高壓靜電技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的研究進展

韋柳花楊理林張凌云黃榮雄蘇敏

(1.廣西茶葉科學(xué)研究所，廣西 桂林 541004；2.桂林源林生態(tài)科技有限責(zé)任公司，廣西 桂林 541004；3.桂林漓江茶廠有限公司，廣西 桂林 541001)

農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)和加工過程是農(nóng)業(yè)工作的重要環(huán)節(jié)，如何提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量是科學(xué)研究的重要措施，是促進我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、促進地方經(jīng)濟發(fā)展的利器，同時也是實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品商品化、標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)代化的重要手段。在新的形勢下，如何搞好農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、提高質(zhì)量和產(chǎn)量，確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全和增產(chǎn)增收，成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)加工者的一項新的課題。

隨著社會技術(shù)的進步，人們催生了現(xiàn)代物理農(nóng)業(yè)技術(shù)來規(guī)避傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)給人類帶來的不足與危害。高壓靜電場在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用是近年發(fā)展起來的一項新的農(nóng)業(yè)技術(shù)，其是利用人為的空間電場操控促進植物生長發(fā)育和改善生存環(huán)境，獲得高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、無毒的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，更好地滿足人類生存飲食需求。

地球是一個巨大的靜電場，地球與天空云層間所產(chǎn)生的電勢差叫地球的空間電場，其隨著天氣的變化而產(chǎn)生不穩(wěn)定的電場，所有生物都受其影響。植物也正是由于外電場及內(nèi)電場的存在而表現(xiàn)各種物質(zhì)的生理活性與代謝的旺盛進行，相關(guān)試驗表明，用電場屏蔽技術(shù)把植物屏蔽起來將會大大影響到光合速率。在自然界中也存在雷區(qū)的植物生長好，這些其實都是電場在其中起作用。最早發(fā)現(xiàn)電場效應(yīng)現(xiàn)象的是英國一個園藝學(xué)家從常遭雷電擊的地區(qū)植物長得好受到啟發(fā)的，從而開始了對電場的研究。高壓靜電技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，現(xiàn)對國內(nèi)外靜電技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究進行闡述。

1 對種子萌發(fā)及其活力的影響

1.1 促進種子萌發(fā)以及活力的表現(xiàn)

靜電生物效應(yīng)研究最早、范圍最廣的領(lǐng)域是利用高壓靜電場處理植物的種子，包括水稻、茶葉、小麥以及果蔬等植物的種子。我國學(xué)者于20世紀(jì)70、80年代開始對經(jīng)濟作物、藥用植物、果蔬等各種植物種子采用高壓靜電場處理，探索高壓靜電場對種子萌發(fā)、活力表現(xiàn)、生理生化變化、植株生長的影響[1]。許多學(xué)者研究表明，適宜的靜電場強度和處理時間對種子萌發(fā)有刺激作用，能增加種皮透性，促進細胞活化，使儲藏物質(zhì)加速分解、轉(zhuǎn)化和再利用，打破休眠狀態(tài)，提高發(fā)芽率，促進根部快速長粗，使幼苗生長旺盛[2-7]。

劉曉娜等[8]采取高壓靜電場技術(shù)將貫葉連翹種子放置在靜電場(100kv·m-1)中處理1h，發(fā)現(xiàn)靜電場技術(shù)處理能有效提高貫葉連翹種子發(fā)芽率，貫葉連翹種子的發(fā)芽勢(SP0)和發(fā)芽率(sPT)比無靜電處理提高2倍以上。孫迎春等[9]和趙根等[10]分別采用靜電場技術(shù)處理大豆和紅葉石楠植物的種子，發(fā)現(xiàn)靜電技術(shù)處理可以促進種子的發(fā)芽率、活力提高、提高生根率及根數(shù)。

1.2 抑制種子萌發(fā)作用

靜電技術(shù)雖然具有促進種子萌發(fā)及活力作用，但在一些情況下卻沒有效應(yīng)或起到抑制作用。原因之一是因為過低或過高強度的靜電場不利于種子萌發(fā)，甚至起到抑制作用，高壓靜電場生物效應(yīng)存在電場閾值和電場極限值。王清元等[11]將水稻種子放置在不同時間長度、場強為500kv·m-1的條件下處理，結(jié)果靜電場處理對水稻種子各項生理指標(biāo)具有明顯的抑制作用，時間越長則抑制作用越明顯。

高壓靜電場對某些種子無明顯效應(yīng)或者抑制種子萌發(fā)，降低種子活力。靜電場處理植物種子引起的抑制方面的作用，除了因靜電場處理強度大小和時間長短不同外，因研究者所用的植物材料種類而引起。如，在相同靜電場強度和時間處理條件下，花卉植物翠菊和優(yōu)良牧草苜蓿、萵苣、胡蘿卜、蘿卜、檸條、沙蒿、沙打旺、紫花苜蓿的種子對電場不敏感，對這些種植種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、胚根長度、種子簡化活力指數(shù)及細胞膜透性與CK相比均無明顯變化，甚至表現(xiàn)相反效應(yīng)[12-15]。

有些植物種子不適宜在鹽堿地進行靜電場處理。蔡興旺等[16]將茄子種子經(jīng)高壓靜電場處理后，在鹽堿環(huán)境下播種，其發(fā)芽率比對照下降了8.2%，說明茄子種子在鹽堿地播種不宜進行電場處理。

1.3 對種子生理生化的影響

酶活性的變化直接影響植物的代謝過程，酶活性的提高對催化中心起活化作用。高壓靜電場作用有利于脫氫酶、淀粉酶、過氧化氫酶、過氧化物酶、脫氧酶等酶的合成，利于萌發(fā)期種子對基本營養(yǎng)物質(zhì)的分解，使基礎(chǔ)代謝加快、呼吸加強、產(chǎn)生大量氧自由基，種子的活力明顯提高，促進種子的萌發(fā)，產(chǎn)生幼苗生長健壯的效果[17-20]。

昊旭紅等[21]利用不同電場強度處理南瓜種子一定時間后，發(fā)現(xiàn)可溶性蛋白含量增加、清除自由基酶的活性變強、呼吸強度和電解質(zhì)外滲率得到不同程度的改善，從而使種子活力增強、提前萌發(fā)。另外，在插穗時使用一定強度的高壓靜電場進行處理，同樣可以誘導(dǎo)根的生長。林麗仙等[22]在三角梅插穗生根發(fā)育的不定根誘導(dǎo)期使用靜電場處理，致吲哚乙酸氧化酶活性明顯下降，使IAA生長素增加，促進生根效果。

2 促進光合作用

靜電場對植物光合器官和功能的變化有顯著影響。在靜電場作用下，葉片的光合速率及呼吸速率都明顯提高，其中光合速率要比呼吸速率增加的幅度大。靜電場下葉片的葉綠素a含量增加，但葉綠素b卻有所減少，但葉綠素總量仍比沒有電場處理高。這表明靜電場促進葉綠素a含量增加比葉綠素b的減少量要大得多。

將作物葉片或幼苗置于靜電場下生長，葉片在靜電場下積累的元素增多，這些元素又是光合合成中不可缺少的調(diào)節(jié)及營養(yǎng)元素。其增長對保證葉片色素合成及光合過程有關(guān)酶的合成提供了營養(yǎng)條件、葉片厚度、葉片單位面積的柵欄細胞數(shù)，每個細胞中的葉綠體數(shù)、葉綠體中的基粒數(shù)及基粒中的類囊體片層數(shù)均提高，從而改善作物的光合性能[23,24]。

3 提高抗逆性

高壓靜電場處理過的作物在葉片受到低溫脅迫后，使植物葉片的可溶性蛋白含量提高，電導(dǎo)率變小，植物葉片的抗寒性變強[25,26]。國內(nèi)早期研究已經(jīng)證實，高壓靜電場處理小麥種子，葉綠素含量增加，游離氨基酸和蛋白水解氨基酸含量有所變化，總N、P：O、Mo、Co、Cu、Zn、Mn和FeO也會顯著升高，增強其抗凍害能力[27]。

白粉病是危害葫蘆科作物的主要病害，尤其是在設(shè)施栽培的情況下，一旦出現(xiàn)此病，病情發(fā)展迅速，對西瓜、甜瓜、南瓜、西葫蘆、黃瓜和絲瓜產(chǎn)量威脅很大。過去常用的防治方法是藥劑法，但現(xiàn)在看來，這類方法存在著許多弊端，目前新出現(xiàn)的空間電場防病促生技術(shù)正在成為無公害植物產(chǎn)品設(shè)施生產(chǎn)中病害防治的新概念?？臻g電場防病促生技術(shù)系統(tǒng)能夠很好地控制白粉病，防效一般在96%以上。

4 靜電場在干燥脫水方面的應(yīng)用

物料干燥方法通常有對流干燥法、傳導(dǎo)干燥法、輻射干燥法、介電干燥法。各種干燥法的共性是物料必須升溫，有時溫升還很高，對熱敏性物料不利。靜電場干燥技術(shù)是一種新型的節(jié)能與環(huán)保型干燥技術(shù),具有不污染空氣、不會使物料升溫、干燥均勻、可殺滅細菌、干品質(zhì)量檔次高、能耗相對較低等優(yōu)點。近年來，靜電干燥技術(shù)已被越來越多地應(yīng)用于蔬菜、水果、中藥材和生物制品等熱敏性物料的干燥領(lǐng)域[28-31]。靜電場干燥技術(shù)的投入使用引領(lǐng)農(nóng)產(chǎn)品干燥加工產(chǎn)業(yè)升級發(fā)揮重要作用。

4.1 對農(nóng)作物種子的干燥試驗研究

優(yōu)質(zhì)種子是發(fā)展農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個重要前提，而節(jié)能環(huán)保的種子干燥技術(shù)是保持優(yōu)良種子的關(guān)鍵點，因為種子屬于熱敏性物料，容易受到熱破壞其活性，傳統(tǒng)干燥方法(自然涼曬或熱風(fēng)干燥)存在受自然條件影響、速度慢、耗能多等缺點。有學(xué)者研究表明，利用多針一盤式高壓靜電場對糙米、小麥種子干燥處理，相比未經(jīng)過靜電處理的樣品，干燥速率快，并隨著電壓增大而加快，不影響谷粒的含量及其發(fā)芽率[32,33]。丁昌江等[34]對玉米種子利用高壓電場干燥技術(shù)進行處理，結(jié)果與傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥相比，干燥時間縮短，干燥速度增加1倍，對種子活性也沒有負面的影響。

4.2 對木材干燥試驗研究

靜電干燥是一種新型的節(jié)能與環(huán)保型干燥技術(shù)，具有能耗低、不污染空氣、干燥均勻、可殺滅細菌等優(yōu)點，為木材的干燥提供了一條全新的有效途徑。王妮妮等[35]用自制的高壓靜電干燥裝置對桐木、松木兩種木材進行干燥，結(jié)果其干燥速率是自然干燥的3～5倍，并隨靜電場強度的增強而提高。

4.3 對水果和蔬菜干燥試驗研究

高壓靜電場和超高壓殺菌、輻射殺菌一樣，是近20a發(fā)展起來的冷殺菌技術(shù)，具有保持食品中功能成分的生理活性，保持食品色、香、味及其營養(yǎng)成分的特性。

Bajgai T R等[36]分別利用多針式高壓電場與熱風(fēng)干燥對蘿卜進行干燥處理，靜電干燥處理的蘿卜顯示出更少的收縮、更高的吸水率及再水合能力、損失低、保留更好的顏色等優(yōu)點。梁運章等[37]采用靜電場技術(shù)干燥胡蘿卜和馬鈴薯，結(jié)果顯示，胡蘿卜靜電場干燥在40℃溫度環(huán)境下靜電干燥比75℃溫度環(huán)境下熱力干燥速度提高約80%，馬鈴薯在40℃溫度環(huán)境下的靜電干燥比79℃的熱力干燥速度提高約144%，且靜電干燥的胡蘿卜和馬鈴薯的色、香、味明顯優(yōu)于熱風(fēng)干燥。

4.4 高壓靜電場在中藥材干燥的應(yīng)用

有效成分含量的多少關(guān)系到中藥材品質(zhì)的好壞，中藥材的有效成分除了受產(chǎn)地、采收季節(jié)、時間、加工方法等因素影響，其中干燥工藝是影響中藥材品質(zhì)的重要因素之一。干燥工藝不適，直接導(dǎo)致中藥材的有效成分損失，影響中藥材的質(zhì)量。目前使用的熱風(fēng)干燥工藝或多或少對藥材的有效成分含量有一定的影響，靜電干燥技術(shù)適合熱敏感性藥材的干燥。梁運章[38]采用具有封閉系統(tǒng)，溫度可自控，系統(tǒng)內(nèi)部溫度容易均衡的靜電干燥技術(shù)對熱敏性物料西洋參和金霉素兩種不同藥物進行干燥，試驗結(jié)果表明，相比熱風(fēng)干燥技術(shù)，靜電干燥技術(shù)可以明顯縮短干燥時間，有效成未有損失，色澤與干燥前保持一致。

5 在水果和蔬菜保鮮方面的應(yīng)用

果蔬產(chǎn)業(yè)與國計民生息息相關(guān)。在日常生活中果蔬是人民不可或缺的生活必需品，更是食品工業(yè)領(lǐng)域重要的加工原料。果蔬采收后仍然保持呼吸作用，但養(yǎng)分逐漸被分解，隨著貯存時間的延長，會失水、萎蔫、產(chǎn)生霉斑，最終失去食用價值。高壓靜電場促使果蔬中的電生物效應(yīng)失衡和酶活性降低，抑制新陳代謝，延長貯存時間。另外，高壓靜電場電離空氣產(chǎn)生一定量的臭氧、負離子和紫外線[39]?？諝庳撾x子對農(nóng)產(chǎn)品新陳代謝有抑制作用，可降低生物內(nèi)部酶的活性；臭氧和紫外線殺滅果蔬表皮及貯藏空間的細菌和霉菌，減少農(nóng)產(chǎn)品的霉?fàn)€；臭氧還可以分解果蔬自行產(chǎn)生的催熟劑乙烯，達到延緩果蔬成熟衰老的目的。將靜電技術(shù)應(yīng)用于果蔬等保鮮具有良好的效果和應(yīng)用前景。

有學(xué)者用高壓靜電場處理藍莓、草莓、芒果等果實，果實的呼吸速率、維生素C損失速度、纖維素酶及多聚半乳糖醛酸酶降低緩慢，可溶性固形物含量和果實硬度顯著高于未用靜電處理的，不僅抑制了果實腐爛指數(shù)，還提高了果實保鮮度[40-43]。吳玨等[44]高壓靜電場處理對椪柑的采后保鮮和品質(zhì)維持中具有潛在的應(yīng)用價值，在保持可溶性糖含量、保持色澤、降低呼吸率等方面具有積極作用，但與防腐保鮮劑相比還存在較大差距，并不能完全控制采后腐爛。有研究指出，在短時間靜電場處理對果蔬的呼吸作用沒有顯著的影響，不適合于蔬菜水果的貯藏[45]。

6 在植物雜交不親和性及其它方面的應(yīng)用

有研究采用適宜劑量的高壓靜電場處理羽衣甘藍和草原龍膽的花粉，結(jié)果表明，花粉的水溶性總蛋白含量、淀粉酶活力、花粉萌發(fā)率以及結(jié)籽率均不同程度提高[46]。楊杰[47]利用高壓靜電場處理百合品種“雪皇后”、“元帥”、“西伯利亞”3個品種的花粉1min，結(jié)果表明，花粉萌發(fā)率、自交與雜交親和指數(shù)及結(jié)籽率均有所提高，受精的胚珠和正常發(fā)育的胚的數(shù)量增加。

除此以外，電場的殺菌效應(yīng)也是其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上得以被利用的重要方面，靜電場殺菌機理為靜電場作用于細菌時，細菌的胞膜瞬間發(fā)生變化，破壞其膜的滲透性，從而使靜電場起到殺菌的效應(yīng)。目前靜電場技術(shù)已用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中各種病菌的預(yù)防與防治。孫思[48]用高壓靜電場處理已經(jīng)發(fā)病的銀海棗離體葉片，能顯著抑制鏈格孢菌的萌發(fā)，降低菌落產(chǎn)孢量，抑制茵落生長，有效抑制了葉片病斑擴展，防止了植物病情的進一步惡化。并且處理時間越長，抑制效果越好。

茶葉靜電分選是隨著電流體動力學(xué)的發(fā)展而出現(xiàn)的一門新技術(shù)。該技術(shù)在茶葉精選中的應(yīng)用仍處于完善階段。茶葉電選的原理是因為茶梗和茶葉的電學(xué)特性不同，茶葉和茶梗在靜電場中感應(yīng)和極化所荷電的量和性質(zhì)存在差異，其在靜電場中下落時會產(chǎn)生不同的運動軌跡，在分離板的引導(dǎo)下便可以將茶梗和茶葉分離。茶葉靜電分離具有耗電少、分選率高的優(yōu)點，同時又能滿足茶葉清潔化生產(chǎn)的要求，成為茶葉分選行列中的佼佼者[49]。靜電揀梗機振動篩是現(xiàn)代茶葉CTC紅碎茶生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一，傳統(tǒng)的茶葉生產(chǎn)線缺少茶葉揀梗設(shè)備，揀梗操作主要是靠飄篩、篩分或者手揀，存在很多缺陷，如，產(chǎn)量質(zhì)量無法保證、費工又費時、噪聲污染大，同時占用廠房面積大等。而靜電揀梗機振動篩是CTC紅碎茶生產(chǎn)的粗精合一的設(shè)備[50]。

7 討論和展望

綜上所述，關(guān)于高壓靜電場處理對生物的影響相關(guān)研究人員已做了大量的生物效應(yīng)研究和開發(fā)研究工作，在促進種子萌發(fā)及提高活力指數(shù)、作物光合速率、脫水干燥、果蔬保鮮等一定范圍內(nèi)被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，但目前利用高壓靜電場處理的種子多數(shù)為干種子，對于吸過水萌動后的種子產(chǎn)生什么生物效應(yīng)有待探討；靜電場對某些植物種子萌發(fā)的生物學(xué)效應(yīng)具有抑制作用，其機理尚待深入研究；靜電處理對果蔬保鮮方面具有降低呼吸率、酶活性，提高果實硬度和可溶性固形物含量，但到底處理多長時間最適宜、效果最佳有待進一步研究。

高壓靜電場在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用是近年發(fā)展起來的一項新的農(nóng)業(yè)技術(shù)，經(jīng)電場處理后的作物，即可實現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的目標(biāo)。因此，靜電技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著廣闊的應(yīng)用前景，應(yīng)積極地加以研究與應(yīng)用，從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，滿足人們生活需要。