臭氧對食品中真菌毒素的降解效果及影響因素研究進(jìn)展

劉芳，李萌萌，卞科

(河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州，450001)

真菌毒素是產(chǎn)毒真菌在適宜的環(huán)境條件下產(chǎn)生的次級有毒代謝產(chǎn)物，是一種常見的天然真菌污染物，絕大部分具有毒性，多存在于谷物、果蔬、豆類、堅(jiān)果及其制品中，常見的真菌毒素包括黃曲霉毒素(aflatoxin，AF)、嘔吐毒素(deoxynivalenol，DON)、赭曲霉毒素(ochratoxin，OTA)、玉米赤霉烯酮(zearalenone，ZEA)和伏馬毒素(fumonisin，F(xiàn)UM)等，這些毒素不僅會給人和動物的健康帶來巨大威脅，而且會給食品加工業(yè)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

隨著消費(fèi)者對健康飲食和食品安全重視程度不斷升高，真菌毒素的降解研究日趨重要[2]。食品中真菌毒素的消減可分為預(yù)防和降解2個途徑，預(yù)防即在谷物收獲前進(jìn)行，通常使用殺真菌劑和生物防治劑來進(jìn)行殺菌，或者在谷物中植入外源性基因以增強(qiáng)谷物的抗逆性[3]。在預(yù)防過程中，可能會受到多種因素的影響，例如谷物的品種選擇、播種日期、培育技術(shù)以及貯藏方法等都會導(dǎo)致谷物中真菌毒素分布的差異[3]。真菌毒素的降解方法目前研究的主要有物理消減、化學(xué)降解和生物降解三大類，其中物理消減主要包括吸附、擠壓蒸煮、熱處理、輻照等方法；化學(xué)降解一般是使用化學(xué)劑脫毒，如碳酸鈉、石灰水、氯氣、氨氣以及臭氧等氣體或水溶液；生物降解可通過微生物代謝、發(fā)酵、添加酶制劑等方法來實(shí)現(xiàn)對真菌毒素的降解[4]。本文重點(diǎn)綜述了臭氧這一化學(xué)方法對食品中真菌毒素的降解研究，分析了影響臭氧降解真菌毒素的主要因素，以期為臭氧在真菌毒素降解中的應(yīng)用提供理論參考。

1 臭氧對食品中真菌毒素的降解研究進(jìn)展

臭氧具有極強(qiáng)的氧化性、高效殺菌性，它能破壞真菌毒素結(jié)構(gòu)中的雙鍵，用來滅活產(chǎn)毒真菌和降解真菌毒素，且使用后可自行分解為氧氣，無污染殘留，因此，臭氧是降解食品中真菌毒素的一種有效的化學(xué)手段[5]。目前，臭氧作為新的非熱殺菌技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)代臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧濃度高，能耗低，不產(chǎn)生金屬粉塵，這些優(yōu)點(diǎn)使得臭氧在降解毒素的應(yīng)用中日趨廣泛，世界衛(wèi)生組織、糧食與農(nóng)業(yè)組織、美國食品和藥物管理局認(rèn)為臭氧在食品工業(yè)中是一種安全有效的化學(xué)物質(zhì)[6]。

1.1 臭氧降解谷物中的真菌毒素

1.1.1 臭氧降解小麥中的真菌毒素

小麥中的DON是由鐮刀菌產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物，是小麥中檢出率最高、危害最嚴(yán)重的真菌毒素之一。DON可以與核糖體結(jié)合，抑制蛋白質(zhì)、RNA和DNA的合成，并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，當(dāng)人和動物攝入DON時，會產(chǎn)生嘔吐、腹瀉、厭食、惡心、神經(jīng)紊亂等中毒反應(yīng)[7]。臭氧氣體可使小麥中的鐮刀菌失活，同時降低小麥中DON的含量[8]。當(dāng)用臭氧處理DON污染的高中低3個濃度的天然小麥時，在處理質(zhì)量濃度為60 mg/L、處理時間為90 min的情況下，DON的降解率均能達(dá)到50% 左右，且臭氧對DON污染程度較低的小麥降解效果較好[9]。處理質(zhì)量濃度為8 mg/L的氣態(tài)臭氧，可在15 s內(nèi)顯著降解2 μg/mL DON水溶液，其降解率達(dá)到95.68%[10]；當(dāng)DON標(biāo)準(zhǔn)溶液暴露于14.50 mg/L的臭氧20 min后，未在標(biāo)液中檢測到DON[11]。由此可知，臭氧不僅可以降解DON標(biāo)準(zhǔn)液，也可以降解小麥中的DON，但臭氧對DON標(biāo)品的降解效果要顯著高于小麥，說明小麥組分對臭氧降解DON有一定影響。臭氧對DON的降解效果主要體現(xiàn)在：在降解過程中DON的毒性降低，這是因?yàn)镈ON結(jié)構(gòu)中的雙鍵被臭氧破壞，因此DON的活性會受到影響，故其產(chǎn)物的毒性相對較弱[12]。

經(jīng)臭氧處理后的面粉中的蛋白質(zhì)、淀粉、氨基酸含量、脂肪酸值、羰基和羧基含量保持不變，具有較低的延展性，但具有較高的韌性和白度[13]；使用臭氧處理過的小麥粉制成的面包產(chǎn)品更耐咀嚼，且彈性和硬度變大，使得面包具有更大的比容和更白的面包屑[14]；臭氧還可以用于延長冷凍面條的貨架期，抑制貯藏過程中微生物的生長[15]；在饅頭制作過程中，臭氧會降低小麥的α-淀粉酶活性，從而使面筋含量、彈性和硬度增加，使得饅頭具有較好的色澤、結(jié)構(gòu)和風(fēng)味[16]。由此可見，臭氧不僅能降低小麥粉中的真菌毒素的含量，而且能夠改善面制品的品質(zhì)。

1.1.2 臭氧降解玉米中的真菌毒素

玉米是我國重要的食品和飼料原料，在收獲、加工和貯藏過程中，可能會受到真菌毒素的污染，其中較為常見的污染物為OTA和AFB1。OTA會造成動物腎臟和肝臟的損害，有致畸和致癌的作用。AFB1具有強(qiáng)烈的“三致能力”，且對人和動物肝臟有嚴(yán)重的損害作用，可致急性肝炎、肝癌甚至死亡[17]。臭氧處理能有效降解80 μg/L OTA 標(biāo)準(zhǔn)品，并且臭氧處理濃度越大所需的處理時間越短，臭氧也能有效降解污染玉米中的OTA，采用60 mg/L臭氧處理10 h后，能將玉米中的OTA(80 μg/kg)降低到國家糧食衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(5 μg/kg)以下[18]。

1.1.3 臭氧降解稻谷中的真菌毒素

稻谷是我國南方主要的食物來源和儲備糧品種，而在南方夏收時高溫、高濕的氣候下，使得高水分稻谷往往因不能及時干燥處理而發(fā)生霉變，并產(chǎn)生以AF為主的真菌毒素[20]。有研究表明，經(jīng)質(zhì)量濃度為95 mg/L的臭氧處理25 min時，稻谷中的AFB1的降解率隨著其初始含量的增加，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，可將AFB1初始含量為68.42 μg/kg的稻谷降解到國家限量標(biāo)準(zhǔn)(10 μg/kg)，降解率最高可達(dá)88.1%[21]。臭氧對稻谷中AFB1的降解效果受到臭氧濃度、處理時間以及稻谷處理量等因素的影響，在一定范圍內(nèi)，AFB1的降解率與臭氧處理濃度和處理時間成正比，與稻谷量的大小成反比，原因可能是稻谷量增大，臭氧的穿透性減弱，導(dǎo)致毒素降解效果下降[22]。

臭氧處理還可以使稻谷水分含量下降，特別是高溫時下降幅度更大，微生物由于缺乏水分，生長繁殖受到抑制[23]?？偠灾粞跆幚砜梢杂行Ы到獾竟戎蠥FB1的含量，并且能夠明顯降低稻谷中微生物的含量以及細(xì)菌和霉菌總數(shù)，進(jìn)而提高稻谷的食用安全及品質(zhì)。

在控制疫病傳播上，產(chǎn)地檢疫和引種檢疫是非常重要的。對于引種的羊首先要進(jìn)行隔離飼養(yǎng)，切忌直接放入羊群，在引種羊免疫力達(dá)到要求后方可合養(yǎng)，同時可以適當(dāng)使用獸藥，從而更好的保障養(yǎng)殖安全。

1.2 臭氧降解果蔬中的真菌毒素

果蔬的含水量高，營養(yǎng)豐富，所以在貯藏和加工過程中極易遭受病原真菌的侵染而腐爛變質(zhì)，同時這些真菌在果蔬的腐爛部位及其周圍健康組織中也積累了大量真菌毒素。目前從新鮮果蔬及其產(chǎn)品中檢測到的真菌毒素種類主要有AF、DON、OTA、FUM、展青霉素(patulin，PAT)、鏈格孢霉素(altenuene, ALT)等[24]，其中PAT是引起梨、蘋果發(fā)生霉心病的主要病原菌。臭氧能夠降低蘋果汁中PAT的含量，其原因是臭氧攻擊了PAT中的羥基，使得PAT降解為2個分子物質(zhì)被破壞，因此通入臭氧氣體可以作為工業(yè)上消除PAT的有效手段[25]。臭氧還可以通過抑制柑橘和檸檬這2種水果中的青霉病菌分生孢子的萌發(fā)率，進(jìn)而抑制這2種水果中OTA的生成[26]。臭氧水可以抑制青菜、生菜、黃瓜、番茄這幾種蔬菜中真菌毒素的合成，并且臭氧水具有增強(qiáng)番茄的抗氧化活性和降解果蔬農(nóng)殘等作用[27]。

綜上可知，臭氧不但可以利用強(qiáng)氧化作用破壞果蔬中真菌毒素的結(jié)構(gòu)，起到降解毒素的效果，而且能夠?qū)咧械奈⑸锂a(chǎn)生抑制作用，在一定程度上抑制孢子萌發(fā)和菌絲生長，進(jìn)一步抑制了真菌毒素的產(chǎn)生和積累，從而確保果蔬的微生物安全和營養(yǎng)價值[28]。

1.3 臭氧降解干果中的真菌毒素

真菌毒素的發(fā)生不僅存在于谷物和果蔬這兩大食品中，在其他食品中也很常見，干果、調(diào)味品也是容易被真菌毒素污染的高危食品。有人對榛子和開心果中AF的降解進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，臭氧處理可以有效降解榛子和開心果中的AF，與其他AF相比，AFB1對臭氧更敏感，開心果在臭氧質(zhì)量濃度為9.0 mg/L的條件下處理7 h后，可使AFB1和總AF的含量分別降低23%和24%[29]。臭氧還可以顯著降解花生中AFB1的含量，且隨著處理時間的增加，降解效果越好，在臭氧質(zhì)量濃度為50 mg/L、流速為5 L/min的條件下處理40 h時，最高降解率可達(dá)到90.1%，經(jīng)臭氧處理后，AFB1的分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，毒性降低[30]。

1.4 臭氧降解調(diào)味品中的真菌毒素

在調(diào)味品方面，有研究用臭氧處理含水率為12.6%、AFB1含量為20 μg/kg的紅辣椒，以此來研究臭氧對紅辣椒中AF的降解效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)質(zhì)量濃度為66 mg/L的臭氧處理60 min后，紅辣椒中的AFB1含量顯著降低，且降解率超過80%，并且總體上沒有發(fā)現(xiàn)明顯的顏色和質(zhì)量變化[31]。臭氧還能對青花椒起到保鮮和殺菌作用[32]，對食用糖起到脫色作用[33]；臭氧在食品工業(yè)中的潛在應(yīng)用包括對食品包裝材料和食品接觸面的凈化，以及減少不良代謝物的存在，如異味或污染物[34]。由此可見，臭氧已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品安全和生產(chǎn)加工等領(lǐng)域。

2 影響臭氧對真菌毒素降解效果的因素

2.1 樣品的形態(tài)

有研究對臭氧處理后的小麥籽粒和全麥粉中DON的降解率進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，在相同條件下，全麥粉中DON的降解率高于籽粒，在臭氧質(zhì)量濃度為60 mg/L的條件下處理120 min，小麥籽粒降解率為17.1%，全麥粉為26.4%，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是由于全麥粉與臭氧的接觸面積更大，DON能更徹底地和臭氧發(fā)生反應(yīng)[35]。而在臭氧降解花生和花生粉中的AFB1時，花生籽粒的降解率高于花生粉，其原因可能是花生籽粒表面更易接觸到臭氧，而花生粉在處理過程中容易形成結(jié)塊，所以籽粒的降解效果較好[36]。同理，開心果果仁在9.0 mg/L的臭氧中暴露420 min后，可使其中的AFB1和黃曲霉毒素總量分別降低23%和24%，而在相同的條件下，開心果粉的AFB1和黃曲霉毒素總量只能降低5%[37]。這些研究表明，同一種樣品的不同形態(tài)下，臭氧對真菌毒素的降解效果存在差異。

2.2 水分含量

在臭氧處理DON的過程中，水分含量是影響樣品中DON降解效果的重要因素，它與DON的降解率呈正相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，潤麥后水分含量為16%的小麥籽粒經(jīng)過臭氧處理后，DON的降解率比同條件下臭氧處理原始水分含量為11.3%的小麥籽粒高17%左右，水分含量為20.10%的小麥粉的降解率高于水分含量分別為16.29%和11.79%的小麥粉[35]；臭氧在干燥狀態(tài)下半衰期為2.5 h，在潮濕狀態(tài)下為15 min，臭氧的干法(只有氣態(tài)臭氧)和濕法(通過水鼓泡產(chǎn)生的臭氧水)可以迅速分解小麥、玉米和水稻中的AFB1，在相同的處理?xiàng)l件下，濕法比干法更有效，原因可能是臭氧氣體與水發(fā)生了反應(yīng)。濕法雖然可以更有效的降低谷物中真菌毒素的含量，但是會增加糧食的水分含量，不利于后續(xù)的干燥與貯藏，因此氣態(tài)臭氧在食品中的應(yīng)用更為廣泛[38]。

2.3 樣品感染方式

糧食在生產(chǎn)過程中的感染方式可分為天然感染和人工感染，其中天然感染是糧食種子的自然感染，人工感染是在不含有真菌毒素的種子中接種特定的真菌毒素。有研究結(jié)果表明，臭氧處理人工感染種子中的真菌毒素的降解率高于天然感染的種子，其原因可能是人工感染種子中的真菌毒素僅存在于產(chǎn)品表面，毒素在產(chǎn)品中的分布不均勻，而自然污染種子中的毒素可能存在于整個產(chǎn)品中，包括子葉內(nèi)部[29]。

2.4 臭氧處理濃度和處理時間

有文獻(xiàn)研究了在不同臭氧濃度和不同處理時間下臭氧對紅辣椒中的AFB1的降解效果，發(fā)現(xiàn)在臭氧質(zhì)量濃度分別為16、33 mg/L的條件下處理60 min后，紅辣椒中AFB1的降低率分別為62.5% 和81.2%；將紅辣椒在臭氧質(zhì)量濃度為66 mg/L下分別處理30、60 min后，AFB1的降解率分別為87.5% 和93.7%[31]。由此可見，臭氧對真菌毒素的降解率隨著臭氧處理濃度和處理時間的增加而升高，且在合理范圍內(nèi)增加臭氧處理濃度和處理時間時，產(chǎn)品的品質(zhì)不會發(fā)生顯著改變。

2.5 溫度和pH

臭氧是一種不穩(wěn)定的氣體，溫度對于臭氧降解真菌毒素有一定的影響。有研究指出，隨著溫度(<50 ℃)的不斷升高，臭氧對花生中AFB1的降解率不斷提高，在溫度>50 ℃時，降解率開始下降[36]。所以在臭氧處理食品中真菌毒素時，溫度控制在室溫即可，這樣也可以減少升溫產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)成本。

在臭氧降解真菌毒素的過程中，臭氧發(fā)生氧化反應(yīng)時對pH值比較敏感，當(dāng)pH值為4～6時，小麥中的DON易被降解；在pH值為7～8時，臭氧降解率與C8位的氧化狀態(tài)相關(guān)，氧化狀態(tài)越低，毒素越容易被降解；當(dāng)pH值為9時，則很少或基本不發(fā)生臭氧對真菌毒素的降解[40]。由上述可知，在臭氧降解真菌毒素的過程中，只有找到合適的溫度和pH，才能使降解更加高效的進(jìn)行。

3 結(jié)論

臭氧作為一種強(qiáng)氧化劑，可降低食品中真菌毒素的含量，無論是在谷物還是在水果蔬菜中，它都對食品中真菌毒素的降解起著重要的作用。臭氧對不同食品中不同類型的真菌毒素降解效果均不同，且降解率隨著臭氧與樣品的接觸面積、樣品水分含量以及臭氧處理濃度和處理時間的增大而升高。所以在處理過程中應(yīng)盡量保證樣品與臭氧充分接觸，可采用適當(dāng)攪拌的方法來防止粉狀樣品的結(jié)塊；在選擇臭氧的處理?xiàng)l件時，可適當(dāng)提高臭氧的處理濃度和時間，同時也應(yīng)該考慮高濃度的臭氧對食品的風(fēng)味、品質(zhì)以及營養(yǎng)價值等方面帶來的負(fù)面影響。此外，臭氧的強(qiáng)氧化性可能會對人體健康造成威脅，因此在實(shí)驗(yàn)過程中要保證實(shí)驗(yàn)的安全性，應(yīng)盡量在寬敞通風(fēng)的環(huán)境中進(jìn)行臭氧降解實(shí)驗(yàn)。

盡管臭氧技術(shù)具有巨大的潛力，但該技術(shù)尚未在食品工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，低滲透、短半衰期、殘留氣味和安全問題是臭氧在商業(yè)規(guī)模上應(yīng)用的一些限制因素，因此需要更多的研究來解決這些問題，以期為工業(yè)提供安全、經(jīng)濟(jì)、有效的臭氧氧化技術(shù)。盡管臭氧氧化技術(shù)在應(yīng)用過程中存在種種挑戰(zhàn)，但它在農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)中的應(yīng)用前景良好，臭氧技術(shù)有潛力成為一種降解真菌毒素的新技術(shù)。