随着全球人口持续增长与经济发展，预计未来全球粮食需求量将较当前水平提升50%～80%，这对现有粮食生产体系构成巨大压力。在这一背景下，不仅需要持续保障食品质量与安全，更需要重构并提升其制造模式，以增强食物供应的可持续性与系统韧性。因此，发展高效、环境友好并能够突破传统生产约束的食品生产技术，已成为保障粮食安全和供应的核心问题。微生物发酵作为一种环境相容性高、可持续性强的合成生物制造策略，已广泛应用于众多食品生产领域。该技术不仅用于生产酸奶、奶酪、酱油及调味品等传统食品，还可高效合成多种高附加值食品配料，如酶制剂、谷胱甘肽、有机酸与益生菌等。其优势包括底物来源广泛、反应条件温和、能耗较低且对环境影响较小。同时，微生物代谢活动不仅可实现食品的高品质保存与风味提升，还能增加其营养价值并改善其物性。当前，食品微生物发酵技术正不断与基因工程、人工智能及物理强化等技术交叉融合，共同驱动该领域向智能化与精准化方向演进。
磁场作为一种新型非热加工技术，具有穿透力强和非接触式作用等优势，在食品贮藏和发酵提取中的应用日益增多。磁场辅助处理可改善食品理化品质、延长贮藏期、调控微生物代谢并有效促进目标成分提取等。在微生物发酵过程中，磁场可通过影响细胞膜通透性、酶活性及代谢物质分布改变菌体生长规律，进而影响产物得率和发酵周期。作为一种新兴控制手段，磁场参数（如强度、波形、频率和功率等）的多维度控制与优化可提升传统发酵过程的控制精度，减少质量波动，推动食品发酵工业向更高水平发展。鉴于此，江南大学食品学院的王琪、孟金枝、杨哪*等人基于近年研究成果，系统阐述磁场对微生物发酵的作用机制，综述磁场在辅助食品微生物发酵中的研究进展，以期为该技术的进一步应用提供理论参考。
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磁场技术原理
1.1 磁场的定义与分类
磁场是由运动电荷或铁磁体产生的物理场，能够对不同磁导率材料或运动电荷产生作用力。磁场可分为静磁场和时变磁场。静磁场的磁场强度和方向不随时间变化，时变磁场的磁场强度和方向随时间展现出周期性或非周期性变化。根据交流电源产生的不同励磁信号波形，时变磁场可分为脉冲磁场和振荡磁场，常用波形包括方波、尖峰脉冲及正弦波等。根据磁场强度可分为弱磁场（＜1 mT）、中强磁场（1 mT～1 T）、强磁场（1～20 T）和超强磁场（＞20 T）。
1.2 磁场的生物学效应
1.2.1 细胞与离子通道
磁场对生物系统功能的调控具有多维度特征，主要通过调节膜流动性、离子通道活性及细胞骨架动力学等途径影响细胞行为和功能，如图1所示。磁场对微生物的生物学效应主要体现在对细胞膜结构与功能的调控上。微生物暴露于磁场环境下会启动一系列适应性响应，其核心机制在于动态重塑细胞膜脂质组成以维持膜结构稳态。静磁场条件下，微生物通过提高不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸比例及增加环丙烷脂肪酸含量，从而增强膜流动性并保障其生理功能。而脉冲磁场则主要通过物理机制直接干预膜结构，其介导的细胞膜透化效应源于学界共识：脉冲磁场在细胞膜上感应出瞬态高强度电场，其作用类似于电穿孔，可直接而显著地提高膜通透性，进而促进大分子物质的跨膜运输。尽管静磁场与脉冲磁场的作用机理不同，但在适宜参数下，两者均能增强细胞膜通透性，促进胞外营养物质摄取，为细胞代谢提供更充分的底物支持，最终协同增强微生物生长速率与代谢活性。
作为一种非侵入性物理调控手段，磁场能够非接触式调控离子通道功能，从而影响微生物胞内信号传导与代谢活性等。膜电位是调控细胞特性、机械响应和通讯功能的关键参数。磁场通过改变膜电位影响电压门控离子通道开放概率，进而调控离子流动和细胞内钙信号传导水平。磁场对微生物离子通道的调控主要依赖于磁-力与磁-电2 种耦合机制。在磁-力机制中，磁场通过直接作用于细胞膜产生磁机械应力，驱动机械敏感性离子通道构象重排，从而调控其开闭状态；在磁-电机制方面，时变磁场通过电磁感应改变跨膜电位，激活电压门控离子通道，引发胞内Ca2＋振荡等关键信号事件，并通过生物电信号进一步调控下游基因表达。高梯度磁场可在细胞膜上产生机械应力，影响机械敏感离子通道功能，从而干扰细胞电信号传导；低频磁场可能通过触发细胞凋亡信号通路引发细胞骨架重构。
在细胞骨架层面，磁场通过直接机械力作用与间接信号通路调控2 种机制发挥作用，诱导微管解聚与肌动蛋白重组，进而调控细胞形态建立、极性转化和定向迁移等关键行为。生物物理特性研究的深入推动了再生医学、组织工程和临床医疗等领域的发展，而磁场作为关键物理干扰手段，通过调控膜动力学、离子通道和细胞骨架重构等机制影响细胞行为和功能。
1.2.2 酶
磁场对酶系统的影响主要体现在酶活性调控、结构修饰及酶促反应动力学3 个方面。其生物学效应可归纳为磁热效应、磁力效应与磁电效应三大类。在磁热效应中，交变磁场作用于铁磁性离子可引发局部微区升温，从而增强酶的催化反应速率，尤其在纳米尺度范围内能够实现精准温控而不引起体系的宏观温度变化；磁力效应则通过磁场对磁性粒子施加力，改变酶分子构象状态或促进底物传质过程，进而调节其催化活性，该机制涉及生物分子的取向效应及分子间相互作用；磁电效应则通过磁场诱导电荷分离，影响氧化还原酶的电子传递路径，从而提升催化效率，该过程与自由基对重组、电子自旋状态调控及磁偶极子间相互作用密切相关。
磁场的生物学效应与酶活性密切相关，磁场对酶功能的影响与其对生物体系中带电粒子的洛伦兹作用密切相关。微生物与酶等生物组分中的带电粒子在磁场中发生迁移并产生感应电流，可能导致酶构象紊乱甚至失活。在静磁场条件下，酶活性促进机制主要包括3 个方面：其一为物理力或扭矩对生物分子磁各向异性所诱导的取向效应；其二为对自由基对重组动力学的调控；其三为通过磁泳效应增强底物与酶之间的相互作用。相较之下，脉冲磁场对酶活性的影响机制尚未形成统一理论，现有研究多聚焦于其对酶结构动态修饰与酶促反应动力学的调控作用。例如，马海乐等研究发现，脉冲磁场可导致辣根过氧化物酶三级结构展开，使原本被包埋的芳香族氨基酸残基暴露于极性微环境，这种构象变化可能是其活性改变的结构基础。此外，脉冲磁场还可通过调控电子自旋状态诱导自由基发生单重态-三重态跃迁，从而影响具有磁偶极子的离子和元素。
值得注意的是，磁场对酶功能的影响具有强度依赖性：适度场强通常可增强酶活性，而过强磁场则可能因诱导感应电流或引起结构损伤而导致酶失活。同时，磁场还能通过调节活性氧（ROS）代谢增强超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等抗氧化酶活性及其基因表达水平，从而延缓蛋白质氧化损伤与细胞结构降解。磁场对酶系统的多重调控效应为其在食品保鲜、废水处理与生物医学等领域的应用奠定了一定基础，显示出应用潜力。
1.2.3 基因表达
磁场对微生物基因层面的生物学效应涉及多尺度、多通路的复杂调控过程。除直接调控代谢通路与功能基因表达外，其还可通过表观遗传修饰、磁机械转导及ROS信号调节等机制广泛影响基因表达与细胞功能。在表观遗传方面，磁场可能通过调控DNA甲基化修饰与组蛋白乙酰化等途径影响基因表达，从而在不改变DNA序列的情况下实现对基因表达的持续性调控。例如，强静磁场可改变转录调节因子活性及其与DNA的结合能力，并调控参与能量代谢的含铁蛋白表达，进而有效抑制细菌在对数生长期的增殖活性。这表明磁场可通过表观遗传与转录水平的协同调控，深度干预微生物的基础生命活动。
在机械转导中，磁场产生的洛伦兹力可与细胞微环境中的固有机械力产生协同效应，通过能连接细胞外基质与细胞内骨架的跨膜受体将力学信号传导至细胞内部。高梯度磁场诱导的磁机械应力可引发细胞重编程：一方面，其可增强细胞骨架中肌动蛋白丝张力，当力学信号经核膜孔复合体传递至细胞核内时，可引起染色质构象改变和转录因子激活，最终导致特定基因（如与应激、代谢及胞外聚合物合成相关基因）表达变化；另一方面，其还可能通过调控mRNA亚细胞定位，将其定向运输至特定区域，通过改变局部含量与提升翻译效率影响相应蛋白质的表达水平。
此外，均匀磁场可通过影响电子单重态-三重态转换过程干预线粒体等细胞器中的电子传递过程，从而降低ROS生成水平。ROS作为重要的信号分子，其含量变化可进一步调控氧化还原敏感型转录因子活性，最终调控抗氧化防御、代谢适应及程序性细胞死亡等相关基因的转录与蛋白表达。
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磁场在食品发酵中的应用
2.1 影响发酵产物产量
磁场辅助微生物发酵已成为合成生物学与食品制造领域的前沿研究方向。其通过强化代谢通量显著提高产物转化率。磁场能通过调节酶活性提高微生物发酵产物产量。董彩文等利用3 mT弱交变磁场辅助植物乳植杆菌发酵蜂花粉，处理4.25 h后，菌体代谢活性增强，黄酮提取率和蛋白质含量分别提高31%和44.1%。由此可见，磁场辅助发酵具有良好的生物兼容性与调控潜力，弱交变磁场在适度参数下能够有效增加微生物生物量及其有益代谢产物积累。张咪等在磁场强度7 T、脉冲次数40的条件下对枯草芽孢杆菌进行诱变处理，通过优化发酵条件，使中性蛋白酶活性提升至384.57 U/mL，较野生株提高26.48%。同时，随着磁场强度升高，菌体蛋白质含量呈下降趋势，这表明磁场对微生物代谢的调控具有典型的“窗口效应”，即适宜强度的磁场（多为中弱强度）起促进作用，而过强或处理时间不当则会产生抑制作用。这些发现阐明了磁场参数与生物学响应之间的关联，磁场强度的选择需综合考虑目标代谢产物的性质与微生物的生理特性，可为磁场辅助发酵的精准调控提供理论依据。
Guo Lina等基于搭建外置螺旋线圈装置，采用3.5 mT低强度交变磁场辅助灰树花液态发酵，通过对发酵液进行循环处理，使菌丝体生物量增加12%，并促进菌丝体内多种氨基酸积累。转录组分析进一步揭示，磁场处理能够显著上调氨基酸代谢、细胞修复及应激响应相关基因表达，从分子层面解释了菌丝体生物量提升的内在机制。Liu Dandan等通过一套集成磁力摇床与5 L循环式发酵罐的系统对牛樟芝菌进行低频交变磁场（8 mT、30～300 kHz）辅助液态发酵。结果表明，磁场处理使菌丝体生物量、多糖及三萜类化合物产量分别提升15.88%、24.26%与26.85%，且在放大实验中仍保持显著增益。磁场刺激通过上调氨基酸代谢、细胞生长及内吞作用相关基因表达，促进胞内代谢物流转与产物积累；同时，细胞膜流动性增强、菌丝表面结构疏松等生理变化也有助于营养吸收与代谢产物分泌。该研究系统阐释了磁场处理在促进食用菌液态发酵中的多尺度作用机制，可为工业化应用提供理论依据与技术路径。
作为一种新兴的物理调控手段，磁场技术在食品发酵领域中展现出显著的强化效果。如表1所示，通过系统优化磁场强度、频率及处理时间等关键参数，能够有效促进微生物生长、增强胞内代谢活性，并显著提升发酵产物产量。该技术为高附加值发酵产品的绿色、高效制造提供了新思路，具有广阔的工业化应用前景。
2.2 提升发酵产品品质
发酵是调味品生产中重要的环节，磁场辅助发酵能提升调味品感官性能。张庆宇等采用磁场生化培养箱产生的静磁场，在40 ℃、20 mT条件下处理鱼露发酵体系，发现其能显著提高蛋白酶活性和发酵性能，使氨基态氮、总氮含量等指标显著提升，且风味物质更丰富。闫冠敏采用场强可调交变磁场装置，在3 mT条件下辅助米醋液态发酵，交变磁场能有效调控醋酸菌增殖、代谢及生物合成，提高产酸量。磁场技术可通过促进发酵产物中可溶性蛋白、氨基酸、总酸和总糖等物质积累改善发酵产品品质。张庆宇等采用具有恒稳磁场的生化培养箱，在42 ℃及不同磁场环境下进行酱油低盐固态恒温发酵。结果发现，在20 mT条件下发酵25 d后，氨基酸态氮含量、总氮含量、酱油色率、红色指数、总氮利用率及总酸含量均提高。磁场辅助发酵可提高米曲霉蛋白酶活性，促进豆粕水解，并产生可溶性蛋白、多肽和氨基酸等物质，使酱油发酵性能显著提升，并为后续缩短发酵周期提供可能。磁场作用呈现强度依赖的生物学窗口效应，这可能与调控微生物代谢及酶构象有关，为发酵过程的定向强化提供了新策略。
在葡萄酒和果酒发酵中，磁场处理对产品风味与感官特性具有积极影响。Guo Dongxu等采用钕磁铁产生的0.2 T静磁场处理陈酿蓝莓酒，发现其能促进酚类物质溶出与聚合，显著提高蓝莓酒总酚含量和抗氧化能力，增加挥发性香气成分，使酒体口感更醇和，从而改善蓝莓酒感官品质。该研究通过对比2 种单罐与双罐磁处理模式发现，磁场可通过影响发酵微生物有效加速蓝莓酒陈酿进程，不仅能够优化酵母代谢效率，还能够提升蓝莓酒最终品质。磁场对酒类感官品质的改善作用也体现在白酒中，Dai Ning等采用0.7 T脉冲磁场处理白酒，该磁场由可调电源驱动电磁线圈生成。研究发现，强脉冲磁场可显著破坏乙醇-水分子间的氢键缔合结构，促进酯化反应，从而提升酒体醇厚感；经0.09 T脉冲磁场协同微波处理后，可能因电子自旋共振和能级跃迁效应引发协同效应，酒样香气成分更接近传统陈酿样品，感官品质显著改善。相较于单一微波处理，磁场联合处理在调控反应路径与风味演化方面表现出一定潜力，脉冲磁场-微波协同策略为白酒人工陈化提供新思路。未来研究可进一步探索磁场与其他物理场（如超声、电场）的多元耦合，以精准调控发酵食品的品质与风味演化。
面制品发酵过程中，磁场处理可显著改善产品感官品质和质构特性并提高发酵效率，从而有效提升产品品质。张艳艳等采用静磁场发生装置，在0～2.0 mT梯度磁场条件下发酵面团1 h。结果表明，随着磁场强度增大，面团发酵性能呈先升后降趋势，其中1.5 mT磁场强度处理对发酵力提升最为显著；1.0 mT磁场强度处理对改善发酵馒头比容、质构特性及面团水分分布效果最佳；0.5 mT磁场强度处理下，α-螺旋相对含量最高，蛋白结构最为有序。适宜强度的磁场处理是改善面团发酵特性与馒头品质的有效物理手段，应用效果展现出“窗口性”与“特异性”，为不同品质产品加工提供了新策略。李璐瑕采用磁场恒温恒湿箱辅助发酵含40%（m/m）马铃薯生浆的面团发现，4 mT磁场强度能有效诱导面筋蛋白结构从无序向有序转变，形成更致密的面筋网络，从而有效提升面包比容、质地与抗老化性。该研究为磁场在面团发酵中的定向调控提供了工艺依据，也为进一步探索磁场与食品组分的相互作用机制提供了参考。
综上可知，磁场可通过调控酶活性、影响微生物代谢、调控分子结构与水分分布等途径提升发酵效率、改善产品风味与质构及增强营养特性。部分代表性结果如表2所示。
2.3 改善发酵食品功能特性
磁场辅助发酵能够改变发酵产品结构，从而显著改善食品功能特性。Betchem等采用磁场反应器对菜籽粕 进行静磁场（12 mT）辅助固态发酵（37 ℃）处理。结果表明，磁场处理能够有效改变菜籽粕蛋白质结构，表现为表面疏水性、游离巯基含量和β-折叠结构增加，从而显著提升其溶解度、抗氧化活性及乳化活性与稳定性。研究表明，磁场辅助发酵技术能够通过调控物料的结构特性有效改善其功能性质，在食品与饲料工业的副产物高值化利用中展现出良好的应用潜力。磁场辅助发酵可通过调控蛋白质二级结构相对含量、诱导蛋白质构象重排，有效改善蛋白质体外消化率。朱一帆等采用50、100、150 mT磁场强度处理胰蛋白酶，在100 mT磁场处理下，其二级结构α-螺旋和β-折叠含量增加、无规卷曲含量减少，胰蛋白酶活性提高。此外，Liu Jinlong等利用低频磁场辅助黑曲霉生产酸性蛋白酶，发现交变磁场与静磁场均可显著提高酸性蛋白酶活性与生物量，且交变磁场处理下效果更显著，低频交变磁场通过改变黑曲霉糖代谢、水解酶活性和细胞膜结构相关基因表达水平促进黑曲霉生长。
磁场处理作为一种新兴的物理调控手段，在改善食品组分功能特性方面展现出显著潜力，其通过影响酶构象、代谢通路及自由基状态等多种机制，有效提升食品营养与活性成分含量，并增强其健康效益。Zhao Yulian等采用植物乳植杆菌M3与短乳杆菌JW12复合菌株进行桔梗根粉共发酵，并在静磁场辅助下优化工艺条件。结果表明，在静磁场处理后，桔梗根粉总皂苷含量及其羟自由基与1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基清除能力均得到提高。静磁场可能通过调节乳酸菌代谢、增强β-葡萄糖苷酶等关键酶活性促进皂苷生物转化与积累，同时改善菌群生长和底物利用效率。此外，磁场处理还显著影响甘油磷脂和鞘脂代谢，提高二十二碳六烯酸、二十碳五烯酸和花生四烯酸等多不饱和脂肪酸比例，整体有助于增强桔梗发酵产物的功能特性。类似地，Zhang Rong等研究发现，与常规发酵（总脂含量增加2.35 倍，主要源于甘油三酯和二酰基甘油积累）相比，采用10 mT静磁场辅助发酵可显著降低山羊奶总脂含量，同时增加其神经酰胺含量，通过高通量脂质组学共鉴定出488 种脂质分子，涵盖12 个亚类，该结果为进一步开发功能性山羊奶制品提供了理论依据和数据支持。
磁场对发酵可能产生间接影响。de Oliveira等使用小麦麸皮-豆粕混合底物进行固态发酵，使β-呋喃果糖苷酶（FFase）产量达204.31 U/mL，较单一小麦麸皮提高3.3 倍，为后续磁处理提供了酶源。在0.145 T静磁场处理后，FFase的米氏常数（Km）降低45%，表明底物亲和力显著增强；最大反应速率（vmax）则降低11%。静磁场可能通过改变酶分子构象或影响自由基对重组过程增强酶与底物的结合能力。虽未直接改善其热稳定性，但酶结构的磁场诱导变化可能对其长期使用性能产生间接影响。
2.4 影响食品发酵周期
磁场辅助微生物发酵可有效缩短发酵周期。周文文等采用静磁场发生装置，通过调节静磁场条件促进多粘类芽孢杆菌发酵产胞外多糖，其中，30 mT静磁场处理组较传统分批发酵缩短13 h，时间效率提升约10.66%，相同时间内产物产量提高25.22%。磁场技术通过优化发酵模式，在缩短周期的同时能实现精准调控并大幅提升生产效率，在微生物发酵领域具有良好的应用前景。类似地，Akarca等采用静磁场发生装置辅助发酵酸奶，0.18 mT静磁场处理组仅需3～4 h即可达到发酵终点，而对照组则需4～5 h，发酵时间缩短约1 h，效率提升达20%以上。同时，磁场处理组表现出更快的酸度积累速率和更低的终pH值。然而，当磁场强度增至0.24 mT和0.30 mT时，发酵速率慢于对照组，这再次印证了磁场强度的“窗口效应”：只有适宜强度的磁场才能有效促进发酵进程。
此外，磁场技术在食品杀菌领域也得到广泛应用，高强度磁场对食品中的大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、酵母菌及单核细胞增生李斯特菌等微生物的生长具有抑制作用。
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磁场技术在食品发酵应用中所面临的挑战与未来趋势
3.1 当前主要挑战
尽管磁场技术在食品发酵领域已取得显著研究进展，但仍然存在一些不足：1）磁场处理对食品发酵的影响机理研究尚不充分。磁场信号的生物转导路径及磁场作用下酶活性、离子通道、自由基反应及基因表达调控之间的协同效应对微生物作用的底层机制尚不明确。特别是磁场与DNA、RNA和蛋白质等生物大分子的相互机制及其影响各类细胞基因表达的主要作用机制；2）多数研究局限于单因素实验。在其他发酵条件恒定时，仅探讨磁场强度对食品发酵产率、有益代谢产物含量、发酵时间及产品品质的影响，对磁场的波动性与均匀性讨论较少；3）需进一步优化磁场参数并建立动力学模型。不同发酵食品因基质成分（水分、脂肪含量、蛋白质含量及离子浓度等）、微生物群落结构及代谢路径差异，对磁场参数的响应呈现高度异质性。这种复杂性使得磁场参数的优化需结合食品与微生物体系特性进行多重验证，并构建特定的动态调控模型以实现发酵过程的精准控制；4）目前相关研究多处于实验室探索阶段。尽管磁场技术可应用于调控微生物活性、缩短发酵周期及改善产物品质等，但其在工业化应用中仍处于探索阶段，且单独或与其他技术联用的产业化应用较少；5）对有益微生物生长与有害菌抑制平衡困难。在食品发酵体系中，磁场通过调控微生物代谢活性影响菌群平衡，但对有益或有害菌微生物的选择性抑制或促进作用尚不明确，不同微生物的竞争关系可能直接影响食品发酵的成败与终产品的安全性。
3.2 未来趋势
未来，磁场技术在食品发酵中的探索可能集中于以下方面：1）完善磁场对食品发酵的作用机理。从基因学、分子生物学等方面探究磁场与生物细胞间的相互作用，结合实验深入研究磁场对细胞膜结构、离子通道、基因表达、微生物活性及生理代谢的调控机制；2）推进磁场技术与其他技术的联用。磁场与超声波、微波、高压等技术联用，改善单一技术的局限性，为食品、生物、医药、化工等领域提供参考；3）探究不同类型食品（肉制品、奶制品、果蔬制品、酒类）微生物发酵的最优磁场参数并建立相关动力学模型，深入研究不同食品磁场“窗口效应”的相关参数及机制，建立数据库以便产业化应用；4）推动磁场技术成熟发展，实现其工业化应用。开发创新型磁场生物反应器，优化工业化发酵生产线，实现产品高效高品质生产。
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结 语
本文从磁场分类、生物学效应诠释其在微生物发酵中的作用机制。从影响发酵产物产量、提升发酵产物品质、改善食品功能特性及影响发酵周期等方面综述磁场辅助食品微生物发酵研究进展，并对不同类型微生物发酵在磁场中的量效机制进行阐述。通过对比分析可知，磁场辅助微生物发酵仍存在作用机理尚不完善、磁场参数优化尚不充分、动态调控模型系统建立尚不完善等问题和挑战。未来的研究也将集中于磁场技术与其他新兴技术的联用，以期解决食品微生物发酵中的部分难点问题，推动磁场技术在食品微生物发酵中的应用与发展。
引文格式：
王琪, 孟金枝, 陈移平, 等. 磁场辅助食品微生物发酵研究进展[J]. 食品科学, 2026, 47(13): 357-365. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251009-030.
WANG Qi, MENG Jinzhi, CHEN Yiping, et al. Research advances in magnetic field-assisted food microbial fermentation[J]. Food Science, 2026, 47(13): 357-365. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251009-030.
实习编辑：辉煌；编辑：阎一鸣；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网
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