高壓靜電場生物效應(yīng)作為在物理農(nóng)業(yè)上的熱門課題越來越受到人們的重視，應(yīng)用范圍也逐步擴大。但目前，人們還不能夠通過已有理論對高壓靜電場產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)進行全面分析和解釋，只能根據(jù)大量的生化檢測與試驗結(jié)論相結(jié)合來研究其作用和機理。目前，對其作用機理的物理微觀模型研究和解釋主要包括介質(zhì)極化微觀理論、一維自由諧振子能級理論、勢壘貫穿理論、離子響應(yīng)電流理論、水分子極化理論等[31-35]。

2 番茄電場處理生物效應(yīng)研究概況

番茄作為一種風(fēng)靡全球的蔬菜水果，兼具營養(yǎng)和觀賞價值，受到世界各地人們的喜愛。隨著電場技術(shù)在近幾十年來的大量研究和發(fā)展，以番茄作為高壓靜電場處理和研究對象的試驗和應(yīng)用也在大力開展。

2.1 利用電場處理使番茄保鮮和易于貯藏

張全國[36]用高壓靜電場預(yù)處理番茄后，研究了對其保鮮效果的影響。結(jié)果表明，番茄在電場150 kV/m+45 min下處理后，有效延長了其保鮮時間，在自然條件下其呼吸高峰推遲4 d后出現(xiàn)，且能有效保持較高的表面抗壓強度和較低的失重率。王愈等[37]在200 kV/m+2 h/d負高壓間歇靜電場（簡稱穩(wěn)恒電場）和-200～200 kV/m+2 h頻率40 kHz（簡稱交變電場）兩種不同電場處理條件下，研究綠熟番茄的貯藏品質(zhì)，結(jié)果表明，高壓靜電場處理果實腐爛指數(shù)顯著優(yōu)于交變電場處理，但兩種處理均能延緩果實硬度，使可溶性糖、果皮葉綠素含量下降及可滴定酸、紅素含量上升，從而延緩果實衰老，提高果實的貯藏性。王愈等[38]對靜電場處理下貯藏番茄的生理生化及品質(zhì)變化進行研究，結(jié)果表明，適宜貯藏的最佳靜電處理條件為-200 kV/m+2 h/d，在此處理條件下，綠熟番茄呼吸躍變推遲6 d，顯著延緩其果實由硬變軟、由綠轉(zhuǎn)紅的時間，且通過對各項指標(biāo)的分析可得出，果實的細胞膜透性受靜電場處理調(diào)控。

2.2 利用電場技術(shù)選種，促進番茄種子發(fā)芽、苗期生長和增產(chǎn)

遲燕平等[39]研究了高壓電場對番茄種子萌發(fā)的生物學(xué)效應(yīng)，結(jié)果表明，影響種子萌發(fā)的因素依次是種子干濕情況、場強及作用時間，當(dāng)電場強度處理條件為8 kV/cm+180 s，作用對象為濕種子時，種子中的CAT、POD、SOD的活性明顯增強。王斌等[40]研究了靜電場處理與茄子種發(fā)芽的關(guān)系，結(jié)果表明，電場強度大小及處理時間長短與種子發(fā)芽間存在顯著的相關(guān)性。蔡興旺等[41]分析了經(jīng)過高壓靜電場選種的茄子種子發(fā)芽指標(biāo)及幼苗期的形態(tài)指標(biāo)，得出結(jié)論：適宜的高壓靜電場處理（本試驗所確定的最佳處理：600 kV/m+12 min）能顯著提高種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和活力指數(shù)，但對形態(tài)指標(biāo)會產(chǎn)生不同影響；并從酶活性和電解質(zhì)外滲率的角度分析了造成種子發(fā)芽和生長變化的原因。蔡興旺等[15]對珍珠番茄進行高壓靜電場選種和處理，并在考慮電場強度和處理時間相關(guān)性的基礎(chǔ)上，采用二元二次回歸模型，得出了出苗率、產(chǎn)量、SOD等指標(biāo)的回歸方程；與對照相比，最佳電場處理的番茄出苗率明顯提高，出苗期縮短，SOD和CAT活性上升，且促進了幼苗生長，提高了蔬菜產(chǎn)量。

2.3 利用電場技術(shù)開展殺菌方面的研究

金聲瑯等[42]利用高壓電場對番茄汁進行非熱殺菌試驗，結(jié)果表明，在控制條件下，可使番茄汁中接種的大腸桿菌數(shù)量降低6個對數(shù)以上，且通過對可溶性固形物、果膠、還原糖、抗壞血酸、番茄紅素指標(biāo)分析來看，番茄汁的品質(zhì)不會受到高壓電場殺菌處理的影響。閻立等[43]在用高壓靜電場處理番茄等種子時，發(fā)現(xiàn)電暈電場產(chǎn)生的臭氧起到了對種子殺菌消毒的作用，與此同時，處理后的種子的發(fā)芽勢、出苗率有所提高，且幼苗長勢和抗病能力都表現(xiàn)出增強的效果，最后的果實產(chǎn)量增加了5%～20%。

此外，電場技術(shù)還被用作番茄其他方面的研究。金聲瑯[44]采用高壓電場技術(shù)輔助提取番茄皮渣中的番茄紅素，提取率高達96.7%，且處理時間短。

3 小結(jié)

高壓靜電場對生物的影響已經(jīng)得到了證實，但由于高壓靜電場對生物體的影響效應(yīng)較為復(fù)雜，既受到生物體自身因素的影響，也受到環(huán)境因素的綜合影響，只有從機理和分子結(jié)構(gòu)角度分析，才有可能找到其變化規(guī)律。近年來，高壓靜電場技術(shù)在番茄生產(chǎn)和研發(fā)領(lǐng)域得到了一定的開展和應(yīng)用，也取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。但高壓靜電場規(guī)模處理番茄尚處于試驗階段，不同生長階段如種子萌發(fā)期、苗期、成熟期等處理時機的選擇、最佳處理條件的篩選尚沒有形成統(tǒng)一的結(jié)論，高壓靜電場處理后，對番茄體內(nèi)生物效應(yīng)的觸發(fā)響應(yīng)機制等，都將是下一階段的研究重點。

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