γ射线降解玉米粉中玉米赤霉烯酮的效果及降解动力学研究

赵　琳,张瑞英,兰　静,金海涛,任红波,孙向东

(黑龙江省农业科学院农产品质量安全研究所,黑龙江哈尔滨 150086;农业部农产品质量安全风险评估实验室(哈尔滨),黑龙江哈尔滨 150086)



赵琳,张瑞英*,兰静,金海涛,任红波,孙向东

(黑龙江省农业科学院农产品质量安全研究所,黑龙江哈尔滨 150086;农业部农产品质量安全风险评估实验室(哈尔滨),黑龙江哈尔滨 150086)

采用γ-射线降解玉米粉中玉米赤霉烯酮(ZEA),建立玉米粉中ZEA残留分析方法,研究辐射剂量、毒素起始浓度、水分含量等因素对ZEA降解率和降解动力学参数的影响,并分析辐射过程中玉米营养成分的变化。结果表明,随γ-射线辐射剂量增大,ZEA降解率显著增加(p<0.05),50 kGy时玉米粉中360～1950 μg/kg ZEA降解率为33.85%～43.28%;γ-射线对ZEA的降解作用符合一级反应动力学方程,起始毒素浓度对ZEA的降解率没有显著影响(p>0.05),低浓度玉米粉中ZEA的降解速率大于高浓度。玉米粉水分含量为9.41%～12.35%时对ZEA降解率和降解速率均没有显著影响(p>0.05)。50 kGy辐射剂量对玉米粉蛋白质、脂肪、淀粉含量没有显著影响(p>0.05),但赖氨酸含量降低8.11%。结论:γ-射线对ZEA具有降解作用,可采用一级反应动力学方程预测降解速率。

γ-射线,玉米赤霉烯酮,降解,动力学

玉米赤霉烯酮(Zearalenone,ZEA),又称F-2毒素,其化学名为6-(10羟基-6氧基-十一碳烯基)β-雷锁酸内酯,由禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum)、黄色镰刀菌(F.culmorum)、克地镰刀菌(F.crookwellense)等多种镰刀菌产生[1]。ZEA结构与哺乳动物体内雌激素结构类似,具有类似雌激素的毒性作用,主要作用于生殖系统可造成雌性动物乳房肿大、卵巢发育不全,胎儿可通过胎盘从母体吸收ZEA,从而损害幼体健康甚至造成流产[2]。玉米生产过程中极易感染ZEA,Li R等人[3]调查显示我国玉米中ZEA的污染浓度为10～440 μg/kg,最高值达到目前我国限量标准的7.3倍。玉米是我国最重要的粮食作物之一,在整个国民经济发展中占有非常重要的地位,玉米不仅可作为食品原料,还经常用来做酒精饮料和动物饲料,长期摄入ZEA污染的玉米及其制品,即使残留量非常低,也会对人和动物造成严重伤害。近年来很多学者研究表明即使在提高玉米田间管理,改进加工、干燥和储藏措施的情况下,每年仍有大量玉米受ZEA污染,因此,对已污染玉米进行安全有效的脱毒处理,对保证玉米的消费安全性,减少经济损失具有重要意义。

ZEA具有极好的热稳定性,常规食品加工处理方法难以将其完全去除,仍然可以通过加工制品进入人体危害健康[4]。γ-射线辐射技术是20世纪发展起来的一种食品处理技术,作为一种冷处理技术,具有许多传统灭菌法不可比拟的优点。近几年有学者采用该技术降解真菌毒素如脱氧雪腐镰刀菌烯醇(DON)[5]、赭曲霉毒素(OTA)[6]、黄曲霉毒素B1(AFB1)[7]、ZEA[8-9]等,结果均表明γ-射线对真菌毒素具有良好的降解效果,但目前关于γ-射线对ZEA的降解动力学研究还未见报道。掌握ZEA的降解动力学规律对指导辐射降解工艺的实际应用,提高ZEA处理效率有重要意义。

本研究采用不同辐射条件处理ZEA污染的玉米粉,以ZEA的降解率作为降解处理效果的评价指标。通过研究辐射处理对玉米中ZEA的降解效果及降解规律,建立相应的降解动力学模型,同时分析γ-射线对玉米营养成分的影响,为辐射降解ZEA技术的应用和完善提供理论和实践指导。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

ZEA 标准品山东青岛普瑞邦生物工程有限公司公司;甲酸、乙腈等色谱纯试剂北京迪马科技有限公司;分析纯乙腈、乙醚、氢氧化钠、氯化钠北京益利精细化学品有限公司。ZEA污染阳性玉米和玉米空白样品来源于黑龙江省红旗乡玉米田间,经实验室60目筛网旋风磨粉碎。

超高效液相色谱-串联质谱(配电喷雾离子源)UPLC-XEVO TQS美国Waters公司;MILLI-Q型纯水机美国Millipore公司;MS 3 basic型涡旋混匀器 德国IKA公司;N-EVAP 112型氮吹仪美国Organomation公司;2300型全自动凯式定氮仪瑞典FOSS公司;L-8900型氨基酸分析仪日本日立;3100型旋风磨瑞典FOSS公司;γ-射线辐射源:黑龙江省农业科学院玉米研究所。

1.2实验方法

1.2.1玉米粉的γ-射线辐射将ZEA污染程度较高的玉米样品,添加到空白玉米中,通过测定玉米样品中ZEA浓度分别为360、670、1950 g/kg。每份样品各取500 g,置于γ-射线中辐射,设定辐射剂量为1、5、10、30、50 kGy(辐照时间分别为1.53、7.65、15.35、46.06、76.76 h)。

利用方程ln(Ct/C0)=-kt(C0与Ct分别指辐射前后ZEA的浓度;t为辐射时间,h),作ln(Ct/C0)-t的关系图,并对曲线进行线性拟合,得到反应动力学方程、反应速率常数、半衰期和相关系数(R2)。

1.2.2玉米粉水分的调整参考Burger H-M等[10]人调整玉米中水分含量方法,用喷壶直接将计算好的无菌水喷洒到玉米中搅拌均匀,加水后的样品在4℃下保持3 d,保证水分充分吸收。玉米磨成粉后采用国标方法GB 5009.3-2010[11]测定最终水分含量,玉米粉的含水量分别为9.41%、11.84%和12.35%。

1.2.3超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)测定玉米中ZEA称取10 g玉米粉样品(精确至0.01 g)于250 mL烧杯中,加入50 mL 80%乙腈水溶液(v/v),均质器混匀2 min,静止3 min,取上清液5 mL,滤液采用弗罗里硅土净化柱进行净化。用3 mL 80%乙腈水溶液(v/v)预淋洗净化柱,滤液弃去,将5 mL上清注入净化柱中,用3 mL 80%(乙腈∶水)洗脱。将净化液于50℃水浴中氮吹至0.5 mL左右,以20%乙腈定容至2.5 mL,过0.22 μm尼龙滤膜,采用UPLC-MS/MS以空白基质配制标准溶液进行测定,以峰面积计算ZEA浓度。

色谱柱ACQUITY BEH C18柱(50 mm×2.1 mm,粒径1.7 μm),柱温30℃,流动相A:乙腈(色谱级),流动相B:0.1%甲酸水溶液(1 mL甲酸溶于1000 mL水中),流速0.3 mL/min,进样体积5 μL。电喷雾离子源(ESI+),多反应监测(MRM)模式采集,毛细管电压3.0 kV,去溶剂气流量1000 L/h,去溶剂气温度450℃。ZEA定量离子对185.0/319.20,锥孔电压20 V,碰撞能量23 V;定性离子对187.0/319.20,锥孔电压20 V,碰撞能量19 V。

1.2.4方法验证在空白玉米粉中添加3档浓度的ZEA标准溶液,添加浓度分别为10、50、100 μg/kg。每档重复5次,计算方法平均回收率和相对标准偏差。

1.2.5玉米营养成分测定采用农业行业标准NY/T 3-1982[12]测定蛋白质含量;采用农业行业标准NY/T 4-1982[13]测定脂肪含量;采用农业行业标准NY/T 11-1985[14]测定淀粉含量,采用国标方法GB/T5009.124-2003[15]测定氨基酸含量。

1.3统计分析

所有数据均为3次独立重复实验平均值,以平均值±标准偏差表示。SAS 9.2软件(美国SAS软件研究所)中的方差分析和Duncan多重比较(p<0.05)进行不同处理组的差异分析。

2　结果与分析

2.1ZEA检测方法的准确度

检测方法的准确度采用加标回收率来评价。在同一玉米空白样品中分别添加不同浓度的(10、50、100 μg/kg)ZEA,分析测定得到的ZEA平均回收率见表1。

由表1可知,在添加范围内,玉米粉中ZEA的加标回收率较高,均大于80%。加标回收率随ZEA含量的增加而增加。当添加量为100 μg/kg时,回收率达到95.0%。此外,三种不同添加量下的回收率相对标准偏差均小于3.5%,表明该方法具有较好的重复性。

表1　玉米中ZEA的加标回收率

表2　玉米赤霉烯酮在不同初始浓度下的降解动力学

2.2辐射剂量对玉米粉中ZEA的降解作用

不同辐射剂量下玉米粉中ZEA的降解率如图1所示。从图中可以看出,在所观察的辐射剂量范围内,相同条件下(含水量12.34%,ZEA含量670 μg/kg)低辐射剂量(10 kGy)对ZEA的降解率较低,但ZEA的降解率随辐射剂量的增加而显著增大(p<0.05),高辐射剂量30 kGy时ZEA降解率为31.34%,50 kGy时降解率能达到43.28%。Hooshmand[16]研究也发现当辐射剂量为10、20 kGy时,玉米中ZEA才刚开始发生降解。该结果与其他学者的研究结果差异较大:朱佳廷等[8]采用辐射技术降解玉米籽粒中浓度为30 μg/kg的ZEA时发现,在最大辐射剂量为10 kGy时,ZEA的降解率>86%。尹青岗[9]采用3 g(本研究为500 g)ZEA含量为274.233～1461.67 μg/kg的玉米粉在辐射剂量为8 kGy时,ZEA的降解率为33.74%～65.4%。推测玉米状态和辐射过程中样品量不同是造成结果存在较大差异的主要原因。我国国家标准GB/T18524-2001[17]和国际食品法典委员会(CAC)Codex Stan 106-1983[18]规定食品接受的最大辐射吸收剂量不高于10 kGy,因此可以采用γ-射线来控制饲料玉米中的ZEA含量。

图1　不同γ射线辐射剂量下ZEA的降解率Fig.1　Degradation ratio of ZEA at different gamma irradiation doses注:上标字母不同表示处理间存在显著性差异 (p<0.05)，表2、图3同。

2.3ZEA起始浓度对辐射降解率和降解动力学参数的影响

2.3.1ZEA起始浓度对辐射降解率的影响将ZEA起始浓度分别为360、670、1950 μg/kg 的玉米粉进行辐射处理,辐射剂量分别为10、30、50 kGy。辐射后玉米粉中ZEA降解率变化趋势如图2所示。从图2中可以看出,辐射剂量大于10 kGy时,不同初始浓度的ZEA其降解率随吸收剂量增加而增大,50 kGy时起始浓度分别为360、670、1950 μg/kg的样品中ZEA的最大降解率分别为36.10%、43.28%和33.85%。玉米粉中ZEA起始浓度为360～1950 μg/kg时对ZEA降解率影响不显著(p>0.05)。

图2　不同起始浓度下ZEA的降解率Fig.2　Degradation ratio of ZEA in corn at different initial contents

2.3.2ZEA含量对辐射降解动力学参数的影响辐射过程中3种初始浓度ZEA随辐射剂量变化得到的数据见表2。由表2可知不同ZEA初始浓度的玉米粉经辐射后,ZEA浓度变化与辐射时间之间的相关系数均大于0.85,ZEA浓度变化符合一级反应动力学方程。Jalili等[19]在辐射降解黑辣椒中OTA和AFB1时采用样品中毒素浓度、辐射剂量和毒素降解率,拟合成一阶多项式回归方程。王峰[7]采用CO60辐射降解AFB1时,将AFB1处理后浓度/起始浓度与辐射剂量进行数据拟合,认为Co60辐射降解AFB1为三阶多项式回归方程。不同种类的真菌毒素结构差异较大,对辐射的敏感程度不同导致降解回归模型的差异。当玉米粉中ZEA起始浓度分别为360、670、1950 μg/kg时ZEA降解速率分别为0.114、0.115、0.094 h-1,其中ZEA起始浓度为360、670 μg/kg的降解速率高于1950 μg/kg。表明在低浓度条件下,ZEA的反应速率差异不显著,当ZEA浓度增加时,其反应速率常数降低。因为吸收剂量一定时,水辐解产生的活性自由基大致不变,当ZEA浓度较低时,ZEA分子主要是与·OH直接发生氧化反应,而当ZEA浓度较高时,ZEA分子及其产物存在自由基竞争,而且也可能发生的自由基与自由基之间的重组,导致降解ZEA的反应速率常数变小[7]。

2.4水分含量对玉米粉中ZEA降解率和降解动力学参数的影响

2.4.1水分含量对玉米粉中ZEA降解率的影响图3所示的是γ射线辐射对不同含水量(水分含量分别为9.41%、11.84%和12.34%)的玉米粉中ZEA降解率的影响。从图中可以看出,在相同条件下(ZEA含量360 μg/kg),玉米粉中ZEA降解率随辐射剂量增加而增大,但相同辐射剂量下不同水分含量之间差异不显著(p>0.05)。尹青岗[9]等人研究发现玉米水分含量为10%～20%时对ZEA的降解率影响也不显著。已经有实验证明在水溶液中γ射线对ZEA的降解能力大于玉米粉中,表明水在辐射降解过程中具有非常重要的作用。但是在低水分含量下,水分含量对降解的增强作用不显著。

图3　不同水分含量下ZEA的降解率Fig.3　Degradation ratio of ZEA in corn at different moisture contents

2.4.2水分含量对辐射降解动力学参数的影响将辐射过程中3种水分含量的玉米粉中ZEA浓度变化和辐射时间,按照一级反应动力学方程进行线性拟合,得到反应动力学方程、反应速率常数、半衰期和相关系数(R2),见表3。

表3　不同水分含量下玉米赤霉烯酮的降解动力学

水分含量对玉米粉中ZEA降解速率的影响如表3所示,相同ZEA起始浓度时,3个水分含量玉米粉中ZEA降解速率常数分别为0.128、0.121、0.119 h-1,不同水分含量之间差异不显著(p>0.05)。

2.5γ-射线对玉米粉营养成分的影响

辐射剂量为0～50 kGy时,玉米粉中营养成分变化如表4所示,蛋白质含量为7.89%～8.12%,脂肪含量为3.05%～3.30%,淀粉含量为65.94%～67.02%,γ射线辐射对玉米粉中蛋白质、脂肪和淀粉含量无显著影响(p>0.05),这一现象与于勇[20]和杨静[21]等人报道的结果一致。

通过测定辐射过程中玉米粉中的18种氨基酸含量变化发现,随辐射剂量增加,玉米粉中谷氨酸和脯氨酸含量逐渐下降但差异不显著(p>0.05)。赖氨酸含量随辐射剂量增大而降低(p<0.05),结果如表4所示。辐射剂量为30 kGy时,赖氨酸含量降低8.11%,当辐射剂量为50 kGy时赖氨酸含量与30 kGy时差异不显著。其它15种氨基酸在实验辐射剂量下含量比较稳定(结果没有列出)。Azzeh F.S等[22]研究发现当辐射剂量大于5 kGy时杜伦麦及其粗面粉的赖氨酸含量显著下降,在10 kGy赖氨酸含量分别下降14%和5%。Khattak A B[23]研究发现辐射剂量为5 kGy时,小麦中赖氨酸、蛋氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、异亮氨酸含量明显降低,其中赖氨酸含量降低11%,变化趋势同本研究结果相同。

表4　不同辐射剂量下玉米粉营养成分含量

表5　不同辐射剂量下玉米粉氨基酸含量

注:上标字母不同表示处理间存在显著性差异(p<0.05)。

3　结论

γ射线辐射对玉米粉中ZEA具有降解作用,50 kGy时降解率能达到43.28%,玉米粉中起始ZEA浓度和水分含量对ZEA的降解率没有显著影响(p>0.05)。γ射线对ZEA的降解作用符合一级反应动力学方程,低浓度玉米粉的ZEA降解速率大于高浓度。玉米粉的水分含量对降解速率没有显著影响(p>0.05)。辐射剂量为50 kGy时,除赖氨酸外对玉米粉的其他营养成分没有影响。

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Study on the efficiency and kinetics of γ-ray irradiation degradation of zearalenone in corn

ZHAO Lin,ZHANG Rui-ying*,LAN Jing,JIN Hai-tao,REN Hong-bo,SUN Xiang-dong

(Agri-product Quality and Safety Institute,Heilongjiang Academy of Agriculture Sciences,Harbin 150086,China; Laboratory of Agro-product Quality and Safety Risk Assessment(Harbin),Harbin 150086,China)

The effects of radiation dose,zearalenone initial concentration,moisture content on the degradation rate and degradation rate constant of zearalenone(ZEA)in corn flour by γ-ray irradiation,the stability of corn nutrients at different radiation doses and establishment of ZEA residual method in maize flour were studied in this paper.The results indicated that the ZEA degradation rate was increased with elevated radiation dose.When corn flour was 360～1950 μg/kg and zearalenone degradation rate was 33.85%～43.28% at 50 kGy,γ-ray degradation of ZEA obeyed the first order kinetics,the degradation rate of ZEA was not significantly affected by the initial concentration of the toxin(p>0.05),but the degradation rate of the low initial concentration ZEA in maize flour was higher than that of high concentration.The degradation of ZEA were not significantly affected by the content of 9.41%～12.35% in the corn flour(p>0.05).50 kGy radiation dose had no significant effect on the corn flour protein,fat,starch content,but the lysine content was decreased by 8.11%.In conclusion,γ-ray had a degradation effect on ZEA,which can be used to predict the degradation rate of the first order reaction kinetics equation.

γ-ray irradiation;zearalenone;degradation;dynamics

2015-09-07

赵琳(1978-)，女，博士，副研究员，研究方向：农产品质量安全，E-mail:zhaolin78@126.com。

张瑞英(1963-)，女，硕士，研究员，研究方向：农产品质量安全，E-mail:zhruiying@163.com。

农业部重大专项粮油作物产品未知危害因子识别与已知危害因子安全性评估(2015GJFP00703)。

TS213.4

A

1002-0306(2016)07-0056-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.07.003