脉冲磁场诱导大肠杆菌电穿孔的模拟研究

《Journal of Food Engineering》：Simulation Study of Escherichia coli Electroporation Induced by Pulsed Magnetic Field

脉冲磁场诱导大肠杆菌电穿孔效应模拟模型构建及关键参数影响分析，通过三维非球形细胞模型首次揭示细胞半径（0.25-0.5 μm）与膜厚度（24-29 nm）对跨膜电压（0.47V/0.16V增幅）及孔隙密度（2个数量级变化）的调控机制，为非热食品灭菌技术提供理论支撑。

　　

郭飞|袁浩|丹桂林

重庆邮电大学生态安全研究所，中国重庆400065

摘要

本文介绍了一种创新的模拟模型，旨在首次探索在脉冲磁场（PMF）影响下大肠杆菌（E. coli）发生电穿孔（EP）的现象。首先，为了确保模拟模型的可行性和准确性，进行了对比验证。与分析模型相比，模拟模型得出了更准确的结果。随后，该研究探讨了两个关键几何参数（细胞半径和膜厚度）对跨膜电压（TMV）的影响。研究发现，将细胞半径从0.25 μm增加到0.5 μm会导致最大TMV上升约0.47V，而将细胞膜厚度从24 nm增加到29 nm会导致最大TMV上升约0.16 V。此外，孔隙密度和导电性的最大变化增加了大约两个数量级。最后，为了有效验证该模型对EP发生可能性的预测能力，将模型扩展并与实验数据进行了比较。总之，本文致力于阐明不规则细胞在EP过程中的复杂动态行为和潜在机制，旨在为未来食品工业中PMF技术的应用提供坚实的理论基础和关键指导。

引言

即食食品因其开包即可立即食用的便利性而受到青睐，消除了耗时和费力的烹饪和准备过程，从而完美契合了现代人对无麻烦饮食解决方案的需求。然而，在即食食品的生产、加工、储存和运输过程中，如果卫生条件控制不当，它们很可能会被微生物污染，例如大肠杆菌（E. coli）（Angelidis, Chronis, Papageorgiou, Kazakis, Arsenoglou, & Stathopoulos, 2006; CHUNG, KIM, & HA, 2010）、金黄色葡萄球菌（Cole & Singh, 2018）、Cronobacter（Arslan & Ertürk, 2021）和曲霉菌（Maduka & Ugbogu, 2024）等。即食食品可能成为大肠杆菌的储存库，从而促进抗生素抗性基因向人体胃肠道微生物群的转移（Kochakkhani, Dehghan, Mousavi, & Sarmadi, 2016; Lima, Souza, dos Santos Alves, Leite, Evangelista-Barreto, & de Castro Almeida, 2017）。食品受到病原体微生物的污染是一个严重的公共卫生问题，会导致重大的经济损失（Farid, Waheed, & Motwani, 2023; Yang, Lin, Aljuffali, & Fang, 2017）。目前，大多数传统的食品灭菌技术主要依赖于热机制来破坏微生物的生物功能，尤其是细菌。虽然这些热处理方法能有效实现灭菌目标，但不可避免地会导致食品质量属性的某些程度下降，包括外观、质地和风味特性等方面（Sevenich, et al., 2013）。此外，某些大肠杆菌菌株具有合成耐热毒素的能力，从而可能增加与大肠杆菌污染相关的食源性疾病风险（Butt, Saleh, & Gagnon, 2020）。随着消费者对食品和健康的认识不断提高，人们对经过最少加工的自然食品的偏好也在增加。鉴于这一消费者趋势，探索非热处理技术变得至关重要。这些技术的特点是它们对食品质量的影响最小，从而保留了食品产品的固有感官和营养属性。此外，非热处理技术是食品科学领域中一个关键且不可或缺的研究方向，因为它们可以通过有效抑制或灭活微生物来延长食品产品的保质期，从而提高食品安全性和质量（Pan, Sun, & Han, 2017）。如今，脉冲电场（PEF）技术越来越多地被用作食品工业中的热处理替代方案，特别是在果汁、乳制品和液态蛋制品的生产中（Yeom, Streaker, Zhang, & Min, 2000）。与传统的热巴氏杀菌法相比，PEF所需的能量输入较低，并且可以保留对高温敏感的生物活性化合物——如维生素、抗氧化剂和酶——这些化合物在高温下会降解（Dong, Wang, & Raghavan, 2021）。然而，PEF技术也面临一些限制，因为在处理过程中电极与食品表面不可避免地会发生接触，从而引发电化学反应。这些反应，包括腐蚀、污染和食品的化学变化，可能会影响产品的安全性、质量和加工效率（Khojasteh, Elmizadeh, Sarraf, & Dodange, 2025）。

PMF技术作为一种新兴的非热处理方式，正在逐步改变食品加工行业的格局。其非接触性质有效地规避了传统处理技术中固有的污染风险，因此在食品行业中得到了广泛应用（Kranjc, Dermol-?erne, Poto?nik, Novickij, & Miklav?i?, 2022）。在PMF的作用下，细胞膜会发生结构变化，导致膜通透性增加。这种扰动会触发一系列细胞内事件，包括关键大分子成分（如蛋白质、三磷酸腺苷（ATP）和脱氧核糖核酸（DNA）浓度的降低（Lin, Wang, He, & Cui, 2019）。此外，研究表明PMF处理可以抑制ATP酶的活性，而ATP酶对细胞能量代谢至关重要。当PMF应用于细菌培养物时，其对大肠杆菌具有显著的杀菌效果（He, Ma, & Wang, 2014）。除了其对特定病原体的抗菌特性外，PMF还被证明可以有效抑制水果和奶酪中的微生物活性，从而显著延长其保质期（Ismail, et al., 2024; Saletnik, Zagu?a, Saletnik, Bajcar, S?ysz, & Puchalski, 2022）。PMF技术的显著杀菌效果在于它能够在保持食品营养成分、风味特性和感官属性的同时，抑制食品基质中微生物的生长和繁殖。通过延缓腐败的发生，PMF技术为提高食品安全性和质量提供了一种有前景的策略（L. Guo, Azam, Guo, Liu, & Ma, 2022）。鉴于其多方面的优势，PMF技术在食品行业中具有巨大的应用潜力，预计将带来新的进展和机会，彻底改变食品的加工和保存方式。

PMF技术利用电磁感应来调节细胞中的跨膜电压（TMV），而TMV的变化会对细胞生理功能产生深远影响。E. Chiaramello等人（Chiaramello, Fiocchi, Bonato, Gallucci, Benini, & Parazzini, 2021）对应用PMF调节细胞膜通透性时TMV的频域变化进行了定量分析。H. Ye等人（Ye, Cotic, Kang, Fehlings, & Carlen, 2010）研究了在PMF条件下频率对细胞器极化的影响。然而，在实验实践中，大多数关于不同类型细胞中TMV的研究仅限于时域分析。因此，仅关注频域中的TMV是不够的。Q. Hu等人（Hu, Joshi, & Miklav?i?, 2020）进行了数值模拟，以研究使用PMF调节细胞膜中的TMV。他们的研究表明，当球形细胞与载流线圈中心之间的侧距恰好等于线圈半径时，响应最为显著。F. Guo等人（F. Guo, Qian, Li, & Deng, 2022）引入了一种改进的模拟模型，用于评估细胞在PMF作用下的TMV变化。此外，通过结合Smoluchowski方程，他们的研究扩展到了EP现象的预测，从而能够预测细胞是否发生EP。然而，实验环境中的细胞通常具有不规则的形态。仅使用球形细胞模型来评估PMF影响下的TMV缺乏必要的严谨性。F. Guo等人（F. Guo, Cai, Xiang, & Yuan, 2025）提出了一种新的模拟模型，旨在探索肿瘤细胞中PMF诱导的TMV的动态变化模式。然而，这项研究没有考虑模型中的EP现象。因此，目前关于不规则形状细胞中TMV和EP的模拟研究还存在明显不足。在相关的实验研究中，PMF诱导的大肠杆菌 TMV的变化规律尚不清楚，EP对TMV的影响也不明确（Miklavcic, et al., 2020）。

为了准确阐明PMF诱导的大肠杆菌 EP过程的机制，本研究构建了一个符合大肠杆菌实际结构特征的模拟系统，首次纳入了EP过程，并建立了一个新的模拟模型，能够定量分析PMF诱导的大肠杆菌 TMV和EP。为了验证三维（3D）模型的可行性和准确性，首先与公认的球形细胞模型（F. Guo等人，2022）进行了对比分析，确认该模型满足理论和计算精度要求。然后，构建了一个双层膜大肠杆菌的3D EP模拟模型，以探讨细胞半径和膜厚度如何影响EP过程中的动态TMV变化，揭示了这些参数与TMV动态之间的内在相关性。最后，通过将模型结果与代表性实验案例进行比较，验证了模型在预测TMV变化方面的有效性，从而为实际实验提供了坚实的理论指导和预测支持。

方法

在之前的研究中，对肿瘤细胞中PMF诱导的TMV的动态变化模式进行了深入探讨（F. Guo等人，2025）。本研究采用的方法具有灵活性，可以应用于计算各种形状细胞的TMV，包括大肠杆菌。在此基础上，本研究引入了Smoluchowski方程来研究大肠杆菌中的PMF诱导的EP。本研究采用的方法表现出显著的优势

基于球形细胞的比较和验证

为了验证我们研究中解决TMP和EP的可行性和准确性，我们使用了F. Guo等人（F. Guo等人，2022）描述的相同线圈和细胞参数来构建相应的球形细胞模型。脉冲幅度为1.2 kA，半高斯脉冲宽度为40 ns，过渡间隔为10 ns。

在图3(a)所示的频域TMV特性中，模拟模型和分析模型中的TMV趋势显示

讨论

传统的食品灭菌主要依赖于热处理，这种方法具有设备成本低和操作简便的优点。然而，高温不可避免地会导致食品质量属性的某些程度下降，包括外观、质地和风味特性（Huang, Zhang, & Bhandari, 2019）。PEF技术通过使食品暴露于高强度、短时间的脉冲电流来实现灭菌，其特点是非热损伤

结论

PMF技术对细胞TMV产生了显著变化，从而精确高效地破坏了有害微生物的结构。与传统方法相比，这项技术具有显著的优势。它既不影响食品的营养成分，也不改变其味道，同时显著延长了食品的保质期。本研究创新性地构建了一个模拟模型，重点研究在PMF作用下不规则细胞中的膜EP现象。该模型

作者贡献声明

郭飞：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，研究，资金获取，概念化。丹桂林：验证，监督。袁浩：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，研究

未引用的参考文献

CHUNG等人，2010；Ghorbel等人，2019；Guo等人，2022；He等人，2014。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究部分得到了国家自然科学基金（编号：52377223）和重庆市自然科学基金（CSTB2025NSCQ-GPX1262）的支持。