电工新技术的发展趋势

电工新技术的发展趋势

在电力生产、电工制造与其他工业发展，以及国防建设与科学实验的实际需要的有力推动下，在新原理、新理论、新技术和新材料发展的基础上。发展起来了多种电气工程新技术（简称申工新技术），成为近代申工科学技术发展中最为活跃和最有生命力的重要分支。在这些电工新技术中，有一些已发展成为新兴产业或对传统产业的技术改造发挥了重大作用，另一些将为21世纪电力生产、电工制造、交通运输及其他工业的发展带来重大的革新性变化，导致一些新兴高技术产业的产生与壮大。对于国民经济的发展和科学技术的进步来说.电工新技术的发展都有着重大的意义。

如图所示为电工新技术的分类，从图中可以看出，电工新技术的分支常常是由多种基础技术的交叉融合产生的。

超导电工技术

实用超导线与超导磁体技术与应用的发展，以及初步产业化的实现是 20世纪下半叶电工新技术的重大成就。在21世纪上半叶，无论是聚变电站、磁流体发电.还是磁悬浮列车、磁流体推进船的商业化，均将促使超导电工继续长足地向前发展，成为一个重要的电工产业。与此同时，还可期望，随着高临界温度超导体的实用发展，超导输电与超导飞轮储能将得到实际应用，工频超导技术的发展将使超导限流器、超导变压器、超导发电机与电动机投人运行.大能量的超导储能得到了示范和推广.超导电力技术成为电力发展的重要支柱如果实现了临界温度达到室温的实用超导体，整个面貌还将发生革命性的改观。

我国在超导技术研究方面，包括有关的工艺技术的研究和实验型样机的研制上，都建立了自己的研究开发体系，有自己的知识积累和技术储备，解决了一系列的关键技术问题，多数方面都接近或达到世界先进水平，这为在 21世纪建立我国的超导高技术产业打下了较好的基础。使用最广的在液氨温区使用的低温超导材料——NbTi导线。液氮温区高温超导材料—Bi系带材。

超导现象

1911年荷兰科学家昂纳斯（H.Kamerlingh Onnes）在测量低温下水银电阻率的时候发现，当温度降到-269 ℃附近，水银的电阻突然消失。电阻的消失叫做零电阻效应。后来有人曾在超导材料做成的环中把电流维持两年半之久而毫无衰减。由此可以推论.电阻率的上限为 10~23Ω.cm，还不到最纯的铜的剩余电阻率的百万亿分之一。零电阻效应是超导态的两个基本性质之一。

超导态的另一个基本性质是完全抗磁性，又称迈斯纳（Meissner）效应。即在磁场中一个超导体只要处于超导态，则它内部产生的磁化强度与外磁场完全抵消，从而内部的磁感应强度为零。也就是说，磁感线完全被排斥在超导体外面。

利用超导体的抗磁性可以实现磁悬浮。超导磁悬浮的实验，把一块磁铁放在超导体上，由于超导体把磁感线排斥出去，超导体与磁铁之间有排斥力，结果磁铁悬浮在超导盘的上方。这种超导磁悬浮在工程技术中是可以大大利用的，超导磁悬浮轴承就是—例。高温超导体发现以后，超导态可以在液氮温区（-169 ℃以上）出现，超导悬浮的装置更为简单，成本也大为降低。

由正常导体组成的回路是有电阻的，而电阻意味着电能的损耗.即电能转化为热能。这样，如果没有电源不断地向回路补充能量，回路中的电能在极短时间（例如微秒）里全部消耗完，电流衰减到零。如果回路没有电阻，自然就没有电能的损耗。一旦在回路中激励起电流，不需要任何电源向回路补充能量。

20世纪60年代初，实用超导体出现后，我国干60年代后期开始了超导电工研究.70年代末将超导电工定为我国电工研究领域的重点发展方向之一，以超导磁体技术与应用为主积极开展了工作。

20世纪90年代以来，随着实用的高临界温度超导体与超导线的发展，掀起了新的世界范围内的超导申力热潮，包括输电限流器、变压器、飞轮储能等多方面的应用，超导电力被认为可能是21世纪最主要的电力新技术储备。

我国已经在高临界温度超导输电电缆、限流器与变压器方面做出了可喜的成绩。最近，美、日等国正积极支持技术经济性能较目前的铋系高温超导线有显著提高的 YBCO涂层的第二代超导线的研究、发展与产业化，如能取得成功，超导电力的实用化与产业化进程将大大加速。另一方面，经过 20年的持续努力，超导磁体技术已成熟到可按要求提供 15万高斯以下、不同形态的大体积实用强磁场系统，已开始形成了低温超导线与磁体系统产业.目前全世界正在积极探索开拓强磁场的新应用。

超导电工已由最初的超导磁体技术扩展到了包括超导电力应用与强磁场应用，并由以研究发展为主，向着实用化与产业化方向前进。

超导技术的应用

目前，正在研究和开发的其他高温超导材料强电应用项目有超导电机、超导储能、超导悬浮轴承、超导磁悬浮列车、超导变压器，等等。

自从实用超导体出现后，人们就期待利用它使现有的常规电工装备的性能得到改善和提高，并期望许多过去无法实现的电工装备能成为现实。例如，同步发电机若采用超导励磁绕组，可以大大提高电枢绕组上的磁场强度.使发电机的体积和重量成倍地减小，从而使违造更大单机容量的同步发电机成为可能。同时，由于超导励磁绕组没有焦耳热损耗，电机效率可进一步提高，从而节省大量电能。但是，目前常规的超导线在交变磁场作用下，将产生交流损耗，这样在一定程度上限制了它在电力领域中的应用。近年来，随着低交流损耗的极细丝超导线的出现（直径一般为0.4 μm），以及高温超导材料的发现及其在应用方面的进展，使得超导技术有可能在更多电力装备中获得实际应用。

我国在电力领域也已开发出或正在研制开发超导装置的实用化样机。如高温超导输电电缆、高温超导变压器、高温超导限流器、超导储能装置和移动通信用的高温超导滤波器系统等，有的已投入实验运行。

一、超导电机

超导电机的研究对象主要是超导同步发电机和超导单极电机。早在 20世纪 60年代，美国AVCO公司就试制成一台立式旋转电枢的8 kW 超导发电机;1969年，麻省理工学院试验成功一台 45 kW超导发电机模拟机组，从而证明了在发电机上采用超导励磁绕组的现实可能性。

1972年美国西屋公司研制出一台5000 kW超导发电机，1973年麻省理工学院又研制出一台2 000 kW的超导发电机。美国西屋公司在美国电力协会的支持下，提出试制300 MW实用化超导发电机的计划。同一时期，前苏联、日本和德国也都积极开展超导发电机的研制工作。前苏联曾制成一台 300 MW超导同步发电机.并进讲行了低温实验.后来由于低温存储器有漏泄问题，致使实验停顿。

日本从 20世纪 70年代开始着手发展超导发电机的试制工作，先后研制了6 250 kW、30 MW 和 50 MW的超导发电机。

1988年，他们又开始执行一个70 MW超导发电机的研究计划，1999年已经完成样机，并成功地与7万伏电网进行了并网试验，最近又将功率提高到83 MW，这是目前世界最大的超导发电机。

我国上海发电设备成套设计研究所于1977年试制了一台 400 kW超导同步发电机，其转子励磁线圈由 NbTi超导线绕制，最大磁感应强度达1T。在此基础上，于1988年又研制成一台 400~800 kW超导同步发电机，并进行了短时间发电并网试验，发电容量达到167 kW、最大输出容量达400 kW。

与常规发电机相比，超导同步发电机具有效率高（比常规发电机可提高0.5%~0.8%）、重量轻、体积小（可减小 1/3~1/2）、单机容量大（可达1000 kW）和稳定性能好（如同步电抗可减少 1/4）等优点，但是要使超导同步发电机达到实用要求，还要在电机设计、制造和安全可靠运行等方面解决一系列关键的技术问题。由于超导励磁绕组是运行在极低的温度下（如液氨温区），它通过的电流密度以及产生的磁场强度比常规发电机高得多，因此超导发电机的设计与常规发电机是有所不同的。例如，超导励磁绕组的电磁设计、超导励磁绕组的阻尼屏蔽结构等都将不同于常规发电机的设计。此外，由于超导绕组必须安放在低温容器内。

因此带来真空绝热技术、液氢输送技术以及超导发电机冷却技术等一系列问题。目前已基本解决了上述关键技术问题.但要使得超导发电机获得实际应用，除上述技术问题外，还取决于它的经济性。目前普遍认为，只有大容量起导发申电机，如容量达 300 MW 以上.在经济上才有优越性。因此，超导同步发电机的应用要立足于大容量。

高温超导体的出现进一步拓展了超导技术的应用领域，因为它的制冷费用比运行在液氦温区的传统超导磁体要大大降低。近年来人们开始注意高温超导材料在电动机方面的应用，它不仅可提高电动机的功率.同时还可降低电动机的损耗。在电力应用方面，电动机负载占很大比重——全世界的电力负载中有大约65%是电动机，而且大型电动机占一半左右。现在常规的大型电动机效率最高可达97%左右，如果采用超导电动机，其效率可提高到 98.3%（包括制冷机维持超导绕组运行在低温下所消耗的功率）。对长期连续运行的电动机而言，采用超导绕组后其节约的电能是十分可观的。

美国近年来已开始进行高温超导电动机的研究，电动机的转子磁场线圈采用高温超导材料，定子电枢绕组仍采用常规的铜线圈。1993年研制了一个3.7 kW高温超导同步电动机，其后他们又进行93 kW、1800 r/min 超导同步电动机的研制工作。最近又研制出舰船用高温超导推进电动机，如图6-6和图6-7所示。我国也研制成功了300kW船用超导单极电动机，如图6-8所示。ABB公司还研制出以超导电动机为动力的吊舱式螺旋推进器，如图6-9所示。

二、超导变压器

20世纪 60年代出现实用超导材料后，人们就对研究超导变压器表现出很大的兴趣，因为变压器是静止设备，低温冷却问题比旋转的电机要容易解决但儿善通的超导线在交变磁场作用下或在传输交变电流时将产生交流损耗，致使采用超导材料后的铜损耗增大，补偿不了由交流损耗引起的热损耗.在经济上没有明显的优越性.因此在20世纪 80年代前超导变压器的研究没有什么进展。

20世纪80年代初.法国首先研制出丝径小干1 um 的极细丝超导线，同时采用铜镍等高阻值的导体做超导线的基底材料，使超导线的交流损耗大幅度下降。加之低温冷却技术的改善.使超导变压器显示出明显的优越性.因而超导变压器的研究又引起人们的兴趣。超导变压器的优点是重量轻、体积小、效率高、故障时短路电流将比常规变压器小。分析表明，超导变压器的重量仅为常规变压器的 40%或更小。当变压器容量超过 300 kW时，其优越性更加明显。

20世纪 80年代末以来，法、日、美等国都积极进行超导变压器的研究，并先后研制出几百千瓦至兆瓦级的超导变压器。目前超导变压器的设计一般都采用与常规变压器一样的铁结构.仅高，低压绕组采用超导线绕组，超导绕组置于非金属低温容器中，以减小运行过程中在容器中产生涡流引起的附加热损。变压器铁心一般仍处在室温条件下。

由于近年来高温超导材料研究取得很大进展，用高温超导材料研制超导变压器引起人们的很大兴趣。日本于1996年研制出一台500 kW高温超导变压器，变压器运行在-196℃的液氮中，其效率达99.1%，如图6-10所示。随后他们将变压器运行温度降低到-207 ℃. 变压器容量提高到 800 kW，效率达99.3%。与此同时，瑞士ABB公司和美国应用超导公司等合作，于1997年也研制成630 kW 三相高温超导变压器样机，采用液氮冷却，并接入电网进行试验。美国在能源部支持下已研制出1000 kW 单相高温超导变压器。我国科学院电工研究所等单位也研制出 26 kW高温超导变压器。

随着实用化高温超导材料性能的提高与价格下降，超导变压器可望在5~10年内实现产业化。专家预计，至2010年超导变压器的世界需求量达到 15亿美元。

三、超导输电

随着大城市用电量的日益增加，高压架空线深入城市负荷中心又受到许多因素的影响，因此往往需要采用大容量电力电缆将电能输往负荷中心。目前采用的常规高压输电电缆，由于受其容量和临界长度的限制，很难满足日益增长的电能传输要求。在这方面超导输电显现出了巨大的优越性。超导输电主要通过超导电缆来实现，它具有载流能力大，损耗低和体积小的优点，是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径。

超导输电电缆有直流和交流两种。直流超导电缆没有交流损耗，输送同样功率的电缆尺寸较小.但如用干电力系统。则与直流输电—样.电级两端需要有整流和逆变装置 所以口有输电距离达一定长度后，例如在 200 km 以上，经济上才能显示出优越性。交流输电电缆由干有交流损耗和绝续缘层介质损失等问题.其额定功率将受到限制。但般认为。当输送大容量电能，如1000 MW以上时，交流超导输电电缆还是有竞争力的。当然，由于常规的超导电缆必须运行在液氦温区下，因此超导电缆结构将更为复杂。

自20世纪 70年代以来，美国、前苏联、德国和日本等都相继开展了超导电缆的研究工作。美国先后研制成三根10 m 长的超导输电电缆模型，并进行多次运行试验和交流损耗测试，最后还研制了两根115 m 长，输送容量为980 MW、电压为138kV的超导输电电缆。前苏联在这期间也研制了50m长、110kV、12.5 kA的超导电缆模型，进行了交、直流输电试验。德国西门子公司也曾研制了一条35m长、110kV、10kA的单相超导输电电缆。

但是，由于当时超导线的价格较贵，存在有交流损耗，同时又要在液氦温区下运行，在经济技术 上，超导输电电缆的优越性并不明显.因此20世纪80年代后超导输电电缆的研发没有取得很大进展。

1986年发现高温超导体后，许多国家如日本、美国等相继提出高温超导输电的研究计划，并相应开展高温超导输电电缆模型的研究。高温超导电缆采用液氮做冷却介质，不仅价格大大低于液氦，而且低温冷却系统更加简化，同时液氮的电气绝缘强度也与变压油相当，因此高温超导输电电缆与液氦冷却的低温超导电缆及高压充油常规电缆相比更有竞争力。目前，美国、日本等国主要开展高温超导交流输电电缆研究，其目标是希望首先实现短距离（<500m）、低损耗、高功率的输电。1998年，我国也成功地研制出1 m长、1000 A的高温超导电缆模型。高温超导直流输电电缆几乎没有损耗，虽然电缆终端需要整流和逆变装置，但在传输一定功率的情况下输电电压可以比常规电缆的电压低，因此整流和逆变装置也更为简单。

我国科学院电工研究所2003年研制出了10m长的10.5 kV、1.5 kA交流超导输电电缆。我国云电英纳超导电缆公司2003年研制出了30m长的35 kV、2 kA高温超导电缆。

目前高温超导电缆已经不存在大的技术障碍，并且已经走向实际应用。在短期内可望走向大规模的应用，特别是在短距离内传输大电流的场合将得到实际应用。据预测，高温超导电缆的国际市场在2020年左右将达到122亿美元。

四、超导储能

超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其他负载的一种电力设施，一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统几个部件组成。其中超导线圈是超导储能装置的核心部件，它可以是一个螺旋管线圈或环形线圈。

超导储能装置的工作原理是在电网运行处于低谷时把多余的电能储存起来，而在电网运行处于高峰时，将储存的电能送回电网。由于储能线圈由超导线绕制目维持在超导态，线测中所储存的能量几乎可以无损耗地永久储存下去直到需要释放时为止。

起导储能装置不仅可用于调节电力系统的峰谷，而且可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡从而改善电网的电压和频率特性，同时还可用于无功和功率因素的调节以改善电力系统的稳定性。超导储能装置可长期无损耗地储存能量，其转换效率可达 95%;可通过采用电力电子器件的变流器实现与电网的连接，响应速度快（毫秒级）;由于其储能量与功率调制系统的容量可独立地在大范围内选取，可建成所需的大功率和大能量系统;除了真空和制冷系统外没有转动部分，使用寿命长;在建造时不受地点限制，维护简单，污染小。

目前美国、日本、德国等一些发达国家在超导储能装置方面的研究上投入了大量的人力和物力，并且有许多在建的超导储能装置。图6-15所示是德国研制的2 MJ超导储能设备。

五、超导磁悬浮列车

常导磁悬浮列车的技术难题之一是悬浮列车与轨道之间的间隙不能太大，否则电机的容量与耗能将极大，电机的体积也将非常巨大。但气隙太小，会给轨道的施工带来困难，也对列车的安全运行带来挑战。利用超导线圈的零电阻特性制成同步电机的励磁线圈.除了维持低温所需要的能量以外，超导线圈的巨大电流一经形成就不用外加电源，因此既可以减小电机励磁线圈的体积也可以节能。

由于不必担心耗能，气隙可以比普通电机大几十倍以上，电机定子甚至可以做成无铁心的空心线圈。如日本超导列车，定转子之间的机械间隙就有 100 mm，列车的悬浮力也是同一台超导励磁线圈与地面的8字形悬浮线圈通过相对运动产生感应电流发生的，因此属于电动式磁悬浮。所以可以说。日本超导磁基浮列车实际 上是一台大刊装浮转子超导青线同步由动机，日本超导磁悬浮列车开发较早，因此超导励磁线圈是用铌钛合金 NiTi低温超导线制造的（在-269 ℃以下呈现超导状态）。日本高速超导磁悬浮列车经过 40多年的研究开发与试验，经过多次改进，解决了一系列高技术难题，包括防止超导体在温度变化和震动下失超造成灾难的危险，目前已经接近实用化。

还有一种完全不同的"超导磁悬浮"列车，与上述磁悬浮列车电动式原理不同，而是直接利用超导磁体块（Bulk）与永久磁铁之间的完全抗磁性产生悬浮力（如图6-4所示）.因此并不需要励磁线圈.磁悬浮本身是无源的（维持低温环境的能量消耗除外）。一般方案是在车上安放低温的容器，容器内安装高温超导体块材，地面铺设永久磁铁，再配备驱动直线电机。由于抗磁性磁悬浮在控制上不需要闭环，这种磁悬浮列车的优点是实现悬浮比较简单。但这种方案还有许多技术问题需要解决，例如，悬浮力难以根据载重量大小来控制，永磁轨道如何维护和清理等。包括我国在内的一些国家正在研究，但仍然在实验室阶段，离实用化还有较大距离。

六、超导在电气工程领域的其他应用

电气工程领域中，超导还有很多其他应用。例如，在托克马克装置、磁流体发电机等设备中，高强电磁铁是必不可少的，为了降低设备成本，减小体积，节省能源，也必须采用超导电磁线圈。

磁悬浮轴承完全没有机械摩擦，可以大幅度提高旋转部件的转速，同时普通常导电磁轴承用电量大、稳定性差，采用超导磁悬浮轴承则可以解决这些问题。当然，由于超导低温设备复杂.只能用于大型旋转设备上，例如、飞机燃气发电机转子和大型风力发电机转子轴承和超高速飞轮电池转子轴承等。

磁场与食品保鲜研究进展

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中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心、中国科学技术大学科学岛研究生分院、合肥美的电冰箱有限公司的研究人员汪滢、史慧新、伍志刚、张明明、张欣，在2021年《电工技术学报》增刊1上撰文，综述几种磁场在食品保鲜中的研究，以及磁场辅助食品冷冻保藏的效果。

总体而言，目前已有多项研究证明，一定参数的静磁场、交变磁场和脉冲磁场能够对食品保鲜产生有利作用，但磁场参数的不同也会直接导致不同的结果，并且机制方面的研究亟待加强。该文不仅展示磁场在食品保鲜领域的良好应用前景，同时也提出该领域目前存在的问题与局限性。这对未来将磁场发展成为一种新型食品保鲜技术提供了实验证据。

随着生活水平的提高和生活节奏的加快，人们对食品在运输和贮存过程中的冷藏和冷冻，以及其他食品保鲜技术的依赖性越来越强，同时对食品口味以及材质新鲜程度的要求也越来越高。控制从农场到餐桌的食品中微生物的进入和生长，对于确保消费者的健康以及最大限度地减少因腐烂而造成的食品损失十分重要，如何在保证方便快捷生活节奏的同时保证食品的质量与安全也成为广大人民关注的热点。

在20世纪，冰箱的普及对于降低胃癌等消化道疾病的发生起到了重要的作用，超声波、超高压、电离辐射等先进保鲜技术也逐渐得到应用。本文将对磁场（一种穿透力强的物理场）对食品保鲜的影响进行综述，对目前关于不同类型磁场在食品保鲜中的应用与研究进展进行总结、归纳和展望，以期为未来将磁场应用于食品保鲜领域的研究与应用提供基础。

1 食品保鲜技术简介

一般来说，食品在贮运过程中发生的变质主要是由微生物、食品本身含有的酶、生命自身活动、氧化或者光引起的。而食品保鲜就是通过控制或抑制可能改变食品感官和营养质量的外部污染物 和/或内部生物反应来实现。

目前在实际生产中常用的食品保鲜技术主要可以分为物理、化学和生物保鲜技术三大类。但是，由于化学保鲜容易造成化学物质残留，近些年来人们更多地关注于生物保鲜技术和物理保鲜技术。尤其是物理保鲜中的非热保鲜技术，能够在正常环境温度或接近正常环境温度下使微生物失活，从而避免热量对食物的风味、颜色和营养价值产生不利影响，因此也受到人们更多地关注与研究。以下对这三大类保鲜技术进行简要的介绍。

1.1 物理保鲜技术

常见物理保鲜技术有低温保鲜法、热处理法、气调包装法和真空保鲜法等，还有一些较先进的非热技术，如超高压保鲜、超声波保鲜、电离辐射保鲜、磁场保鲜等。

低温保鲜法就是利用低温技术将食品温度降低，并维持在低温状态以阻止食品腐败变质，延长食品保存期。热处理法即利用高温来杀死微生物和一些孢子，并使酶失活，但是过度的热处理也可能会导致蛋白变性、非酶褐变以及维生素和挥发性风味化合物的损失等。

气调包装法指的是产品于密封于容器或包装中之前，改变产品周围的气体成分或替换为非活性气体，从而抑制细菌繁殖，对果蔬而言，还能够有效抑制其呼吸作用。

真空保鲜法是采用抽真空的方法，除去包装袋内的空气，再采用密封技术使食品处于包装袋中与外界环境隔绝，从而有效防止脂肪氧化和需氧微生物的生长，抑制酶活，延长保存期。

超高压是一种低温巴氏杀菌方法，能通过破坏非共价键和细胞膜而使营养微生物细胞失活，用于延长保质期和减少病原菌。超声波利用声波产生的能量，每秒至少有20000次振动，这些机械冲击可以破坏细胞的结构和功能成分，直到细胞裂解。电离辐射是通过将DNA片段化，减少或消除腐败和致病微生物。

这些先进技术还没有被广泛应用到实际生产中，一方面是因为成本较高；另一方面则是因为这些技术也存在一定的问题，如超高压可以改变蛋白质和多糖的结构，导致食物的质地、外观和功能发生改变，较高剂量的电离辐射可能会导致牛肉、猪肉和家禽肉的轻微颜色变化。而关于磁场保鲜，目前的相关研究相对较少，将在后面章节里详细介绍。

1.2 化学保鲜技术

化学保鲜主要是通过化学保鲜剂对食品进行保鲜。对于果蔬而言，化学保鲜剂包括吸附型防腐保鲜剂、溶液浸泡型防腐保鲜剂、熏蒸型防腐剂、蜡和涂膜剂。而对肉类而言，化学保鲜剂包括防腐剂、抗氧化剂、发色剂和品质改良剂。但是化学保鲜的缺陷在于化学保鲜剂的毒性和残留问题，据报道，2012年，在加利福尼亚州的草莓中就检测出了近50种不同类型的化学物质。

由于长期使用传统的化学保鲜剂会对人体健康和环境产生不利影响，目前也出现了一些更为环保的化学保鲜剂，如臭氧。臭氧能够与微生物的胞内酶、核物质、被膜成分、孢子壳或病毒衣壳迅速发生反应。它分解迅速，没有氧化痕迹，不会留下任何残留的有毒副产品，也不会改变食物的化学成分。除此之外，还有纳米乳液、酸性电解水等都逐渐被应用到食品保鲜中。

1.3 生物保鲜技术

生物保鲜技术的一般机理为隔离食品与空气的接触、延缓氧化作用，或是生物保鲜物质本身具有良好的抑菌作用，从而达到保鲜防腐的效果。常见的生物保鲜技术包括天然抗菌剂、细菌噬菌体和生物保护性微生物。

天然抗菌剂有从植物体中提取的具有良好抗菌性成分的物质如植物精油等；从动物体中提取的溶菌酶、抗菌肽、壳聚糖、脂质等；以及微生物的发酵产物，常见的有尼生素、儿茶素。噬菌体是一种新颖、环保、有效的生物保鲜方法，可以特异并有效地在各自的宿主细菌细胞中感染和繁殖，所以对人类、动物和植物无害，被认为是一种新型、环保的化学消毒剂的替代品。生物保护性微生物就是通过引入其他对人类有益的竞争性微生物来防止微生物生长，如乳酸菌，它作为肉类、牛奶、蔬菜和鱼类的天然菌群在食品中的安全使用已有很长的历史。

近年来，有很多关于磁场生物效应的研究，并且人们也开始从细胞和微生物水平探究磁场对食用动植物作用的生物学效应，希望能通过食物营养特性、功效成分、结构特征等方面的变化，寻求提高食品质量的新途径。磁场作为一种新型非热保鲜技术也逐渐走进人们的视野。本文对磁场与食品保鲜的研究进展进行归纳总结，旨在能够为磁场在食品保鲜中的应用提供参考。

2 磁场分类及其应用简介

磁场是一种看不见、摸不着但客观存在的物理场。磁场主要可以分为稳态磁场（也叫静磁场、稳恒磁场或者恒定磁场）和时变磁场两种。其中，时变磁场即强度/方向随时间变化的磁场，包括交变磁场、脉动磁场和脉冲磁场。根据磁感应强度，磁场又可以被分为弱磁场（小于1mT），中等磁场（1mT～1T），强（高）磁场（1～20T）和超强（高）磁场（20T及以上）。

近年来，磁场的应用越来越广泛，在工程技术领域，出现了磁场调制电机、应用于电动汽车的电磁离合器和永磁体机以及磁性粒子成像技术等，由此引出的磁场对生物体的安全性也越来越受到关注，这也进一步促进了磁场在生物领域的研究。

然而，磁场的应用还远远不止这些，随着人们对食品营养和健康的追求，磁场在食品领域的应用也开始崭露头角。从目前的研究进展来看，磁场在食品加工中的应用主要有磁场对食用菌、农作物生长和产量促进以及磁场对食品保鲜的作用（包括食品杀菌和食品冷冻等）。本文集中讨论磁场对食品保鲜的作用，以期为磁场辅助的食品保鲜技术的发展提供基础。

3 磁场在食品保鲜中的研究进展

3.1 静磁场与食品保鲜

目前已有多项研究表明，一定参数的静磁场（Static Magnetic Field, SMF）能够对一些食品起到促进保鲜的效果，并且多项研究表明，静磁场能够抑制多种细菌的生长，从而有利于保持食品的新鲜度和品质，静磁场与食品保鲜研究见表1。

例如，2009年，A. El May等利用200mT的静磁场处理沙门氏菌，发现磁场暴露3～6h能够起到一定的抑菌作用。2012年，I. Bajpai等利用100mT的静磁场处理烧结型羟基磷灰石中大肠杆菌和表皮葡萄球菌，发现磁场暴露120min时有最好的抗菌效果；并且通过对细菌细胞壁膜完整性和内膜通透性的测定发现，磁场的存在还会影响细胞壁的完整性，导致细胞膜解体以及细胞间物质的释放。同年，M. Mihoub等也发现，利用200mT的静磁场处理6h，能使鼠伤寒沙门氏菌野生型和dam突变型的生长显著降低。2017年，T. V. Balogu等发现，利用0.5T的静磁场处理发酵乳饮料6天，乳饮料中的微生物数量明显低于对照组，并且乳饮料在贮存6天后的感官质量（外观、香气和质地）没有明显变化，说明磁场处理并没有对乳饮料品质造成破坏。

然而，目前无论从静磁场对食品保鲜的效果还是从机制来讲，都无法做出确切的结论。因为，虽然有研究表明磁场能够有助于食品保鲜，但也有研究表明静磁场无此效果，甚至能够促进微生物的生长。

例如，2012年，J. Filipič等研究发现，17mT的静磁场可以抑制大肠杆菌和恶臭假单胞菌两种细菌的生长，但是在电场强度为5mT和50mT时无明显效果。2019年，夏广臻等研究发现，以60Gs（1T= 10000Gs）为界，较低强度的磁场抑制了菠菜呼吸，提升了菠菜的保鲜效果，而高于60Gs强度的磁场促进了菠菜的呼吸，使得菠菜营养物质消耗更快，大大缩短菠菜的保鲜贮藏时间。2019年，Tang Hengfang等用0～190mT磁场处理黄杆菌m1-14，发现暴露于190mT磁场时，黄杆菌m1-14的生物量和维生素K2的产量降低；而50mT、100mT、150mT磁场处理120h却能增加黄杆菌m1-14的生物量和维生素K2的产量。

这些研究结果表明，静磁场虽然能够对果蔬的保鲜有一定的效果，但其效果与磁场参数直接相关，其作用可能存在窗口效应，即只有特定特征和参数的磁场效应才能产生特定的影响。因此，人们需要进一步对不同参数的磁场进行系统性研究，并探索其机制，从而为开发出更有效的磁场保鲜技术提供实验基础。

表1 静磁场与食品保鲜研究

3.2 交变磁场与食品保鲜

除了静磁场，交变磁场（Alternating Magnetic Field, AMF）也能对食品产生一定的保鲜效果，交变磁场与食品保鲜研究见表2。有趣的是，目前所报道的交变磁场与食品保鲜的数据均为有利结果，并且与所用磁场参数并无明显关联。然而，此方面的机制研究目前还十分缺乏，并且若进一步检测更多的测试对象及更多的磁场参数，是否还能得到一致有利的促进保鲜效果，目前尚不清楚。但是这些研究表明，交变磁场在食品保鲜领域有着良好的潜在应用前景，值得进一步系统深入研究。

表2 交变磁场与食品保鲜研究

3.3 脉冲磁场与食品保鲜

目前，也有多项研究表明，脉冲磁场（Pulsed Magnetic Field, PMF）可以通过其杀菌作用，使食品品质得到更好的保存，脉冲磁场与食品保鲜研究见表3。

表3 脉冲磁场与食品保鲜研究

例如，2004年，杨巧绒等研究了脉冲磁场对西瓜汁的杀菌效果，并对处理后的西瓜汁品质进行了评价，发现杀菌效果最好的条件为磁感应强度7.59T、脉冲数15、西瓜汁温度20℃。在最佳杀菌条件下，脉冲磁场对西瓜汁的色泽和还原性VC破坏最小，对西瓜汁中可溶性固性物含量和pH几乎没有影响。2019年，Lin Lin等研究了脉冲磁场对大肠杆菌O157：H7的处理效果，发现灭活效果与其脉冲数或脉冲强度呈正相关；并且当磁感应强度为8.0T，脉冲数为60时，对蔬菜汁处理3次，即可对蔬菜汁中的大肠杆菌O157：H7有预期的抗菌作用，并对其质量没有任何不利影响。

然而，2017年的一项研究检测了中等强度的脉冲磁场对鲜牛肉的保鲜效果，发现脉冲磁场处理2h的鲜牛肉微生物生长和肌红蛋白含量有所降低，但是脉冲磁场处理了12天的鲜牛肉与对照组相比，品质却无明显的差异，这表明磁场处理时间应该是磁场作用于食品保鲜领域的一个关键参数。但是总体而言，脉冲磁场的杀菌作用相对比较明确，因此在磁场保鲜领域有着一定的应用前景。

3.4 磁场与食品冷冻

食品的冷冻保藏也是食品保鲜的常见方法，因为冷冻能够使食品中的游离水固定化，进而抑制微生物的生长，减缓酶和化学降解反应，从而减缓食品的变质速度。但是在食品冷冻过程中，冰晶的大小对冻融食品的结构和物理性质以及冻干、冷冻浓缩等过程都至关重要。如果冰晶过大，就会导致细胞膜破裂，在食品解冻之后，汁液损失严重，影响食品的品质。

近年来出现了一些冷冻新方法，包括高压冷冻、电磁辅助冷冻、超声波辅助冷冻以及防冻蛋白。在微观层面上，大多数新方法都有一定的能力来控制冰晶的形成和生长，从而产生更小、更均匀、分布更规则的冰晶，改善冷冻食品的微观结构，提高其品质属性。

关于磁场辅助冷冻方面，早在2000年，ABI有限公司（日本千叶）就推出了一种称为“CAS（cells alive system）冷冻柜”的系统，该系统使用静态和低频振荡磁场，而Ryoho冷冻系统有限公司（日本奈良）则从2003年起出售将静态磁场和电磁波结合在一起的“质子冰柜”。近几年来在有相关研究表明，磁场对于食品的冷冻保鲜确实有一定的辅助效果，尤其是在控制冰晶生成方面。

3.4.1 静磁场与食品冷冻

目前有多项关于磁场与食品冷冻的研究，但结果不一，见表4，可能与所用磁场参数直接相关。例如，2019年，夏广臻研究发现，50Gs的静磁场可以缩短牛肉冷冻相变阶段；并且通过对冷冻后牛肉的pH、汁液流失率、挥发性盐基氮测定，发现50Gs磁场可以改善牛肉品质，但是100Gs的磁场对于牛肉的贮存却有着负面的影响。2017年，宋健飞发现4.6Gs的静磁场可以使豌豆、胡萝卜快速通过最大冰晶生成带形成细小冰晶，并且汁液流失率最低。

2013年，周子鹏研究了直流磁场对猪肉冻结的影响，结果表明，磁感应强度为0.46mT时，磁场能够加快猪肉冷冻速率，促进冷冻过程的进行；磁感应强度低于0.46mT时，对冷冻过程的影响不明显；磁感应强度在0.9～1.8mT时，反而延长冷冻时间，降低冷冻速率，延缓冷冻过程。并且0.46mT磁场条件下冻结的猪肉持水性更高，汁液流失更少，其硬度和粘附性更小，弹性、凝聚性和咀嚼性提高，猪肉的品质得到了提升。

表4 磁场与食品冷冻研究

3.4.2 振荡磁场与食品冷冻

近年来，还有多项有关振荡磁场（Oscillating Magnetic Field, OMF）（应属交变磁场）用于食品过冷保鲜的研究。过冷是指将产品冷却到其通常冰点以下而不形成冰晶的过程，因而过冷保鲜能够更好地保持食品品质。K. Hirasawa等认为振荡磁场会导致水分子振动来防止冰晶成核，从而有利于过冷状态的保持。事实上也有研究显示，振荡磁场有利于保持过冷状态。

例如，2019年，J. Y. Her等将鲜切蜜瓜于振荡磁场（-8.0～8.0mT，1Hz）存在的条件下-5.5℃贮藏21天，发现保存的鲜切蜜瓜失水量显著低于冷冻样品，磁场处理的样品细胞间结合紧密，未发现与冰晶形成相关的畸变细胞，很好地保持了过冷状态，并且微生物分析、pH值、可滴定酸度、可溶性固形物含量测定表明，21天后过冷样品的总体质量与新鲜样品无显著差异。同年，其课题组还研究了振荡磁场（10mT，1Hz）对鲜切菠萝-7℃过冷保藏的影响，发现在振荡磁场的存在下，菠萝的过冷状态保持14天，而未经处理的样品在24h内形成冰晶，微观结构分析表明，过冷菠萝中不存在由冰晶形成引起的细胞损伤，说明振荡磁场成功地抑制了过冷过程中的冰核形成。

2019年，Tan Yinying等研究了4mT、50Hz高均匀、多方向的振荡磁场对鳄梨果泥冷冻（-20℃）的影响，虽然并未维持过冷状态，但是最大冰晶形成的温度带缩短，形成冰晶变小，并且冻融后的鳄梨果泥与对照组相比具有更高的pH值和可溶性固形物含量，颜色和抗氧化活性与新鲜样品相似，维持了更好的品质。

然而，也有研究表明，振荡磁场对食品的冷冻保存并无影响，尤其是低强度的振荡磁场。以下几个研究均基于CAS冷冻系统的振荡磁场（见表4）。

例如，2015年，C. James等利用CAS系统对大蒜鳞茎进行冷冻处理，CAS设置分别为关闭、10%、50%和100%（磁感应强度为0、418μT、155μT和98μT），发现使用OMF条件下的冷冻对冷冻特性几乎没有显著的额外影响。2017年，A. C. Rodríguez等利用CAS系统（磁感应强度为0.04～0.53mT）处理猪腰肉，发现无论在冷冻过程中使用或不使用OMF，在样品中均未观察到显著程度的过冷；OMF对处理后样品的滴水损失、颜色参数、纹理参数均无明显的影响。2017年，L. Otero等在蟹棒冷冻过程中使用振荡磁场（＜2mT，6～59Hz），经过24h、1个月、3个月、6个月、9个月和12个月的贮藏，并没有发现振荡磁场对蟹棒的滴水损失、持水能力、韧性和白度有任何影响。

2017年，F. Fernández- Martín等研究了CAS系统（磁场参数为1.66mT，6Hz）冷冻处理对鸡蛋清的影响，发现OMF处理（10% CAS）与相应的冷冻控制（0% CAS）相比没有任何优势，解冻后冷冻样品表现出高度变性/聚集的鸡蛋蛋白，功能特性降低。随后，其又研究了同等处理条件对鸡蛋黄的影响（磁场参数为1.52mT，6Hz），同样与常规冷冻相比并没有表现出任何明显的优势。2019年，E. A. Puza等利用CAS系统处理芒果块，CAS设置分别为30%、50%、75%和100%，观察了芒果冻融后细胞壁破裂、硬度下降和滴水损失，都与传统的水果冷冻没有显著差异。

这些研究结果都不支持CAS系统对食品冷冻的优势作用，但是，并不能由此得出弱OMF对食品冷冻没有作用效果的结论。事实上，弱OMF可能并不会以同等的方式影响所有食物，任何影响都将取决于食物、冻结率、磁场频率和储存条件的复杂组合。对此还需进行进一步的研究。

3.4.3 磁场与脉冲电场复合技术

目前，也有部分研究表明，磁场与脉冲电场的复合技术能够对食品的冷冻保鲜起到良好的作用。J. H. Mok等发现，静磁场（0～480mT）与脉冲电场（1.78V/cm，20kHz）的联合作用，能够使0.9%氯化钠溶液相变时间显著缩短，而且溶液形成更圆、更小尺寸的冰晶，冰晶形貌更加均匀、圆整，这将对食品的冷冻保鲜有一定的参考意义。

随后，J. H. Mok等又研究了振荡磁场（50～100mT，1Hz）与脉冲电场（20kHz）联合作用对鸡胸肉冷冻的影响，结果表明，鸡胸肉维持了过冷状态，并且没有明显的物理损伤或化学变化，与新鲜鸡胸肉样品的食品品质无显著差异。

虽然这些研究为磁场辅助冷冻提供了一些理论支撑，但是关于磁场作用于食品冷冻的具体机制还有待发现，希望未来有更多的研究来解决这些问题，为食品的冷冻保鲜开辟一条更好的途径。

4 本领域存在的问题

值得注意的是，目前本领域中大多数研究都没有对所用磁场条件进行详尽的分析。例如，对于永磁铁而言，大多数研究中对磁场参数的描述只停留在磁铁表面，或者是样品所在某一部位，或者一定区域内的平均强度，而对磁场方向和磁场分布并无描述。

前期在包括本课题组在内的一些研究已经表明磁场方向能够影响生物学效应，因此，在进行研究时需要对磁场方向进行描述。并且随着技术的发展，目前已经有能力对磁场的三维分布进行精确测量。例如，本课题组利用表磁分布仪对三种不同形状、大小和材料的永磁铁在距离其磁铁表面0.5cm和2cm处进行扫描（扫描范围15cm×16cm），2cm扫描结果如图1所示。

三种磁铁的表面磁感应强度分别为70～363Gs、279～643Gs和4171～4671Gs；在距离其磁铁表面0.5cm时，其电场强度分别降到了50～250Gs、120～300Gs和1200～3000Gs；在距离其磁铁表面2cm时，其电场强度分别降到了20～40Gs、10～20Gs和120～300Gs，其空间磁场分布差别十分显著。

图1

本领域除了对磁场参数的描述不够规范化之外，在机制研究上也非常缺乏。仅有少数对磁场作用的机制进行了分子水平的研究。例如，纤维素酶存在于果蔬中，交变磁场对纤维素酶的作用，将对食品保鲜具有一定的参考意义。Zhang Jialan等发现420mT的交变磁场处理会降低纤维素酶与底物的亲和力，从而抑制了纤维素酶的活性，而220mT的交变磁场处理能够促进纤维素酶的活性。然而不同磁场参数对纤维素酶活性影响不同的物理机制，目前并不清楚。

除此之外，磁场参数需要进一步优化。例如，从现有结果可以看出，脉冲磁场杀菌确实有显著的效果，但是所需要的磁场参数和处理时间根据样品的不同而有所差异，但是可以肯定的是，磁感应强度和脉冲数必须达到一定的值才会有良好的效果。

关于脉冲磁场杀菌的原理，有研究表明，可能是由于磁场造成的细胞电穿孔而产生的杀菌效果。2012年，马海乐等发现磁感应强度3.5T，脉冲数20的脉冲磁场对金黄色葡萄球菌有良好的杀菌效果，并利用Fura-2/AM荧光探针法和LCSM法研究发现微生物细胞膜通透性的改变和胞内Ca2+浓度的上升是高强度脉冲磁场具有杀菌作用的重要原因。

2016年，Qian Jingya等研究了3.0T和3.3T脉冲磁场对枯草芽孢杆菌的作用，发现磁场处理显著改变了细菌细胞的形态，破坏了细胞壁和细胞膜，导致细胞膜通透性增加，并且随着磁感应强度的增加和脉冲次数的增加，细胞质的渗漏量增加。除此之外还显示有DNA损伤，因此，脉冲磁场处理的枯草杆菌细胞膜损伤和DNA断裂可能与细胞死亡机制有关。

虽然目前脉冲磁场杀菌的技术还不成熟，但是相信随着研究的深入，脉冲磁场作为一种新型食品非热杀菌技术，未来在实际生产中有着良好的应用前景。

5 结论

总体而言，目前关于磁场与食品保鲜的研究还处在初期阶段，大部分研究仅限于磁场对食品的表观作用，其具体机制还不清楚。并且磁场对于食品保鲜的效果缺乏一致性，这主要是由于食品种类和磁场参数的多样性，因此如何确定一个合适的磁场参数来实现对食品的良好保鲜，还需要更多的研究。

虽然目前已出现少数交变磁场电磁冰箱类产品，然而支持其磁场保鲜效果的实验证据还不够系统全面，机制也不清楚。因此，在未来进行更多关于磁场保鲜的系统性研究十分有必要。也希望磁场能够成为一种成熟的食品保鲜技术早日应用到实际生产中，为人们的生活与健康带来更多的便利。

以上研究成果发表在2021年《电工技术学报》增刊1，论文标题为“磁场与食品保鲜研究进展”，作者为汪滢、史慧新 等。

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