番茄高压静电场处理的生物效应研究

陈建中　胡建芳　杜慧玲　王玉国

摘要：从高压静电场的产生及其生物效应特点出发，综述了其在农业领域的应用和研究现状，概述了静电场处理应用于番茄（Solanum lycopersicum）的生物学效应研究概况，力求为利用高压静电场新技术促进番茄增产增效提供借鉴和指导。

关键词：番茄（Solanum lycopersicum）；高压静电场；生物效应

中图分类号：S641.2；Q689 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）01-0007-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.01.002

番茄（Solanum lycopersicum）又称西红柿、洋柿子、番柿等，属于茄科番茄属中以成熟多汁浆果为产品的一年生或多年生草本植物。番茄原产于南美洲的秘鲁、厄瓜多尔和玻利维亚。16世纪由墨西哥传入欧洲，在意大利、西班牙、英国、法国等国家最早只是作为观赏植物。直到17世纪，番茄才在欧洲作为蔬菜栽培。19世纪中后期，番茄生产急剧增加，几乎涉及到全世界。大约17世纪末至18世纪初，番茄才引入中国。解放以后，番茄生产才在中国迅速发展，成为最主要的果菜之一。番茄作为食用蔬果现已被全球性广泛种植[1]。

番茄果实色泽鲜艳，肉质纤细，酸甜适口，汁多味鲜，富含可溶性糖、有机酸、蛋白质、维生素A、维生素B1、维生素C、胡萝卜素和矿物质等多种营养物质，矿物质中所含有的钙、铁、磷、硫、钾、钠、镁等矿物盐类，对血液的新陈代谢起很好的作用。番茄除可生食与熟食外，还可制成原汁、罐头、番茄酱、番茄粉和番茄干等多种加工制品。番茄味甘、酸、微寒，有消热解毒、生津止渴、养阴凉血、健胃消食等作用；番茄皮含有很高的膳食纤维，具有改善肠内的生态环境，排泄有毒物质等功能；番茄红素可预防及治疗癌症及心血管病、消除香烟和汽车尾气中的有毒物质、提高人体免疫力、抗衰老、降血脂和胆固醇。此外，一些特色番茄品种如樱桃番茄等兼具观赏价值，使其越来越受到老百姓的喜爱[2]。

1 高压静电场技术在农业中的应用

人类和各种生物赖以生存的地球表面，本身是一个天然的电场，地球电离层相对于地面有360 kV的正电位，其强度为130 V/m，每1 s内，大约有1 800 C的正电荷从大气中流入地下，突出于地面的植物正是这1 800 A大气电流的重要通道[3]，长期生长于地球表面的植物，其电荷分布、排序以及运动都有一定的规律性，自然静电场的存在已经成为它们生长、发育不可缺少的条件，所以生物体周围电场的变化必然会影响其新陈代谢的过程[4]。高压静电场处理技术作为物理农业的一种新技术，虽然发展和起步较晚，但由于它契合着生态农业、物理农业的潮流，简单、有效、省时、低耗、无环境污染和广泛适用的处理手段，使其展现出强大的生命力，成为农业领域应用和研究的新热点，越来越受到农业专家的追捧和农业从业者的重视。

1.1 高压静电场的产生

静电生物效应就是研究静电场对生物体（包括动物、植物、微生物和人）所产生的影响。将220 V的电压升高整流，再通过高压电缆、保护电阻等加到电晕线或金属板上，这样就形成了高压电场。高压电场有静电场和交变电场，静电场又分为非均匀电场和均匀电场。电晕线电场属于非均匀电场，通过调整电晕线与金属板之间的距离来控制电场强度的大小，并通过高电压电离空气产生的空气离子和臭氧发挥作用[5]，由两块平行金属板作电极组成的电场是均匀电场，均匀电场可忽略边缘效应。

1.2 高压静电场生物效应特点

相关资料表明：高压静电场诱导生物效应的变化具有剂量不定性、参数多元性、多向性及阈值、阶段性及消退效应等特点[6-13]。剂量不定性是指相同的生物，施以不同剂量的电场，产生的效果各异，不同的生物施以相同剂量的电场产生的效果也不同，在进行电场技术应用时，一定要正确选取电场剂量；参数多元性是指生物所受高压静电场的生物效应不仅与场强和作用时间有关，也与生物体自身品种、种类、含水量以及周围环境中的温度、湿度等生物生长的自然条件和自然环境电磁场的大小及生物体放置的方向等诸多外界因素有关，具有多元性，是生物内外因素综合作用的结果；多向性是指不同的生物对象对电场的方向性要求不一样，即生物在受到电场作用时，正负电场的作用效果均不一样；阙值是指电场影响生物分三种形式，即对生物的生长表现为促进、抑制和无变化；阶段性是指在生命过程中静电场的生物效应也随生物体的生长发育而变化，即呈现出明显的阶段性；消退效应是指生物体施加电场后的生物效应会随时间推移逐渐减弱乃至消失。

1.3 高压静电场在物理农业中的应用研究

生物体的高压静电场处理作为一种物理技术，既是物理的，又是生理生化极其复杂的转化过程。

电场对生物影响的研究始于18世纪中叶，主要研究电场作用于生物体而引起生物体刺激或抑制生物生长发育或致死效应[6]。利用高压静电场处理植物的种子，提高种子活力，是静电生物效应研究最早、范围最广的领域，国外早在20世纪50～60年代就进行了研究，我国在20世纪60年代只进行了一些初步探索，直到20世纪90年代才开始大量的研究[12]。目前，高压静电场在农业中的主要应用有：静电处理种子、静电喷雾施药、空间电场防病促生技术、电场保鲜技术、高压电场干燥技术及高压静电场在作物抗逆性中的应用研究等。相关研究表明：第一，利用高压静电场预处理种子，既能促进种子萌发，显著提高种子的发芽势、发芽率、根系活力和呼吸强度，同时，能促进？琢淀粉酶、超氧化歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）的活性和可溶性蛋白质含量、ATP含量提高，又具有杀菌效果。其次，还可利用种子电学特性差异来分选不同活力与含水量的种子，提高种子纯度。再次，静电场产生电晕放电，可促进植物的光合作用，使植物生长快、开花早、花期长，从而实现高产[14-20]。此外，对植物施以静电场，可明显促进植物的生长发育。第二，利用静电喷雾技术防治农作物病虫害，作为现代植保施药的一项新技术，能有效减少药液损失，降低环境污染[21-23]。第三，在作物生长空间人为地加上特定强度的高压静电场，从而对植物的多种生理活动进行调控，这种空间电场防病促生技术有较好的促进生长和防病作用[24]。第四，依靠高压静电场，使带有电荷的涂料微粒在电场力的作用下，沉积在果蔬、食品表面以形成均匀涂膜的表面静电涂敷，有较好的防腐保鲜效果；高压静电场处理果蔬，能延缓果蔬成熟衰老，对黄瓜、斑豆、番茄、豌豆荚、苹果、香蕉、红薯、谷物、蓝莓果等果蔬的保鲜效果显著，表明高压静电场在保鲜方面具有良好的发展前景[25，26]。第五，高压静电场干燥技术具有能耗低，不污染环境，干燥均匀，物料不升温，还可杀菌的优点，能很好地保存物料的有效成分，使果蔬在脱水的同时，能最大程度地保留其营养成分和感观质量，减少干制过程对果蔬中营养成分的破坏及对色泽等方面的影响，且在能源消耗、设备投资和操作费用方面耗资较少[27]。此外，高压静电场处理能提高抗氧化酶活性，增强渗透调节物质含量，从而提高植物的抗逆性[28-30]。endprint

1.4 高压静电场作用机理研究

近几十年来，高压静电场对生物体的影响已在许多方面得到研究和开发利用，高压静电场生物效应作为在物理农业上的热门课题越来越受到人们的重视，应用范围也逐步扩大。但目前，人们还不能够通过已有理论对高压静电场产生的生物学效应进行全面分析和解释，只能根据大量的生化检测与试验结论相结合来研究其作用和机理。目前，对其作用机理的物理微观模型研究和解释主要包括介质极化微观理论、一维自由谐振子能级理论、势垒贯穿理论、离子响应电流理论、水分子极化理论等[31-35]。

2 番茄电场处理生物效应研究概况

番茄作为一种风靡全球的蔬菜水果，兼具营养和观赏价值，受到世界各地人们的喜爱。随着电场技术在近几十年来的大量研究和发展，以番茄作为高压静电场处理和研究对象的试验和应用也在大力开展。

2.1 利用电场处理使番茄保鲜和易于贮藏

张全国[36]用高压静电场预处理番茄后，研究了对其保鲜效果的影响。结果表明，番茄在电场150 kV/m+45 min下处理后，有效延长了其保鲜时间，在自然条件下其呼吸高峰推迟4 d后出现，且能有效保持较高的表面抗压强度和较低的失重率。王愈等[37]在200 kV/m+2 h/d负高压间歇静电场（简称稳恒电场）和-200～200 kV/m+2 h频率40 kHz（简称交变电场）两种不同电场处理条件下，研究绿熟番茄的贮藏品质，结果表明，高压静电场处理果实腐烂指数显著优于交变电场处理，但两种处理均能延缓果实硬度，使可溶性糖、果皮叶绿素含量下降及可滴定酸、红素含量上升，从而延缓果实衰老，提高果实的贮藏性。王愈等[38]对静电场处理下贮藏番茄的生理生化及品质变化进行研究，结果表明，适宜贮藏的最佳静电处理条件为-200 kV/m+2 h/d，在此处理条件下，绿熟番茄呼吸跃变推迟6 d，显著延缓其果实由硬变软、由绿转红的时间，且通过对各项指标的分析可得出，果实的细胞膜透性受静电场处理调控。

2.2 利用电场技术选种，促进番茄种子发芽、苗期生长和增产

迟燕平等[39]研究了高压电场对番茄种子萌发的生物学效应，结果表明，影响种子萌发的因素依次是种子干湿情况、场强及作用时间，当电场强度处理条件为8 kV/cm+180 s，作用对象为湿种子时，种子中的CAT、POD、SOD的活性明显增强。王斌等[40]研究了静电场处理与茄子种发芽的关系，结果表明，电场强度大小及处理时间长短与种子发芽间存在显著的相关性。蔡兴旺等[41]分析了经过高压静电场选种的茄子种子发芽指标及幼苗期的形态指标，得出结论：适宜的高压静电场处理（本试验所确定的最佳处理：600 kV/m+12 min）能显著提高种子的发芽势、发芽率和活力指数，但对形态指标会产生不同影响；并从酶活性和电解质外渗率的角度分析了造成种子发芽和生长变化的原因。蔡兴旺等[15]对珍珠番茄进行高压静电场选种和处理，并在考虑电场强度和处理时间相关性的基础上，采用二元二次回归模型，得出了出苗率、产量、SOD等指标的回归方程；与对照相比，最佳电场处理的番茄出苗率明显提高，出苗期缩短，SOD和CAT活性上升，且促进了幼苗生长，提高了蔬菜产量。

2.3 利用电场技术开展杀菌方面的研究

金声琅等[42]利用高压电场对番茄汁进行非热杀菌试验，结果表明，在控制条件下，可使番茄汁中接种的大肠杆菌数量降低6个对数以上，且通过对可溶性固形物、果胶、还原糖、抗坏血酸、番茄红素指标分析来看，番茄汁的品质不会受到高压电场杀菌处理的影响。阎立等[43]在用高压静电场处理番茄等种子时，发现电晕电场产生的臭氧起到了对种子杀菌消毒的作用，与此同时，处理后的种子的发芽势、出苗率有所提高，且幼苗长势和抗病能力都表现出增强的效果，最后的果实产量增加了5%～20%。

此外，电场技术还被用作番茄其他方面的研究。金声琅[44]采用高压电场技术辅助提取番茄皮渣中的番茄红素，提取率高达96.7%，且处理时间短。

3 小结

高压静电场对生物的影响已经得到了证实，但由于高压静电场对生物体的影响效应较为复杂，既受到生物体自身因素的影响，也受到环境因素的综合影响，只有从机理和分子结构角度分析，才有可能找到其变化规律。近年来，高压静电场技术在番茄生产和研发领域得到了一定的开展和应用，也取得了较好的经济效益和社会效益。但高压静电场规模处理番茄尚处于试验阶段，不同生长阶段如种子萌发期、苗期、成熟期等处理时机的选择、最佳处理条件的筛选尚没有形成统一的结论，高压静电场处理后，对番茄体内生物效应的触发响应机制等，都将是下一阶段的研究重点。

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