吸附法消減真菌毒素的研究進展

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(1.河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院,河南鄭州 450001;2.小麥和玉米深加工國家工程實驗室,河南鄭州 450001;3.國家糧食局糧油食品工程技術(shù)研究中心,河南鄭州 450001)

隨著全球氣候的變暖以及環(huán)境污染的日益加重,糧食作物等受到真菌污染的幾率越來越高,由于污染而失去實用價值和營養(yǎng)價值的比例越來越大。真菌毒素對糧食作物及動物飼料的污染物直接影響著人類和動物的健康,在全球范圍內(nèi)成為一個嚴(yán)峻的問題[1]。全球每年約有25%的糧食作物受到不同程度的污染[2]。在糧食作物收獲前后、加工過程中或者制品的儲存期間都可能受到多種真菌毒素的污染,受到真菌毒素污染的食品和飼料在人類和動物體內(nèi)可引起多種急性中毒和慢性中毒[3]。在谷物的貯藏期間,儲存條件是真菌毒素生長的主要影響因素,其中貯存的水分和溫度是決定谷物安全的重要因素。就高水分含量(16%～30%)的谷物而言,環(huán)境溫度(25～32 ℃)和相對濕度80%～100%是導(dǎo)致谷物在儲藏過程中霉菌生長和真菌毒素合成的主要原因[4]。

目前許多物理、化學(xué)和生物方法用于去除、破壞或減少真菌毒素。通常,物理方法包括吸附法、熱滅活法、輻射和微波處理等[5-6]?；瘜W(xué)方法通常使用酸、堿、氧化劑等與真菌毒素反應(yīng)破壞其結(jié)構(gòu),將其轉(zhuǎn)化為無毒或毒性較小的物質(zhì)[7-8]。生物法則是利用生物降解技術(shù),通過一些微生物菌株去除毒素或者降低其毒性[9-10]。綜合來說,這些方法對于真菌毒素的消減均有效果,但在不同地實際應(yīng)用中都有一些局限性。例如,化學(xué)法不僅要求有合適的反應(yīng)設(shè)備,而且需要額外的處理[11]。此外化學(xué)反應(yīng)較為復(fù)雜,可能會改變或破壞糧食及產(chǎn)品的營養(yǎng)價值,其反應(yīng)過程中也可能生成一些有害的物質(zhì),甚至使最終產(chǎn)品中含有化學(xué)殘留而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。生物法消減真菌毒素的效率高、專一性好,但是在當(dāng)前實際應(yīng)用中,其技術(shù)不夠完善,通常反應(yīng)所需條件較為苛刻,且成本相對較高,因此目前無法實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用[12]。吸附法因其簡單、方便、快捷等優(yōu)點在飼料及食用油等行業(yè)有較多應(yīng)用。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對吸附法消減真菌毒素進行了較多的研究[13-15]。吸附法消減真菌毒素具有廣闊的應(yīng)用前景。

表1 主要真菌毒素Table 1 Major mycotoxins

本文對糧食及制品中常見的真菌毒素及其危害進行了簡要的概述,著重綜述了不同吸附劑如活性炭、硅鋁酸鹽及其改性產(chǎn)品吸附消減真菌毒素的最新研究進展,并討論了一些吸附劑的吸附機理,以期為更好地研制高效的真菌毒素吸附劑提供一些參考。

1 真菌毒素的種類及危害

真菌毒素是一些真菌或霉菌產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物,通常是由許多菌屬產(chǎn)生,食品及飼料中最為常見的毒素是曲霉菌屬產(chǎn)生的黃曲霉毒素,鐮刀菌屬產(chǎn)生的玉米赤霉烯酮,以及曲霉菌屬和青霉屬產(chǎn)生的赭曲霉毒素A[16]。到目前為止,大約400種真菌毒素已經(jīng)被檢測到。其中,玉米赤霉烯酮、脫氧雪腐鐮刀菌烯醇和赭曲霉毒素因在飼料中的頻繁檢出及其對動物和人類的嚴(yán)重毒性作用而受到廣泛關(guān)注(表1)[17-18]。

1.1 黃曲霉毒素

黃曲霉毒素(Aflatoxin,AFs)是一類二呋喃香豆素衍生物,其基本結(jié)構(gòu)中都有雙呋喃環(huán)和氧雜萘鄰?fù)?香豆素),在紫外光照射下會發(fā)出熒光[19]。AFs主要包括黃曲霉毒素B1(AFB1)、黃曲霉毒素B2(AFB2)、黃曲霉毒素G1(AFG1)、黃曲霉毒素G2(AFG2)和黃曲霉毒素M1(AFM1),其中AFB1最常見且毒性最強,國際癌癥組織將其列為I類致癌物質(zhì)。AFs幾乎不溶于水和正己烷,但在甲醇、乙腈、氯仿、丙酮等溶劑中溶解度較好[20]。因其含有大量環(huán)共軛體系,AFB1的熱穩(wěn)定性非常好,在268 ℃以上的條件下才開始分解且分解較慢。AFB1具有較強的耐酸性,可溶于堿性溶液,一些氧化劑如氯氣、次氯酸、雙氧水、二氧化硫等均可破壞AFB1的結(jié)構(gòu)[21]。AFs的主要靶器官是肝臟,攝入含有過高含量毒素的食物后可以引發(fā)肝癌[22]。在飼喂豬的日糧中添加AFs,導(dǎo)致血清酶活性升高,肝臟酶活性降低,生長性能降低[23]。AFB1的口服半數(shù)致死量(LD50):豬為0.62 mg/kg,火雞為0.5 mg/kg,雛鴨為0.3 mg/kg,綿羊為2.0 mg/kg[24]。

1.2 玉米赤霉烯酮

玉米赤霉烯酮(Zearalenone,ZEN)又稱F-2毒素,是一類主要由禾谷鐮刀菌(Fusariumgraminearum)、黃色鐮刀菌(Fusariumculmorum)等多種鐮刀菌產(chǎn)生的非甾體真菌毒素,對動物和人類產(chǎn)生激素影響[25]。其化學(xué)名為6-(10-羥基-6-氧基-反式-11-十一碳烯基)β雷羧酸μ-內(nèi)酯[26]。此外,ZEN是一種弱極性分子,熔點為165 ℃,幾乎不溶于水、四氯化碳等溶劑,但在堿性水溶液中溶解度良好,且在正己烷、苯、乙腈、二氯甲烷、甲醇、乙醇和丙酮中其溶解度依次增加[1]。ZEN是一種大環(huán)內(nèi)酯結(jié)構(gòu)的化合物,在堿性條件下ZEN的內(nèi)酯鍵將部分打開[26-27]。研究表明ZEN具有類雌激素作用,對動物有一定的生殖毒性,還會產(chǎn)生細胞毒性和遺傳毒性,造成肝腎器官損傷并降低免疫機能[28]。董雙等[29]采用不同濃度的ZEN對雄性小鼠進行腹腔注射,ZEN明顯地降低了小鼠的體重和精液品質(zhì)。小鼠睪丸乳酸脫氫酶、堿性磷酸酶、酸性磷酸酶的活力隨著ZEN劑量的增加而明顯升高,同時血清睪酮和雌激素濃度明顯下降,嚴(yán)重損傷了雄性小鼠生殖系統(tǒng)影響其生精功能。對小鼠連續(xù)3 d注射50 mg/kg劑量的ZEN,觀察到肝細胞局灶性脂肪變性、肝臟壞死等。ZEN對小鼠的肝臟、腎臟有嚴(yán)重的損害作用,并且會造成腎功能紊亂[30]。相對AFB1而言ZEN的毒性較小,小鼠、大鼠和豚鼠的口服半數(shù)致死量(LD50)為2000～20000 mg/kg[31]。

1.3 脫氧雪腐鐮刀菌烯醇

脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(Deoxynivalenol,DON)又名嘔吐毒素,主要由禾谷鐮刀菌、尖孢鐮刀菌、雪腐鐮刀菌等在適宜條件下產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物,主要存在于玉米、小麥、大麥及其副產(chǎn)品中[32]?；瘜W(xué)名為3,7,15-三羥基-12,13-環(huán)氧單端孢霉-9-烯-8-酮,熔點為151 ℃,易溶于水,也可溶解于甲醇、乙醇、乙腈和丙酮等極性溶劑,不溶于正己烷、丁醇和石油醚[33]。DON可使動物食欲下降或拒絕采食,皮膚或皮下黏膜上皮發(fā)炎、紅腫甚至壞死,破壞一系列生理機能[34]。與黃曲霉毒素不同,DON轉(zhuǎn)移到動物源性食物中的可能性較小[35]。DON的口服半數(shù)致死量(LD50):小鼠46.8 mg/kg,1日齡雛雞為140 mg/kg[36]。

1.4 赭曲霉毒素

赭曲霉毒素主要包括赭曲霉毒素A(Ochratoxin A,OTA),赭曲霉毒素B(OTB)和赭曲霉毒素C(OTC),是由曲霉屬和青霉屬的霉菌產(chǎn)生的高毒性代謝產(chǎn)物,并且存在于許多天然食品中,例如香料、咖啡、谷物、豆類和水果中[37]。赭曲霉毒素中OTA最常見且毒性最大,國際癌癥研究所將其歸為2B類致癌物[9]。OTA化學(xué)名為7-羧-5-氯-8-羥-3,4-二氫-3-R-甲基異香豆素-7-L-β-苯丙氨酸,是由氯化的異香豆素類似物和苯丙氨酸以酰胺鍵連接而成,是一種白色結(jié)晶化合物,熔點約168～173 ℃,在酸性和中性條件下OTA具有很高的熱穩(wěn)定性;微溶于水,可溶于碳酸氫鈉水溶液,極易溶于醇、酮和氯仿等有機溶劑[38-39]。OTA已被證明對幾種動物具有腎毒性、肝毒性、致畸性和免疫毒性,并在小鼠和大鼠中引起腎臟和肝臟腫瘤[40]。OTA的口服半數(shù)致死量(LD50)為:狗0.2 mg/kg,豬1.0 mg/kg,雞為3.3 mg/kg,大鼠和小鼠的LD50增加至20～58 mg/kg[16]。

2 消減真菌毒素的吸附劑及效果

已有研究證明采用吸附的方法是解除真菌毒素更合適的選擇。吸附劑脫毒的方法因其廉價、方便、操作簡單等諸多優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。在飼料以及食用油中已經(jīng)使用各種類型的吸附劑,如活性炭、粘土礦物等,以脫除或減少真菌毒素對糧食作物及家畜的有害影響。但是一些天然的礦物吸附劑并不能同時高效吸附多種真菌毒素,因此吸附劑的改性應(yīng)運而生。一些吸附劑在改性后表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附性能,可同時吸附多種毒素[41-43]。

2.1 活性炭

活性炭是由木屑、蔗渣、谷殼、硬果殼等碳化后再經(jīng)過化學(xué)或物理活化處理而成的[44]。因其具有空隙疏松、比表面積大、吸附容量高等優(yōu)點在吸附方面應(yīng)用較為廣泛?；钚蕴课绞侨コ芤褐形廴疚镒畛Ｓ玫姆椒ㄖ籟45]。在去除真菌毒方面,活性炭也具有一定的應(yīng)用。邵建忠等[46]以豬為實驗對象,對試驗豬單獨飼喂DON或與活性炭一同口服。在單獨飼喂DON的豬血液中檢測到高水平的DON,而同活性炭一同飼喂時在豬體內(nèi)未能檢測到該毒素?；钚蕴?、黏土、硅藻土能夠吸附培養(yǎng)基中85%的伏馬毒素B1(200 μg/mL)[47]。

近年來,活性炭在飼料、油脂吸附脫毒的應(yīng)用方面研究較多。劉玉蘭等[48]對WY1活性炭、WY2活性炭、NORIT活性炭及普通活性炭在玉米毛油脫色過程中對ZEN的脫除進行了研究并優(yōu)化了吸附過程。發(fā)現(xiàn)在油中添加2%的WY1活性炭,ZEN的脫除率達到48.25%,ZEN含量從8026.67 μg/kg降低至4153.77 μg/kg,具有一定的脫除效果,但仍高于歐盟400 μg/kg的限量。因此,該方法僅適用于初步減少ZEN的含量,要想達到限定標(biāo)準(zhǔn)還需進一步的精煉。陳金定等[49]研究了WY1活性炭、WY2活性炭及普通活性炭對玉米毛油中AFB1的脫除效果,發(fā)現(xiàn)添加量為油重的2%時,AFB1含量由39.28 μg/kg分別降至2.22、1.68、9.54 μg/kg,明顯優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的食用油中AFB1含量≤20 μg/kg的限量。就玉米胚芽油而言,AFB1及ZEN的含量相對較高,從研究結(jié)果來看,對兩種毒素的同時去除還需進行深一步的研究。Edrington等[50]發(fā)現(xiàn)在含有黃曲霉毒素的雞飼料中加入活性炭,能夠減輕黃曲霉毒素的毒害作用。Kubena等[51]研究表明,在飼料中添加0.5%活性炭并不能緩解飼料中T-2毒素對肉仔雞的毒性?；钚蕴繉τ谌コ舅胤矫婢哂幸欢ǖ男Ч?但是活性炭的選擇吸附能力較差,實際應(yīng)用中,吸附毒素的同時也會對營養(yǎng)物質(zhì)等進行吸附,從而降低或者失去對毒素的吸附作用[52]。

2.2 硅鋁酸鹽類吸附劑

硅鋁酸鹽類吸附劑(Aluminosilicate,AS)是指含有Al2O3和SiO2的礦物質(zhì),常見的硅鋁酸鹽礦物有蒙脫土、沸石、高嶺土、硅藻土等。因其具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性、比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)、以及離子吸附與交換能力,因此受到眾多學(xué)者的廣泛研究[53-54]。同時,硅鋁酸鹽類礦物結(jié)構(gòu)中存在許多天然納米微孔,層間帶有大量可交換陽離子,能夠產(chǎn)生同質(zhì)取代的作用,因此可吸附帶有極性基團的毒素(如AFB1),而那些低極性的真菌毒素(如ZEN和OTA)則不易被這些礦物所吸附[55]。有研究表明用長鏈有機陽離子(表面活性劑)代替礦物中的無機陽離子以增加其疏水性可實現(xiàn)對真菌毒素的良好吸附。

2.2.1 沸石 沸石是沸石族礦物的總稱,是一種含水的堿或堿土金屬硅鋁酸鹽礦物。因其具有較大的色散力和強靜電力使得其具有很強的吸附能力,已經(jīng)在飼料等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[54]。沸石隨飼料一同被動物攝取后,會在體內(nèi)吸水膨脹,增加食糜粘度,延長飼料在消化道內(nèi)的停留,有利于動物對營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收、降低糞便營養(yǎng)水平,同時可以吸附飼料中的毒素,從而提高動物的免疫力[56-57]。

圖1 改性蒙脫土對AFB1的吸附Fig.1 Adsorption of AFB1 by modified montmorillonite

天然蒙脫土對真菌毒素的吸附具有一定的效果,但同樣存在著對弱極性ZEN吸附效果不佳的問題[17,71]。且天然蒙脫土含有較多的雜質(zhì),層間有許多無機離子從而表現(xiàn)出親水性,不利于其在聚合物基體的分散。為了改變這種現(xiàn)狀,許多研究人員對其進行有機改性處理,以降低層間親水性,增加親油性,從而增強對有機物的親和性[72-73]。在層間插入高分子鏈,可增大夾層間距,從而提高蒙脫土的吸附性能[11]。Nones等[41]用苯扎氯銨(BAC)和十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)作為蒙脫土改性劑制備的吸附劑對AFB1表現(xiàn)較好的吸附,最優(yōu)條件下吸附率分別達到76.9%和55.2%,這兩種吸附劑的使用可能保護神經(jīng)嵴干細胞免于AFB1引起的損傷。如圖1[41]所示,AFB1的高吸附容量是由層間空間的增加引起的,改性后層間距分別從0.97 nm增加到1.23 nm(BAC)和1.22 nm(CTAB),并且AFB1分子占據(jù)了蒙脫土的層間空間,從而與金屬形成復(fù)合物。

張立陽等[72]對季銨鹽及金屬離子改性蒙脫土吸附AFB1、ZEN能力進行了研究,改性后吸附能力大大增強。馬文文等[73]以6種有機季銨鹽作為改性劑對鈉基蒙脫土進行改性同時進行吸附條件的優(yōu)化來吸附花生油中的AFB1,結(jié)果表明十八烷基三甲基氯化銨改性后的蒙脫土吸附效果最好,最優(yōu)吸附條件為:吸附溫度53.79 ℃、吸附劑添加量為3.13%、吸附時間為29.46 min,在此條件下脫除AFB1效率達到了84.69%。駱翼等[74]使用十八烷基三甲基氯化銨及雙十八烷基二甲基氯化銨對天然蒙脫土進行了有機改性處理,研究了其對ZEN的吸附作用,季銨鹽改性的蒙脫土層間結(jié)晶水明顯減少,結(jié)構(gòu)更為疏松,對ZEN的吸附效率更好,且隨著所用改性劑濃度的增加吸附效率逐漸提高。

Wang等[75]采用非離子表面活性劑辛基酚聚氧乙烯醚(OP-10)改性蒙脫土作為真菌毒素吸附劑。改性后在模擬胃腸道環(huán)境下對AFB1和ZEN的單一吸附能力分別從0.51 mg/g和不吸附增加到了2.78和8.54 mg/g。通過對吸附過程的研究,Langmuir模型可以最好地描述改性蒙脫土對AFB1的吸附,ZEN的吸附實驗結(jié)果與線性模型相吻合。作者指出,極性真菌毒素AFB1被可交換陽離子通過離子-偶極相互作用以及有機碳鏈通過疏水相互作用共同吸附,對弱極性真菌毒素ZEN的吸附為疏水相互作用,見圖2[75]。

圖2 有機蒙脫土對AFB1、ZEN的吸附機理Fig.2 Adsorption mechanism of organic montmorillonite on AFB1 and ZEN

2.3 其他吸附劑

其它的一些吸附劑,如硅藻土、凹凸棒石、石墨烯等對真菌毒素的吸附也有一定的效果。Sprynskyy等[77]在合成胃液和合成體液的環(huán)境下研究了硅藻土對ZEN的吸附能力,其吸附效率分別為53%和42%。梁曉維等[70]對凹凸棒石(ATP)在pH3、5、7時模擬胃腸道進行了吸附AFB1及ZEN的研究,在1 h吸附達到平衡,AFB1吸附率均>90%,但是解吸率很高,而對ZEN的吸附不足10%。因此并不適合在飼料中添加來進行解毒。Bai等[12]采用兩親分子二十二烷基二甲基溴化銨(DDAB)改性氧化石墨烯,研究了其在玉米油中對ZEN的吸附能力。在90 ℃時對ZEN的最大吸附量為23.75 mg/g,與其它碳質(zhì)吸附劑相比其效果最好。通過對吸附過程的研究,發(fā)現(xiàn)在較低的溫度(30 ℃)下,吸附過程與Freundlich模型相吻合,在較高溫度下(50和60 ℃)與Langmiur模型更加吻合,表明ZEN的吸附是發(fā)生在表面與夾層之間同時進行的多重吸附過程?？赡苁怯捎谧鳛殡娮邮荏w的ZEN分子的官能團與改性后吸附劑的表面基團在體系中通過π-π鍵結(jié)合和氫鍵作用形成電子供體,從而實現(xiàn)對ZEN良好的化學(xué)吸附。

值得注意的是近年來許多研究表明,石墨烯由于其獨特的晶體結(jié)構(gòu)和單原子層的高比表面積使得其對于污水的凈化,對重金屬、含苯環(huán)類的有機物、農(nóng)藥等有害物質(zhì)的吸附效果良好[78]。石墨烯作為一種極具潛力的吸附材料,更多的研究應(yīng)致力于研究其對真菌毒素的吸附,以期開發(fā)出更加優(yōu)異的真菌毒素吸附劑。

3 結(jié)論與展望

隨著對真菌毒素研究的不斷深入,為了降低真菌毒素的危害,諸多研究表明吸附劑具有廣闊的應(yīng)用前景。天然的吸附劑對于毒素的消減具有一定的效果,同時存在著吸附效果不理想、吸附選擇性較差的問題。從研究結(jié)果來看,其改性產(chǎn)品表現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能,同時改性劑的成本以及是否會產(chǎn)生二次污染等問題都需要進一步研究論證。目前,吸附劑消減真菌毒素在飼料以及模擬環(huán)境中的研究較多,在油脂方面的研究較少,且更多的是對脫色過程中吸附效果的觀察，卻很少有對其機理的研究,相信隨著對研究的不斷深入,對吸附機理深度挖掘能更加有針對地高效解毒。同時更多的研究應(yīng)充分考慮到實際應(yīng)用的環(huán)境及影響因素,在模擬實驗中探究對毒素及營養(yǎng)因子的影響,通過動物實驗對其安全性做出評價,為工業(yè)化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。