熱處理對(duì)玉米粉中黃曲霉毒素B1含量變化的影響

張 超 馬 越 趙曉燕 汪 芬 曾雅麗

熱處理對(duì)玉米粉中黃曲霉毒素B1含量變化的影響

張 超 馬 越 趙曉燕 汪 芬 曾雅麗

(北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心農(nóng)業(yè)部華北地區(qū)園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室農(nóng)業(yè)部都市農(nóng)業(yè)(北方)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097)

黃曲霉毒素B1(AFB1)是霉菌的次級(jí)代謝產(chǎn)物，是玉米的主要污染物之一，對(duì)人類和家畜的健康均有較大危害。研究熱處理對(duì)玉米粉中黃曲霉毒素B1(AFB1)含量變化的影響，建立玉米粉中AFB1含量變化與處理?xiàng)l件的動(dòng)力學(xué)模型。試驗(yàn)結(jié)果顯示在熱處理過(guò)程中，玉米粉中AFB1的殘留率隨著處理溫度的升高而降低，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。依據(jù)阿倫尼烏斯方程，玉米粉中AFB1含量變化屬于一級(jí)反應(yīng)，其活化能為42．2 kJ/mol，在100～200℃范圍內(nèi)，該模型可以有效預(yù)測(cè)玉米粉中AFB1在熱處理過(guò)程中含量變化規(guī)律，模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)高于0．80。

玉米粉 黃曲霉毒素B1熱處理 動(dòng)力學(xué) 食品加工

黃曲霉毒素B1(AFB1)是霉菌(Aspergillus flavus，Aspergillums nomius和Aspergillusparasiticus)的次級(jí)代謝產(chǎn)物，是玉米的主要污染物之一［1］，對(duì)人類和家畜的健康均有較大危害［2－3］。目前，AFB1暴露量主要通過(guò)食品攝入［4］，預(yù)測(cè)加工過(guò)程中食品AFB1含量變化規(guī)律將為人類健康提供保證。近年來(lái)，開(kāi)展熱處理對(duì)谷物中AFB1含量變化影響因素的研究已有很多，Castells等［5］研究擠壓溫度和時(shí)間對(duì)大米中AFB1的影響;Hwang等［6］研究清洗和熱處理2種方式對(duì)小麥中AFB1含量變化的影響;Raters等［7］系統(tǒng)研究不同基質(zhì)，如碳水化合物和蛋白質(zhì)等，在熱處理中對(duì)AFB1含量的影響。同時(shí)，也開(kāi)展了一些關(guān)于AFB1含量變化動(dòng)力學(xué)模型的研究，劉睿杰［8］采用動(dòng)力學(xué)的方法模擬紫外處理對(duì)AFB1含量變化的影響;殷芬等［9］研究AFB1在大鼠體內(nèi)的毒物代謝動(dòng)力學(xué)特征。但是，系統(tǒng)研究玉米粉中AFB1含量變化規(guī)律，建立熱處理過(guò)程中玉米粉中AFB1含量變化動(dòng)力學(xué)模型的研究還未見(jiàn)報(bào)道。

本研究以玉米粉為研究對(duì)象，研究在熱處理過(guò)程中玉米粉中AFB1含量變化規(guī)律，依據(jù)阿倫尼烏斯方程，建立玉米粉中AFB1含量變化與處理?xiàng)l件的動(dòng)力學(xué)模型，預(yù)測(cè)在食品加工過(guò)程中AFB1殘留量的變化規(guī)律，為食品加工工藝設(shè)計(jì)提供理論支持。

1 材料與方法

1．1 材料與試劑

玉米粉:歐尚超市(北京金四季店);Aspergillus flavus:中國(guó)普通微生物菌種保藏管理中心3．6303;黃曲霉毒素凈化柱:PuriToxSRTC－M160，Trilogy Analytical Laboratory，IncWashington，MO，USA;HPLC 色譜柱:C18 ODS，5 μm，150 mm ×46 mm。

乙腈、衍生劑:Sigma公司，色譜純;其他試劑均為分析純。

1．2 儀器與設(shè)備

HPLC 1260高效液相色譜:美國(guó)Agilent Technologies有限公司;DHG－9240A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱:北京雅士林試驗(yàn)設(shè)備有限公司;Pulverisette 15剪切磨:德國(guó)弗里茨有限公司;3543恒溫恒濕二氧化碳培養(yǎng)箱:Thermo Fisher科技有限公司。

1．3 玉米粉的熱處理

將Aspergillus flavus菌種接種至玉米粉，在28℃和相對(duì)濕度為50%的環(huán)境中培養(yǎng)4周，滅菌。污染的玉米粉采用Pulverisette 15進(jìn)行粉碎，達(dá)到所有物料混合均勻，測(cè)定最終含水率為12．3%(105℃恒質(zhì)量法測(cè)定)，AFB1質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2．73 ×10－5%。

將200 g AFB1污染的玉米粉加入1 000 mL三角瓶，分別在 60、100、120、150 和 190 ℃，加熱 5、10、20、30、60、90 和 180 min，迅速水浴冷卻至 20 ℃，測(cè)定AFB1含量。AFB1殘留率(α)的計(jì)算見(jiàn)式(1)。

式中:α為AFB1的殘留率/%;C為處理后物質(zhì)的含量/%;C0為處理前物質(zhì)的原始含量/%。

1．4 AFB1含量的檢測(cè)方法

樣品中AFB1的提取及檢測(cè)參照AOAC方法［10］。將1 g樣品與30 mL提取液(乙腈∶水=9∶1，體積比)高速磁力攪拌1 h，過(guò)濾，濾液進(jìn)一步使用黃曲霉毒素凈化柱過(guò)濾。凈化后的濾液與衍生劑在60℃下水浴10 min。衍生后的樣品進(jìn)行HPLC檢測(cè)，HPLC柱:C18 ODS，5 μm，150 mm × 46 mm;進(jìn)樣量:10 μL;洗脫液:MeOH∶CAN∶H2O=1∶1∶4，體積比;檢測(cè)器:熒光檢測(cè)器，激發(fā)光360 nm，發(fā)射光440 nm;流速:1．0 mL/min;柱溫:20℃。樣品的定量根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線的峰面積進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性度高于0．999。

1．5 AFB1含量變化動(dòng)力學(xué)模型的建立方法

阿倫尼烏斯方程廣泛應(yīng)用于描述物質(zhì)在熱處理過(guò)程中含量與反應(yīng)條件規(guī)律的研究［11］，已經(jīng)應(yīng)用于黃曲霉毒素M1含量變化規(guī)律的研究中，顯示較高準(zhǔn)確性［12］。AFB1與黃曲霉毒素 M1的同系物，其轉(zhuǎn)化或降解的途徑較相近，因此，進(jìn)一步采用阿倫尼烏斯方程研究AFB1的含量變化動(dòng)力學(xué)模型。依據(jù)阿倫尼烏斯方程，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率(α)見(jiàn)式(2)。

式中:α為反應(yīng)轉(zhuǎn)化率/%，n為反應(yīng)級(jí)數(shù)，k是反應(yīng)速率/mol/(L·S)。

而反應(yīng)轉(zhuǎn)化率一般與溫度有關(guān)，見(jiàn)式(3)。

式中:Z為指前常數(shù)，Ea是轉(zhuǎn)化的活化能/kJ/mol，R為氣體常數(shù)/J/(mol·K)，T為絕度溫度/K。由式(2)和式(3)可以推出式(4)。將式(4)兩邊取對(duì)數(shù)，可獲得式(5)。

根據(jù)上述結(jié)果，即可以對(duì)AFB1的熱轉(zhuǎn)化規(guī)律進(jìn)行描述。反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)溫度和轉(zhuǎn)化率的關(guān)系參見(jiàn)式(6)。

反應(yīng)轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)時(shí)間和溫度的關(guān)系見(jiàn)式(7)。

1．6 數(shù)據(jù)處理

熱處理試驗(yàn)重復(fù)3次，每次試驗(yàn)做3個(gè)平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為9次結(jié)果的平均值，用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示。試驗(yàn)結(jié)果用Origin軟件進(jìn)行方差分析和制圖。

2 結(jié)果與分析

2．1 熱處理對(duì)玉米粉中AFB1含量的影響

AFB1是二氫呋喃氧雜萘鄰?fù)难苌?，相?duì)分子質(zhì)量為312，熔點(diǎn)為268℃，單體在很高的溫度下不會(huì)破壞。但是，AFB1所處的環(huán)境將影響其穩(wěn)定性，比如玉米粉中的水分，蛋白質(zhì)或是淀粉等均有可能在較高的溫度下與AFB1發(fā)生相互作用，從而引起AFB1含量降低。熱處理對(duì)玉米粉中AFB1含量的影響見(jiàn)圖1。熱處理溫度為60和100℃處理3 h后，玉米粉中AFB1含量未發(fā)生顯著變化，該結(jié)論與Castells等［5］和 Hwang等［6］的結(jié)論相似。溫度為 120、150 和190℃的熱處理顯著降低AFB1的殘留率。在相同的熱處理時(shí)間下，AFB1殘留率隨溫度的升高而下降，該結(jié)論與Raters等［7］的結(jié)論相符合。比如，在190℃熱處理5 min時(shí)，AFB1殘留率為8．0%，而在150和120℃熱處理5 min，其AFB1殘留率分別為71．8%和78．4%。因此，玉米粉中AFB1殘留率隨溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)降低。

圖1 熱處理對(duì)玉米粉中AFB1含量的影響

2．2 玉米粉中AFB1含量變化動(dòng)力學(xué)模型的建立

依據(jù)阿倫尼烏斯方程，當(dāng)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的對(duì)數(shù)［Ln(C/C0)］的與反應(yīng)時(shí)間呈現(xiàn)線性關(guān)系時(shí)，該反應(yīng)可以稱為一級(jí)反應(yīng)［12－13］，圖2顯示玉米粉中 AFB1的 －Ln(C/C0)與時(shí)間的關(guān)系。在不同溫度下，AFB1的－Ln(C/C0)與時(shí)間呈現(xiàn)線性關(guān)系，并且其相關(guān)系數(shù)R均高于0．8。因此，玉米粉中AFB1含量變化屬于一級(jí)反應(yīng)，其活化能為 42．2 kJ/mol。

圖2 玉米粉中AFB1的－Ln(C/C0)與時(shí)間的關(guān)系

圖3 顯示熱處理過(guò)程中，玉米粉中AFB1含量變化實(shí)測(cè)值與動(dòng)力學(xué)模型模擬值的關(guān)系。實(shí)測(cè)值與模擬值在60、100、120、150和190℃熱處理時(shí)的相關(guān)系數(shù)分別為 0．033、0．824、0．986、0．986 和 0．875。因此，動(dòng)力學(xué)模型在100～200℃范圍內(nèi)很好的預(yù)測(cè)玉米粉中AFB1在熱處理過(guò)程中含量變化規(guī)律(相關(guān)系數(shù) ＞0．8)。

圖3 AFB1含量變化實(shí)測(cè)值與含量變化動(dòng)力學(xué)模型模擬值的關(guān)系

2．3 玉米粉中AFB1在熱處理中的變化規(guī)律

根據(jù)式(6)和式(7)，建立玉米粉中AFB1在熱處理過(guò)程中的含量變化模型(圖4)。AFB1在食品加工過(guò)程(如油炸、煙熏、焙燒等)中含量變化規(guī)律的研究已有一些報(bào)道［14－16］，但是還未見(jiàn)到與 AFB1含量變化動(dòng)力學(xué)模型的相關(guān)研究。本研究采用動(dòng)力學(xué)方法建立玉米粉中AFB1含量變化動(dòng)力學(xué)模型，可以有效預(yù)測(cè)AFB1在食品體系中的殘留率，為食品加工工藝設(shè)計(jì)提供理論支持。比如:希望通過(guò)工藝條件將玉米粉中AFB1降低至目前含量的10%，那么根據(jù)圖4可以發(fā)現(xiàn)在200℃處理1 min，或在150℃熱處理11 min，或在100℃熱處理73 min等條件下均可以達(dá)到上述目的，進(jìn)一步結(jié)合對(duì)最終食品感官、品質(zhì)或其他指標(biāo)的要求，將可以科學(xué)的確定一條最佳的食品加工工藝路線。因此，建立AFB1含量變化動(dòng)力學(xué)模型，可以減少大量的重復(fù)AFB1測(cè)定工作，為食品加工工藝設(shè)計(jì)提供理論支持。

圖4 玉米粉中AFB1在熱處理過(guò)程中的含量變化模型

3 結(jié)論

動(dòng)力學(xué)分析顯示玉米粉中AFB1含量變化符合一級(jí)反應(yīng)，建立的動(dòng)力學(xué)模型可以準(zhǔn)確反映其的在100～200℃熱處理過(guò)程中含量變化規(guī)律，模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)高于0．80。該模型將有效預(yù)測(cè)AFB1在食品體系中的殘留率，為食品加工工藝設(shè)計(jì)提供理論支持。

［1］Eaton D，Gallagher E．mecha-nisms of aflatoxin carcinogenesis［J］．Annual Review of Pharmacology and Toxicology，1994，34:135－172

［2］Robens J F，Richard J L．Aflatoxins in animal and human health［J］．Reviews of Environmental Contamination and Toxicology，1992，127:69 －94

［3］Wu H C，Wang Q，Yang H I，et al．Aflatoxin B1exposure，hepatitis B virus infection，and hepatocellular carcinoma in Taiwan［J］．Cancer Epidemiology，Biomarkers ＆ Prevention，2009，18(3):846 －853

［4］Saalia F K，Phillips R D．Degradation of aflatoxins in a queous buffer in the presence of nucleophiles［J］．FoodControl，2010，21:1066 －1069

［5］Castells M，Marín S，Sanchis V，et al．Reduction of aflatoxins by extrusion － cooking of rice meal［J］．Journal of Food Science，2006，71(7):369 － 377

［6］Hwang J－H，Lee K －G．Reduction of aflatoxin B1contamination in wheat by various cooking treatments［J］．Food Chemistry，2006，98(1):71 －75

［7］Raters M，Matissek R．Thermal stability of aflatoxin B1and ochratoxin A［J］．Mycotoxin Research，2008，24(3):130 －134

［8］劉睿杰，黃曲霉毒素B1在不同介質(zhì)中紫外降解機(jī)理及安全性評(píng)價(jià)［D］．無(wú)錫:江南大學(xué)，2011

［9］殷芬，郭仲秋．黃曲霉毒素在大鼠體內(nèi)的毒物代謝動(dòng)力學(xué)研究［J］．衛(wèi)生毒理學(xué)雜志，1996(1):19－22

［10］AOAC．Aflatoxins in corn，almonds，Brazil nuts，peanuts，and pistachio nuts．Multifunctional column(Mycosep)method［S］［11］McNaught A D，Wikinson A．Compendium of Chemical Terminology［M］．2nd ed．Oxford:Blackwell Scientific Publications，1997

［12］Yousef A E，Marth E H．Kinetics of interaction of aflatoxin M1in aqueous solutions irradiated with ultraviolet energy［J］．Journal of Agricultural and Food Chemistry，1987，35(5):785－789

［13］Connors K A．Chemical kinetics:the study of reaction rates in solution［M］．New York:VCH Publishers，1990:481

［14］Yazdanpanah H，Mohammadi T，Abouhossain G，et al．Effect of roasting on degradation of Aflatoxins in contaminated pistachio nuts ［J］．Food and Chemical Toxicology，2005，43(7):1135－1139

［15］Tabata S，Kamimura H，Ibe A，et al．Degradation of aflatoxins by food additives［J］．Journal of Food Protection，1994，57(1):42－47

［16］Rustom I Y S．Aflatoxin in food and feed:Occurrence，legislation and inactivation by physical methods［J］．Food Chemistry，1997，59(1):57 －67．

Effect of Thermal Treatments on the Content of Aflatoxin B1in Corn Powder

Zhang Chao Ma Yue Zhao Xiaoyan Wang Fen Zeng Yali
(The Vegetable Research Center，Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences/Key Laboratory of Horticultural crops biology and germplasm creation(North China)，Ministry of Agriculture in North China/Key Laboratory of Urban Agriculture(North)，Ministry of Agriculture，Beijing 100097)

Aflatoxins(AFB1)is the secondary metabolite of mycotoxins，which is the one of the main dangerous pollution for corn and has a big haem on the health of human and animals．The effect of thermal treatments on the content of AFB1in corn power was evaluated and the kinetic model between the content of AFB1content and the treatment condition was established．The results indicated that the AFB1residual rate decreased with the increase of the treatment temperature during the thermal treatments．Moreover，varieties of AFB1content in the corn powder followed the first－ order reaction with the activation energy of 42．2 kJ/mol based on Arrhenius equation．The kinetic model was effective in predicting the rule of varieties of AFB1content during the thermal treatments in the range of 100～200 ℃ with the correlation factor between the predicted value and the measured value higher than 0．80．

corn powder，aflatoxin B1，thermal treatment，kinetics，food processing

TS201

A

1003－0174(2012)11－0010－04

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)資金資助(CARS－26－22)，北京市科技新星(2010B026)

2012－03－22

張超，男，1978年出生，副研究員，食品功能性因子

趙曉燕，女，1969年出生，研究員，食品功能性因子