葡萄上赭曲霉毒素A產(chǎn)生機制及生物檢測方法研究進展

彭婭萍，楊其亞，張曉云，張紅印

(江蘇大學 食品與生物工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江,212013)

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葡萄上赭曲霉毒素A產(chǎn)生機制及生物檢測方法研究進展

彭婭萍，楊其亞，張曉云，張紅印*

(江蘇大學 食品與生物工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江,212013)

摘要赭曲霉毒素A(Ochratoxin A，OTA)主要由赭曲霉、黑曲霉及青霉菌的某些菌株產(chǎn)生，具有多種毒性，葡萄及其制品中OTA污染在全球范圍內(nèi)普遍存在，嚴重影響人類和動植物的健康?？刂芆TA的方法已經(jīng)有許多研究，其中生物方法安全環(huán)保是目前研究的熱點，而認識OTA來源及產(chǎn)生機制是生物防治污染的基礎，隨著分子生物學的發(fā)展，一些新型的分子快速檢測方法已經(jīng)被研究出來。對OTA的毒理特性、污染及來源、產(chǎn)毒機制、分子生物學快速檢測手段等方面進行了綜述，為尋求有效的控制產(chǎn)毒和降解毒素方法提供理論參考，以期降低OTA污染。

關鍵詞赭曲霉毒素A (Ochratoxin,OTA)；污染來源；產(chǎn)毒機制；生物檢測手段

赭曲霉毒素是許多絲狀真菌包括曲霉屬和青霉屬菌種合成的次生代謝產(chǎn)物，它包括19種結構類似的化合物，結構通式： R2=Cl或H；R3= H或OH； R4= H或OH；R5= H或OH；R1可以為苯丙氨酸，乙酯，甲酯，羥基以及各種其他氨基酸(圖1)，赭曲霉毒素A(OTA) 毒性最大，其R1=苯丙氨酸，R2= Cl，R3=H，R4=H，R5=H，分子式為C20H18Cl NO6，摩爾分子量為403.82 g/mol。其中衍生物OTα(R1=OH，R2=C1) 和OTβ(R1=OH，R2=H)是赭曲霉毒素A的中間代謝產(chǎn)物。OTA 的苯丙氨酸基團被其他氨基酸取代的衍生物毒性要低于OTA[1]。赭曲霉毒素A性質(zhì)穩(wěn)定，耐酸，耐高溫，不易降解，食品一旦污染OTA，要完全去除是非常困難的。研究證實OTA廣泛存在谷物，葡萄及制品和咖啡豆及其制品中，對人類和動物都有一定的潛在危害[2]。

圖1　赭曲霉毒素主體結構[3]Fig.1　General structure of ochratoxin A metabolites

1OTA毒理特性

OTA為穩(wěn)定的無色結晶化合物，呈弱酸性， OTA 結構中的羥基基團以電離形式存在是 OTA 發(fā)揮毒性所必需的條件，氯原子則在其遺傳毒性上發(fā)揮十分重要的作用。目前關于OTA的毒理學和病理學研究側(cè)重于動物實驗的結果。該分子在幾個種動物中可以具有幾個方面的影響，如腎毒性，肝毒性，腸道毒性，神經(jīng)毒性，致畸和免疫毒性，并可能在小鼠和大鼠上導致腎臟和肝臟腫瘤[4-6]，但其毒性取決于受試動物性別，品種和細胞類型[7]。由于在各種微生物和哺乳動物試驗得到的結果存在矛盾，OTA的遺傳毒性狀況仍存在爭議。但是，在大鼠上的慢性實驗和豬的亞急性實驗研究中證明長期攝入OTA， DNA會形成加合物, 且低濃度的OTA會通過氧化染色質(zhì)和損傷DNA抑制體外培養(yǎng)的干細胞生長[8-9]。在充足的動物試驗結果基礎上推斷OTA是一種人類致癌物。然而并沒有充分的實驗證明OTA攝入和人類癌癥發(fā)生有直接的關系，但是已經(jīng)證實保加利亞及南斯拉夫巴爾干地區(qū)尿路移行細胞腫瘤導致的死亡率與地方性腎病的地理分布相關，而OTA具有極大的腎毒性[10]。

2葡萄及其制品上OTA產(chǎn)生來源

葡萄及其制品是重要的OTA污染來源，鑒于OTA對人體可能造成的危害，國內(nèi)外一些組織和科研機構對葡萄及其制品中的OTA的含量做了限量標準[11]。2005年歐盟規(guī)定葡萄和葡萄制品中OTA的限量為2.0 μg/kg[12]。我國在2008年提出增設葡萄酒中赭曲霉毒素A限量標準為2.0 μg/kg[13]。統(tǒng)計結果表明，歐洲葡萄酒OTA污染在0.01～3.4 μg/L之間，污染程度與葡萄收獲年份和地理位置相關，且由北到南梯度增加[14]。研究發(fā)現(xiàn)，葡萄汁中也存在著OTA的污染，LARCHER和NICOLINI發(fā)現(xiàn)，所有的葡萄汁濃縮樣品中均存在OTA。葡萄干制品中OTA的含量高于葡萄酒和葡萄汁，歐洲的南部地區(qū)葡萄干制品中的OTA的污染量為2.3 μg/kg[15]。通常OTA污染發(fā)生在葡萄采摘和加工前，甚至從葡萄園種植開始就受到各種產(chǎn)毒菌尤其是黑曲霉屬(炭黑曲霉和黑曲霉)的污染，在果實成熟階段OTA積累量迅速增加[16-17]。

2.1主要產(chǎn)毒菌

目前，已報道的OTA產(chǎn)生菌主要包括：青霉和曲霉這兩個屬，還有少數(shù)石座菌屬和枝孢屬菌株(表1)。除表1所列出的主要產(chǎn)毒菌外，還有許多種其他產(chǎn)毒菌，比如曲霉屬新發(fā)現(xiàn)的高產(chǎn)產(chǎn)菌毒A.westerdijkiae，一些產(chǎn)毒量較低，例如蜂蜜曲霉(A.melleu)、洋蔥曲霉(A.alliaceus)、硫色曲霉(A.sulphureus)、佩特曲霉(A.petrakii)及寄生曲霉(A.parasiticus)。青霉屬中其他產(chǎn)毒菌有變幻青霉(P.variabile)、圓弧青霉(P.cyclopium)、產(chǎn)黃青霉(P.chrysogenum)、純綠青霉(P.polonicum)等。

表1　主要赭曲霉毒素A產(chǎn)毒菌[3, 18-21]

2.2產(chǎn)毒條件

在產(chǎn)毒的種內(nèi)并非所有菌株都能產(chǎn)毒，產(chǎn)毒株的比例和產(chǎn)毒量與產(chǎn)毒基質(zhì)，條件及試驗方法密切相關。

2.2.1培養(yǎng)基組分

碳源、氮源以及Zn2+、Mg2+和培養(yǎng)時間[22]等條件對不同產(chǎn)毒菌株產(chǎn)OTA影響很大。CARINA分析了時間、溫度以及培養(yǎng)基對黑曲霉產(chǎn)毒的影響，發(fā)現(xiàn)25 ℃下黑曲霉菌株時間上一般在第14天產(chǎn)毒量較高，研究同時表明, 不同的培養(yǎng)基對其有影響, 在酵母膏察氏培養(yǎng)基上培養(yǎng)產(chǎn)毒較多[23]。GEREZ研究表明，黑曲霉在高水分活度(aw=0.995)時在查氏酵母膏培養(yǎng)基(CYA)上利于菌株生長與產(chǎn)毒[24]。

2.2.2培養(yǎng)條件

除了培養(yǎng)基質(zhì)的影響外，一些其他的霉菌生長條件也能影響毒素的產(chǎn)生，溫度、濕度和pH值等培養(yǎng)條件通過不同的方式影響OTA產(chǎn)生。青霉一般適宜生長在溫度低于30 ℃，水分活度低于0.8的環(huán)境下；赭曲霉適宜在溫和的溫度，且水分活度高于0.8的環(huán)境中生長；而炭黑曲霉、黑曲霉，適宜在30 ℃左右的溫度下生長，且容易感染成熟果實[25]。當溫度低于15 ℃時，真菌的生長被明顯抑制，OTA的產(chǎn)生也得到有效的控制[26]。QUINTELA等發(fā)現(xiàn)，少雨且高溫地區(qū)的葡萄更容易污染OTA[27]。O‘CALLAGHAN等研究發(fā)現(xiàn)赭曲霉在低pH時(pH3.0～4.0)產(chǎn)毒量高，堿性環(huán)境下產(chǎn)毒減少[28]。然而pH對日耳曼青霉產(chǎn)毒的影響恰恰相反，與產(chǎn)毒相關的基因otapksPN在酸性(pH<5.0)條件下表達量低，pH 6～8之間表達量最高，而該基因在不同pH 環(huán)境下與OTA產(chǎn)毒量呈正相關[29]。

3OTA生物合成途徑與基因調(diào)控

3.1合成途徑

關于OTA性質(zhì)的研究很多，但OTA產(chǎn)生菌的一些生物合成途徑并不明確。HUFF和HAMILTON[30]根據(jù)OTA的分子結構提出的生物合成途徑的假設模型，OTA生物合成的步驟分為3個部分：

第一部分是聚酮化合物在聚酮合酶參與下生成蜂蜜曲霉素，然后?；罨?，蜂蜜曲霉素被甲基氧化為7-羧基蜂蜜曲霉素(OTβ)，再由過氧化物酶參與氯化反應生成赭曲霉毒素α(OTα)，該化合物隨后被三磷酸腺苷活化。

第二部分的苯丙氨酸通過莽草酸合成途徑，接著發(fā)生酯化反應，以便它能夠參與隨后?；D(zhuǎn)移反應。

第三部分是前兩部分活化的前體由多肽合成酶生成OTC，OTC是一種OTA的乙酯衍生物。最后一個步驟是由酯酶參與的酯化或酯交換反應，最后產(chǎn)生OTA。其中異香豆素組是由乙酸通過聚酮合成途徑形成的戊酮，聚酮化合物合酶(PKS)是關鍵酶，它以類似合成霉菌毒素如伏馬菌素和黃曲霉毒素的方式參與OTA生物合成[31-32]。

HARRIS和 MANTLE對該合成途徑提出一些異議[33]，他們添加帶標記前提到赭曲霉培養(yǎng)基中，結果發(fā)現(xiàn)中間產(chǎn)物OTα大量參與合成過程，OTβ部分參與，而蜂蜜曲菌素沒有被檢測到參與合成途徑。

3.2產(chǎn)毒基因調(diào)控

在分子水平上，基因組DNA庫和cDNA文庫構建技術；PCR；基因敲除；傳統(tǒng)mRNA差異顯示技術(DDRT-PCR)；基因芯片；PCR和反向PCR等技術已被用于研究PKS基因調(diào)控重要各種聚酮化合物的生物合成[34-35]。目前關于分子機制的研究主要以關鍵酶聚酮化合物合酶(PKS)為研究對象，KS域是不同的PKS中的保守區(qū)域，針對KS域設計簡并引物對，可以用于擴增KS結構域的片段。這些簡并引物對已經(jīng)成功地應用于OTA產(chǎn)生菌的研究。VARGA和EDWARDS等已經(jīng)確定赭曲霉中5種不同的PKS基因[36]。另外在A.westerdijkiaeNRRL 3174中9種KS域以及5種炭黑曲霉(2Mu134 = CBS 120167)中的KS域[37]已被發(fā)現(xiàn)。

O’CALLAGHAN等克隆了赭曲霉中的聚酮合酶(PKS)基因(基因庫登錄號：AY272043)試圖闡明OTA的分子生物合成途徑[38]，但未發(fā)現(xiàn)該基因與檢測中間代謝產(chǎn)物如蜂蜜曲菌素產(chǎn)生是否有關系。隨后，KAROLEWIEZ和GEISEN發(fā)現(xiàn)日耳曼青霉中聚酮合成酶基因otapksPN(基因庫登錄號：AY196315)是OTA生物合成必不可少的[39]。BACGAB等[40]研究找出A.westerdijkiae生物合成OTA的PKS基因aoks1(基因庫登錄號：AY583209)，中斷aoks1表達，OTA就無法合成，但不影響其他代謝產(chǎn)物特別是蜂蜜曲菌素的生物合成，在突變體中PKS基因已被敲除則不能合成的OTA，但仍產(chǎn)生蜂蜜曲菌素，這一發(fā)現(xiàn)支持HARRIS和 MANTLE的結果。

4OTA污染控制

控制OTA污染主要從降解已存在的毒素和防止毒素產(chǎn)生兩方面，葡萄采前的嚴格規(guī)范的管理是最有效的控制OTA污染的方法，但是如果污染已經(jīng)發(fā)生，必須采取一些適當?shù)姆椒▽⑵淙コ?/p>

4.1降解已存在的毒素

橡木塞是葡萄酒釀造過程中必備的物質(zhì)，SAVINO等發(fā)現(xiàn)其能去除紅葡萄酒中的OTA，甚至使用沒有污染OTA的葡萄渣，尤其是與葡萄酒種類相同的葡萄渣，能夠很好的清除OTA并保持葡萄酒的色澤以及營養(yǎng)價值。葡萄酒釀造過程OTA也存在降解，根據(jù)品種不同降解率為46.83%～86.5%，但是這一過程主要是吸附作用殘存在固體果渣和生物體中，對環(huán)境、人類仍然存在潛在的危害。輻照是另一種簡單、易操作的方法，60Coγ射線輻照水溶液的OTA，在4 kGy的輻照劑量下，OTA降解率達到90%，但對于能否降解葡萄及其制品中的OTA還需進一步的研究。

微生物降解生物降解OTA是一種相對安全、環(huán)保的方法，成為替代化學品的最佳選擇，目前被認為是最具有前景的方法。國內(nèi)外大量文獻報道了微生物(主要有細菌，酵母，霉菌)在水溶液中去除OTA的能力。但是在酵母殘渣里面的含有較高量的OTA，且熱殺死的分生孢子仍然具有去除OTA的作用。推斷可能是酵母細胞壁的生甘露糖蛋白對OTA的吸附作用。

4.2預防毒素產(chǎn)生

由于赭曲霉毒素性質(zhì)穩(wěn)定不易分解，一旦產(chǎn)生很難處理，防止毒素產(chǎn)生是從源頭上控制赭曲霉毒素的污染問題，是未來OTA防治領域的研究重點。早期和快速檢測并抑制潛在OTA產(chǎn)生菌生長對減少OTA污染十分重要。

首先在于良好的耕作和儲存方法，包括降低農(nóng)作物在收割、貯存、運送和處理期間受霉菌感染和減少霉菌生長，是預防農(nóng)作物不受赭曲霉毒素A污染的基本防線。減少谷物的水分確保谷物在貯存和運送期間保持干燥，使其水分含量保持0.70 以下。

化學殺菌劑因其具有的高效性，已經(jīng)普遍應用于實踐中，如多菌靈(Carbendazi)和咯菌腈(Fludioxonil)已用于抑制葡萄園中多種霉菌的生長。然而，MEDINA等發(fā)現(xiàn)，多菌靈雖然能抑制多種霉菌，但是對炭黑曲霉的抑制作用很小，而且會增強炭黑曲霉產(chǎn)生OTA，這再次引起了人們對化學殺菌劑的質(zhì)疑，且化學殺菌劑在應用上的安全性也是人們所擔憂的。

最佳方法就是利用生物方法進行預防，通過利用有益微生物控制產(chǎn)生赭曲霉毒素霉菌的生長減少霉菌毒素的合成是一種有效可行的方法，有研究表明普魯蘭類酵母不僅能夠控制有效的抑制炭黑曲霉在葡萄上的生長，同時能夠降解OTA。

在控制OTA污染的研究中，我們需要尋求快速有效的監(jiān)測體系，以及抑制產(chǎn)毒和降解毒素的方法。通過認識OTA合成機制，結合現(xiàn)代分子生物學技術，在污染初期快速檢測產(chǎn)毒菌并阻斷霉菌毒素產(chǎn)生，研究出快速有效具有廣譜性的控制毒素方法，并投入到商業(yè)化應用。

5分子生物學應用于OTA污染防控

在目前的OTA檢測中，多集中在致病霉菌的代謝產(chǎn)物中是否含有赭曲霉毒素。早期和快速檢測潛在OTA產(chǎn)生菌對減少OTA污染十分重要，快速的方法來檢測產(chǎn)毒真菌可以幫助防止霉菌毒素進入食物鏈。通常的真菌定性和定量分析方法步驟比較復雜。常利用的OTA檢測方法有薄層層析法，熒光高效液相法，液相質(zhì)譜聯(lián)用法，近紅外光譜技術(near-infrared reflectance spectroscopy,NIRS)，時間分辨熒光免疫分析(time resolved fluoroisnmunoassay,TRFIA)技術，基于免疫學原理的酶聯(lián)免疫法和膠體金免疫層析技術。這些方法大都需要復雜的操作過程，有些成本昂貴。PCR技術可以直接通過擴增特異性基因組標記物來檢測替代了費時費力的微生物方法，這一方法最重要的是引物設計的可靠性和得到目標菌類的DNA序列。

5.1通過PCR檢測產(chǎn)赭曲霉毒素菌種

近年來PCR技術已被開發(fā)用于檢測和區(qū)分真菌毒素產(chǎn)生菌的主要種類。rRNA，β微管蛋白，延伸因子1α和鈣調(diào)蛋白等相關基因中包含高度保守以及可變序列區(qū)域。目前針對曲霉和青霉屬中OTA產(chǎn)生菌的新型診斷方法的引物對已經(jīng)設計出。PELEGRINELLI和FUNGARO等[41]設計的引物對對葡萄的主要OTA產(chǎn)生菌炭黑曲霉具有高特異性，不過該引物無法區(qū)分炭黑曲霉是否產(chǎn)毒。

菌種特異性檢測的首要目標是確定特定的霉菌是否產(chǎn)生毒素。許多真菌毒素的生物合成的基因存在于基因簇中，并且一些產(chǎn)毒基因在幾個菌種中都存在。不同菌種的同源性真菌毒素生物合成基因內(nèi)的區(qū)域可用于設計引物，以檢測相關產(chǎn)毒菌種[31]。這一方法已成功應用于黃曲霉毒素產(chǎn)生菌，單端孢霉烯產(chǎn)生菌，伏馬菌素產(chǎn)生菌[42]等的檢測。PCR法用于分化檢測赭曲霉菌和青霉菌屬中的日耳曼青霉和疣狀青霉的方法已經(jīng)研制成功。OTA的生物合成途徑中的兩個基因，即OTA聚酮化合物合酶基因(otapksPN)和日耳曼青霉多肽合成酶基因(otanpsPN)[27, 29]。疣狀青霉始終只與引物對otanpsPN基因有陽性反應，而這兩個基因則都對日耳曼青霉有效。該方法已用于從肉制品中分離62種產(chǎn)毒青霉屬菌株。SUANTHIE等研究出多元的RT-PCR分析方法，可以用于檢測多樣廣范圍的產(chǎn)毒霉菌，他們設計出一種廣譜的PCR引物，計算機模擬分析中該引物能擴增包括40種曲霉菌，23種鐮刀菌，32青霉菌以及其他64種真菌[43]。

5.2RT-PCR對OTA定量檢測的應用

實時PCR(RT-PCR)技術通過定量DNA來檢測產(chǎn)毒菌。 RT-PCR對OTA產(chǎn)生菌的檢測和定量已經(jīng)成功在許多食品中得到運用。在設計以基因組靶DNA作為模板的PCR方法時，需要考慮到大多數(shù)霉菌毒素生物合成是一個非常復雜的過程，還有轉(zhuǎn)錄水平復雜的調(diào)節(jié)作用以及環(huán)境因素重要影響，找到基因表達量和毒素濃度之間的相關性是很重要的。通常選擇OTA生物合成相關基因進行定量檢測。通過使用RT-PCR技術，以產(chǎn)毒相關基因或者以管家基因為靶向設計的引物為研究對象。已經(jīng)證實炭黑曲霉中OTA濃度和DNA 表達量之間呈正相關關系[44]。黑曲霉中的PKS基因(An15g07920)表達量與OTA合成相關，研究表明該基因參與OTA生物合成，在產(chǎn)毒培養(yǎng)基上PKS基因被上調(diào)，而且在檢測到OTA濃度增長的12 h前PKS基因大量表達[45]。目前， RT-PCR定量方法被認為是替代常規(guī)檢測葡萄上炭黑曲霉量和OTA含量之間的關系的最好的方法。ATOUI等[46]根據(jù)其相關性提出，葡萄果實中炭黑曲霉 DNA含量必須低于10 ngDNA/g才符合歐盟OTA限量標準。它可通過定量測定真菌相關基因生物量來進行食品快速質(zhì)量評估，從而使監(jiān)測OTA產(chǎn)生成為可能。

6展望

葡萄及其制品中赭曲霉毒素A污染在全球范圍分布十分廣泛，且具有多種毒性，嚴重危害人類和動植物健康。從源頭上控制赭曲霉毒素A的污染問題是未來OTA防治領域的研究重點，分子生物學方法應用于OTA的監(jiān)測和預防十分快速簡便，它基于真菌基因組研究的發(fā)展。目前對于OTA的合成機制已經(jīng)有一定的進展，各種菌產(chǎn)生OTA的途徑并不完全相同，需要通過對大量OTA產(chǎn)生菌基因組學的比較研究，來挖掘出新的OTA合成調(diào)控關鍵基因，徹底闡明OTA的合成機制。這將有利于研究者尋找快速檢測食品上產(chǎn)毒菌的方法和抑制毒素產(chǎn)生的方法，也即通過研究OTA合成途徑和產(chǎn)毒基因，在污染早期人為干預阻斷OTA合成。后基因組學的研究，對于深入分析農(nóng)作物種植、生長、運輸、儲藏過程中產(chǎn)毒真菌群的滋生，真菌毒素的合成路徑及其調(diào)控機制、產(chǎn)毒菌與農(nóng)產(chǎn)品互作、危害食品品質(zhì)的機理提供新的思路。

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Research progress ochratoxin A-producing mechanism in grapes and biological detection methods

PENG Ya-ping, YANG Qi-ya, ZHANG Xiao-yun, ZHANG Hong-yin*

(School of Food and Biological Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

ABSTRACTOchratoxin A (OTA) is one of the five major kinds of mycotoxin commonly found in fruits and vegetables. Currently, OTA is mainly produced by Aspergillus and Penicillium. Studies showed that this molecule can have several toxic effects. Worldwide, OTA contamination in grapes and its derived products is a big threat to health of the human, plant and animal. There are many studies about OTA-controlling, and biological method is the hot spot currently as it is safe and environmental-friendly. A good knowledge of OTA sources and production mechanism is the foundation for biological control of pollution. With the development of molecular biology, some new types of rapid molecular detection method have been developed. This review highlighted toxicological characteristics, the pollution and sources, toxin-producing mechanisms and PCR detection methods, which provided a theoretical basis for searching effective ways to control OTA production and degradation.

Key wordsochratoxin A；pollution sources； produce mechanism；biological detection methods

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201606041

基金項目：國家自然科學基金(31271967)；教育部高等學校博士學科點專項科研基金(20123227110015)；鎮(zhèn)江市科技支撐計劃-農(nóng)業(yè)支撐項目(NY2013004)；江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項目(CX(15)1048)

收稿日期：2015-12-08，改回日期：2016-02-25

第一作者：碩士研究生(張紅印教授為通訊作者,E-mail：zhanghongyin126@126.com)。