脫氧雪腐鐮刀菌烯醇合成及降解研究進(jìn)展

摘 要：脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（Deoxynivalenol，DON）是一種主要污染小麥等禾谷類作物的霉菌毒素，具有較強(qiáng)的毒性，可通過(guò)食物鏈的富集作用對(duì)人和動(dòng)物健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。本文詳細(xì)探討了DON的分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)以及生物合成過(guò)程，分析了DON合成的影響因素和降解方法，并針對(duì)不同產(chǎn)品的DON污染問(wèn)題提出相應(yīng)的解決策略，旨在為有效預(yù)防和控制糧食中的DON污染提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：脫氧雪腐鐮刀菌烯醇；真菌毒素；生物合成；降解

Research Progress on Biosynthesis and Degradation of Deoxynivalenol

ZHAO Li， ZHANG Hao*

（Product Quality Inspection and Testing Center of Luoyang， Luoyang 471000， China）

Abstract： Deoxynivalenol （DON） is a fungal toxin that mainly contaminates cereal crops such as wheat. It has strong toxicity and can pose a serious threat to human and animal health through its enrichment in the food chain. This article explores in detail the molecular structure， chemical properties， and biosynthesis process of DON， analyzes the influencing factors and degradation methods of DON synthesis， and proposes corresponding solutions for DON pollution in different products， aiming to provide theoretical support for effective prevention and control of DON pollution in food.

Keywords： deoxynivalenol; mycotoxin; biosynthesis; degradation

脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（Deoxynivalenol， DON）的主要產(chǎn)毒菌株是黃色鐮刀菌（F. culmorum）以及禾谷鐮刀菌（F. gramineaum）。20世紀(jì)70年代，日本學(xué)者在感染了赤霉病的大麥中發(fā)現(xiàn)了DON，并成功將其分離。DON化學(xué)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1[1]。

DON結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有很強(qiáng)的耐儲(chǔ)藏能力，研究發(fā)現(xiàn)受DON污染的谷物在儲(chǔ)存4年后仍保留有DON的毒性[2]。此外，DON毒素具有耐高溫特性，能夠耐受170～350 ℃的高溫，這使得它在面包等食品的常規(guī)加工過(guò)程中難以被消除，從而在食品中殘留量較高。同時(shí)，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)DON在鐮刀菌素中的污染率和污染水平最高，其對(duì)糧食產(chǎn)業(yè)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[3-4]。目前，DON的合成和降解機(jī)制是科研領(lǐng)域的熱點(diǎn)，本文對(duì)現(xiàn)有的DON降解方法進(jìn)行綜述，旨在為今后有效防治糧食和飼料中DON的研究提供理論支撐。

1 DON合成的影響因素

在禾谷鐮刀菌（F. gramineaum）的基因組中，有12～16個(gè)單端孢霉烯族毒素合酶基因參與了DON的生物合成酶促過(guò)程。其中，TRI5基因編碼的單端孢霉烯合酶是這一合成途徑的起始關(guān)鍵酶，其他相關(guān)基因圍繞TRI5合酶基因聚集，形成一個(gè)25 kb的基因簇（詳見(jiàn)圖2）。DON的生物合成涉及一個(gè)復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)，需要相應(yīng)的TRI基因編碼的酶來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)基因鑒定結(jié)合DON的化學(xué)結(jié)構(gòu)和基因的遺傳特性來(lái)分析單端孢霉烯族的生物合成過(guò)程，對(duì)于研究其生物降解機(jī)制和開(kāi)發(fā)控制策略具有重要意義。

1.1 溫度和濕度對(duì)DON合成的影響

在鐮刀菌類真菌產(chǎn)生DON的過(guò)程中，環(huán)境因素尤其是溫度和濕度對(duì)F. graminearum的感染和產(chǎn)毒量起著決定性的調(diào)控作用。研究發(fā)現(xiàn)F. graminearum在12 ℃時(shí)能繁殖并產(chǎn)生代謝毒素，而25 ℃為其最適生長(zhǎng)和產(chǎn)毒溫度，當(dāng)環(huán)境溫度高于37 ℃時(shí)，F(xiàn). graminearum會(huì)停止合成DON[5]。在田間作物生長(zhǎng)條件下，10～32 ℃被認(rèn)為是F. graminearum生長(zhǎng)和產(chǎn)毒的最適溫度[6]。此外，不同來(lái)源的F. graminearum受濕度的影響不同，菌體生長(zhǎng)的最適濕度在90.0%～99.5%[7]。

1.2 化學(xué)因素對(duì)DON合成的影響

化學(xué)因子對(duì)鐮刀菌類真菌的生長(zhǎng)以及產(chǎn)毒作用影響較大。例如，pH值、氮源、碳源、基質(zhì)緩沖劑、殺菌劑以及無(wú)機(jī)鹽離子、過(guò)氧化氫等，都可以通過(guò)真菌體內(nèi)的信號(hào)通路調(diào)節(jié)DON的合成。蔗糖是F. graminearum唯一能夠利用的碳源，因此在培養(yǎng)基中適量添加蔗糖可以促進(jìn)菌體產(chǎn)生更多的DON。GARDINER等[8]發(fā)現(xiàn)F. graminearum以胺類物質(zhì)作為氮源時(shí)，會(huì)誘導(dǎo)單端孢霉烯族毒素TRI合成基因的表達(dá)，硫酸胺會(huì)刺激DON的合成；而硝酸鹽類物質(zhì)則抑制DON的生物合成。此外，偏酸性的培養(yǎng)基質(zhì)有利于F. graminearum合成DON[9]；Mg2+能夠顯著抑制DON的生物合成[10]。這些化學(xué)因子的作用機(jī)制和調(diào)控效果對(duì)于控制和預(yù)防真菌毒素的產(chǎn)生具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1.3 生物大分子對(duì)DON合成的影響

DON的生物合成由一系列TRI基因編碼的生物酶有序催化完成。研究發(fā)現(xiàn)，核心基因簇TRI5區(qū)域包含了大部分主要的TRI基因，TRI5是DON合成的正調(diào)控因子，但在禾谷鐮刀菌內(nèi)存在與TRI5基因的靶RNA具有互補(bǔ)序列的反義RNA，可以抑制DON合成[11]。除了直接參與生物合成的酶，DON的合成過(guò)程還受到蛋白激酶和轉(zhuǎn)錄因子的間接調(diào)控。例如，生物體內(nèi)參與絲裂原活化蛋白激酶（Mitogen-Activated Protein Kinase，MAPK）信號(hào)途徑的3個(gè)激酶（FgOs4、FgOs5和FgOs2）的突變可以干擾TRI4和TRI6基因的轉(zhuǎn)錄，從而降低毒素產(chǎn)量；F. graminearum的轉(zhuǎn)錄輔助因子Swi6敲除突變體在精氨酸濃度為5.0 mmol·L-1時(shí)，未檢測(cè)到DON物質(zhì)的積累，而野生型菌株則可以檢測(cè)到DON的存在，這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證實(shí)了Swi6在DON的生物合成過(guò)程中發(fā)揮著重要的調(diào)控功能[12]。

2 DON毒素降解方法

2.1 DON物理降解方法

DON毒素的物理降解方法包括熱處理、研磨去殼、電子輻射和無(wú)機(jī)吸附等。這些物理降解方法操作簡(jiǎn)單，且成本相對(duì)較低，在生產(chǎn)加工中被廣泛應(yīng)用。

2.1.1 熱處理法

熱處理法在降解DON毒素時(shí)，溫度與降解效果呈正相關(guān)。不同溫度的熱處理對(duì)食物中DON含量的降低程度不同[13]。DON的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)較為穩(wěn)定，加熱120 ℃不能破壞其結(jié)構(gòu)，180 ℃時(shí)表現(xiàn)為中度穩(wěn)定，但當(dāng)溫度升至210 ℃并持續(xù)加熱30～40 min時(shí)，DON可以被完全降解。例如，在面包烤制過(guò)程中，面粉中的DON含量可下降24%～71%[14]。此外，炒、煎、烤和煨等熱處理方式均可使DON部分降解。

2.1.2 研磨去殼法

濕磨法可以使農(nóng)作物中的DON毒素溶解于浸液中，而不產(chǎn)生其他副產(chǎn)物，從而降低食物中DON含量。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)清洗或漂洗被污染的小麥，可使其DON含量降低5.5%～19%[15]。此外，水解酶作用下的鐮刀霉菌，能夠穿透種皮并深入細(xì)胞直至胚乳，導(dǎo)致作物外殼受到嚴(yán)重污染[16]。對(duì)于感染了鐮刀霉菌的大麥，去殼后的DON含量可減少30%，而去除35%的谷物組織后，DON含量可降低55%[17]。因此，對(duì)于帶殼谷物，去殼法在去除DON方面比研磨法更為有效。

2.1.3 電子輻射法

使用低能或高能電子束射線輻照含有DON的溶液可以顯著降低其濃度，不同濃度的DON在相同電子束射線劑量下，其降解效果存在差異。其中，高濃度DON在1～10 kGy輻照劑量下降解效果較好，而低濃度DON在10～20 kGy輻照劑量下降解效果更好[18]。國(guó)外在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用電子束輻照技術(shù)已有多年歷史，技術(shù)已經(jīng)十分成熟。相比之下，國(guó)內(nèi)電子束輻照技術(shù)仍處于起步階段，尚未完全成熟。

2.1.4 無(wú)機(jī)吸附法

無(wú)機(jī)吸附是一種常用的物理學(xué)方法，其中活性炭表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸附能力，如1 g活性炭可吸附高達(dá)35.1 μmol的DON。且經(jīng)過(guò)特定修飾處理后，吸附劑的吸附能力還可以得到顯著提升[19]。然而，無(wú)機(jī)吸附法并不能徹底清除DON，尤其是高濃度DON，需要結(jié)合高溫才能有效清除，但高溫同時(shí)也會(huì)破壞食品中的營(yíng)養(yǎng)成分。因此，在處理高濃度DON樣品時(shí)，需要權(quán)衡無(wú)機(jī)吸附可能造成的營(yíng)養(yǎng)流失、大量使用無(wú)機(jī)吸附劑所導(dǎo)致的能源消耗，以及可能引發(fā)的環(huán)境的二次污染問(wèn)題。

2.1.5 光催化法

通過(guò)使用TiO2、BiVO4等比表面積較大的納米光子晶體材料吸附目標(biāo)物質(zhì)，并在紫外光照射下進(jìn)行催化，可以高效地降解DON。光催化不僅是一種環(huán)境友好型的方法，而且對(duì)農(nóng)作物的營(yíng)養(yǎng)成分幾乎沒(méi)有影響。

2.2 DON化學(xué)降解方法

2.2.1 氧化法

DON的生物活性可以通過(guò)氧化作用發(fā)生變化。例如，在常溫下，NaClO能將DON降解為無(wú)毒的單一產(chǎn)物；在22 ℃下，2%的抗壞血酸處理小麥1 d能使小麥中DON含量減少50%。此外，利用化學(xué)試劑NaHSO4處理小麥制成的面粉時(shí)，1%的Na2S2O5飽和蒸汽處理15 min，可以使霉變小麥中的DON含量下降96%；DON在NaHSO3和Na2S2O5的作用下轉(zhuǎn)化為DON的磺酸鹽，其毒性弱于DON，但仍具有一定的毒害作用[20]。盡管化學(xué)試劑氧化法能使DON降解，但其降解產(chǎn)物仍具有毒性，且會(huì)增加處理成本，減少企業(yè)收益，因此在生產(chǎn)中不推薦使用這種方法。

2.2.2 糖基化法

參照植物的自然解毒機(jī)制，利用葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶將DON的C3位上的羥基糖基化，形成DON-葡萄糖苷（DON-3-glucoside），可以有效降低其毒性。MA等[21]通過(guò)農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法將UDP-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶基因片段導(dǎo)入擬南芥植株，成功提高了植株對(duì)DON的耐受性。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)270 μmol·L-1的DON和糖苷共同侵染細(xì)胞時(shí)，細(xì)胞未表現(xiàn)出任何毒性反應(yīng)，這表明糖基化法是降解DON的一種安全有效的方法。

2.2.3 臭氧氧化法

DON毒素結(jié)構(gòu)中的C9和C10位雙鍵在光催化作用下易與臭氧結(jié)合，被氧化為酸、醛、酮等小分子。該反應(yīng)受pH值的影響顯著。例如，pH值為4～6時(shí)，降解效果最佳；pH值為7～8時(shí)，降解效果依賴于DON分子C8位的氧化狀態(tài)；而當(dāng)pH值高于9時(shí)，DON幾乎不降解[10]。相較于干燥的臭氧氣體，液態(tài)臭氧對(duì)DON的降解效果更好。但臭氧降解方法存在處理過(guò)程復(fù)雜、廢氣收集困難等問(wèn)題，因此在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用較少[22]。

2.2.4 其他化學(xué)降解法

關(guān)于堿液處理法，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，pH值與DON的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性呈負(fù)相關(guān)。HUWIG等[19]通過(guò)使用NaHSO3處理DON發(fā)現(xiàn)，在特定條件下，DON可以轉(zhuǎn)化成磺酸鹽，而這種產(chǎn)物對(duì)豬無(wú)毒。此外，ClO2法是指二氧化氯水溶液在濃度為40 mg·L-1時(shí)，可明顯抑制食品中禾谷鐮刀菌的生長(zhǎng)，從而有效減少DON含量。

2.3 DON生物降解方法

生物降解方法能夠在溫和的條件下有效降解DON毒素，同時(shí)對(duì)食品及其原料的外觀和特性影響較小。目前，常用的DON生物降解技術(shù)包括微生物菌體吸附法和生物酶降解法。

2.3.1 微生物菌體吸附法

生產(chǎn)加工過(guò)程中，微生物菌體吸附是一種常用的去除產(chǎn)品中殘留DON毒素的方法。細(xì)菌細(xì)胞壁具有特殊結(jié)構(gòu)，通過(guò)非共價(jià)鍵的疏水作用能夠使DON吸附在細(xì)菌細(xì)胞壁表面的碳原子上，實(shí)現(xiàn)微生物菌體對(duì)DON的有效吸附[23]。例如，深紅類酵母（Rhodotorula rubra）、膠紅類酵母（Rhodotorula mucilaginosa）、發(fā)酵地霉酵母（Geotrzchum fermentans）和美極梅奇酵母（Metschnikowia pulcherima）對(duì)DON的吸附率在44%～84.6%[24]。研究還發(fā)現(xiàn)，嗜熱鏈球菌和腸球菌屬對(duì)DON的吸附效果顯著，其中嗜熱鏈球菌的吸附率達(dá)到33%。

2.3.2 生物酶降解法

生物酶降解主要是通過(guò)酶分子破壞DON分子結(jié)構(gòu)，降低其穩(wěn)定性，并將其轉(zhuǎn)化為低毒或無(wú)毒物質(zhì)。這種方法具有操作條件溫和以及高度專一性的特點(diǎn)，不會(huì)破壞產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)成分。研究發(fā)現(xiàn)，使用保加利亞乳桿菌和馬克思克魯維酵母發(fā)酵生產(chǎn)的木聚糖酶，可使酒糟中的DON降解率達(dá)到45%[25]。此外，兩種芽孢桿菌菌株（枯草芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌）也有清除DON的作用，其有效成分主要來(lái)自發(fā)酵過(guò)程中的上清液，推測(cè)是這兩種菌株的次生代謝產(chǎn)物，且在75 ℃以上時(shí)具有熱敏性[26]。相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)魚(yú)內(nèi)臟中的微生物能將真菌毒素轉(zhuǎn)化為毒性較小的化合物。然而，由于生物酶產(chǎn)量低、易變性、難以提取和應(yīng)用條件苛刻等因素，目前霉菌毒素解毒酶的應(yīng)用還不成熟。

3 結(jié)語(yǔ)

在生產(chǎn)過(guò)程中降解DON毒素時(shí)，需要綜合考慮原材料的特性、產(chǎn)品加工的要求，以及DON的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以選擇最合適的降解方法。電子輻射處理降解法在處理過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生劇烈的溫度和濕度變化，因此適用于大多數(shù)產(chǎn)品；當(dāng)原料中目標(biāo)產(chǎn)物含量較高，且加熱過(guò)程對(duì)原料性質(zhì)和微量元素造成的損失對(duì)最終喂養(yǎng)對(duì)象的影響不大時(shí)，可使用熱處理方法；無(wú)機(jī)吸附降解方法適合DON含量不高的原料；臭氧氧化降解對(duì)pH值的酸堿敏感性較高，在pH值為4～6的條件下降解DON的效果最佳；微生物菌體吸附雖然在DON的降解效果上不如物理化學(xué)降解方法顯著，但微生物菌體吸附專一性和溫和性使其適合于多種產(chǎn)品的添加；生物酶降解法適合于加工要求精細(xì)或需要提取微量元素的產(chǎn)品。

在工業(yè)生產(chǎn)中，降解DON毒素通常選用單一的方法。然而，結(jié)合物理、化學(xué)和生物3種方法的綜合使用，可能會(huì)顯著提高降解效果。因此，建議在未來(lái)的生產(chǎn)實(shí)踐中，針對(duì)不同產(chǎn)品對(duì)象的DON污染情況，選用多種方法的組合來(lái)降解DON。

除了上述提到的解決方案，還可以根據(jù)微生物菌體對(duì)DON的吸附原理，研究并確定菌體表面對(duì)DON吸附起作用的結(jié)構(gòu)。通過(guò)人工合成的方法，對(duì)菌體細(xì)胞壁中的有效成分進(jìn)行大量合成來(lái)提高吸附率，這可能成為降解DON的一種新方法。在生產(chǎn)應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體問(wèn)題具體分析，選擇最適合的降解方法，以便高效率地降解產(chǎn)品中的DON，同時(shí)保證降解過(guò)程的安全性。

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作者簡(jiǎn)介：趙莉（1983—），女，河南周口人，碩士，畜牧師。研究方向：畜產(chǎn)品、獸藥、飼料產(chǎn)品的檢驗(yàn)檢測(cè)。

通信作者：張昊（1996—），男，山西忻州人，本科，助理畜牧師。研究方向：獸藥飼料、畜產(chǎn)品檢測(cè)。E-mail： 2448576064@qq.com。