臭氧降解玉米赤霉烯酮及其降解產(chǎn)物細(xì)胞毒性

王軼凡 ， 孫秀蘭 ， 張銀志 ， 丁小霞

（1.食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江南大學(xué)，江蘇 無(wú)錫 214122；2.江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122；3.江南大學(xué) 食品安全與營(yíng)養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 無(wú)錫214122；4.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 油料作物研究所，湖北 武漢430062）

玉米赤霉烯酮（zearalenone，Zen）是一種由禾谷鐮刀菌等真菌產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物，學(xué)名為6-（10-羥基-6-氧基-十一碳烯基）β-雷鎖酸內(nèi)酯[1-2]。玉米赤霉烯酮是污染糧食谷物最廣泛的真菌毒素之一，其在大麥、燕麥、黑麥、高粱和小麥中的污染都有報(bào)道。由于玉米赤霉烯酮與17β-雌二醇（E2）在化學(xué)結(jié)構(gòu)上存在相似性，玉米赤霉烯酮及其衍生物在哺乳動(dòng)物中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)類雌激素效應(yīng)，從而導(dǎo)致體內(nèi)內(nèi)分泌紊亂[3-7]。

真菌毒素的脫毒方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法。而臭氧作為一種強(qiáng)效的氧化劑，其降解黃曲霉毒素、玉米赤霉烯酮、脫氧雪腐鐮刀菌烯醇、赭曲霉毒素等真菌毒素已見(jiàn)諸報(bào)道[8-12]。臭氧處理真菌毒素污染的玉米、花生、大麥、小麥和其他谷物已經(jīng)開(kāi)始得到初步應(yīng)用。200 mg/min的臭氧經(jīng)過(guò)92 h處理黃曲霉毒素污染的玉米后，黃曲霉毒素降解超過(guò)95%[12]。

臭氧可以由電化學(xué)放電產(chǎn)生，具有高效快速、滲透能力強(qiáng)和自身降解產(chǎn)物無(wú)毒副作用的優(yōu)點(diǎn)。但是，經(jīng)臭氧處理后的真菌毒素降解產(chǎn)物的相關(guān)研究鮮有出現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外研究中，因此作者研究了臭氧處理玉米赤霉烯酮后的降解產(chǎn)物，并對(duì)其降解產(chǎn)物進(jìn)行了肝癌細(xì)胞毒性評(píng)價(jià)。同時(shí)通過(guò)超高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜建立了檢測(cè)玉米赤霉烯酮、玉米赤霉烯酮主要臭氧降解產(chǎn)物和其生物體內(nèi)轉(zhuǎn)化產(chǎn)物玉米赤霉烯醇的檢測(cè)方法，探究特定條件下臭氧處理污染谷物時(shí)玉米赤霉烯酮及其降解產(chǎn)物變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 材料

玉米粉：市售；玉米赤霉烯酮，α-玉米赤霉烯醇，β-玉米赤霉烯醇標(biāo)準(zhǔn)品：Sigma公司產(chǎn)品；臭氧發(fā)生器：佳環(huán)電器科技有限產(chǎn)品；MTN-2800w氮吹儀：天津奧特賽思儀器公司產(chǎn)品；AcquityTM超高效液相色譜儀和AcquityTMTQD串聯(lián)質(zhì)譜檢測(cè)器：美國(guó)Waters公司產(chǎn)品；超純水制備儀：美國(guó)Millipore公司產(chǎn)品。HepG2人肝癌細(xì)胞：中國(guó)科學(xué)院細(xì)胞庫(kù)產(chǎn)品；DMEM高糖培養(yǎng)基：Hyclone公司產(chǎn)品。胎牛血清（FBS）：Gibco 公司產(chǎn)品；CCK-8 試劑盒，碧云天生物技術(shù)公司產(chǎn)品；Infinite 1000酶標(biāo)儀：Tecan公司產(chǎn)品。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 玉米赤霉烯酮的臭氧處理 在室溫下，將5mL的玉米赤霉烯酮溶液 （20μg/mL）通入60mL/min的臭氧1 min。將反應(yīng)后的溶液通過(guò)UPLC-QTOF進(jìn)行檢測(cè)。

質(zhì)譜檢測(cè)采用電噴霧電離正離子（ESI+）的離子化模式，具體參數(shù)如下：毛細(xì)血管電壓，3.5 kV；離子源溫度，100℃；脫溶劑氣溫度，300℃；脫溶劑氣流量，700 L/h。

1.2.2 HepG2人肝癌細(xì)胞培養(yǎng) HepG2肝癌細(xì)胞培養(yǎng)在含質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%FBS和1%青霉素-鏈霉素的DMEM培養(yǎng)液中，在37℃，體積分?jǐn)?shù)5%CO2條件下恒溫培養(yǎng)，每2～3天按1∶3比例傳代。

1.2.3 CCK-8法測(cè)定HepG2肝癌細(xì)胞活力 取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的肝癌細(xì)胞，PBS洗3次，用胰蛋白酶消化適當(dāng)時(shí)間后，用DMEM培養(yǎng)液將細(xì)胞濃度調(diào)整為1×106/mL。向96孔培養(yǎng)板中加入上述細(xì)胞懸液100μL，將培養(yǎng)板至于體積分?jǐn)?shù)5%CO2、37℃下培養(yǎng)12h后取出，分別加入不同濃度的玉米赤霉烯酮及臭氧處理1、3、10 min后的玉米赤霉烯酮DMEM培養(yǎng)液各10 μL，每個(gè)設(shè)樣品置6個(gè)復(fù)孔。繼續(xù)在體積分?jǐn)?shù)5%CO2、37℃下培養(yǎng)24 h后，每孔加入CCK-8溶液10 μL。孵育2 h后，用酶聯(lián)檢測(cè)儀在450 nm波長(zhǎng)下進(jìn)行測(cè)定各孔光密度值，計(jì)算出HepG2人肝癌細(xì)胞的活力。

1.2.4 超高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法測(cè)定玉米赤霉烯酮及其降解產(chǎn)物 色譜柱：ACQUITY UPLC HSS T3柱；梯度洗脫的流動(dòng)相條件與1.21的流動(dòng)相條件相同。離子化模式：電噴霧電離正離子模式（ESI+）和負(fù)離子模式（ESI-）。玉米赤霉烯酮、α-玉米赤霉烯酮（α-Zen）、β-玉米赤霉烯酮（β-Zen）和臭氧降解產(chǎn)物的質(zhì)譜條件列于表1。定量方法采用的是多反應(yīng)監(jiān)測(cè)（MRM）模式。采集的數(shù)據(jù)通過(guò)MassLynx 4.1軟件進(jìn)行加工處理。

1.2.5 標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液的配置 Zen、α-Zen和β-Zen標(biāo)準(zhǔn)溶液：稱取適量Zen、α-Zen和β-Zen標(biāo)準(zhǔn)品，以色譜純乙腈溶解并配成質(zhì)量濃度為1.0 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液，于2～8℃條件下保存。

通過(guò)制備型液相，將臭氧降解玉米赤霉烯酮產(chǎn)物中含量較多的Compound 2、Compound 4分離富集，經(jīng)凍干濃縮后獲得固體。再以色譜純乙腈溶解并配成質(zhì)量濃度為100 μg/mL的溶液，于2～8℃條件下保存。

1.2.6 玉米赤霉烯酮污染玉米粉的臭氧處理 準(zhǔn)確稱取5.00 g玉米赤霉烯酮污染的玉米粉，分別經(jīng)過(guò) 60 mL/min 的 臭 氧 處 理 0、5、15、30、45、60、90min。每份處理后的玉米粉置于50 mL離心管中，加入體積分?jǐn)?shù)80%乙腈溶液20 mL，振蕩處理15 min后，取過(guò)濾后的濾液5 mL，加入三氯甲烷5 mL，振蕩1 min，避光靜置。待溶液分層后，保留下層。上層再加入1 mL的三氯甲烷，振蕩1 min后，靜置分層，保留下層。將兩次保留的下層溶液混合，經(jīng)氮?dú)獯蹈珊?，加? mL的體積分?jǐn)?shù)80%乙腈溶液，過(guò)0.22 μm有機(jī)相濾膜后，等待檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 臭氧處理玉米赤霉烯酮

圖1顯示玉米赤霉烯酮標(biāo)準(zhǔn)溶液 （20 μg/mL）經(jīng)臭氧處理1 min后，經(jīng)液相檢測(cè)在保留時(shí)間5.905、7.323、9.035、9.312 min 分別產(chǎn)生了 4 種降解產(chǎn) 物 Compound 1、Compound 2、Compound 3 和Compound 4。同時(shí)，未經(jīng)臭氧處理時(shí)在9.104 min出峰的玉米赤霉烯酮被完全降解。McKenzie等人[16]在臭氧處理玉米赤霉烯酮15 s后并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何液相色譜儀可檢測(cè)到降解產(chǎn)物。這可能是由于其臭氧濃度過(guò)高，或者玉米赤霉烯酮濃度過(guò)低，導(dǎo)致臭氧降解產(chǎn)物短時(shí)間內(nèi)被臭氧完全氧化。經(jīng)超高效液相色譜串聯(lián)四級(jí)桿飛行時(shí)間質(zhì)譜檢測(cè)，玉米赤霉烯酮的 [M+H]+是 319.154 3 （m/z）， 而 Compound 1、Compound 2、Compound 3和 Compound 4的 [M+H]+分別是 335.184 1、351.190 7、321.186 8 和 367.175 3（m/z）（圖 2）。

圖1 20 μg/mL玉米赤霉烯酮臭氧處理前后的總離子色譜圖Fig.1 Total ion chromatograms of zearalenone standard solutions at 20 ppm in acetonitrile solution and treated by ozone for 1.0 min（inset）

圖2 玉米赤霉烯酮臭氧降解產(chǎn)物的Q-TOF質(zhì)譜圖Fig.2 UPLC Q-TOF MS spectrum of zearalenoneozonolytic products

2.2 玉米赤霉烯酮降解產(chǎn)物的細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)

玉米赤霉烯酮最先在生物體內(nèi)的肝臟進(jìn)行初級(jí)代謝，且玉米赤霉烯酮對(duì)肝臟有損傷作用。因此選擇人肝癌細(xì)胞HepG2對(duì)玉米赤霉烯酮的降解產(chǎn)物進(jìn)行細(xì)胞毒性探究。如圖3玉米赤霉烯酮對(duì)HepG2細(xì)胞增殖的抑制率呈現(xiàn)劑量相關(guān)性，根據(jù)試驗(yàn)中玉米赤霉烯酮染毒質(zhì)量濃度（0.1～50 μg/mL）對(duì)應(yīng)的細(xì)胞增殖率，使用SPSS軟件進(jìn)行分析，計(jì)算出玉米赤霉烯酮對(duì)HepG2細(xì)胞的半數(shù)抑制濃度IC50大約是10 μg/mL。以此IC50濃度作為后續(xù)細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)的濃度。將10 μg/mL的Zen溶液和臭氧處理1、3、10 min 的 10 μg/mL 的 Zen 溶液通過(guò) CCK-8試劑盒來(lái)測(cè)定其對(duì)HepG2細(xì)胞增殖的抑制率。經(jīng)測(cè)定臭氧處理1、3 min后，溶液中檢測(cè)不到Zen，僅含Zen降解產(chǎn)物；處理10 min后，溶液中檢測(cè)不到Zen和Zen的降解產(chǎn)物。如圖3所示結(jié)果，與未加玉米赤霉烯酮的Control組相比，玉米赤霉烯酮臭氧處理時(shí)間0 min時(shí)，玉米赤霉烯酮對(duì)HepG2人肝癌細(xì)胞生長(zhǎng)有顯著性抑制 （P＜0.05）。臭氧處理1 min和3 min組即玉米赤霉烯酮的臭氧降解產(chǎn)物，對(duì)人肝癌細(xì)胞生長(zhǎng)有顯著性抑制，但相比于玉米赤霉烯酮臭氧處理0 min組，細(xì)胞活力顯著升高。臭氧處理10 min組即玉米赤霉烯酮臭氧降解產(chǎn)物也被氧化后，其對(duì)人肝癌細(xì)胞生長(zhǎng)的影響沒(méi)有顯著性抑制 （P＞0.05）。這表明玉米赤霉烯酮經(jīng)臭氧處理后，臭氧降解產(chǎn)物對(duì)人肝癌細(xì)胞生長(zhǎng)存在抑制影響，但低于玉米赤霉烯酮對(duì)肝癌細(xì)胞的抑制程度。因此臭氧處理污染谷物過(guò)程中，足夠的臭氧濃度和處理時(shí)間對(duì)于確保氧化玉米赤霉烯酮及其降解產(chǎn)物是必要的。

圖3 不同質(zhì)量濃度玉米赤霉烯酮對(duì)HepG2細(xì)胞活力的影響和玉米赤霉烯酮處理后對(duì)HepG2細(xì)胞活力的影響Fig.3 Dose-response curves fitting with logistic function of zearalenone on HepG2 cells and effects of zearalenone solutions treated with diverse levels of ozone on cell viability

2.3 超高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法測(cè)定玉米赤霉烯酮及其降解產(chǎn)物

經(jīng)過(guò)3種色譜柱的優(yōu)化ACQUITY UPLC HSS T3柱，ACQUITY UPLC BEH130C18柱和ACQUITY UPLC BEH Shield RP18柱，得出ACQUITY UPLC HSS T3 柱 對(duì) Zen、Compound 2、Compound 4、α-Zen、β-Zen 分離效果最好。 通過(guò)對(duì)不同流動(dòng)相配比的優(yōu)化，得出最佳梯度洗脫的程序如方法所示。針對(duì)單個(gè)分析物標(biāo)準(zhǔn)品溶液上機(jī)分析，得到目標(biāo)分析物的質(zhì)荷比。在碰撞誘導(dǎo)解析電離模式下，優(yōu)化了各目標(biāo)物的去簇電壓和碰撞電壓，獲得離子豐度較大的碎片離子為該目標(biāo)物的裂解的主要碎片離子。表2為在ESI模式下，各目標(biāo)物的主要碎片離子的質(zhì)荷比。圖4為超高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜在MRM模式下的各目標(biāo)物的選擇離子流圖。

表1 Zen、Compound 2、Compound 4、α-Zen 和 β-Zen 的質(zhì)譜分析參數(shù)Table 1 Analytes and polarity modes，MRM transitions，cone voltages and collision energies used for quantitation and confirmation of zearalenone and ozonolytic products

2.4 臭氧處理玉米赤霉烯酮污染的玉米粉

臭氧處理玉米赤霉烯酮污染的玉米粉后，經(jīng)提取，檢測(cè)出在臭氧處理玉米赤霉烯酮標(biāo)準(zhǔn)溶液相同的降解產(chǎn)物，Compound 2和Compound 4。并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)玉米赤霉烯酮的初級(jí)代謝物α-Zen和β-Zen。臭氧處理玉米赤霉烯酮污染的玉米粉90 min后，玉米赤霉烯酮的降解率達(dá)到95.1%。圖6表明，未進(jìn)行臭氧處理時(shí)，玉米粉中并沒(méi)有Compound 2和Compound 4，臭氧處理0～15 min時(shí)，隨著玉米赤霉烯酮的減少，Compound 2和Compound 4含量增加。隨著臭氧繼續(xù)處理，臭氧在氧化玉米赤霉烯酮的同時(shí)，繼續(xù)氧化降解產(chǎn)物Compound 2和Compound 4，因此，此后Compound 2和Compound 4持續(xù)減少。

圖4 Zen、Compound 2、Compound 4、α-Zen 和 β-Zen 的MRM圖譜Fig.4 MRM spectrums of Zen and Zen、Compound 2、Compound 4、α-Zen 和 β-Zen

圖5 玉米粉中臭氧降解玉米赤霉烯酮效果Fig.5 Changesofzearalenonewith theincreasing oxidative time in corn flour

圖6 玉米粉中玉米赤霉烯酮臭氧降解過(guò)程中降解產(chǎn)物的變化Fig.6 Changes of zearalenoneozonolytic products with the increasing oxidative time in corn flour

3 結(jié) 語(yǔ)

臭氧制備簡(jiǎn)單，高效快捷方便，可能處理的玉米赤霉烯酮污染的糧食或者飼料規(guī)模較大。因此，足夠的臭氧濃度或臭氧處理時(shí)間來(lái)降解玉米赤霉烯酮及其降解產(chǎn)物，有助于徹底解決臭氧處理玉米赤霉烯酮過(guò)程中，其中間產(chǎn)物依然存在毒性的問(wèn)題。

作者建立的超高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜檢測(cè)玉米赤霉烯酮及其降解產(chǎn)物的方法，在臭氧處理玉米赤霉烯酮污染實(shí)際谷物和飼料過(guò)程中，能夠簡(jiǎn)便快速靈敏準(zhǔn)確檢測(cè)出玉米赤霉烯酮及其降解產(chǎn)物的含量，為實(shí)際脫毒生產(chǎn)中臭氧的用量提供參考。

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