崔 華,陸安祥,謝 剛,李 森,吳 宇,王松雪
專題報道(二)
北京市郊玉米質(zhì)量安全風(fēng)險因子及影響因素分析
崔 華1,陸安祥2,謝 剛1,李 森1,吳 宇1,王松雪1
(1. 國家糧食和物資儲備局科學(xué)研究院,北京 100037;2. 北京農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究中心/農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險評估實驗室(北京),北京 100097)
以北京郊區(qū)10個農(nóng)戶的玉米種植地為研究對象,扦取種植期土壤樣品、揚花期花穗樣品、收獲期及不同儲藏時期的玉米樣品,檢測菌相、帶菌量和真菌毒素等。結(jié)果表明,玉米產(chǎn)后整個自然晾曬儲藏期間,儲藏前期(產(chǎn)后一個月內(nèi))的發(fā)霉風(fēng)險最高,其中鐮刀菌屬一直是優(yōu)勢菌群,其產(chǎn)生的毒素主要包括脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(DON)、玉米赤霉烯酮(ZEN)和伏馬菌素(FB1、FB2),檢出率分別為100%、95%和93%,且DON和ZEN在儲藏期的超標(biāo)率均大于40%,而其他毒素,如AFBs、OTA、ST、T-2、HT-2等均未檢出。另外,采用高通量測序技術(shù)分析了土壤和花穗樣品中真菌多樣性與農(nóng)藝因素的關(guān)系,發(fā)現(xiàn),種植方式(清種/兼做)、灌溉情況、上季秸稈處理方式等因素會影響玉米植株污染真菌的種類和數(shù)量,進而導(dǎo)致玉米籽粒真菌毒素的污染水平出現(xiàn)差異。
玉米;質(zhì)量安全;風(fēng)險因子;真菌;真菌毒素;高通量測序
糧食在種植、收獲、儲藏和運輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)均會受到微生物的污染[1],包括細菌、病毒和真菌等,其中真菌污染是影響糧食產(chǎn)量和品質(zhì)的最主要因素,其產(chǎn)生的真菌毒素可在谷物食品和飼料中殘留,嚴(yán)重危及人類和動物的安全。因此,如何減少和控制真菌毒素對谷物的污染危害,已成為全世界普遍關(guān)注的問題[2]。糧食中真菌的生長和產(chǎn)毒主要受到基質(zhì)水活度[3]、種類、完整性及溫度、通風(fēng)、微生物相互作用和昆蟲等因素的共同影響[4],通過建立影響因素與糧食真菌污染之間的關(guān)系,分析糧食發(fā)霉和產(chǎn)生真菌毒素的原因,將有利于實現(xiàn)預(yù)測和防控糧食霉變和真菌毒素的污染。
玉米是世界上重要的糧食、飼料和經(jīng)濟作物,也是我國重要的糧食作物之一[5]。近年來我國玉米產(chǎn)量遠高于水稻和小麥(2014年—2018年國家統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)據(jù)),位居我國糧食作物之首,玉米產(chǎn)量已成為影響我國糧食供求和畜牧業(yè)發(fā)展的重要因素[6],玉米及其生產(chǎn)制品的質(zhì)量與安全直接影響著我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和國民健康[7]。我國玉米霉變和真菌毒素污染多發(fā)易發(fā),已成為影響玉米質(zhì)量安全的主要問題,但是目前缺乏相關(guān)的預(yù)測防控技術(shù)研究。因此,研究影響玉米質(zhì)量安全風(fēng)險因子的主要種類、來源及其污染影響因素,將有助于實現(xiàn)玉米霉變和真菌毒素污染風(fēng)險預(yù)測,進而結(jié)合相關(guān)科學(xué)干預(yù)技術(shù),實現(xiàn)提前防控,從而保障糧食質(zhì)量安全。
土壤、玉米花穗和玉米樣品采集:北京市郊玉米種植區(qū);Ezup柱式真菌基因組DNA抽提試劑盒:生工生物公司;土壤基因組DNA提取試劑盒:美國MP公司;高鹽察氏培養(yǎng)基(Salt Czapek-Dox Agar)、馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基(Potato dextrose agar,PDA):北京奧博星生物;乙腈、甲醇、乙酸銨、甲酸、乙酸(色譜純):美國Fisher公司;0.2 μm聚四氟乙烯針頭過濾器:美國Pall公司;真菌毒素標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液及種穩(wěn)定同位素標(biāo)準(zhǔn)品:奧地利Biopure公司和美國Sigma公司。
HVE-50高壓滅菌鍋:日本Hirayama公司;SPX智能培養(yǎng)箱:寧波江南儀器廠;電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱:上海森信實驗儀器有限公司;FastprepTM-24 快速樣品制備儀:美國 MP 公司;3-30K離心機:美國Sigma公司;GT10-1高速臺式離心機:北京時代北利離心機有限公司;Roto-Shake Genie多用途旋轉(zhuǎn)搖床:美國Scientific Industries公司;ACQUITY UPLC超高壓液相色譜儀:美國Waters公司;TSQ QUANTUM ULTRA四極桿串聯(lián)質(zhì)譜儀:美國 Thermo Fisher Scientifific公司。
1.3.1 樣品與農(nóng)藝信息采集
2016年,在北京市郊玉米種植區(qū)內(nèi)選取5個有代表性的產(chǎn)量大村,每個村隨機選擇兩個農(nóng)戶做為研究對象,于播種期扦取土壤樣品;揚花期扦取花穗樣品;分別于收獲期、儲藏前期(儲藏一個月)、儲藏中期(儲藏兩個月)和儲藏后期(儲藏四個月)扦取玉米樣品,并對相關(guān)農(nóng)藝信息進行登記。同時,與北京蘭亭實用技術(shù)開發(fā)有限公司合作,獲得該地區(qū)玉米揚花期至儲藏后期的相關(guān)氣象信息,包括溫度、濕度和降水量等(圖1)。
圖1 氣象信息匯總
1.3.2 樣品檢測
按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對玉米樣品進行水分、水活度、千粒重、生霉粒、帶菌量和菌相檢測。水分:GB/T 10362《糧油檢驗玉米水分測定》;水分活度:GB/T 34790《糧油檢驗糧食籽粒水分活度的測定儀器法》;千粒重:GB/T 5519《谷物與豆類千粒重的測定》;生霉粒:按照 GB/T 5494《糧油檢驗糧食、油料的雜質(zhì)、不完善粒檢驗》及GB 1353《玉米》等國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進行,并結(jié)合其他相關(guān)文獻資料進行判定;帶菌量:GB 4789.15《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗霉菌和酵母計數(shù)》;菌相:GB 4789.16《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗常見產(chǎn)毒霉菌的形態(tài)學(xué)鑒定》,其中不同種類樣品的前處理按照以下方法操作:
土壤:將土壤樣品充分混勻后取適量放入無菌研缽中,加入少量無菌水,研磨成泥狀[8],用無菌生理鹽水梯度稀釋后,取適宜濃度的土壤稀釋液涂布到高鹽察氏培養(yǎng)基和PDA培養(yǎng)基上,每個濃度做10個平板,倒置于28 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)10~14 d;花穗:將玉米花穗樣品剪成碎片,用無菌鑷子將其種植到高鹽察氏培養(yǎng)基和 PDA 培養(yǎng)基上,每個板接種5個點,每個樣品做10個平板,倒置于28 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)10~14 d;玉米:將玉米粒置入有效氯為3%的次氯酸鈉溶液中浸泡3 min后,用無菌水清洗樣品三次,再用無菌紙將表面殘留的水分吸干,無菌操作下將玉米顆粒種植到高鹽察氏培養(yǎng)基和PDA培養(yǎng)基中,每個平板10粒,每個樣品接種10個平板,倒置于28℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)10~14 d。
真菌毒素采用實驗室建立的《全碳標(biāo)記穩(wěn)定同位素內(nèi)標(biāo)-超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法測定糧食中16種真菌毒素》方法進行檢測[9]。各種毒素的檢出限及定量限請見表1。糧食樣品中真菌毒素污染水平和差異分析采用Excel 2007和SPSS 20.0進行統(tǒng)計分析。
1.3.3 土壤和花穗樣品真菌群落分析
為進一步準(zhǔn)確分析玉米生長期間污染的霉菌來源及其影響因素,選取了其中6個有代表性的農(nóng)戶作為研究對象,提取土壤及花穗樣品中攜帶的全部真菌基因組DNA(試劑盒法),送至金唯智生物科技有限公司進行高通量ITS測序及生物信息學(xué)分析。
表1 各種毒素的檢出限和定量限 mg/kg
注:黃曲霉毒素B1(AFB1)、黃曲霉毒素B2(AFB2)、黃曲霉毒素G1(AFG1)、黃曲霉毒素G2(AFG2)、玉米赤霉烯酮(ZEN)、赭曲霉毒素A (OTA)、HT-2毒素(HT-2)、T-2毒素(T-2)、雪腐鐮刀菌烯醇(NIV)、脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(DON)、DON-3-葡萄糖苷(DON-3G)、3-乙?;鵇ON (3-AcDON)、15-乙?;鵇ON (15-AcDON)、雜色曲霉毒素(ST)、伏馬毒素B1(FB1)、伏馬毒素B2(FB2)。
該地區(qū)玉米收獲期集中在十月上旬,此時期降水量較大,平均39.9 mm,空氣相對濕度也較高,平均為74%(見圖1),且玉米收獲后直接堆放在地面,不能及時晾干,這將有利于霉菌的生長繁殖,加重霉菌污染的風(fēng)險。如圖2所示,從水分檢測結(jié)果來看,10個農(nóng)戶的玉米水分在儲藏的前兩個月一直處于“安全水分”(13%)之上。各農(nóng)戶玉米樣品水活度在前三個扦樣時期呈緩慢下降趨勢,至儲藏后期,仍然有三分之一的農(nóng)戶玉米水活度在0.7以上(一般糧食水活度在0.7以下時對應(yīng)的水分值均能抑制各類微生物的生長[10])。
各農(nóng)戶玉米樣品儲藏前期的帶菌量與收獲期相比除農(nóng)戶9外均有增加,而生霉粒的檢測結(jié)果也顯示,隨著儲藏時間的延長,各農(nóng)戶檢出率總體呈上升趨勢(生霉粒檢測采用的是感官檢驗,主觀因素影響很大,存在一定的系統(tǒng)誤差)。
綜合以上檢測結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),該地區(qū)玉米在收獲后的四個月內(nèi),一直存在著霉變風(fēng)險,其中收獲后一個月內(nèi)的發(fā)霉風(fēng)險最高。
通過菌相檢測,獲得了土壤樣品中含有的優(yōu)勢產(chǎn)毒真菌種類,主要為交鏈孢霉屬() 和鐮刀菌屬();通過分離檢測玉米外部花穗、內(nèi)部花穗、外葉、中葉和內(nèi)葉五個部分的菌相發(fā)現(xiàn),玉米花穗樣品攜帶的產(chǎn)毒真菌同土壤樣品相似,且攜帶量由外往內(nèi)逐漸減少,證實產(chǎn)毒真菌是通過花穗外部逐漸往里侵染,其來源為土壤的可能性較大。
從玉米樣品菌相檢測結(jié)果來看(圖3),各時期均以鐮刀菌屬為優(yōu)勢菌,其中禾谷鐮刀菌()、輪枝鐮刀菌()和尖孢鐮刀菌()占比較大,它們是脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(DON)、玉米赤霉烯酮(ZEN)和伏馬毒素的主要產(chǎn)生菌。其次含量較高的產(chǎn)毒真菌是曲霉屬和青霉屬,其中農(nóng)戶6和9收獲期的玉米樣品中含有大量的黑曲霉,從農(nóng)藝信息上看,這兩個農(nóng)戶與其他農(nóng)戶的最大區(qū)別是種植方式為果樹兼做種植,說明兼做種植方式會對菌相產(chǎn)生一定的影響。綜合研究各農(nóng)戶農(nóng)藝信息與各檢測數(shù)據(jù)的關(guān)系,未得出其他相關(guān)性結(jié)論,這是由于不同種植情況的樣本數(shù)不足導(dǎo)致的。
圖2 玉米水活度、水分、生霉粒和帶菌量檢測結(jié)果
注:由于農(nóng)戶9在儲藏后期扦樣前已將全部玉米賣出,所以沒有該時期的檢測數(shù)據(jù)。
圖3 玉米菌相檢測結(jié)果
表2顯示的是6個代表農(nóng)戶的土壤和花穗樣品屬水平下常見產(chǎn)毒霉菌的存在情況。除農(nóng)戶7外,其他均為交鏈孢霉屬和鐮刀菌屬均占比較大,這與菌相的檢測結(jié)果是一致的。對比農(nóng)藝信息發(fā)現(xiàn),農(nóng)戶7的特殊之處在于種植期間用井水灌溉過,而其他農(nóng)戶均未對農(nóng)田進行灌溉,這就導(dǎo)致土壤污染了大量的木霉屬菌種。
表2 屬水平下主要物種百分比統(tǒng)計表
注:T1、T3、T5、T7、T8、T9 分別代表土壤樣品;S1、S3、S5、S7、S8、S9 分別代表花穗樣品。所有的赤霉菌都是鐮刀菌的有性階段。
通過對原始數(shù)據(jù)進行去接頭和低質(zhì)量過濾處理,然后去除嵌合體序列,最終得到有效序列后進行聚類分析,每一個聚類稱為一個物種操作單元(operat ional taxonomic units,OTU),對OTU的代表序列作分類學(xué)分析,得到各樣本的物種分布信息。根據(jù)OTU聚類分析結(jié)果,分析不同樣本/分組共有和特有的OTU,繪制韋恩圖(Venn,圖4),可以看出,各農(nóng)戶土壤樣品含有的真菌種群數(shù)量明顯多于花穗樣品,且二者共有部分真菌種群。其中,農(nóng)戶1、3和8的土壤真菌種群數(shù)量明顯多于其他農(nóng)戶,這三個農(nóng)戶的共同點是上季秸稈處理方式為歸田,這與秸稈還田處理會擴大土壤微生物種類和數(shù)量的相關(guān)報道是相符的[11]。
圖5顯示的是多樣本比較分析weighted unifrac距離矩陣熱圖,可以看到,各農(nóng)戶花穗樣品的相異系數(shù)大部分在0~0.3之間,說明此地區(qū)玉米花穗攜帶的真菌群落差異不大,只有農(nóng)戶1與其他農(nóng)戶的相異系數(shù)> 0.3,這是因為農(nóng)戶1的地理位置最偏(在該地區(qū)的最東邊,與最近一個農(nóng)戶的距離為21公里),而其他農(nóng)戶相對較集中,直徑范圍大概為28公里,說明在一定范圍內(nèi)的區(qū)域中,空氣、雨水、蟲害等對玉米真菌群落的影響沒有太大差異[12]。而農(nóng)戶9的土壤真菌攜帶情況與其他農(nóng)戶差異較大,分析其農(nóng)藝信息發(fā)現(xiàn),農(nóng)戶9與其他農(nóng)戶存在多處不同,包括人工播種、兼做果樹種植、沒有使用肥料,說明這些農(nóng)藝因素也會造成土壤的真菌群落差異。
圖4 OTU聚類分析Veen圖
注:韋恩圖中不同顏色的圈表示不同的樣本/分組,圖中的數(shù)字分別代表了每個樣本/分組特有或共有的OTU數(shù)目。
圖5 weighted unifrac距離矩陣熱圖
注:weighted unifrac距離矩陣熱圖,熱圖中顏色深淺代表了樣本兩兩之間的相異程度,顏色越淺表示兩個樣本相異系數(shù)越小,物種多樣性的差異越小。
如表3所示,該地區(qū)玉米污染的真菌毒素主要是嘔吐毒素(DON及其衍生物DON-3G、3-Ac DON、15-Ac DON)、玉米赤霉烯酮(ZEN)和伏馬毒素(FB1、FB2)。在收獲期、儲藏前期、儲藏中期和儲藏后期四個扦樣時期內(nèi),DON污染最為嚴(yán)重,檢出率為100%,超標(biāo)率分別為22%、44%、40%和67%;ZEN的檢出率為95%,超標(biāo)率分別為0%、44%、40%、56%;伏馬毒素的檢出率為93%(沒有限量),毒素污染均總體呈上升趨勢;而其他毒素,如AFBs、OTA、ST、T-2、HT-2等均未檢出。
由此可以判斷,霉菌在玉米產(chǎn)后儲藏兩個月的時期內(nèi)一直處于非?;钴S的狀態(tài),繁殖代謝旺盛,這應(yīng)該是由于此時期內(nèi)環(huán)境溫度還在0 ℃以上,濕度也較大,且玉米還具有后熟作用,堆積在一起后會產(chǎn)生一定的水分及熱量,非常有利于霉菌的生長。而在儲藏第三、四個月時,環(huán)境溫濕度均下降很大,玉米自身水分也降低了許多,因此其攜帶的真菌生長繁殖速度減慢甚至停止。
表3 各時期玉米樣品毒素含量檢測結(jié)果 μg/kg
注:表中顯示的各扦樣時期毒素值為所有農(nóng)戶玉米樣品毒素含量的總值。毒素限量參考GB 2761—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中真菌毒素限量》,分別是:DON 1 000 μg/kg;AFB120 μg/kg;ZEN 60 μg/kg;OTA 5.0 μg/kg。
糧食真菌和真菌毒素污染在種植、收獲、儲藏和運輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)均有可能發(fā)生,一旦條件合適,有害真菌便會大量生長繁殖,產(chǎn)生真菌毒素,其中天氣因素、農(nóng)藝因素[13]、收獲后的處理方式、儲藏方式等都會對真菌毒素的產(chǎn)生造成很大的影響。該地區(qū)玉米的收獲模式以人工為主,收獲期雨水較多,且在收獲后直接堆放成囤,不利于玉米散熱,卻有利于霉菌的生長繁殖,加重了真菌毒素的污染風(fēng)險。通過研究發(fā)現(xiàn),鐮刀菌屬在玉米的整個自然晾曬儲藏期間一直是優(yōu)勢菌種,其代謝產(chǎn)生的毒素主要為DON、ZEN和伏馬菌素(FB1、FB2),檢出率分別為100%、95%和93%,且DON和ZEN在儲藏期的超標(biāo)率均大于40%,這就明確了影響該地區(qū)玉米質(zhì)量安全的主要風(fēng)險因子。
建立糧食真菌和真菌毒素污染與影響因素之間的關(guān)系,分析糧食發(fā)霉和產(chǎn)生真菌毒素的原因,將有利于實現(xiàn)預(yù)測和防控糧食霉變和真菌毒素的污染。本研究首次嘗試使用高通量測序技術(shù)分析真菌群落結(jié)構(gòu)與農(nóng)藝因素的關(guān)系,以確定玉米污染真菌的來源及其影響因素,結(jié)果證實該技術(shù)快速有效。將該技術(shù)與農(nóng)藝信息相結(jié)合,能夠篩選出影響土壤、花穗真菌群落種類的有效因素,如種植方式(清種/兼做)、灌溉情況、上季秸稈處理方式等,這些農(nóng)藝因素同本地氣象信息均可以做為預(yù)測玉米霉變和真菌毒素污染的輸入因子。但是,只分析單一因素的影響結(jié)果很難得出結(jié)論,需要采集大量樣本,對多種影響因素綜合分析才能得出較全面的結(jié)論。
為了防控玉米霉變和真菌毒素污染帶來的風(fēng)險,應(yīng)該加強對農(nóng)民開展有關(guān)玉米種植監(jiān)管方面的知識培訓(xùn),強化農(nóng)民的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全意識[14],從種植、收獲及儲藏等環(huán)節(jié)進行預(yù)防[15]。適時播種;做好田間監(jiān)管工作,采取合理的預(yù)防措施防治病蟲害,例如,藥劑拌種、土壤殺菌[16]、揚花期殺菌等;確保及時收獲并在收獲后盡快晾曬減少水分;避免過密堆積儲藏,影響通風(fēng)等。這樣可以有效的阻止或者減慢真菌的生命活動,從而降低真菌毒素污染的風(fēng)險,保障玉米質(zhì)量安全。
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備注:本文的彩色圖表可從本刊官網(wǎng)(http://lyspkj.ijournal.cn/ch/ index.axpx)、中國知網(wǎng)、萬方、維普、超星等數(shù)據(jù)庫下載獲取。
Analysis of risk factors and influencing factors of corn quality and safety in suburbs of Beijing
CUI hua1, LU An-xiang2, XIE Gang1, LI Sen1, WU Yu1, WANG Song-xue1
(1. Academy of National Food and Strategic Reserves Administration, Beijing 100037, China; 2. Beijing Research Center for Agricultural Standards and Testing (BRCAST) Risk Assessment Lab for Agro-products (Beijing), Ministry of Agriculture. P. R. China, Beijing 100097, China)
Taking the corn plantation area of 10 farmers in the suburbs of Beijing as the research object, soil samples from the planting period, flower spike samples from the flowering period, corn samples from the harvest period and different storage periods were taken to detect the mycoflora, microbial contamination and the mycotoxins. The results show that during the whole post-harvest natural drying period of corn, the risk of mold formation is highest in the early storage period (within one month after harvest). Among them,has always been the dominant flora, and the toxins produced by it mainly include deoxynivalenol (DON), Zearalenone (ZEN), and fumonisin (FB1, FB2), the detection rates were 100%, 95%, and 93%, respectively, and the over-standard rates of DON and ZEN during the storage period were greater than 40%, and other toxins such as AFBs, OTA, ST, T-2, and HT-2 were not detected. In addition, the high-throughput sequencing technology was used to analyze the relationship between fungal diversity and agronomic factors in soil and spike samples, and it was found that factors such as planting methods, irrigation conditions, and last season's straw treatment methods could affect corn. The type and quantity of plant-contaminated fungi resulted in differences in the levels of corn kernel mycotoxins.
corn; quality and safety; risk factors; fungi; mycotoxins; high-throughput sequencing
TS210.2
A
1007-7561(2020)03-0054-07
10.16210/j.cnki.1007-7561.2020.03.009
2020-03-09
農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險評估實驗室(北京)、農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境監(jiān)測北京市重點實驗室開放課題(kfkt2016)
崔華,1986年出生,女,碩士,助理研究員,研究方向為糧食真菌檢測技術(shù)研究.
王松雪,1977年出生,男,博士,研究員,研究方向為糧油質(zhì)量與安全檢驗監(jiān)測與防控.