食品和飼料中霉菌毒素污染及生物降解方法

馮 利，程丹丹，曹 珍

（河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北石家莊 050091）

在世界范圍內(nèi)，被霉菌污染的原料有食品和飼料原料，如谷物、油籽、水果、牛奶及食品工業(yè)產(chǎn)品（如面粉、果汁、啤酒、葡萄酒、乳制品等）。霉菌毒素是由霉菌產(chǎn)生的有毒化合物。被霉菌毒素污染的飼料對動物健康構(gòu)成威脅，因此，由于畜牧業(yè)效率較低，可能造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，同時，也可能對人類健康構(gòu)成威脅。食品和飼料中最重要的真菌毒素是黃曲霉毒素、赭曲霉毒素A和鐮刀菌毒素（玉米赤霉烯酮、伏馬菌素等），主要有3種方法可能避免真菌毒素的影響，如防止污染；去除含真菌毒素的食品和飼料；抑制食品中真菌毒素含量進(jìn)入消化道（房祥軍和鄒曉庭，2006）。理論上最合理的預(yù)防方法無疑是培育抗霉菌感染的谷物和其他食品和飼料植物，從而排除霉菌毒素的產(chǎn)生，特別是在小麥和玉米育種方面?；蚬こ虨橛N者開辟了新的可能性，通過鑒定微生物種類，編碼降解霉菌毒素酶的基因可以將這些基因轉(zhuǎn)移到植物中，并通過轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)這些酶（李海芬等，2011）。預(yù)防霉菌毒素污染的另一種實用方法是抑制霉菌生長及其產(chǎn)生霉菌毒素，因此，最佳的收獲、儲存和處理方法可以成功地防止霉菌生長。

1 霉菌毒素處理方法

用一些化學(xué)方法處理谷物以防止霉菌毒素形成是可能的。如已經(jīng)發(fā)現(xiàn)約有100種化合物可以抑制黃曲霉毒素的產(chǎn)生，這些化合物中的大多數(shù)都是通過抑制真菌生長而起作用的。兩種廣泛研究的黃曲霉毒素合成抑制劑是敵敵畏（一種有機(jī)磷殺蟲劑）和咖啡因。最簡單的去污方法可能是通過人工選擇、物理去除受污染的谷物，這是一項費(fèi)時費(fèi)力的工作，而且在許多情況下是不可能的，如小麥在磨粉過程中，麥麩中霉菌毒素含量增加，面粉中霉菌毒素含量降低。此外，大多數(shù)霉菌毒素耐熱，通常應(yīng)用于食品工藝的熱處理對霉菌毒素水平?jīng)]有顯著影響。利用堿和氧化劑等不同的化學(xué)物質(zhì)將霉菌毒素轉(zhuǎn)化成無毒產(chǎn)品。堿性化合物，如氨、鈉和氫氧化鈣，特別用于破壞黃曲霉毒素，盡管這種處理幾乎可以完全消除霉菌毒素，但這些化學(xué)物質(zhì)也會導(dǎo)致一些營養(yǎng)物質(zhì)的損失（張恒達(dá)等，2014）。最后，不可消化吸附劑可以用來防止霉菌毒素被消化道吸收，這種吸附劑在飼料中被使用。如有報道成功地將黃曲霉毒素B1吸附在水合-鈣鋁硅酸鹽及乳酸菌的細(xì)胞壁上（Lahtinen等，2004），但吸附的同時也會造成必需微量營養(yǎng)素的損失，這是這種解毒方法的潛在缺點。盡管如此，一些吸附劑仍被用于飼料添加劑。雖然目前使用的方法在某種程度上是成功的，但大多數(shù)方法都有其缺點，首先對重要營養(yǎng)素的吸附作用，而且通常成本高。

2 霉菌毒素生物降解

霉菌毒素生物降解最常用的策略之一是分離能降解給定霉菌毒素的微生物，并在適當(dāng)?shù)陌l(fā)酵過程中處理食品或飼料。從食品安全的角度看，應(yīng)優(yōu)先考慮食品生產(chǎn)中常用的微生物發(fā)酵，如乳酸菌發(fā)酵、酵母發(fā)酵等。在最佳的情況下，這一程序可以產(chǎn)生無霉菌毒素的食物或飼料。另一種方法是觀察一些動物消化道的微生物能降解霉菌毒素，將這些微生物從動物體內(nèi)分離出來，其制劑可用于上述發(fā)酵過程，同時通過優(yōu)化它們在胃腸道中生長的最佳條件來促進(jìn)它們在消化道中的活性也是一種可能的方法，因為理論上這些微生物也可用作為益生菌添加到食品或飼料中。第3個戰(zhàn)略越來越重要，它與分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的發(fā)展有關(guān)，對參與真菌毒素降解酶的認(rèn)識開辟了一些新的途徑，如在食品或飼料生產(chǎn)中常用的轉(zhuǎn)基因微生物的生產(chǎn)和它們用于上述酶的生產(chǎn)，或者將編碼這些酶的基因轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)基因植物中，并利用這些植物生產(chǎn)降解霉菌毒素的酶（計成，2012）。

通過發(fā)酵來凈化谷物的想法是在20世紀(jì)80年代初提出的，如用受玉米赤霉烯酮污染的玉米發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。Sawinski-Acsadi（1983）研究表明，受伏馬毒素污染的玉米可以作為假絲酵母中間發(fā)酵底物，可以將最初的毒素活性降低到原來的1/10，幾乎全部存在于發(fā)酵液中，而在飼料蛋白質(zhì)中沒有檢測到毒素。Flesch和Voight-Scheuerman（1994）研究了酵母乙醇發(fā)酵對鐮刀菌毒素的潛在影響，發(fā)現(xiàn)了不含環(huán)氧基團(tuán)的衍生物，這表明可能存在一種酵母表羥化酶，同時其也認(rèn)為酵母可能產(chǎn)生連接酶和酮烯醇互變異構(gòu)酶。

赭曲霉毒素A是一種真菌毒素，污染不同的植物及其產(chǎn)品，包括谷物、咖啡豆、葡萄和其他水果、果汁、啤酒和葡萄酒。葡萄和葡萄酒被認(rèn)為是赭曲霉毒素攝入量的第二大來源，僅次于谷物。相關(guān)研究報道了赭曲霉毒素可被瘤胃細(xì)菌降解，但相關(guān)細(xì)菌尚未被分離和鑒定。Cheng-Ah-Hwang和Draughon（2014）通過篩選細(xì)菌和酵母來檢測能降解赭曲霉毒素的微生物，他們篩選了37種細(xì)菌、10株酵母菌和12種霉菌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在25和30°C條件下，添加赭曲霉毒素的初始濃度為10 μg/mL時，醋酸桿菌能降解赭曲霉毒素。用蛋白水解酶降解赭曲霉毒素的試驗結(jié)果并不理想，如Abunrosa等（2006）利用曲霉菌株的蛋白酶制劑和酶提取物觀察到赭曲霉毒素水解活性較差。盡管大多數(shù)研究人員在釀造過程中觀察到液相中赭曲霉毒素含量下降，但目前關(guān)于赭曲霉毒素移除機(jī)制的報道存在爭議。此外，盡管這些研究結(jié)果在減少赭曲霉毒素污染方面看起來非常有前景，但需要進(jìn)一步研究降解產(chǎn)物的特性，并研究這些細(xì)菌在食品和飼料中的活性。

早期研究表明，pH和溫度影響細(xì)胞對毒素的攝取，其中高數(shù)量的細(xì)胞比低數(shù)量的細(xì)胞能去除更多的黃曲霉毒素，而大量的熱滅活細(xì)胞也被證明可以與一些黃曲霉毒素相結(jié)合，這些毒素很容易通過水洗得到，如金黃色黃桿菌B-184對牛奶、植物油、玉米、花生、花生醬和花生牛奶中黃曲霉毒素的去除能力已被證明是有效的，但與這種細(xì)菌相關(guān)的亮橙色色素可能會限制它在食品和飼料發(fā)酵方面的適用性（汪洋等，2014）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，許多微生物都能降解黃曲霉毒素B1，這些微生物包括紅色棒狀桿菌、黑曲霉、綠色木霉、二歧毛霉、樹膠毛霉、灰霉病毛霉、紅毛霉、米根霉等。Line等（1994）使用了放射性標(biāo)記（C14）黃曲霉毒素B1，該物質(zhì)可以通過閃爍計數(shù)程序精確地追蹤和檢測，這項技術(shù)允許檢測放射性標(biāo)記的黃曲霉毒素形成的放射性二氧化碳，因此，其存在證實了黃曲霉毒素被微生物降解，因為實驗過程中釋放了放射性標(biāo)記的二氧化碳，表明放射性標(biāo)記的黃曲霉毒素被黃桿菌降解。由于黃曲霉毒素B1是一種多芳香族化合物，其降解酶（聯(lián)苯雙加氧酶、二氫二醇脫氫酶和水解酶）可能與其他芳香族化合物（如多氯聯(lián)苯）的分解代謝途徑相同，因此，了解這些酶的基因編碼將有助于開發(fā)和生產(chǎn)新的、有效的黃曲霉毒素降解酶制劑（鄧?yán)t和胡建安，2018）。

3 胃腸道微生物及酶制劑對霉菌毒素的降解

雖然在上文已經(jīng)介紹了微生物發(fā)酵過程去污染含霉菌毒素的食品和飼料的許多可能性，但由于在商業(yè)水平上實現(xiàn)困難和成本高，這種真菌毒素的生物降解方法仍然受到限制。真菌毒素在動物消化道中的研究表明，消化道微生物區(qū)系中存在的幾種微生物能降解真菌毒素。反芻動物對霉菌毒素的普遍抗性與這些微生物的存在有關(guān)，包括瘤胃中的原生動物?；谶@一觀察結(jié)果，一種真菌毒素生物降解的替代策略已經(jīng)發(fā)展，消化道微生物已經(jīng)能降解真菌毒素，但這些微生物仍然需要被識別，然后對其生態(tài)進(jìn)行研究，以確定在胃腸道中生長的最佳條件，以及它們實際應(yīng)用限制。益生菌被廣泛應(yīng)用于食品生產(chǎn)，可用來平衡腸道菌群和預(yù)防胃腸道疾病。Peltonen等（2000）研究了益生菌在體內(nèi)和體外條件下對黃曲霉毒素的結(jié)合作用，觀察到鼠李糖乳桿菌可干擾肉雞腸道對黃曲霉毒素的吸收，其中乳酸菌和雙歧桿菌與黃曲霉毒素B1體外孵育，測定上清液中的毒素殘留量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，黃曲霉毒素結(jié)合率為5.8%～31.3%。

Young等（2007）研究了雞腸道微生物對天花粉霉菌毒素的降解，觀察到12種天花粉毒素的降解有兩條途徑——脫?；兔摥h(huán)氧化。基于真菌毒素降解微生物代謝過程的研究進(jìn)展，已經(jīng)確定了參與降解過程的特定酶，這一事實加上基因工程的發(fā)展，為減少食品和飼料中霉菌毒素污染開辟了新的途徑。基因工程技術(shù)可用于向植物引入解毒基因，Liu等（2001）報道了鐮刀菌毒素降解酶已在轉(zhuǎn)基因植物中成功表達(dá)，轉(zhuǎn)基因植物籽粒中的霉菌毒素水平明顯低于常規(guī)植物。但公眾和科學(xué)上對使用轉(zhuǎn)基因植物作為食品和飼料成分的擔(dān)憂使這種方法受到質(zhì)疑。另一種選擇可能是使用分離和純化的含有活性的微生物提取物來降解霉菌毒素。

4 展望

人們普遍認(rèn)為，消除霉菌毒素引起的問題的最好方法是有效預(yù)防。分子生物學(xué)的最新成果可能為種植飼料原料和糧食植物開辟新的途徑。研究發(fā)現(xiàn)，微生物似乎是適用于霉菌毒素生物降解的主要生物。從理論上講，任何有機(jī)化合物（包括真菌毒素）都可以通過氧化降解作為需氧微生物的一種可能的能量來源。對霉菌毒素具有耐藥性的微生物在這類研究中具有最高優(yōu)先地位，其抗性的生化機(jī)制研究有助于發(fā)現(xiàn)能去除霉菌毒素的微生物。隨著分子生物技術(shù)的應(yīng)用，具有多種功能特性（包括降解霉菌毒素）的微生物菌株可以被改造，以顯著提高食品安全性和可接受性。盡管在這一領(lǐng)域有大量的研究和大量的出版物證實了各種微生物降解霉菌毒素的能力，但到目前為止取得的結(jié)果可能被視為發(fā)展實際商業(yè)技術(shù)的第一步。大部分試驗是在模型系統(tǒng)和實驗室條件下進(jìn)行的，在許多情況下，使用混合培養(yǎng)的微生物，它們通常不是食品微生物區(qū)系的一部分。因此后續(xù)基于動物消化道中存在的霉菌毒素降解微生物，這些微生物的活性可能會增加，它們可能被用于體內(nèi)降解霉菌毒素或作為益生菌。