單端孢霉烯族毒素及其去除方法研究進(jìn)展

趙亞榮,馬麗艷,王富華

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083;2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品公共監(jiān)測中心，廣東廣州 510640;3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測與評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510640)

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單端孢霉烯族毒素及其去除方法研究進(jìn)展

趙亞榮1,馬麗艷1,王富華2,3,*

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083;2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品公共監(jiān)測中心，廣東廣州 510640;3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測與評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510640)

單端孢霉烯族毒素是由多種真菌產(chǎn)生的一類真菌毒素,廣泛分布于谷物類食品中,對人和動物具有毒性效應(yīng)。本文對單端孢霉烯族毒素的理化性質(zhì)、污染現(xiàn)狀、危害程度、去除措施等進(jìn)行了綜述,旨在為預(yù)防控制單端孢霉烯族毒素的研究提供借鑒和依據(jù)。

單端孢霉烯族毒素,理化性質(zhì),污染,去除方法

真菌毒素是曲霉屬、青霉屬、鐮刀菌屬等絲狀真菌在生長繁殖過程中產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物的總稱,通常存在于發(fā)霉的食品和飼料中,屬于小分子化合物。研究發(fā)現(xiàn),長期食用含有真菌毒素的食物或飼料會對人類和動物造成毒害作用。我國大部分地區(qū)氣候溫和,降雨量豐沛,為霉菌提供了良好的生長環(huán)境,造成玉米等糧食或飼料在生產(chǎn)、收獲、加工、運(yùn)輸和儲存等過程中產(chǎn)生霉變。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計(jì),全球每年有超過25%的農(nóng)產(chǎn)品會受到真菌毒素的污染[1]。

單端孢霉烯族毒素是鐮刀菌產(chǎn)生的真菌毒素之一。鐮刀菌屬(Fusariumspp.)在自然界分布極廣,生長條件寬泛,有些鐮刀菌在較低的溫度和水分條件下仍然可以正常生長。鐮刀菌屬的某些菌種是最重要的動植物病原菌之一,可引起100多種動植物病害。目前共有16種鐮刀菌能產(chǎn)生18種毒素,以玉米赤霉烯酮(Zearalenone)、單端孢霉烯族毒素(Trichothecenes)、串珠鐮刀菌素(Moniliformin)和伏馬菌素(Fumonisin)四種毒素最為普遍。本文對單端孢霉烯族毒素近幾年的研究進(jìn)行綜述,旨在為更好的預(yù)防控制該毒素提供理論依據(jù)。

1 單端孢霉烯族毒素的分類

Morrison等于1949年首次將單端孢霉烯族毒素從粉紅單端孢霉(Trichotheciumroseum)中分離出來并命名為單端孢菌素(Trichothecin),其基本結(jié)構(gòu)見圖1,同時指出它可能就是20世紀(jì)30年代引起動物拒絕進(jìn)食的致病物[2],之后相繼發(fā)現(xiàn)了許多具有相同或者相似結(jié)構(gòu)的化合物。A型是指在C-8位含有羥基和酯基,主要包括T-2毒素(T-2 toxin)、HT-2毒素(HT-2 toxin)、新茄鐮孢菌醇(Neosolaniol)、蛇形菌素(Diacetoxyscirpenol,DAS);B型的C-8位含有羰基,主要包括脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(Deoxynivalenol,DON)及其衍生物、雪腐鐮刀菌醇(Nivalenol,NIV)、3-乙酰-脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(3-acetyl-deoxynivalenol)、鐮刀菌烯酮-X(Fusarenon-X,FX)、15-乙酰-脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(15-acetyl-deoxynivalenol);3,15-雙乙酰脫氧雪腐鐮刀菌烯醇;C型結(jié)構(gòu)是在C-7和C-8位置或者C-7和C-9位置具有環(huán)氧基,如扁蟲菌素(crotocin);D型在C-4和C-5之間具有大環(huán)結(jié)構(gòu),如葡萄穗霉毒素 G(astratoxin G)。其中,A和B型最常見且A型毒性最強(qiáng)[3],A型和B型取代基的區(qū)別見表1。

表1 A型和B型單端孢霉烯族毒素取代基的區(qū)別Table 1 Difference in substitution groups in trichothecenes

注:-表示目前無相關(guān)報道。到目前為止,共發(fā)現(xiàn)190多種結(jié)構(gòu)不同的單端孢霉烯族毒素,它們含有相同的四環(huán)倍半萜結(jié)構(gòu)和一個特征性的C-12,C-13-環(huán)氧基團(tuán)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征,單端孢霉烯族毒素分為4種類型。

圖1 單端孢霉烯族毒素的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Chemical structure of trichothecenes

2 單端孢霉烯族毒素的產(chǎn)生及危害

單端孢霉烯族毒素是污染范圍較為普遍的一種鐮刀菌毒素,其污染可發(fā)生在作物收獲前和收獲后,很多國家都對其污染情況進(jìn)行了調(diào)查。結(jié)果顯示,谷物類食品和飼料中均發(fā)現(xiàn)不同程度的單端孢霉烯族毒素污染,Aniolowska等指出,玉米、小麥、燕麥、大麥等最易受該類毒素的污染[4]。由于地理位置和氣候的差異,不同國家和地區(qū)的污染程度不同[5-7]。Van de Perre等指出盡管有些樣品中毒素含量較少,但長期食用被真菌毒素污染的食品也會對人類健康造成影響[8]。我國谷物受單端孢霉烯族毒素的污染相對嚴(yán)重,平均檢出率較高[9-11]。

誤食真菌毒素污染的食物或飼料,威脅人和動物的健康。單端孢霉烯族毒素通過污染燕麥、小麥、玉米等谷物及其制品,直接或者間接的通過肉、蛋、奶等畜禽產(chǎn)品危害人類健康。單端孢霉烯族毒素在動物組織中的殘留量主要取決于動物食用的飼料中毒素的劑量、與毒素接觸的時間、毒素在機(jī)體內(nèi)存在時間以及攝入毒素的種類[12]。到目前為止,關(guān)于動物產(chǎn)品中單端孢霉烯族化合物殘留率的報道相對較少。鄒忠義等對重慶地區(qū)畜禽產(chǎn)品中脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(DON)和T-2毒素殘留量調(diào)查結(jié)果表明,部分豬脊背脂肪樣品中DON的檢出率為28.75%,而T-2毒素的檢出率也低于國家限量標(biāo)準(zhǔn)[13]。

單端孢霉烯族毒素被認(rèn)為是真菌毒素中常見的污染物之一,其對人和動物的毒性主要表現(xiàn)在干擾和抑制體內(nèi)蛋白質(zhì)和核酸的合成,從而對人畜健康產(chǎn)生免疫抑制。單端孢霉烯族毒素會影響真核生物的生長速度。該類毒素具有植物毒性,會影響植物的再生,使植物出現(xiàn)細(xì)胞程序性死亡。如造成小麥秸稈結(jié)疤,并使玉米、高粱等作物的根和秸稈腐爛變質(zhì),玉米出現(xiàn)穗腐病。植物在開花期,更易于受到真菌的侵染,產(chǎn)生大量毒素[14]。

人類出現(xiàn)單端孢霉烯族毒素中毒主要是由于攝入被該類毒素污染的谷物糧食和含有該類毒素的動物源性食品,其以改變腸上皮細(xì)胞的功能,包括細(xì)胞增殖、屏障功能、營養(yǎng)吸收以及免疫抑制[15],主要中毒癥狀表現(xiàn)為惡心、腹瀉、腹痛、暈眩、嘔吐、頭疼、內(nèi)分泌的嚴(yán)重紊亂、胃腸道疾病以及免疫能力下降等[16]。其癥狀表現(xiàn)主要與攝入時間有關(guān)。皮膚接觸到該類毒素會出現(xiàn)紅腫、疼痛、瘙癢、皰疹、瘀斑和壞死等癥狀[17]。單端孢霉烯族毒素能夠進(jìn)入皮膚內(nèi),但不會通過皮膚接觸傳染。

單端孢霉烯族毒素對人和動物的毒害作用與動物種屬、年齡和劑量等有關(guān),且不同類型的單端孢霉烯族毒素其毒性不同。A型單端孢霉烯族毒素中,T-2毒素和HT-2毒素是常見的兩種毒素。通常,豬對該類型毒素較敏感,當(dāng)其攝入含有此類毒素的飼料時,可引起豬拒絕進(jìn)食、食欲減退、體重減輕、嘔吐、皮膚炎、流產(chǎn)、出血性腹瀉等癥狀[18]。人類攝食性白血球缺乏癥(ATA)也被發(fā)現(xiàn)與食用T-2毒素有關(guān)。在體內(nèi),T-2毒素會影響人類造血干細(xì)胞[19]。在B型毒素中,研究較多的是DON。日本學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn),攝入DON會使豬出現(xiàn)霉菌病,在亞洲和歐洲國家發(fā)現(xiàn)會引起豬白細(xì)胞缺乏癥[20]。DON也會影響人類的造血干細(xì)胞,有研究表明,長期食用被DON污染的食物會導(dǎo)致人類食道癌的發(fā)生[21-22]。家禽食用DON含量為9.0 mg/kg的飼料時,便可出現(xiàn)中毒癥狀,而含量為5.0 mg/kg對其健康無影響[18]。瘤胃動物對于DON具有較強(qiáng)的抵抗力,主要由于該類動物瘤胃內(nèi)微生物可以將DON快速地轉(zhuǎn)化為環(huán)氧-DON,從而降低毒性。但若食用被其污染的飼料,會引起奶產(chǎn)量下降,生殖能力受阻以及免疫功能低下[3]。Daenicke等研究結(jié)果表明,環(huán)氧-DON也會使牛外周血細(xì)胞的數(shù)量減少[23]。Harvey等將含有15.6 mg/kg的DON加入羊飼料中28 d,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組血液和血清生化指標(biāo)、采食量、體重及飼料轉(zhuǎn)化率與對照組無區(qū)別,而另一項(xiàng)研究中,給予高劑量DON,檢測到采食量下降44%,飼料消化率下降5.0%[24]。犬和貓等食用含有DON的日糧也會出現(xiàn)嘔吐現(xiàn)象。Stanek等研究指出,DON會與豬腸道內(nèi)其他微生物的細(xì)胞膜脂多糖相互作用從而對豬的肝臟造成一定的的影響[25]。鳥類攝入DON時,會出現(xiàn)羽毛不順且有灶化病變,鳥嘴破裂,產(chǎn)蛋次數(shù)和蛋質(zhì)量下降甚至死亡[26]。單端孢霉烯族毒素以C型和D型存在較少,因此對其研究和報道較少。

單端孢霉烯族毒素在不同的生物中其毒性也不同,對于哺乳動物,T-2毒素的毒性最強(qiáng),但是在小麥中,DON的毒性卻高于T-2毒素。自然界中單端孢霉烯族毒素種類繁多并可在動植物體內(nèi)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化,在單端孢霉烯族化合物分子骨架上每一種取代基的存在都會使其表現(xiàn)出不同的毒性特征[27]。

3 單端孢霉烯族毒素去除方法

自單端孢霉烯族毒素被發(fā)現(xiàn)以來,科學(xué)工作者便開始對該類毒素的預(yù)防和去除方法進(jìn)行研究。對單端孢霉烯族毒素的可行性控制措施主要包括以下兩個部分:一是盡可能地減少飼料或糧食中產(chǎn)鐮刀菌的生長和單端孢霉烯族毒素的產(chǎn)生;二是運(yùn)用各種物理、化學(xué)以及生物學(xué)方法去除糧食、谷物和飼料中的單端孢霉烯族毒素。盡管科研學(xué)者進(jìn)行了大量的研究,同時提出許多防治霉菌的措施,但是還是不能夠完全去除該類毒素污染狀況。鑒于此,仍然需要尋求有效合理的去除已存在的單端孢霉烯族毒素,從而有效地控制和解決其對動物和人類的危害,改善動物的飼料安全、提高人類食品安全。到目前為止,去除單端孢霉烯族毒素的方法主要有物理、化學(xué)及生物去除法。

傳統(tǒng)的物理去除法主要包括熱處理法和吸附劑法,以及輻射、微波等方法。熱處理法是應(yīng)用相對較早的一種真菌毒素去除方法。一般情況下,溫度越高,對真菌毒素的去除效果越好。單端孢霉烯族毒素在120 ℃穩(wěn)定,當(dāng)溫度高于200 ℃便會發(fā)生部分分解。Yumbe-Guevara等研究了熱處理對大麥和小麥中的DON及NIV的影響,將對照組和大麥粉樣品分別在140、160、180、200、220 ℃恒溫箱中加熱處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn),加熱去除毒素的效果與時間和溫度相關(guān)[28]。Breta等在堿性條件下,對DON進(jìn)行加熱處理,發(fā)現(xiàn)DON降解為7種結(jié)構(gòu)不同的化合物,經(jīng)過細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn),降解后產(chǎn)物的毒性低于DON[29]。Beyer等對T-2毒素的研究得到了相同的結(jié)果[30]。Lesnik等對小麥谷物、面粉以及面包中的DON和NIV進(jìn)行解毒研究,發(fā)現(xiàn)DON在195～235 ℃工業(yè)用烘箱烘焙70 min,其在面包中的含量減少了47.2%～48.7%[31]。吸附法主要是采用吸附劑如活性炭、沸石粉、皂土及酵母細(xì)胞壁等所帶的電荷總數(shù)和電荷分布、疏水作用、孔隙大小及有效表面積來達(dá)到不同程度吸附糧食和飼料中真菌毒素,并指出水合鈉、鈣硅鋁酸鹽是最有效的吸附劑。Schenzel等采用泥炭吸附劑對29種真菌毒素進(jìn)行吸附處理,吸附效果明顯[32]。電離輻射主要是采用微波誘導(dǎo)或短波紫外線照射來降解毒素或殺死真菌,許多研究表明,輻射對于濕態(tài)物質(zhì)的效果高于干態(tài)物質(zhì)[33]。對小麥、面粉和面包中所有鐮刀菌素對輻射劑量的影響進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)電離輻射對T-2毒素具有較好的去除效果,當(dāng)輻射劑量為6 kGy時,對該類毒素的去除率達(dá)到80%,而劑量為8 kGy時,則可全部去除[34]。研究表明,將γ-射線與其他處理方法(過氧化氫、碳酸氫銨及提高谷物濕度等)相結(jié)合,會提高毒素清除率[35]。而最近Khatibi等比較了兩種小麥磨粉工藝對DON的去除效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用精度磨粉盡管淀粉含量有較少的損失,但是小麥外殼DON的去除率可達(dá)到58.5%～65.3%,而滾壓磨粉的效果相對較差[36]。

用氫氧化鈣、亞硫酸氫鈉、臭氧、過氧化氫、氯氣、抗壞血酸、二氧化硫、甲醛、氨氣、氫氧化銨等化學(xué)試劑處理單端孢霉烯族,可將毒素轉(zhuǎn)化為低毒或無毒的物質(zhì)[37]。Breta等指出在堿性條件下更容易降解為低毒性物質(zhì)[29]。有些氧化劑如臭氧可以進(jìn)攻單端孢霉烯族毒素結(jié)構(gòu)中的C-9,10位的雙鍵,從而使毒素發(fā)生環(huán)氧化而毒性降低。Young等在其實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)臭氧照射潮濕的霉變玉米時,會使單端孢霉烯族毒素的含量降低90%,實(shí)驗(yàn)中指出用氯溶液對谷物進(jìn)行漂白也會使其毒性降低10%[38]。化學(xué)脫毒盡管有效,但是會殘留其他有毒化學(xué)試劑或降低食物營養(yǎng)價值的化合物,從而使其應(yīng)用受到了一定的限制。

生物去除單端孢霉烯族毒素的原理主要是破壞其分子結(jié)構(gòu)中的毒性基團(tuán)而生成無毒物質(zhì)。主要包括烯基的氧化、脫乙酰、羥基化、羰基化、分子的脫環(huán)氧化以及微生物去除法等。研究表明,DON結(jié)構(gòu)中C-12、C-13的環(huán)氧結(jié)構(gòu)和C3-OH基團(tuán)是其主要致毒基團(tuán)[39]。三十年前,人們便對單端孢霉烯族毒素脫環(huán)氧化可降低其毒性進(jìn)行了研究[40-41]。單端孢霉烯族毒素的C-9,10雙鍵也是其毒性作用的必需基團(tuán),Young等在實(shí)驗(yàn)中采用臭氧對毒素進(jìn)行處理,只在該雙鍵上加入兩個氧原子,發(fā)現(xiàn)由于毒素分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而毒性降低,并指出脫毒效果會受到pH的影響[42]。單端孢霉烯族毒素中C-3位置對于毒性也起著重要作用,Kimura等研究指出,在家兔的紅細(xì)胞中,DON的C3-OH被酯化后,其毒性會降低兩個數(shù)量級[43]。C3-OH的乙?；矔苟舅氐亩拘越档汀Ｔ跀M南芥實(shí)驗(yàn)中,C3-OH的酯化會對一部分DON起作用[44]。常見的環(huán)氧化合物易水解,但DON的環(huán)氧基團(tuán)對水解并不敏感,1996年奧地利的一項(xiàng)專利指出,一株地生酵母菌可水解DON中的環(huán)氧基團(tuán),但后續(xù)的一些研究并沒有發(fā)現(xiàn)更多的酵母菌可水解DON[45]。He等指出單端孢霉烯族毒素環(huán)氧過程會有環(huán)氧化物酶的參與,但是導(dǎo)致其脫環(huán)氧化的生化通路尚不清楚[46]。Binder等于1997年首次從奶牛的瘤胃中分離到使DON脫環(huán)氧化的單一菌株BBSH797,該菌株可在厭氧環(huán)境下對A、B型單端孢霉烯族化合物進(jìn)行脫環(huán)氧化,從而降低其毒性[47-48]。

許多微生物對于真菌毒素具有去除作用,如乳酸菌、酵母菌、枯草芽孢桿菌等。Niderkorn等對微生物去除青貯飼料中的鐮刀菌素進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)乳酸菌屬和明串珠菌屬均可去除毒素,其中,鏈球菌和腸球菌效果最為顯著[49]。Gratz等為了研究人類糞便中微生物是否對DON具有降解能力,采集人類糞便和尿液,加入DON培養(yǎng)后,采用LC-MS/MS對DON進(jìn)行檢測,結(jié)果發(fā)現(xiàn)加入糞便中的DON在4～6 h便開始有效地降解為低毒性物質(zhì)[50]。

4 結(jié)論與展望

綜上所述,單端孢霉烯族毒素來源廣泛,具有多種結(jié)構(gòu);對人畜健康存在潛在威脅,但不同種類動物對單端孢霉烯族化合物的毒性反應(yīng)不同;熱處理法和吸附法可有效降低單端孢霉烯族化合物的濃度,化學(xué)方法也有一定的去除效果,但是存在有毒化學(xué)試劑殘留或食物營養(yǎng)價值降低等問題,而生物脫毒法中的微生物脫毒因具有高效、無污染等特點(diǎn)成為近幾年研究的熱點(diǎn)。

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Research progress in trichothecenes and removal method

ZHAO Ya-rong1,MA Li-yan1,WANG Fu-hua2,3,*

(1.College of Food Science and Nutritional Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China;2.Public Monitoring Center for Agro-product of Guangdong Academy of Agricultural Sciences,Guangzhou 510640,China；3.Key Laboratory of Testing and Evaluation for Agro-product Safety and Quality,Ministry of Agriculture,Guangzhou 510640,China)

Trichothecenesaremycotoxinsproducedbyfungi,whichwidelydistributedincerealfoodandhavetoxiceffecttohumanandanimals.Thisreviewsummarizesvariousaspectsoftrichothecenesincludingphysicochemicalproperties,naturaloccurrence,theextentofdamagesandremovalmethod,aimedatprovidingbeneficialreferenceforstudiesthatpreventandcontroltrichothecenes.

Trichothecenes;physicochemicalproperty;pollution;removalmethod

2016-04-08

趙亞榮(1988-)，女，博士研究生，研究方向：致病微生物及其控制，E-mail：zyr520zyr@163.com。

*通訊作者:王富華(1962-)，男，本科，研究員，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，E-mail：wfhwqs@163.com。

農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測與評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題項(xiàng)目(NK201501)。

TS201.6

A

1002-0306(2016)21-0383-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.21.066