糧食中新興真菌毒素的污染現(xiàn)狀及毒理學(xué)研究進(jìn)展

汪 爽, 赫 丹, 韓 君, 徐劍宏,史建榮, 祭 芳, 劉 馨, Lee Yin-Won

(江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院1,鎮(zhèn)江 212013)

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與營養(yǎng)研究所;江蘇省食品質(zhì)量安全重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地;農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全控制技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)重點實驗室;農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險評估實驗室(南京)2,南京 210014)

(揚州大學(xué)園藝與植物保護(hù)學(xué)院3,揚州 225009)

(韓國首爾國立大學(xué)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)院4,首爾 08826)

真菌毒素是產(chǎn)毒真菌侵染作物時產(chǎn)生的低分子量次級代謝產(chǎn)物,可造成多種食品和飼料產(chǎn)品污染[1]。液相色譜與質(zhì)譜相結(jié)合的檢測方法可以監(jiān)測多種農(nóng)產(chǎn)品中真菌毒素發(fā)生。本實驗室長期監(jiān)測我國糧食作物中真菌毒素污染發(fā)生,監(jiān)測結(jié)果顯示,糧食作物中發(fā)生較為廣泛、污染程度較重的真菌毒素主要包括單端孢霉烯B族毒素、玉米赤霉烯酮、黃曲霉毒素和赭曲霉毒素等。小麥、玉米等糧食作物中脫氧雪腐鐮刀烯醇、玉米赤霉烯酮、伏馬毒素等污染嚴(yán)重[1]。近年來,隨著真菌毒素研究的發(fā)展和檢測技術(shù)的更新,一些新型真菌毒素不斷被發(fā)現(xiàn)并在全球范圍內(nèi)頻繁檢出。目前將這些在農(nóng)產(chǎn)品中污染較為普遍,尚未被列入常規(guī)風(fēng)險篩查和監(jiān)管、也尚無相關(guān)限量標(biāo)準(zhǔn)的真菌毒素種類,稱為新興毒素(Emerging toxins)[2]。新興毒素和隱蔽型毒素(Modified toxins)的區(qū)別主要在于,后者更偏向于定義那些與基質(zhì)結(jié)合或在寄主中、加工等過程中結(jié)構(gòu)發(fā)生修飾的毒素種類[3]。針對主要污染的毒素種類,國內(nèi)外已制定了限量標(biāo)準(zhǔn)[4]。糧食中新興毒素檢出率較高,污染分布也較為廣泛,主要包括由鐮刀菌(Fusariumspp.)產(chǎn)生的白僵菌素(Beauvericin, BEA)、恩鐮孢菌素(Enniatins, ENNs)、串珠鐮刀菌素(Moniliformin, MON)、鐮刀酸(Fusaric acid,FA)等,以及由鏈格孢屬(Alternariaspp.)產(chǎn)生的細(xì)交鏈孢菌酮酸(Tenuazonic acid, TeA)、鏈格孢酚(Alternariol, AOH)、交鏈孢酚甲基醚(Alternariol monomethyl ether, AME)、交鏈孢烯(Altenuene,ALT)等,見圖1。國內(nèi)外真菌毒素研究者應(yīng)用多種模型評估了多種新興毒素的毒理學(xué)效應(yīng)。文章綜述了糧食中新興毒素污染現(xiàn)狀和毒理學(xué)研究進(jìn)展,以期為真菌毒素污染風(fēng)險全面評估及防控技術(shù)研發(fā)提供參考。

圖1 糧食中主要新興真菌毒素的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

1 新興鐮刀菌毒素

1.1 白僵菌素(BEA)和恩鐮孢菌素(ENNs)

BEA和ENNs是由多種鐮刀菌侵染小麥、玉米作物后產(chǎn)生的環(huán)狀肽類化合物(圖1)。BEA因最早作為抗生素分離自白僵菌Beauveriabassiana而得名,主要由層出鐮刀菌F.proliferatum、亞黏團(tuán)鐮刀菌F.subglutinans、輪枝鐮刀菌F.verticillioides和尖孢鐮刀菌F.oxysporum產(chǎn)生。ENNs由燕麥鐮刀菌F.avenaceum、尖孢鐮刀菌F.oxysporum、梨孢鐮刀菌F.poae和三線鐮刀菌F.tricinctum等合成[5]。

1.1.1 BEA和ENNs在糧食中的污染現(xiàn)狀

BEA和ENNs污染在世界范圍內(nèi)廣泛分布,在糧食及其制品污染程度較重(表1)。歐洲對新興鐮刀菌毒素的檢測和報道相對較多,尤其在小麥、大麥、玉米及其制品中BEA和ENNs的污染較重,檢出率高,污染程度較重的樣品中,這幾種毒素含量為每千克高達(dá)數(shù)十毫克[6-13]。相比而言,非洲和亞洲國家糧食中BEA和ENNs的相關(guān)污染報道較少,污染總體水平也較低[14-16]。我國BEA和ENNs污染主要出現(xiàn)在玉米、小麥粉和稻谷樣品上,總體污染水平較低,但玉米樣品中BEA檢出率較高,可達(dá)1 mg/kg[17-20]。

表1 糧食中新興真菌毒素的污染情況

1.1.2 BEA和ENNs的毒理學(xué)研究

已有報道的BEA和ENNs的毒理學(xué)數(shù)據(jù)匯總在表2。BEA作為一種離子載體,其形成的陽離子選擇性孔洞破壞了離子生理濃度,影響細(xì)胞離子穩(wěn)態(tài)[21]。BEA暴露導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度增加,激活細(xì)胞色素C,導(dǎo)致半胱天冬酶3活性增強(qiáng),誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和壞死[22]。BEA刺激活性氧產(chǎn)生、破壞線粒體和鉀離子穩(wěn)態(tài)、誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化作用以及谷胱甘肽耗盡發(fā)揮細(xì)胞毒性[23]。BEA可誘導(dǎo)DNA損傷,造成細(xì)胞周期阻滯,BEA暴露導(dǎo)致染色體畸變,同源染色體交叉互換頻率增加和微核形成,引起細(xì)胞凋亡[24]。BEA還會導(dǎo)致卵丘細(xì)胞中孕酮合成減少,受精卵中ATP損耗,早期胚胎中線粒體活性降低和功能異常[25,26],影響豬卵細(xì)胞和早期胚胎發(fā)育,危害生殖系統(tǒng)。此外,BEA還有免疫毒性,通過干擾樹突狀細(xì)胞遷移,增加白細(xì)胞介素-10分泌,影響適應(yīng)性免疫反應(yīng)的啟動[27,28]。BEA在小鼠不同組織中分布情況不同,肝臟和脂肪組織中濃度最高[29],腹腔注射BEA并未對小鼠的體重、進(jìn)食量和行為產(chǎn)生影響[30]。飼喂含BEA的飼料對肉雞和火雞的血生化參數(shù)及肉質(zhì)無顯著影響,對肉雞和蛋雞生長、飼料攝入和產(chǎn)蛋量影響也不顯著[31]。ENNs的毒性作用機(jī)制與BEA相似[32,33],在不同細(xì)胞中,ENNs的毒性程度存在差異[24]。在Caco-2細(xì)胞中,ENNs暴露會引起DNA損傷,導(dǎo)致細(xì)胞周期停滯在G2/M期。毒代動力學(xué)研究發(fā)現(xiàn),ENNB1在豬體內(nèi)的絕對口服生物利用度較高,而在肉雞體內(nèi)吸收較差;相對豬而言,ENNB1在肉雞體內(nèi)的總清除率和分布體積都較高[34,35]。ENNs在不同物種間口服生物利用度和毒物代謝動力學(xué)參數(shù)差異可能與毒素在動物體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化效率有關(guān)。家禽和豬血漿中可檢測到ENNB和ENNB1的羥基化、羧基化或羰基化代謝產(chǎn)物。ENNs或BEA暴露會誘導(dǎo)ABC轉(zhuǎn)運蛋白編碼基因表達(dá)上調(diào),并誘導(dǎo)對化學(xué)藥物交叉耐藥性的產(chǎn)生[36]。此外,BEA和ENNs暴露破壞腸道屏障完整性,影響機(jī)體對外源性物質(zhì)的生物利用度,造成動物更易感病且生產(chǎn)性能降低。肉雞中ENNB、ENNB1和BEA主要殘留在肌肉、肝臟和皮膚中,而ENNA和ENNA1僅在雞肉中有微量檢出[37]。

表2 新興鐮刀菌毒素的產(chǎn)生菌及其毒理學(xué)數(shù)據(jù)

1.2 串珠鐮刀菌素(MON)

串珠鐮刀菌素(Moniliformin,MON)是一種小分子水溶性化合物(圖1),是一種酸性較強(qiáng)的有機(jī)酸,在自然界中通常以鈉鹽和鉀鹽的形式存在[2]。 MON主要由層出鐮刀菌F.proliferatum、亞黏團(tuán)鐮刀菌F.subglutinans、燕麥鐮刀菌F.avenaceum、藤倉鐮刀菌F.fujikuroi和三線鐮刀菌F.tricinctum等產(chǎn)生[38](表2)。

1.2.1 MON在糧食中的污染現(xiàn)狀

全球范圍內(nèi),小麥等谷物中MON檢出較為頻繁,飼料樣品中污染相對更重[39-41](表1)。歐洲國家小麥、玉米樣品中MON污染嚴(yán)重,意大利玉米樣品MON檢出率高達(dá)93.0%,最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)2 600.00 μg/kg[7-9],非洲國家萊索托玉米樣品中MON檢出率達(dá)100%,最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)1 200.00 μg/kg[15]。我國玉米主產(chǎn)區(qū)樣品中MON的檢出率也非常高,相比其他新興鐮刀菌毒素,MON的總體污染更重[17]。

1.2.2 MON的毒理學(xué)研究

MON通過抑制硫胺素焦磷酸依賴酶的活性、破壞三羧酸循環(huán)影響細(xì)胞能量供應(yīng),發(fā)揮毒性作用(表2)。MON影響丙酮酸和α-酮戊二酸氧化,抑制丙酮酸脫氫酶及其他以硫胺素為輔因子的多種酶活性[42]。體外研究表明,MON的細(xì)胞毒性具有細(xì)胞株特異性,體外半抑制質(zhì)量濃度為24～100 μg/mL[43]。MON對人白細(xì)胞和血小板細(xì)胞增殖無顯著影響,但對人體血紅細(xì)胞有毒性[44]。MON通過干擾單核細(xì)胞分化成樹突狀細(xì)胞和巨噬細(xì)胞影響免疫系統(tǒng),造成淋巴細(xì)胞裂解,并以劑量依賴性引起染色體畸變、同源染色單體交換增加[27]。MON具有較強(qiáng)的體內(nèi)毒性,主要靶器官是心臟,會造成急性心力衰竭[45-47]。停藥14 d后,處理組動物的中性粒細(xì)胞吞噬活性仍有所下降,表明MON對于免疫系統(tǒng)的抑制作用延續(xù)期較長[48]。此外,MON還具有植物毒性,引起玉米和小麥細(xì)胞壞死,影響生長調(diào)節(jié)和葉片卷曲等[49]。

1.3 鐮刀酸(FA)

鐮刀酸(Fusaric acid,FA)是β受體阻斷藥丁吡考胺的前體[50],主要由尖孢鐮刀菌F.oxysporum、串珠鐮刀菌F.moniliforme、層出鐮刀菌F.proliferatum、亞黏團(tuán)鐮刀菌F.subglutinans、輪枝鐮刀菌F.verticillioides和藤倉鐮刀菌F.fujikuroi等產(chǎn)生[51](表2)。

1.3.1 FA在糧食中的污染現(xiàn)狀

糧食中FA的污染報道較少(表1),但總體污染水平相對較重。加拿大和美國的干玉米、小麥及大麥樣品中的檢出率均超80.0%,每千克樣品中最高可檢出數(shù)十毫克FA,谷物為原料的豬飼料和高水分玉米樣品FA檢出濃度更高[52,53]。

1.3.2 FA的毒理學(xué)研究

FA的毒性主要包括細(xì)胞毒性和致畸性(表2)[54]。FA暴露對不同細(xì)胞系和癌細(xì)胞系均具有細(xì)胞毒性和生長抑制作用,FA(500 μmol/L)抑制WI-38成纖維細(xì)胞和大腸癌細(xì)胞增殖。在人肝癌細(xì)胞系(Hep-G2)中,FA可誘導(dǎo)氧化和線粒體應(yīng)激反應(yīng),造成細(xì)胞凋亡及壞死[55,56]。FA暴露改變大鼠大腦和松果體神經(jīng)遞質(zhì)[53],具有神經(jīng)化學(xué)作用。通過銅螯合作用,FA可使脊索畸形,對斑馬魚具有致畸作用[57]。FA在病原菌侵染初期作為先導(dǎo)分子干擾線粒體功能,誘導(dǎo)植物細(xì)胞死亡[58]。

2 新興鏈格孢毒素

鏈格孢毒素污染多種農(nóng)作物,最常檢出的種類包括鏈格孢酚(Alternariol, AOH)、鏈孢酚甲基醚(Alternariol monomethyl ether, AME)、細(xì)交鏈孢菌酮酸(Tenuazonic acid, TeA)、交鏈孢烯(Altenuene, ALT)、交鏈孢毒素(Altertoxins, ATXs)(圖1)。A.alternata和A.arborescens可產(chǎn)生TeA、ALT、AOH和AME[59]。A.bertholletius、A.caelatus、A.nominus、A.pseudonominus、A.arachidicola和A.bombycis也會產(chǎn)生TeA[4]。

2.1 鏈格孢毒素在糧食中的污染現(xiàn)狀

鏈格孢毒素廣泛污染糧食、水果和蔬菜等農(nóng)作物,存在多種鏈格孢毒素復(fù)合污染的現(xiàn)象,歐洲國家污染報道較多(表1),主要污染類型包括AME、TeA、TEN、AOH及ALT等。小麥、玉米及其制品主要受AOH、AME及TeA的鏈格孢毒素污染[60-67], 我國小麥樣品也有TEN(Tentoxin)污染的相關(guān)報道[17]。

2.2 鏈格孢毒素的毒理學(xué)研究

鏈格孢毒素的毒性主要表現(xiàn)為細(xì)胞毒性、遺傳毒性和致癌致突變性(表3)。AOH的細(xì)胞毒素表現(xiàn)在通過線粒體途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[68,69],引起細(xì)胞內(nèi)活性氧水平升高,與DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶互作造成DNA斷裂,細(xì)胞周期停滯在G2/M期,細(xì)胞增殖減少。AME具有誘變性,可造成DNA斷裂和細(xì)胞周期停滯。醌類化合物ATX-Ⅱ 和ATX-Ⅲ 比AOH具有更強(qiáng)的誘變性[70,71]。此外,AOH通過干擾巨噬細(xì)胞分化和減少TNF-α分泌,在THP-1單核細(xì)胞中發(fā)揮免疫毒性作用[70,72]。AOH、AME和ALT與雌二醇結(jié)構(gòu)相似,AOH處理引起類雌激素反應(yīng)并干擾類固醇生物合成,通過雌激素作用增加孕酮和雌二醇含量,誘導(dǎo)孕酮受體表達(dá)水平增加。在豬顆粒細(xì)胞中,AOH和AME調(diào)控孕酮分泌和細(xì)胞活力[73]。AME腹腔注射處理敘利亞金倉鼠會導(dǎo)致母體和胎兒毒性,但不會導(dǎo)致畸形,AOH、AME和ALT暴露會導(dǎo)致依賴劑量的致畸現(xiàn)象[74]。ALT可引起NIH/3T3細(xì)胞基因損傷,導(dǎo)致DNApolβ表達(dá)上調(diào)[75]。TeA通過抑制核糖體蛋白質(zhì)合成發(fā)揮毒性作用[76],會引起動物嘔吐、心跳過速和出血性胃腸病。

表3 鏈格孢毒素的產(chǎn)生菌及其毒理學(xué)數(shù)據(jù)

3 總結(jié)與展望

針對糧食中的主要真菌毒素污染,通過風(fēng)險評估、污染監(jiān)測和較為系統(tǒng)的毒理學(xué)研究,目前國內(nèi)外制定了限量標(biāo)準(zhǔn),相應(yīng)的防控技術(shù)也得以研發(fā)與應(yīng)用。新興真菌毒素的發(fā)生風(fēng)險、污染動態(tài)和毒理學(xué)研究尚缺乏系統(tǒng)研究,目前尚未被列入常規(guī)風(fēng)險監(jiān)測。國內(nèi)外圍繞新興毒素污染及其毒理學(xué)已開展了相關(guān)研究,文章綜述分析糧食中主要新興真菌毒素的污染類型、發(fā)生分布和毒理學(xué)相關(guān)研究進(jìn)展。目前新興鐮刀菌毒素和鏈格孢毒素是糧食中主要的污染類型,污染分布廣泛,其中,ENNs、BEA、FA、MON和TeA等在小麥、玉米、稻谷等主糧作物及飼料中污染嚴(yán)重,且存在多種新興毒素與常見毒素復(fù)合污染的態(tài)勢。毒理學(xué)研究表明, ENNA、ENNA1、ENNB1、BEA、MON、AOH、AME等具有遺傳毒性,AOH、BEA和ENNB具有生殖毒性。建議將糧食中污染較為嚴(yán)重、毒性較強(qiáng)的新興毒素納入常規(guī)監(jiān)測和風(fēng)險評估體系,并圍繞其產(chǎn)毒菌群遺傳、毒素生物合成途徑、產(chǎn)毒調(diào)控機(jī)制、污染風(fēng)險形成機(jī)制和多毒素毒理效應(yīng)等開展深入系統(tǒng)研究,結(jié)合污染數(shù)據(jù)和毒理學(xué)數(shù)據(jù)以及風(fēng)險評估結(jié)果,提出標(biāo)準(zhǔn)制定建議,將為糧食中真菌毒素的全面風(fēng)險評估和管控技術(shù)的研發(fā)提供參考。