高壓靜電場及其在水產(chǎn)上的研究和應(yīng)用進(jìn)展

陳沛良 徐民俊

摘要：高壓靜電場（high voltage electrostatic field，HVEF）技術(shù)涉及物理、化學(xué)、電子、生物等多個(gè)學(xué)科，具備能耗低、效率高、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是未來消毒殺菌和低碳環(huán)保的重要發(fā)展方向，并逐漸成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域新興研究熱點(diǎn)。綜述了近20年來HVEF在滅菌和食品保鮮等方面的主要研究進(jìn)展及其在水產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，旨在促進(jìn)其在水產(chǎn)品處理以及水產(chǎn)育種等方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高壓靜電場；水產(chǎn)養(yǎng)殖；生物效應(yīng)doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0928

中圖分類號：S983 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：10080864（2024）02001307

高壓靜電場（high voltage electrostatic field，HVEF）是一種人工綜合效應(yīng)場，通過不同的處理方式可以產(chǎn)生不同的生物效應(yīng)。一定條件下，HVEF處理能夠促進(jìn)農(nóng)作物生長發(fā)育進(jìn)而增產(chǎn)，對水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)物種同樣可以起到促進(jìn)生長發(fā)育和提高存活率的作用。在水產(chǎn)領(lǐng)域，由于飼養(yǎng)環(huán)境以及水產(chǎn)物種的特殊性為HVEF處理帶來困難。本文介紹了HVEF的原理，綜述了其生物學(xué)效應(yīng)及在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面的應(yīng)用，旨在促進(jìn)其在水產(chǎn)品處理以及水產(chǎn)育種等方面的應(yīng)用。

1 HVEF 的原理

HVEF由低壓電源經(jīng)過電子線路處理產(chǎn)生高頻矩形波，再經(jīng)整流、濾波、多諧振變換和多級倍壓整流等電路，變換成連續(xù)可調(diào)的穩(wěn)定直流高電壓輸出。高壓靜電可以作用于蛋白質(zhì)使其極化，導(dǎo)致膜兩側(cè)電荷密度發(fā)生改變，從而使脂質(zhì)極性端基側(cè)向移動(dòng)，引起烴鏈傾斜彎曲，產(chǎn)生相變?？臻g電場發(fā)生變化會引起植物體內(nèi)離子的重新排布，進(jìn)而影響植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和運(yùn)輸，從而調(diào)控植物的吸收、同化物的運(yùn)輸以及多種生理活動(dòng)，影響細(xì)胞膜的通透性，提高種子活力或促進(jìn)植物生長發(fā)育[1]。通過改變正負(fù)電極板兩端的電壓和2塊電極板之間的距離對不同對象施加不同強(qiáng)度的HVEF，從而影響其生物學(xué)活性，達(dá)到殺菌、消毒的效果。根據(jù)使用目的不同可以將電極設(shè)計(jì)為平行板、針對板和線板形式。

生物電（bioelectricity）是生物體在生命活動(dòng)過程中表現(xiàn)出來的電現(xiàn)象[2]。200多年前，人類已經(jīng)開始利用電鰩所產(chǎn)生的生物電來治療精神病[3]。生物電包括非動(dòng)作電位和動(dòng)作電位，電信號是有機(jī)體生長發(fā)育的信號，生物體幾乎所有的生命活動(dòng)都需要電信號的推動(dòng)。在可興奮組織（如神經(jīng)和肌肉）的細(xì)胞膜內(nèi)、外存在著不同的帶電離子，膜外呈正電，膜內(nèi)呈負(fù)電，存在著一定的電位差，即膜電位，膜電位廣泛存在于細(xì)胞膜和各類細(xì)胞器的膜結(jié)構(gòu)[45]。如果生物體的電活動(dòng)受到干擾就會影響到有機(jī)體的生長發(fā)育。電場是電荷周圍的空間，在該空間內(nèi)它能夠?qū)α硪粋€(gè)電荷施加可感知的力。特別是在高壓下，電場會誘發(fā)各種靜電現(xiàn)象，這為HVEF應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，例如可有效地防治害蟲[6]。由于生物體具有獨(dú)特的生物電現(xiàn)象，HVEF能夠刺激改變生物體內(nèi)的電現(xiàn)象從而產(chǎn)生獨(dú)特的生物效應(yīng)。

2 HVEF 的生物效應(yīng)特點(diǎn)

2.1 HVEF 對生物體的促進(jìn)作用

HVEF的生物效應(yīng)具有4個(gè)特點(diǎn)，這在一定程度上可以為人類所用從而產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值[78]。

2.1.1 劑量不定性 劑量不同產(chǎn)生的生物效應(yīng)也會有差異，相同生物不同劑量或者不同生物相同劑量產(chǎn)生的生物效應(yīng)也會有所差異。HVEF劑量與場強(qiáng)和作用時(shí)間有關(guān)。劉一鳴等[9]使用場強(qiáng)為21.4 kV·m-1的電場處理雛雞，作用時(shí)間分別為30和60 min·次-1·d-1，發(fā)現(xiàn)雛雞的平均增重均高于對照組，平均增長率分別為17.74%和35.03%。

2.1.2 參數(shù)多元性 生物體自身是個(gè)電場等勢體，擁有非常復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此靜電場作用產(chǎn)生的生物效應(yīng)不僅受靜電場劑量等因素影響，還受生物體自身理化特性和生長發(fā)育情況等的影響。蔡興旺等[10] 使用不同場強(qiáng)（500、600 和700 kV·m-1）的HEVF 分別以不同的時(shí)間（4、8 和12 min）處理茄子種子，對比各組的發(fā)芽率、根長、苗高等指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，不同的處理?xiàng)l件分別對茄子產(chǎn)生不同的效應(yīng)。

2.1.3 多向性及閾值 電場的方向性使生物對各個(gè)方向的電場產(chǎn)生不同的效應(yīng)，通常靜電場對生物的影響有3 種形式，即促進(jìn)、抑制和無變化。3種形式之間又可以相互轉(zhuǎn)換，不同形式轉(zhuǎn)換的臨界點(diǎn)就是其對應(yīng)的閾值。甘平等[11]研究表明，小白鼠在同樣的場強(qiáng)（50 kV·m-1）下，高壓正靜電場組的體質(zhì)量較對照組有明顯的增加，平均增加19.5%，而在高壓負(fù)靜電場中體質(zhì)量卻低于對照組。此外，正靜電場能夠促進(jìn)植物根的生長，負(fù)靜電場能增強(qiáng)水稻種子中脫氫酶的活性，且比正靜電場處理的效果更好，而負(fù)靜電場對玉米種子活力的提高能力卻不如正靜電場[12]。

2.1.4 階段性特征 生物體生長發(fā)育會經(jīng)歷不同的階段，電場對不同細(xì)胞或者處于不同生長階段的細(xì)胞產(chǎn)生的生物效應(yīng)都會有所不同，從而呈現(xiàn)出階段性特征。在400～600 kV·m-1 的HVEF下，雙桑蠶的孵化率以及其在三齡前的呼吸強(qiáng)度都明顯提高，但是在發(fā)育后期對其各項(xiàng)生理指標(biāo)并無顯著的影響[13]。早在20 世紀(jì)70 年代，我國就對電場處理植物種子的生物效應(yīng)進(jìn)行研究[14]。近年來，許多研究使用HVEF處理大豆、菠菜、黃瓜和玉米等植物種子，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過HVEF處理后種子萌發(fā)率均大大提高[15]。李亞嬌等[7]通過使甘草種子在18 kV·cm-1（25 min）條件下進(jìn)行高壓靜電處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過處理的甘草苗株高比未處理的高。

綜上所述，在一定條件下，適量的HVEF處理對生物的生長發(fā)育具有促進(jìn)作用，選取適宜的場強(qiáng)和處理時(shí)間等條件，可以顯著促進(jìn)某種生物的生長發(fā)育，從而創(chuàng)造更多的價(jià)值。

2.2 HVEF 對生物體的抑制作用

HVEF刺激對生物的影響除了促進(jìn)作用外，還有抑制作用，可以對生物體產(chǎn)生不利影響[16]，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。①HVEF導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)部水份流失，從而引起生物的生理特性改變。HVEF 能夠使種子的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)發(fā)生擊穿和變位，使種子內(nèi)部的水分快速流失，電導(dǎo)率變高，影響細(xì)胞的正常生理活動(dòng)和代謝[17]。②改變生物大分子的構(gòu)象，特別是改變酶的高級結(jié)構(gòu)從而影響其活性。李坤學(xué)等[18]研究發(fā)現(xiàn)，HVEF處理后，奶酪中蛋白質(zhì)的β轉(zhuǎn)角含量增加，二級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。③改變細(xì)胞膜的通透性，使膜兩側(cè)離子排布和電位發(fā)生改變。Huang等[19]研究發(fā)現(xiàn)，HVEF處理增加了抗輻射鏈球菌的細(xì)胞膜通透性，并對細(xì)胞膜的完整性造成不可逆的損害，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡和核酸、蛋白質(zhì)和小離子等細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的泄漏。④誘發(fā)基因發(fā)生突變。HVEF處理黑麥6 h，其根尖細(xì)胞的畸變率分別為0.18% 和0.66%，畸變細(xì)胞中的染色體發(fā)生斷裂，染色體上的基因可能發(fā)生了變化[20]。

3 HVEF 在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用

3.1 HVEF 在水生生物育種中的應(yīng)用

育苗是水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，優(yōu)質(zhì)的苗種既能顯著提高經(jīng)濟(jì)效益，又可以有效避免養(yǎng)殖后期發(fā)病的問題。近年來，HVEF對水生生物育種的研究漸漸深入并取得了一些可喜成果。付麗麗[21]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過24 kV的HVEF處理5 min的藻株生長速度明顯加快，葉綠素含量提高，光合作用加強(qiáng)，各項(xiàng)指標(biāo)都較對照組更具優(yōu)勢，藻藍(lán)蛋白表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。李曉麗等[22]發(fā)現(xiàn)，HVEF 處理幾乎影響裙帶菜配子體的成熟率以及受精卵的萌發(fā)率，但促進(jìn)了其配子體的生長發(fā)育，而配子體是裙帶菜的主要經(jīng)濟(jì)收獲對象。因此HVEF處理能對藻類生長發(fā)育產(chǎn)生一定的積極影響，不但可以提高藻類自身的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，同時(shí)藻類作為魚類等水生經(jīng)濟(jì)物種的食物來源之一，也能有效提高其經(jīng)濟(jì)效益。

HVEF在鯽魚、鮑魚、團(tuán)頭魴等具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水產(chǎn)物種育種方面具有廣泛而深入的研究。早在1989 年就有研究通過短時(shí)間電場（1 650 V·cm-1）、磁場（10 000 Gs）刺激鯽魚胚胎發(fā)現(xiàn)，鯽魚胚胎的存活率能達(dá)到85%，高于對照組的70%，且在胚胎發(fā)育早期和神經(jīng)胚期是施加電場刺激、促進(jìn)其生長發(fā)育的最有效階段[23]。胡玉才等[24]發(fā)現(xiàn)，HVEF 處理后鮑魚胚胎的孵化率達(dá)到89.80%，比對照組提高了11.3%。王吉華等[25]使用電壓范圍為2 000～13 000 V·cm-1 的靜電場刺激鯉魚和鯽魚的早期胚胎，發(fā)現(xiàn)靜電場處理可使鯉魚的成活率在出苗10 d 后提高22%。因此，在合適的階段對水生生物進(jìn)行適宜的HVEF 刺激，能夠產(chǎn)生明顯的積極效應(yīng)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 HVEF 可延長水產(chǎn)品保質(zhì)期

高壓電場作為非熱處理技術(shù)，具有能耗小、效率高、無污染等特點(diǎn)，能最大限度減少食品中各種營養(yǎng)成分的流失，在食品加工尤其是在食品保鮮方面具有很大優(yōu)勢，其應(yīng)用范圍包括保鮮、冷凍、解凍、干燥、殺菌以及提取食品生物活性物質(zhì)等[2627]，前景廣闊。相較于其他熱處理方式，靜電保鮮技術(shù)更容易保持食材鮮度并延長貯藏期，防止?fàn)I養(yǎng)成分過多流失。HVEF技術(shù)的保鮮機(jī)制大致可以歸納為3點(diǎn)[28]：①通過電場刺激改變細(xì)胞膜兩側(cè)的離子排布和跨膜電位，從而影響生理代謝的過程；②呼吸系統(tǒng)的電子傳遞體受到電場的作用，減弱了生物體內(nèi)氧化還原反應(yīng)的進(jìn)程；③外加電場刺激能夠改變水的結(jié)構(gòu)從而引起酶的失活。此外，空氣中的氧氣等被HVEF解離，產(chǎn)生臭氧和負(fù)離子，臭氧的強(qiáng)氧化性質(zhì)能夠抑制或殺死食品表面微生物，起到殺菌消毒作用。

在長途運(yùn)輸過程中，為了保持鮮度、延緩腐爛，水產(chǎn)動(dòng)物產(chǎn)品（如魚、蝦）等通常采用低溫冰凍處理。經(jīng)過冰凍處理后，魚肉需要解凍后才能進(jìn)行烹飪，經(jīng)歷冰凍再解凍這一過程后，魚肉發(fā)生了一系列生化反應(yīng)，營養(yǎng)物質(zhì)流失嚴(yán)重，組織結(jié)構(gòu)受損，品質(zhì)大大降低。為探究更加適宜的保鮮技術(shù)，對HVEF技術(shù)輔助保鮮的研究日益興起。Ko等[29]發(fā)現(xiàn)，HVEF能有效保持羅非魚片的新鮮度，且在電場強(qiáng)度為600 kV·m-1 或更高時(shí)，效益增加。Huang等[30]發(fā)現(xiàn)，HVEF處理可抑制鯰魚類優(yōu)勢菌的生長，尤其是不動(dòng)桿菌和鏈球菌。而這2種菌都具有很強(qiáng)的腐敗能力，在品質(zhì)惡化中發(fā)揮了重要作用。此外，HVEF處理可以重新排列鯰魚肌肉的水分子或結(jié)構(gòu)，從而延長鯰魚片的貨架期。羅非魚片經(jīng)過3.8 kV的HVEF處理，再結(jié)合低溫以及合適的充氣比率包裝處理后，其蛋白質(zhì)的降解速率明顯降低，蛋白質(zhì)的變性也受到了抑制，此外，肌纖維的斷裂也在一定程度上受到抑制，而且貯藏期可延長9 d[31]。熊宇飛等[32]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過電場處理后，對蝦表現(xiàn)出更好的品相和質(zhì)感，且能有效減緩貯藏對蝦體內(nèi)的蛋白質(zhì)降解、脂肪氧化和微生物增長等不利于保持對蝦品質(zhì)的反應(yīng)。HVEF對于不同生物體的作用會有差異，不同強(qiáng)度HVEF的作用效果也不同，既可能加速生物體的代謝，也可能抑制生物代謝并延長保存時(shí)間，甚至影響作用不大。因此，需要對HVEF保鮮的機(jī)制進(jìn)行更加深入全面的研究，針對不同的產(chǎn)品開發(fā)對應(yīng)的最適處理方式。

3.4 HVEF 處理能有效地防止水產(chǎn)品解凍過程中變質(zhì)

在輔助冰凍和解凍方面，HVEF能夠促進(jìn)冷水自發(fā)成核，而且產(chǎn)生的冰晶大小和數(shù)目都明顯減小，能更好地保持冷凍食品品質(zhì)[33]。在解凍時(shí)施加HVEF，能夠減少肉汁流失、改善口感、降低蛋白質(zhì)的溶解度，同時(shí)能夠起到殺菌和加速解凍時(shí)間的作用[34]。Li等[3536]研究發(fā)現(xiàn)，HVEF可以促進(jìn)解凍過程中水分在鯉魚肌肉中的均勻分布，使魚肉的水分分布更接近鮮魚；與直接在空氣中解凍相比，HVEF不僅能夠明顯加快冷凍鯉魚塊的解凍，而且顯著減少魚肉的水分損失和微生物污染、增強(qiáng)單磷酸腺苷（adenosine monophosphate，AMP）脫氨酶活性、降低酸性磷酸酶（acid phosphatase，ACP）活性、延緩肌苷單磷酸（inosine monophosphate，IMP）的降解。但HVEF對生物體的作用同樣有負(fù)向影響，Mousakhani-Ganjeh 等[37]發(fā)現(xiàn)，HVEF 能電離周圍空氣產(chǎn)生臭氧，臭氧具有減少微生物負(fù)荷的優(yōu)勢；但另一方面，它可以誘導(dǎo)氧化，對一些易被氧化的食品可能會誘發(fā)脂質(zhì)氧化，引起食物變質(zhì)。不同場強(qiáng)對同一水產(chǎn)品或相同場強(qiáng)對不同水產(chǎn)品的保鮮能力不同，冷凍時(shí)間、儲存條件甚至包裝等都會影響解凍水產(chǎn)品的最終質(zhì)量。因此，解凍水產(chǎn)品的最終質(zhì)量不僅取決于解凍過程，還取決于冷凍儲存條件、食品保持冷凍的時(shí)間、包裝、產(chǎn)品形式和產(chǎn)品類型等因素[38]。

3.5 HEVF 制備水產(chǎn)飼料微膠囊

維生素、氨基酸和微生態(tài)制劑等常常作為飼料添加劑而被運(yùn)用，但是由于這類物質(zhì)不穩(wěn)定而不容易保存和運(yùn)輸，微膠囊技術(shù)常用來解決這一問題。在養(yǎng)殖過程中運(yùn)用微膠囊技術(shù)可以節(jié)約餌料、增加產(chǎn)量和減少飼料對養(yǎng)殖水環(huán)境的污染[39]。

使用高壓靜電微囊發(fā)生器制備微膠囊比其他方法更具有優(yōu)勢，與氣流制囊相比，其以靜電場力代替氣流作用于微滴，使得產(chǎn)生的膠囊更加均勻穩(wěn)定，裝置一般由注射推進(jìn)器、高壓靜電發(fā)生器和收集裝置3部分組成[40]。以制備濾棒香精微膠囊為例，操作步驟與傳統(tǒng)方法制備微膠囊基本一致，用注射器吸取適量制備好的濾棒香精乳狀溶液后進(jìn)行高壓靜電成囊，將高壓靜電發(fā)生器的正極與注射器針頭相接，負(fù)極與CaCl2 溶液相接，在注射泵的作用下以一定的速度推壓注射器，同時(shí)，在電場力的作用下乳狀溶液在針頭處形成具有一定粒徑的均勻的液滴，液滴滴入CaCl2溶液中，最終固化形成濾棒香精微膠囊[41]。采用HVEF可以制備出圓潤、光滑且質(zhì)地均勻的微膠囊，相比氣流制囊形成的形狀不規(guī)則、表面粗糙、大小不均勻的微膠囊具有很大的優(yōu)勢[42]。而且HVEF 技術(shù)操作簡單，可以增強(qiáng)一些多肽蛋白類藥物的穩(wěn)定性，可進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)[43]。此外，冷向軍等[44]向飼料中添加晶體氨基酸或微囊氨基酸研究其對鯉生長性能的影響，結(jié)果表明，攝食低魚粉飼料的鯉魚生長性能（最低增重率831.6％、特定生長率3.98%和最高飼料系數(shù)1.34）與添加晶體氨基酸的生長性能差異并不顯著（P>0.05）；添加微囊氨基酸則可促進(jìn)鯉魚生長，魚體質(zhì)量提高了8.67％（P<0.05），飼料系數(shù)降低了7.46％（P<0.05），生長性能與高魚粉組基本一致。同樣，在研究蝦類對晶體氨基酸或微囊氨基酸利用效果的實(shí)驗(yàn)中，也證實(shí)了在蝦飼料中加入微囊氨基酸效果明顯好于晶體氨基酸，而且由于晶體氨基酸在水中具有較大的溶失率導(dǎo)致對其利用率較低，而微囊氨基酸因?yàn)槲⒛业拇嬖谑沟闷湓谒械娜苁瘦^低，從而表現(xiàn)為更高的利用率[45]。此外，枯草芽孢桿菌微膠囊制劑可以提高中華絨鰲蟹抗病力，與對照組77.7%的死亡率相比，1 g·kg-1 處理組的死亡率為33.33%，而5 g·kg-1 處理組的死亡率可以降低到22.22%[46]。這些都為HVEF制備的微膠囊與水產(chǎn)養(yǎng)殖相互結(jié)合運(yùn)用提供了依據(jù)，但由于相關(guān)研究報(bào)較少，需要進(jìn)一步對其在水產(chǎn)養(yǎng)殖中大規(guī)模使用效果進(jìn)行評估。

4 結(jié)語

隨著對HVEF技術(shù)研究的逐漸深入，其在水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)中掀起了新的研究熱點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。目前，HVEF在水產(chǎn)領(lǐng)域雖然取得了一定進(jìn)展，但相對其他領(lǐng)域（如食品加工以及作物育種等）進(jìn)展緩慢。由于水生生物體自身復(fù)雜的理化環(huán)境、養(yǎng)殖水環(huán)境特殊的理化特性以及目前關(guān)于HVEF 的生物效應(yīng)研究等仍有許多空白，而且研究不夠深入，作用機(jī)制不夠清楚，這都為后續(xù)研究帶來挑戰(zhàn)和思考，需要加大對該領(lǐng)域的研究并嘗試使用更多的新興技術(shù)。此外，HVEF 的生物效應(yīng)是多學(xué)科的交叉融合，涉及物理、化學(xué)、電子、生物等多個(gè)學(xué)科，需要不同學(xué)科科研工作者共同努力，通過相關(guān)領(lǐng)域研究的不斷深入，HVEF在水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的巨大優(yōu)勢將會被不斷發(fā)掘。

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（責(zé)任編輯：溫小杰）