真菌毒素的臭氧降解研究進展

李萌萌，關(guān)二旗，卞 科

（河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001）

0 前言

真菌毒素是真菌在生長過程中產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物，絕大部分具有毒性，不僅容易污染小麥、玉米等糧食作物[1]，而且在香辛料[2]、咖啡豆[3]等植物性產(chǎn)品中也時有發(fā)生，對人畜健康及食品安全造成嚴重威脅[4].

近些年來，由于氣候因素以及耕作制度的影響，世界上許多國家和地區(qū)的真菌毒素污染問題日益嚴峻.作為人類膳食的主要來源，谷物的品質(zhì)和安全至關(guān)重要，為了減少谷物在儲藏和加工過程中由于真菌毒素的產(chǎn)生所造成的大量損失，越來越多的處理方法被應(yīng)用于真菌毒素的降解.其中，具有強氧化作用的臭氧氧化法日益成為研究熱點.臭氧殺菌力強，殺菌速度極快，且不產(chǎn)生二次污染，早已被世界上許多國家的學(xué)者所認同.作者綜述了臭氧對真菌毒素的降解以及降解機理和產(chǎn)物安全性的研究進展，同時分析了臭氧處理對樣品品質(zhì)的影響，以期為臭氧在真菌毒素降解中的應(yīng)用提供理論參考.

1 真菌毒素研究現(xiàn)狀

1.1 污染概況

真菌毒素種類繁多，目前已知結(jié)構(gòu)的有300 多種，其中以黃曲霉毒素（AFT）、單端孢霉烯類毒素、玉米赤霉烯酮（ZEN）、赭曲霉毒素A（OTA）和伏馬菌素（FUM）為主.數(shù)據(jù)顯示，全球每年有25%～50%的商品，尤其是以食品原料為基質(zhì)的商品均受到真菌毒素的污染[5].周闖等[6]對2012 年國內(nèi)205份飼料及原料中真菌毒素的污染狀況進行了調(diào)查，結(jié)果顯示真菌毒素污染情況非常嚴重，檢出率高達66.21%，超標率高達27.75%；黃曲霉毒素B1（AFB1）的最高檢出量為488.86 μg/kg，高出國家標準近25 倍.BIOMIN 公司的調(diào)查結(jié)果顯示，2013 年中國各個地區(qū)803 份飼料及其原料中污染最嚴重的真菌毒素為脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（DON）、ZEN 和FUM，檢出率分別高達94%、57%和41%；對于小麥和小麥麩樣品，DON 的檢出量分別高達1 485 μg/kg和2 496 μg/kg[7].此外，有學(xué)者[8]研究了巴爾干半島地區(qū)2013 年玉米中AFT 的污染情況，結(jié)果顯示收集到的140 個玉米樣品中有70 個樣品的AFB1含量為6～168 μg/kg，平均含量為51 μg/kg.面對如此嚴峻的真菌毒素污染趨勢，有關(guān)部門頒布了一系列真菌毒素的限量標準[9-10]，同時真菌毒素削減技術(shù)也成為目前國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點.

1.2 降解方法

真菌毒素的降解方法總體上可以分為三類，即物理削減法、化學(xué)降解法和生物脫毒法.目前研究比較廣泛的物理削減法包括熱處理法[11]、吸附法[12-13]、紫外線輻照法[14]、60Co-γ 射線輻照[15]、電子束輻照[16]、微波處理[17]、放電等離子體作用[18]、過熱蒸汽處理[19]、擠壓蒸煮[20]等.有學(xué)者采用Na2CO3、NaHSO3、H2O2以及石灰水等化學(xué)試劑處理真菌毒素，取得了較好的降解效果[21].此外，還有采用臭氧氧化[22]、植物性藥材抑制[23]等化學(xué)方法對真菌毒素進行降解.生物脫毒法主要是采用富集培養(yǎng)的土壤細菌[24]、益生菌菌株[25]、枯草芽孢桿菌[26]等對真菌毒素進行分解或是通過抑制和拮抗作用來阻礙真菌毒素的生長.

雖然目前國內(nèi)外已有大量文獻報道真菌毒素的降解技術(shù)，但是，已有的研究方法還存在一定的不足.例如，加熱過程會影響食品及原料的風(fēng)味和營養(yǎng)價值，吸附劑在吸附真菌毒素的同時也可能造成原料中營養(yǎng)物質(zhì)的損失；化學(xué)降解法目前在世界上很多國家和地區(qū)被禁止，因為它可能會給食品及原料帶來新的污染；生物學(xué)方法見效周期長，操作復(fù)雜，很難在短時間內(nèi)實現(xiàn)大規(guī)模普及[27].因此，研究出降解效果良好，操作簡便且無二次污染的毒素降解方法是目前真菌毒素研究領(lǐng)域亟待解決的熱點問題.近些年來，有學(xué)者采用臭氧氧化來降解谷物和其他植物性原料中的真菌毒素，臭氧氧化法以其殺菌效率高、無二次污染等優(yōu)點逐漸被人們認可.

2 臭氧對真菌毒素的降解作用

臭氧是一種強氧化劑、消毒劑，在自然界中，臭氧的氧化能力僅次于氟.臭氧很不穩(wěn)定，極易分解為氧氣，因此，用臭氧處理樣品后無殘留，不會對環(huán)境造成二次污染，是“理想的綠色強氧化劑”[28].臭氧具有廣泛的殺菌作用，可以殺滅革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌、孢子和營養(yǎng)細胞等[29].氣態(tài)臭氧或臭氧水可以降低谷物和谷物產(chǎn)品中的細菌、真菌和霉菌，包括芽孢桿菌、大腸菌群、黃桿菌屬、曲霉菌屬和青霉菌屬等的孢子[30]，尤其是臭氧對谷物中的AFT、OTA、ZEN 等真菌毒素具有良好的降解作用，目前已有大量的研究報道，臭氧濃度、處理時間、pH 和樣品水分含量是影響臭氧降解谷物中真菌毒素的關(guān)鍵因素.

2.1 黃曲霉毒素

黃曲霉毒素（AFT）在糧油作物中污染廣泛，主要侵染對象是花生和玉米.其中AFB1是毒性最強的真菌毒素，被世界衛(wèi)生組織定為Ⅰ類致癌物.臭氧作為一種強氧化劑和殺菌劑，用于降解AFT 已有大量研究報道，具體見表1.由表1 中數(shù)據(jù)可以看出，臭氧對AFT 有很好的降解效果，臭氧濃度是影響其降解的關(guān)鍵因素.另外，由于真菌毒素結(jié)構(gòu)的不同，AFB1和黃曲霉毒素G1（AFG1）的降解效果要優(yōu)于黃曲霉毒素B2（AFB2）和黃曲霉毒素G2（AFG2）.Maeba 等[31]研究表明，AFB1和AFG1對臭氧敏感，臭氧劑量為1.1 mg/L，室溫條件下5 min內(nèi)即可使其降解.AFB2和AFG2對臭氧有較強的抵抗力，要使其完全降解，臭氧劑量34.3 mg/L 需要50～60 min.McKenzie 等[32]用質(zhì)量分數(shù)2%、10%、20%的臭氧來處理AFB1、AFB2等10 種真菌毒素，結(jié)果顯示，2%的臭氧能使AFB1和AFG1快速降解，然而AFB2和AFG2對臭氧氧化具有抵制作用，需要高質(zhì)量分數(shù)（20%）的臭氧來處理才能使其快速降解.

羅建偉等[33]對臭氧熏蒸降解糧食中的AFB1進行了研究，結(jié)果表明，受AFT 感染且水分含量在15%以下的低水分糧，經(jīng)質(zhì)量濃度為20～50 mg/L的臭氧處理9 h 后，AFB1的含量可以從100 μg/kg降至5 μg/kg 以下.此外，臭氧還可以用于其他食品基質(zhì)中真菌毒素的降解.Zorlugenc 等[34]用13.8 mg/L 的氣態(tài)臭氧和1.7 mg/L 的臭氧水處理被人為污染AFB1的干無花果樣品30、60、180 min，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AFB1的降解率隨著處理時間的延長而升高，并且氣態(tài)臭氧比臭氧水降解AFB1的效果更好.

表1 臭氧對黃曲霉毒素的降解Table 1 Ozone degradation of aflatoxin

2.2 單端孢霉烯類毒素

單端孢霉烯類是一大類化學(xué)性質(zhì)相關(guān)的真菌毒素，主要由鐮刀菌屬、單端孢屬等真菌產(chǎn)生，它可分為A、B、C、D 4 種類型，其中A、B 型較為常見，研究較多的是A 型中的T-2 毒素和B 型中的DON.與AFT 相比，臭氧用于降解單端孢霉烯類真菌毒素的研究較少，這可能與其結(jié)構(gòu)等理化性質(zhì)有關(guān)，具體見表2.

有研究表明[32]，臭氧可能通過攻擊單端孢霉烯類真菌毒素中的雙鍵而破壞其結(jié)構(gòu)，降低其毒性.Young[22]研究了水合臭氧對10 種單端孢霉烯族真菌毒素的降解，結(jié)果顯示采用25 mg/kg 的飽和臭氧水降解真菌毒素后檢測不到殘留物；用0.25 mg/kg 的臭氧處理后，仍有部分真菌毒素及其中間產(chǎn)物能夠被檢測到，可見臭氧濃度是影響真菌毒素降解的關(guān)鍵因素.此外，在臭氧飽和水蒸氣體系中，pH 值也是影響臭氧降解單端孢霉烯族毒素的一個重要因素.在pH 為4～6 時，DON、單乙酰氧基鐮草鐮刀菌醇和T-2 三醇完全降解；在pH 為7～8時，毒素分子結(jié)構(gòu)中C8位氧化態(tài)對臭氧降解單端孢霉烯族毒素有促進作用；在pH 為9 時，由于羥基自由基的存在，所有的單端孢霉烯族毒素幾乎不發(fā)生臭氧化降解.Tiwari 等[40]研究了臭氧在谷物加工過程中的應(yīng)用，結(jié)果顯示臭氧能殺滅儲糧害蟲，使真菌失活以及使DON 等真菌毒素降解等都依賴于以下幾個因素，即臭氧濃度、臭氧處理時間、pH 和谷物的含水量.

表2 臭氧對單端孢霉烯類毒素的降解Table 2 Ozone degradation of trichothecene

2.3 其他真菌毒素

污染谷物和其他食品基質(zhì)的真菌毒素除了AFT 和單端孢霉烯類真菌毒素，還有污染玉米比較嚴重的OTA、污染小麥的其他真菌毒素等.鄧捷等[43]研究了不同臭氧濃度、處理時間對玉米中OTA的降解效果，結(jié)果表明臭氧對OTA 標準品降解效果非常明顯，臭氧濃度為30 mg/L 時處理120 min或者濃度為60 mg/L 時處理90 min 均能使80 μg/L的OTA 標準品降解率幾乎達到100%.此外，利用60 mg/L 臭氧處理10 h 能有效的將玉米中含量為80 μg/kg 的OTA 降解到安全范圍（5 μg/kg）以下，并且臭氧處理對玉米脂肪酸無顯著影響.此外，還有很多學(xué)者將臭氧應(yīng)用于真菌毒素的降解，具體見表3.

表3 臭氧對其他真菌毒素的降解Table 3 Ozone degradation of other mycotoxins

3 降解機理及產(chǎn)物安全性評價

臭氧可以通過強氧化作用改變真菌毒素的分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其生物活性的改變，從而起到解毒作用[48].臭氧容易攻擊單端孢霉烯類毒素結(jié)構(gòu)中的雙鍵，從而導(dǎo)致其毒性基團破壞.Young[22]研究發(fā)現(xiàn)臭氧與單端孢霉烯類真菌毒素開始作用的位點是結(jié)構(gòu)中的C-9，10 雙鍵，臭氧氧化的結(jié)果即在此位點加上兩個氧原子，其他結(jié)構(gòu)保持不變.Maeba[31]的研究表明，AFB1和AFG1對臭氧很敏感，而AFB2和AFG2對臭氧則有一定的抵抗作用，可能的原因是AFB1和AFG1分子結(jié)構(gòu)的C-8，9 位存在雙鍵，此雙鍵可以很容易地與臭氧發(fā)生親電加成反應(yīng).Luo 等[49]通過超高效液相色譜-四級桿飛行時間質(zhì)譜（UPLC-Q-TOF-MS）技術(shù)闡明了AFB1臭氧解毒作用的機理是臭氧與AFB1末端呋喃環(huán)的雙鍵發(fā)生了共軛加成反應(yīng)，并且通過構(gòu)效關(guān)系研究了AFB1的臭氧化降解產(chǎn)物，得出了AFB1降解產(chǎn)物的毒性遠遠小于AFB1這一結(jié)論.陳冉[50]根據(jù)臭氧氧化三步機理及AFB1降解機理的文獻資料，初步推測出了AFG1的5 種可能降解產(chǎn)物以及其分子式.Diao等[51]采用柱層析和UPLC-Q-TOF-MS 技術(shù)解析出了AFB1主要的6 種臭氧氧化降解產(chǎn)物，并且指出AFB1的毒性經(jīng)過臭氧處理之后大幅度降低是由于其結(jié)構(gòu)中末端呋喃環(huán)的雙鍵或是苯環(huán)上半內(nèi)酯的消失造成的.

關(guān)于真菌毒素降解產(chǎn)物毒性的研究，目前最常用的是通過檢索相關(guān)的數(shù)據(jù)庫和文獻以及結(jié)合毒理學(xué)實驗進行評價.為了更加全面地評價降解產(chǎn)物的安全性，一般需要進行毒理學(xué)實驗.Diao等[35]通過亞慢性毒性實驗研究了花生中AFB1經(jīng)臭氧降解后產(chǎn)物的毒性作用，通過評價小鼠體質(zhì)量變化、飼料轉(zhuǎn)化率、血清生化指數(shù)和組織病理學(xué)等指標發(fā)現(xiàn)臭氧可以顯著降低被AFB1污染的花生樣品的毒性，并且臭氧作用過程不會產(chǎn)生新的毒性物質(zhì).Luo 等[36]采用人類肝癌細胞系（HepG2）研究了被AFB1侵染的玉米經(jīng)臭氧氧化降解后產(chǎn)物的毒性作用，結(jié)果顯示，未經(jīng)臭氧處理的玉米籽粒具有較高的細胞毒性，而經(jīng)臭氧處理之后其毒性有了大幅度的降低，因此臭氧氧化是一種高效、快速、安全的AFB1降解技術(shù).

4 臭氧處理對谷物品質(zhì)的影響

臭氧在工業(yè)中常被用作漂白劑，因此其強氧化作用往往會影響受試樣品的色澤，研究表明，通過不同濃度的臭氧處理，可以增加小麥粉、面糊以及面片的白度和色度，明度值增大，黃度值減小，使小麥粉顏色變淺[52].總體上，低濃度的臭氧處理谷物制品后，對其品質(zhì)沒有顯著的負面影響.Mendez 等[53]研究表明，采用50 mg/L 的臭氧處理30 d，對大豆、小麥、玉米的脂肪酸、氨基酸含量，對小麥和玉米的研磨特性，對小麥的烘焙特性，對大米的黏滯性均無不利影響.而藍慎善等[54]發(fā)現(xiàn)，用濃度200 mg/L 臭氧處理對小麥在儲藏期干面筋的生成有明顯的促進作用.此外，也有學(xué)者研究了臭氧處理對小麥粉制品品質(zhì)的影響.Li 等[55]的研究表明，在經(jīng)過臭氧處理30 min 和60 min 后面粉和面條的白度、面團穩(wěn)定性、小麥淀粉的峰值黏度都有一定程度的提高.經(jīng)過臭氧處理的面條具有更強的韌性、彈性和耐咀嚼性，而黏度特性卻很低.經(jīng)過臭氧處理的面粉制作的面條可以在很大程度上延緩微生物的生長和面條的褐變.臭氧處理對小麥粉的面包制作特性沒有顯著影響，但是高濃度的臭氧可能阻礙面筋網(wǎng)絡(luò)的形成[56].

綜上所述，低濃度的臭氧處理對谷物及其制品的品質(zhì)不會產(chǎn)生顯著的負面影響，適度的臭氧處理可以改善受試樣品的色澤，從而提高其制品的感官品質(zhì)，但高濃度的臭氧氣體可能會對樣品造成不利影響.因此，在利用臭氧降解真菌毒素的同時，要控制好臭氧的作用濃度，保證樣品的營養(yǎng)品質(zhì)不受損害.

5 展望

目前，臭氧作為新的非熱殺菌技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，特別是將臭氧應(yīng)用于谷物中真菌毒素的降解.在臭氧得到高效利用的同時要注意以下幾個問題：首先是臭氧的安全性，臭氧是一種有毒氣體，當質(zhì)量濃度為0.1 mg/L 時，對五官有刺激性，質(zhì)量濃度為1～10 mg/L 時，出現(xiàn)頭痛及呼吸器官局部麻痹，質(zhì)量濃度為5～20 mg/L 時，可能導(dǎo)致死亡，而且臭氧對金屬及非金屬都具有強烈的腐蝕作用.因此，在實際操作中一定要考慮安全因素，盡量在寬敞通風(fēng)的環(huán)境中進行臭氧氧化實驗，同時要做好個人防護；其次，谷物等經(jīng)過臭氧處理后，會有一部分的臭氧氣體殘留，從而可能會使樣品帶有難聞的氣味，如何保證臭氧在發(fā)揮強氧化作用的同時又最低限度的影響食品感官特征，是臭氧應(yīng)用中需要考慮的問題之一；此外，臭氧將真菌毒素降解之后，降解產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、毒性分析也需要進一步研究，以確保真菌毒素被降解的同時沒有新的毒性物質(zhì)生成.總之，在利用臭氧進行殺菌時要綜合考慮多方面的因素，要加大力度進行相關(guān)的研究，解決限制性問題，從而使臭氧在食品工業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用.

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