粮食中呕吐毒素的物理消减方法研究进展

尚加英 郑学玲 赵 波 卞 科 李利民

(河南工业大学粮油食品学院1，郑州 450052) (中国农业科学院农产品加工研究所2，北京 100089)

呕吐毒素，又称脱氧雪腐镰刀菌烯醇(Deoxynivalenol，DON)，化学名为3α,7α,15-三羟基草镰孢菌-9-烯-8-酮，属单端孢霉烯族化合物，是某些镰刀菌的次级代谢产物。由于它可以引起猪的呕吐而得名，对人体有一定危害作用，欧盟分类标准为三级致癌物。DON常出现在玉米(穗腐病)小麦和大麦(赤霉病)上。这类毒素化学性质非常稳定，在加工、储存及烹调过程中不容易被破坏，因此，会对人类健康造成很大威胁。在全球范围内，粮食中的DON严重威胁着人类和动物的健康，因此，人们越来越关注因DON导致的食品安全问题。

粮食中的DON从作物生长期间就已开始积累，因此，在随后的收获、储藏阶段对呕吐毒素的控制主要体现在毒素的降解和预防管理方面。目前粮食中DON的降解方法主要有物理方法、化学方法和生物方法等。其中物理方法主要有谷物加工法、吸附剂吸附法、射线辐照法和热处理法等。相对于化学方法和生物方法，物理方法的成本低，处理过程中会产生新的有害物质且不会引入新的污染物，因此，有助于减少粮食和饲料中的DON。主要从谷物加工过程、吸附剂吸附、射线辐照以及热处理等几种物理消减方法进行综述，以期为下一步开发更加简便、高效的脱毒方法提供参考。

1 粮食中DON的发生原因和危害

1.1 DON产生原因

DON主要是由禾谷镰刀菌侵染谷物后所产生的一种具有生物活性的次生级代谢物，是谷物及其加工产品中广泛存在的一种真菌毒素，主要侵染小麦、大麦、燕麦、黑麦和玉米等谷物，在大米和高粱中也有少量发现。DON的侵染、产生和积累主要与作物的生长种植环境如温度、湿度、通风和日照等因素密切相关[1]。我国粮食受DON污染较为普遍，其中华南、华中和华北地区的污染程度比较严重。另外，谷物中DON的含量还与镰刀菌的敏感性和杀菌剂的使用等有关。DON可以通过空气或土壤传播，因此，在世界各地尤其是靠近赤道的高温高湿地区均有普遍发生。

粮食中DON的生长和毒素产生阶段主要发生在作物生长或储藏过程中，食物链中DON的产生、控制点及传递流程见图1。禾谷镰刀菌生长的最适宜温度为25 ℃，最适宜湿度为0.88，因此，在田间寒冷和潮湿的环境中，或者由于运输或存放过程中谷物的水分含量过高，可能会导致收获前和储藏期间DON的产生。DON对高温和碾磨制粉工艺具有很高的抵抗力，因此，它的强侵染性和稳定性使其很容易进入食物链。根据DON发生的主要原因，可以通过几个重要控制点减少真菌对谷物的侵染以及呕吐毒素的产生，如选择和培育具有常规育种或生物技术的抗病品种、良好农业操作规范(Good Agricultural Practices GAP)、栽培期间的化学和生物控制以及在贮藏期间适当的管理等。

图1 食物链中DON的产生及传递流程图

1.2 DON的危害性及限量规定

DON经食物链进入人体和动物体内后会引起呕吐、腹泻和反应迟钝等中毒症状，严重时甚至可能损害造血系统而导致死亡。研究发现，DON可能与人类食管癌、IgA肾病有关[2]。在动物实验中，DON可引起呕吐、拒食和致畸性[3]。尽管国际癌症研究机构(IARC)对人类致癌性的评估将DON归入第3组(未归类为对人类的致癌性)，但由于其毒性作用，已在人类中观察到伴有呕吐的胃肠炎以及其他潜在慢性疾病的发生[4]。DON在动物和人的淋巴细胞中也具有免疫抑制作用，有明显胚胎毒性和一定致畸作用，可能有遗传毒性，但无致癌、致突变作用[5,6]。

由于DON的毒性和广泛性，近年来受到人们的广泛关注。目前，全世界有 37个国家针对食品或谷物中的DON已有相关限量标准。我国国标中规定了谷物及谷物制品中(包括玉米、玉米面、大麦、小麦、麦片和小麦粉) DON 的限量标准为1 000 μg/kg；美国FDA(食品药品管理局)规定食用小麦最终产品中的DON的安全标准是1 000 μg/kg，而欧盟制定的谷物粉及玉米粉中DON限量标准为最大限量为750 μg/kg。

2 粮食中呕吐毒素的污染现状

DON对粮食作物的污染较普遍，平均发病率为59%，从亚洲的50%到非洲的76%，但在欧洲和亚洲的发病率往往较高[1]。DON污染谷物是造成我国居民胃癌和食道癌等恶性肿瘤的高发区的主要原因之一。在世界范围内，DON对小麦和小麦加工产品的污染程度相对较高，我国检测到小麦中DON的最高浓度为41.157 μg/ kg。对我国27个省份的玉米和小麦样品的检测结果表明，玉米样品中阳性率 85.7%，DON最大检出值12.448 mg/kg，平均值1.491 mg/kg；小麦样品中阳性率 92.9%，DON 最大检出值10.481 mg/kg，平均值 1.288 mg/kg[7]。2010—2015年连续调查了江苏省小麦的毒素污染水平，发现DON检出率最高，常年检出率在50%～100%之间[8]。Ghareeb等[9]研究表明，小麦储藏多年后其籽粒中 DON 的毒性仍然很强。

由于DON主要积累并位于谷物的麸皮部分附近，因此在碾磨过程中进行分馏后，面粉中的DON含量往往会降低。通常，收获的谷物会在面粉加工过程中转化为面粉和其他馏分(胚芽和麸皮馏分)或进一步进行食品加工供人类食用。DON对加工谷物产品的污染水平明显低于未加工谷物中的污染水平，这表明在收获后的处理和加工过程中可以控制和/或减少DON的含量。但是，谷物加工食品的全球平均发病率为56%，这表明DON与其他霉菌毒素一样，一旦进入食物链就可能无法完全清除。

3 粮食中呕吐毒素的物理消减方法

目前国内外降解粮食中DON 成分的要方法主有物理脱毒法、化学脱毒法和生物脱毒法等。脱毒是通过物理、化学或生物手段去除(分离)或灭活(降解)原料或产品中存在的毒素。一个成功的脱毒方法应该是经济的、简单的、快速的，不应该对任何动物造成任何健康危害或破坏物质的原有的营养成分。

物理消减方法是相对传统的一种方法，但也是目前应用广泛且被极力推崇的一种方法，尤其是谷物加工过程中漂洗碾磨降解法，与化学和热处理法相比，这种方法处理过程中没有新物质产生且有助于减少粮食和饲料中现有的真菌和呕吐毒素。现有的物理消减方法包括：谷物加工法、吸附剂吸附、射线辐照和热处理等方法。其中清洗、筛选、色选、研磨、煮沸、焙烧、辐照、挤压、微波加热和一些烹饪方法等是已被报道的降解DON的常用物理方法。物理消减方法降解粮食及其后续制品中的DON的研究见表1。

表1 物理消减法脱除粮食中DON的研究效果

3.1 谷物加工法

谷物加工是降解粮食及其加工制品中DON的物理消减方法之一。谷物产品如小麦粉、玉米粉等所含的呕吐毒素主要是在原料小麦或玉米的生长与储存中产生的，在生产加工成面粉或玉米粉的过程中不能够完全去除。因而加工后的产品中含有大量的呕吐毒素，需要通过一定的方法进行有效的消减。主要从两方面着手：一方面，需要针对源头进行消除；另一方面，需要针对已经加工的产品本身或在后续深加工制作中进行消减。

3.1.1 谷物清理

谷物清理的目的是清除混入谷物中的各种杂质，其中包括干瘪粒、病变粒及易碎的赤霉病粒等。常用的谷物清理方法包括去杂去石、风选、色选、比重分选、漂洗、浸泡。分选(主要包括色差分选和比重分选)是根据物料色泽、比重、内部结构等不同，通过改变仪器参数将染病物料从正常物料中分选出来，它不仅可以使谷物入库过程中经过比重复式清选机达到入仓标准，还是谷物加工过程中除去杂质和污染物的关键程序。其中色选是小麦加工中有效控制DON的重要环节，通过色选机能够把病变的受污染的小麦剔除，从而有效控制小麦中DON含量。筛理和色选处理均能在一定程度上降低玉米呕吐毒素含量，其含量平降幅分别为16.20%和25.15%[24]。由于受污染粮食颗粒的密度特性，将颗粒浸入水中并丢弃漂浮部分通常可以去除一定量的呕吐毒素，并且这种漂浮技术连同相关设备可以消除高达76.7%的呕吐毒素[25]。Abbas等[26]认为通过清洗，可以将被污染的小麦和大麦中DON降低5.5%～19.0%。

谷物清理不仅是谷物加工前的一道重要工序，而且也是粮食入库前必不可少的一项工作。通过高效率的去杂和分选，可以使粮食中的杂质、霉变粒、干瘪粒等大部分去除，以减少后续加工产品中的污染物，确保粮食长时间储存的安全系数。

3.1.2 谷物碾磨

谷物碾磨是将谷物研磨、物料分级的过程，该过程中的碱性溶液润麦、分层碾磨和制粉等，可使最终小麦粉产品中的DON含量比原料小麦中有明显降低。有关研究表明，谷物中呕吐毒素主要长存在于粮食籽粒表面，集中于靠近籽粒皮层的部分，从外到里呈递减分布[27]。因此，碾磨可以去除大量的呕吐毒素。从小麦到小麦粉，可能会去除79%～90%的DON和23%～39%的DON-3-G[28]。通过剥皮制粉可以去除霉变小麦中 的DON，霉变小麦经碾米机碾去 6%和11%的外皮后，再磨成粉，DON 减少了 53.3%和 88.9%，其去毒效果优于普通小麦制粉工艺[29]。王华等[30]研究了制粉对小麦中DON的迁移作用，结果表明，小麦中的DON主要分布在皮层，小麦粉中DON含量明显低于全麦粉，筛理对于降低小麦粉中毒素的作用较明显，水洗对于降低麸皮中DON含量的作用较明显，因此，在一定含量范围内DON超标的小麦经过制粉而得到达标小麦粉是可行的。

研磨过程是将谷物皮层和内部物质分离分级的一道工序，其结果是将谷物中的DON重新分配到不同的研磨分级组分中，虽然最终产品中的DON浓度会明显降低，但麸皮及其他副产物中的DON仍然不能从根本上去除，而这些副产物通常用于动物饲料产品，因此，DON的危害仍然存在，应检测这些副产物中的DON含量。

3.1.3 面制品加工

研究表明，通过高温蒸煮、面包烘焙、煎炸或者使用碱水和面都能不同程度降低面制品中DON的含量。有研究结果表明热加工过程会使DON 的含量降低[31-32]，并且毒素降低的水平与加工所用的基质、加工时间、加工温度、面包体积及毒素是自然发生还是人为污染有关。Vidal等[32]研究了DON、和DON-3G在热加工过程中的热稳定性，结果表明，160、180、200 ℃的焙烤温度使DON 的浓度显著降低(P<0.05)，在一定温度下，加热 40 min 后 DON 的降低 比例为 29%(140 ℃)～81%(200 ℃)。在超过169 ℃的油浴中煎炸可使小麦粉中DON毒素含量降低 21%～28%[33]。Zhang等[34]指出馒头加工过程的和面与蒸制环节能使DON含量增加约1倍，而DON-3G的含量降低了约50%，并指出可能是由于一些隐蔽型毒素在加工过程中可能转化成 DON。在面条煮制过程，DON部分地由面条中转移到面汤中，所发生转移的DON含量与面条蒸制时间呈现正相关性[32]。有研究指出加碱(碳酸钠添加量为1.0%)面条的干燥及煮制过程均对毒素 DON 具有较好的去除效果，其归因于热处理与碱的作用使毒素发生降解[35]。

3.2 吸附剂吸附法

3.3 射线辐照法

辐照技术能高效消除感染谷物的微生物和其他潜在的病原体。辐照可以与分子发生反应，诱导一系列物理、化学和生物反应，被认为是一种很有前途的呕吐毒素脱毒方法。目前常用的射线辐照包括紫外线、Co-60γ射线、电子束等。辐照剂量和时间直接影响辐照的脱毒效果。DON对紫外线敏感，高剂量紫外线更能促进DON的减少，照射剂量越大，DON的减少也越明显。Yu 等[39]采用1 200 μW/cm2紫外线(UV)和12.00%的水分处理DON污染的小麦粉1 h后，DON降解率可达40.32%。Herzallah等[40]的研究表明，与微波和暴晒相比，γ-射线辐照对降低鸡饲料中的真菌毒素效率要高得多，而且增加每次处理的暴露时间显示出更好的脱毒效果。Kottapalli等[41]利用电子束放射对受镰刀菌侵染的大麦籽粒进行处理后明显降低了DON的含量。辐射的水解作用更容易在水溶液条件下发生，水解后自由基似乎使毒素有所减少。O’Neill等[42]观察到，干玉米籽粒中的DON及其衍生物3-A-DON即使在50 kGy(Gy是吸收辐射的SI单位)的γ-辐照下也显示出很高的稳定性，而在水溶液中5 kGy足以使这些毒素急剧减少。李萌萌等[43]指出Co-60γ 射线辐照对 DON 降解效果显著，剂量为 10 kGy 时即可使 0.5 μg/mL DON 溶液的降解率达到90%以上。冯敏等[44]研究结果表明，辐照可使散装大米中 DON的降解率接近90%。李克等[45]研究表明，剂量为0 kGy的电子束辐照玉米可使1 μg/mL DON 降解率可达 89.31%。辐照技术成本高，同时还可能会引起作物样品负面的营养变化，这些缺点可能会限制其推广。

3.4 热处理

热处理对 DON 的降解作用则主要是依靠高温对 DON 分子结构的破坏。目前常用的热处理方式包括：干热处理、过热蒸汽处理、挤压处理等。

干热处理在饲料生产中得到了广泛的应用，通过使沙门氏菌等微生物失活或改变谷粒的理化性质来提高饲料质量。此外，谷类和豆科植物中的抗营养因子种子可以通过热处理显著失活。Yumbe-Guevara 等[46]研究结果表明，在一定条件下DON的脱毒效果与温度和加工时间呈正比。也有研究表明，碱性条件能促进 DON 的热降解，在碱性(pH 值为 9)条件下温度为121 ℃加热 60 min 后DON 浓度降低[47]。

过热蒸汽具有安全性高、热效率高、无污染等优点，可以作为小麦加工中降解DON 的有效方法。Pronyk 等[48]采用过热蒸汽经过185 ℃处理6 min可使小麦中呕吐毒素DON毒素含量降低52%。过热蒸汽处理可以有效降解赤霉病小麦中的DON，在蒸汽温度、处理时间和蒸汽流速一定的条件下，DON的降解率最高可达79.8%[49]。

挤压处理是在短时间内将高速剪切和过热蒸气结合在一起作用于物料的过程。挤压膨化是降低DON的效果明显的方法，其可以降低小麦籽粒中DON的浓度，降低率取决于水分、压缩、温度、pH值等物理化学参数。挤压膨化处理过的样品会发生若干物理和化学转变，包括淀粉糊化、蛋白质变性和微生物数量减少，挤压蒸煮降解DON的效果取决于挤出机的类型、螺杆的类型、模具结构、初始霉菌毒素浓度、筒体温度、螺杆速度、原料的水分含量和添加剂的使用等[50]，挤压蒸煮对不同初始污染水平样品中的DON含量降低有明显效果[51]。Scudamore等[52]研究结果显示，挤压全麦粉的 DON 降解率最高仅为 23.4 %，这可能与挤压原料、挤压机参数设置及DON 检测方法不同有关。

热处理可以杀灭粮食中的微生物并降低真菌毒素含量，但所需热处理温度通常较高，可能对小麦品质产生不利影响，如抑制酶的活性进而影响谷物的营养品质和加工品质。另一方面，热处理可以使毒素转变为衍生物，如隐蔽的毒素，因此不能实现真正的“脱毒”。

4 结论与展望

综述了近年来粮食中DON的物理消减方法研究进展，重点围绕谷物加工、吸附剂吸附、射线辐照和热处理等方法脱除粮食中的DON进行介绍。各种消减方法之间既有区别又存在一定的联系。在不考虑成本的情况下，几种方法相结合可以实现对粮食进行最大程度的脱毒处理。物理消减方法脱除粮食中的DON具有一定优势，是目前脱除粮食中DON的首选方法，但也存在一定的局限性。研磨过程只是将DON重新分配到不同的研磨分级组分中而不能从根本上去除毒素。吸附剂吸附应用受限，目前欧盟还不允许使用吸附剂来解决饲料中毒素污染的问题。辐射可以明显降低DON含量，但大家对其安全性持怀疑性。同时，吸附法和辐照法在处理粮堆中的真菌毒素时其有效作用范围很小，无法大规模推广应用。热处理法脱除毒素效果也是有限的，不同热处理方法的成本差异很大，这可能会影响其在实际生产中应用。

目前，还没有一种单独的脱毒方法能无条件地有效消除粮食中的DON污染。因此，未来，一方面，应加强化学药剂与微生物药剂的筛选与研发，评价其对镰刀菌毒素的防控与降解效果；另一方面，应加大对镰刀菌毒素的风险评估与防控研究，扩大监测程序，以正确地了解产毒真菌和呕吐毒素污染的变化动态，以及监测人类在现实中的暴露水平，同时以预防为主，采取合理手段进行脱毒。今后，粮食中DON物理消减方法将向以下几个方向发展：

1)更加集成化、自动化，以满足大型粮库和加工行业规模化脱除毒素的需求；

2)易操作、成本低、无污染、无残留，实现低成本、环保高效脱除毒素；

3)研发物理方法降解DON的关键技术，提出分类利用被毒素污染谷物的技术途径与理论依据；

4)根据检测毒素含量，选择适宜的脱毒方法，达到最大程度的脱毒。同时，在脱毒技术的不断更新和发展的情况下，可以将这些物理脱毒方法与新型脱毒技术相结合，以取得更高更彻底地毒素脱除效果。