微波降解黄曲霉毒素B1研究进展

张耀磊，李萌萌，关二旗，卞 科

河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001

黄曲霉毒素(aflatoxin，AFT)是食品和饲料中污染最普遍的真菌毒素[1]，主要是由黄曲霉(Aspergillusflavus)和寄生曲霉(Aspergillusparasiticus)产生的一类结构相似，含有香豆素和双呋喃环化学结构的次级代谢产物[2]。其中的黄曲霉毒素B1(AFB1)毒性最强且最常见，是世界卫生组织公认的一级致癌物[2]，因此，防控和消减食品或饲料中黄曲霉毒素的污染至关重要[3]。AFB1的消减方法分为3类：物理法、化学法和生物法[4-5]。各类方法都有其优点与局限性，而理想的AFB1消减方法必须是经济可行的，在消减AFB1的同时没有出现新的有毒产物，并且还能够最大限度地保留食品的营养价值[6]。

微波是一种高频电磁波，因具有选择性加热的特点，伴随加热速度快、加热效率高的优势[7-8]，以及具有降低化学反应活化能、促进化学反应发生、加快化学反应速率的能力，在食品加工[9-10]、物料干燥、样品处理、有机合成与无机合成等方面得到广泛应用[11-12]。特别是对一些难处理的有机污染物的降解，如土壤、水体中有机污染物的降解[13-14]以及生物质降解[15-16]的研究与应用，体现出了微波技术的优势与价值。微波加热的这些优点和能力使利用微波技术降解食品中的AFB1受到越来越多的关注。

对食品中AFB1的微波降解研究最早追溯到20世纪80年代[17]，之后陆续有学者对不同食品中AFB1的微波降解效果进行了研究。有些研究结果表明微波是一种非常有前景的技术，不仅能够高效降解食品中的AFB1，而且对食品品质影响极小[18]；但也有研究结果显示微波难以有效降解食品中的AFB1[19]，这是两种截然相反的观点。得到不同的结论必然跟研究者之间研究方法、试验材料及器材的差异紧密相关，而关于这方面的因素是研究微波降解AFB1效果时常常忽略的。因此作者主要综述了近年来微波降解食品中AFB1的降解效果，分析了影响食品中AFB1微波降解效果的因素，简要总结了目前AFB1的微波降解机理及产物的研究进展，以期为研究微波技术应用于食品中AFB1的降解提供参考。

1 食品中AFB1的微波降解效果

微波对食品中AFB1的降解效果见表1，需要指出的是，选择通过涂抹或添加AFB1标准品到食品表面的方式来模拟污染AFB1，与真实情况有较大差异。以玉米为例，添加AFB1标准品到玉米籽粒表面，其仅是通过物理吸附作用附着在籽粒表面。而实际上黄曲霉菌在侵染玉米籽粒的过程中，菌丝体能够穿透种皮侵入籽粒表皮以下生长，从而将黄曲霉毒素分泌在皮层以下。特别是当籽粒表面有虫蛀、机械损伤时，黄曲霉菌丝可以轻易越过种皮的蜡质层以及角质层屏障，侵入玉米胚乳以及胚内，使黄曲霉毒素存在于籽粒内部[20]。此外，有些真菌毒素也可能与粮食组织中的糖类或其他基质等形成结合态的真菌毒素而存在[21]。Pluyer等[22]的研究指出，通过添加AFB1标准品到粮食籽粒表面的方法来模拟污染有AFB1的粮食得出的试验结果与真实情况具有显著差异。因此，对于食品中AFB1微波降解研究，优先选用自然霉变含有AFB1的食品或者人为接种产毒真菌使其产生AFB1的食品作为试验材料，所得出的结论更能真实反映AFB1的降解效果。

表1 AFB1在不同微波条件下的降解效果Table 1 AFB1 degradation effects under different microwave conditions

1.1 微波“热效应”降解食品中的AFB1

当微波辐射携带能量作用于食品时，能够使食品的温度迅速升高，产生类似加热的效果，称为微波的“热效应”。关于微波加热的机理目前主要有两种解释：一是微波电场方向的高频转换导致食品中的极性分子(水、淀粉、脂质、蛋白质等)在不断转换方向的电场力作用下发生快速转动，再加上与相邻分子间的碰撞与摩擦，从而产生了热量；二是溶液中的可解离的离子在微波电场作用下发生位移，而介质对离子的阻碍作用产生了“热效应”[7]。这种分子层面的摩擦与碰撞，以热量的形式表现出来，最终都造成食品温度的升高。而高温能够引起AFB1的降解，这在传统加热降解AFB1的方法中已得到大量研究[29]，因此，大多数学者认为微波的“热效应”是AFB1降解的重要原因。如Luter等[17]和Farag等[24]的研究都指出微波加热温度高于150 ℃可使花生、玉米中的AFB1降解率大于95%，而当温度足够高时可以完全降解AFB1。另外，微波加热在降解食品中的AFB1时可以较传统加热方式明显缩短AFB1降解所需的时间。Pluyer等[22]的研究结果表明微波(700 W)加热霉变花生8.5 min可使AFB1的降解率为50%～60%，而使用烤箱加热(150 ℃)达到相同的降解率则需要30 min。Martins等[30]使用传统烤箱，在180 ℃下焙烤霉变花生20 min，AFB1降解率为54.8%。而使用微波(1 300 W)加热霉变花生仅需3 min，可使AFB1降解率大于80%[24]。

此外，微波加热所能达到的最高温度直接影响AFB1的降解效果，而微波加热速率对AFB1降解的影响很小[31]。同样的AFB1降解率可以通过提高微波功率在短时间内达到，也可以在低功率条件下延长处理时间实现[17]。但是从保护食品品质的角度考虑，不建议使用过高功率的微波来达到AFB1降解的目的。因为高功率微波处理使食品内部升温速率过快，易造成局部温度过高，从而对食品的质构、维生素和氨基酸等化学组成造成巨大破坏[32-33]。因此，食品中AFB1的降解应当优先选用中等微波功率或低功率匹配适当时间来实现，以避免或减少局部高温对谷物和食品品质的破坏[24]。

1.2 微波“非热效应”降解AFB1

微波的“非热效应”是指不能用单纯的“热效应”解释的微波对化学反应的影响[34]。目前对于微波降解AFB1过程中“非热效应”的研究主要是通过比较微波加热与传统加热在相同温度下的AFB1降解率或降解产物是否存在差异。王周利等[18]研究发现相同温度和处理时间条件下，使用传统加热法时玉米粉中AFB1的降解率低于21.6%，而微波加热时的AFB1降解率为95.51%。Farage等[24]的研究结果表明，微波加热处理AFB1标准品可使其在较低的温度(50 ℃)下发生降解，3 min降解率达到50%，而传统烘烤加热处理在该温度下并不能够使AFB1降解[31]，这似乎证明了微波降解AFB1的过程中存在“非热效应”。根据微波的作用机理，极性分子在吸收微波后，必然导致转动能量的增加，相当于提高了分子的平均能量，降低了反应的活化能[35]。此外，微波电磁场的作用力还能使极性分子间相对于共同质心的运动加强，大大增加反应物分子之间有效碰撞的频率，两者共同促进化学反应的进行[36-37]。在微波化学领域的研究也表明，微波加热法能够明显加快化学反应过程，缩短化学反应时间[38-39]。因此在微波作用下，极性的AFB1分子必然产生不同于传统热运动的效果，这为微波降解AFB1过程中存在“非热效应”提供了理论依据。

但是Shi[31]的研究认为相同微波加热温度(80 ℃)和时间条件下，微波加热降解AFB1的降解率略高于传统加热5%～8%，是由于微波加热时控温精度差，温度波动范围较大造成的。且微波加热与常规加热降解产物完全相同，从而否认了存在“非热效应”。微波场中精确的测温与控温方式是研究微波降解AFB1过程中是否存在“非热效应”的关键，缺乏准确的控温与测温方法，可能是“非热效应”研究结果出现分歧的重要原因。因此，对于微波降解AFB1过程中是否存在“非热效应”，仍需要更深入的研究。

1.3 微波联合其他方法降解AFB1

微波联合其他方法降解AFB1可以同时发挥两者的优势，有效提高AFB1的降解效果。赵越等[26]的研究表明：微波光波联合辐射处理可以同时加热花生的内部与表面，处理8 min时AFB1降解率达到74.06%，且处理后花生营养成分损失较少。王勇等[27]研究了微波辅助碱法制备大米蛋白过程中对AFB1降解率的影响,该方法(微波功率750 W，处理时间7 min)可以使AFB1降解率提高41.68%，达到88.51%，同时明显改善了大米蛋白质的溶解性、发泡性和保油性，从而提高了大米的部分品质[40]。微波辅助法能够增加AFB1降解率的作用机理，可能的原因是微波处理会造成上清液温度的升高，而温度是影响碱溶液中AFB1降解率的一个重要因素[41-42]。与之相似的研究如Perez-flores等[28]使用微波联合碱液热处理玉米粉，设置微波功率1.65 kW，处理时间5.5 min能使玉米饼中AFB1含量降低84%。且酸化处理(模拟人体内胃部环境)后已降解的AFB1只有少量(1%～7%)被还原为荧光形式，这表明微波联合碱液法可彻底降解玉米粉中的大部分AFB1，从而避免其在胃内酸性条件下恢复毒性，这是传统碱热处理法所不及的。

2 影响微波降解食品中AFB1效果的因素

微波加热功率、微波加热温度以及微波处理时间是影响食品中AFB1降解效果的重要因素，研究结果表明微波功率越大、微波加热温度越高、处理时间越长，AFB1降解率越高[24]。除此之外，微波加热的技术特点也决定了微波降解AFB1的效果同时受其他因素的影响。

2.1 食品中水分子的影响

关于食品基质中的水分子对AFB1热降解的影响已有报道[29]。水分子的存在使得AFB1的热降解所需温度明显降低，这一现象不仅在传统加热法中普遍存在，在微波降解AFB1时同样存在。Shi[31]对AFB1标准品的微波降解表明：微波干热处理温度为150 ℃时才能使AFB1降解，而采用微波湿热处理时，80 ℃便能使AFB1降解59.2%。Mobeen等[25]对花生及其制品中AFB1进行微波处理，使用微波加热使产品温度92 ℃保持5 min，就能降低AFB1含量的50%～60%。这是由于湿热处理时水分子可以作为碱催化剂打开AFB1的内酯环[43]，因此可以有效促进AFB1的降解[44-45]。

另外，食品中的水分子还能够明显提高微波能量转化为热量的效率。由于水分子的介电常数非常高，是吸收微波能量的极好介质，在微波作用下含有水分的玉米和花生升温速率显著快于不含水分的AFB1标准品，可以更快地达到较高的温度从而使AFB1降解[24]。但是，当食品中水分含量过高时反而会降低微波加热食品的升温速率[46]。因此，对于较干燥的食品，可以考虑适当增加其水分含量，从而提高微波降解AFB1的效率。

2.2 食品介电性能和密度的影响

当微波照射不同材料时，会产生反射、吸收和穿透现象，其作用效果及程度取决于被处理对象的介电性能、比热容、形状、密度等，而只有被材料吸收的微波能量才能转化为热量。因此，除食品中的水分子外，食品中蛋白质、脂肪、淀粉等营养成分的介电性能差异，以及各营养成分在不同食品间的含量差异都会影响不同食品间微波转化为热量的速率[47]。如使用微波功率1 300 W分别处理相同质量的玉米和花生6 min，两组的升温速率存在明显差异[24]，这也是仅使用微波功率和微波时间两个参数并不能完全反映不同食品间接收微波能量多少的原因。此外，食品的密度或形状也影响微波加热效果[47]。一般来说，粉状或尺寸小的物料其相对密度大，不利于微波穿透至物料内部，Herzallah等[23]在研究中指出，饲料颗粒的尺寸(0.25 mm)较小，降低了微波的穿透深度而影响加热效果，造成在短时间内无法有效降解AFB1。因此，对于一些粉状食品可考虑微波处理过程中进行搅拌，使其均匀接受微波的处理，促进AFB1的降解。

2.3 微波仪器设备的影响

试验研究中使用的微波仪器多为多模腔体，腔体内不同位置存在微波的叠加与抵消，这就必然导致腔体内微波场的不均匀分布[48]。食品物料在微波腔体内的摆放方式与位置影响微波加热效率以及试验结果的重复性。因此，对于一些高精度试验如微波降解AFB1的反应机理研究，推荐使用单模微波设备[49]。

多数研究者使用商用微波炉作为微波源，其输出的微波频率随机变化较大，微波场中并非单一的2 450 MHz，可间歇性变为2 430、2 460 MHz等其他频率的微波[50]，而微波频率的变化将导致微波穿透深度以及微波热点位置的变化，进而影响加热效果[48]。此外，不同频率的微波也对化学反应有不同影响，因此，可考虑使用固态微波源，最大限度降低微波频率稳定性差对试验结果的影响，增加试验结果的可靠性与重复性[51]。

由于微波电磁场的干扰作用，常用的电子测温方法难以在微波场中使用。因此大多设备采用红外非接触式测温[31]，或在微波停止工作期间插入温度计测温[18]，前者测量的只是食品表面温度，后者则无法做到实时测温。多数研究中的控温方法通过微波间歇性加热来实现。这些测温、控温方法的缺陷在某些情况下可以作为系统误差对待，但对于微波“非热效应”的研究却是至关重要的。

因此，以上这些影响因素是研究微波降解食品中AFB1效果时也必须要考虑的，这些因素可以帮助解释相同微波条件下不同研究者之间的降解效果存在差异的原因。

3 AFB1的微波降解机理及产物研究

微波处理后食品中的AFB1有一定程度的降解，从而降低或消除了食品的毒性。从科学研究的角度仍需要了解AFB1的降解机理，因为该机理能够解释微波与AFB1的反应过程、中间产物以及最终产物。而AFB1的降解产物是否仍对生物体具有毒性以及毒性大小，是评估微波技术降解食品AFB1后食用安全性的重要要求[52]，因此对AFB1微波降解机理及产物的研究至关重要。由于食品基质的复杂性，对AFB1的降解机理及产物的研究主要以AFB1标准品为主[53-54]。

3.1 固态AFB1的微波降解产物

Farag等[24]在微波炉中使用全功率对AFB1标准品处理15 min，分析结果显示微波处理后AFB1分解为两种荧光物质，降解产物的比移值(Rf值)分别为0.023和0.071，与初始AFB1的Rf值0.36具有显著差异，且这两种降解产物的荧光强度显著低于初始的AFB1，这表明AFB1微波处理后降解为两种与AFB1完全不同的荧光物质。随着化合物分析技术的进步，高分辨率质谱技术已经被应用于AFB1降解产物的分析。Shi[31]使用液质联用技术研究了微波加热条件下AFB1的降解产物，发现其降解产物种类只有一种，且该降解产物与AFB1有不同的保留时间，却有相似的质荷比，推导出的分子式与AFB1完全相同，为C17H12O6，因此，认为这是微波加热作用下AFB1发生了外消旋化，转变为它的对映异构体。但该结果与Farag等[24]的研究结果(出现两种完全不同于AFB1的荧光化合物)具有较大差异，这可能跟两者试验中的微波功率、温度、时间等处理条件的不同以及AFB1初始含量、降解率的差异有关。

3.2 水中AFB1的微波降解产物

王周利等[18]使用液质联用技术分析了水中AFB1的微波降解产物，发现主要降解产物质荷比(m/z)为286，并推测了降解产物的结构和可能的AFB1降解路径(图1)，降解产物化学结构表明微波处理后AFB1的最大毒性基团二呋喃环中的末端双键消失[55]。Shi[31]同样使用液质联用技术研究了水中AFB1的微波降解产物，产物主要有4种，其化学结构及降解路径如图2所示。

图1 水中AFB1微波降解产物化学结构Fig.1 Proposed structure of AFB1 degradation product by microwave in water

图2 微波降解水中AFB1的主要降解产物及降解路径Fig.2 AFB1 degradation products and pathways by microwave in water

图2中的降解产物1、产物2和产物3为简单分子，AFB1的两个主要毒性基团呋喃环双键和内酯键都已被破坏[56-57]。降解产物4的呋喃环毒性基团也已被破坏，因此，AFB1降解后其产物毒性大大降低。该研究结果不但证实了之前的推测即水分子能够打开AFB1内酯环，形成末端羧酸[44]；还表明微波处理AFB1时，其呋喃环结构也能发生水解反应。

在微波化学合成领域的研究结果表明，微波能够促进许多水解反应的进行[58]。因此，微波降解水中的AFB1时，可能同时发生呋喃环双键的氧化、水解和内酯环的水解，其降解产物的种类也会随着微波处理条件的强弱而存在差异。

4 总结与展望

微波“热效应”是AFB1降解的一个重要因素。作为一种高效的加热方式，微波加热与传统加热法相比可以显著缩短AFB1降解所需的时间。因此，应当充分发挥其快速、高效、节能环保的优势，替代一些传统的、耗能的热处理降解AFB1的环节与过程，对节约能源大有益处。另外，微波加热的特点决定了使用微波降解食品中AFB1时，必须考虑到食品中水分含量、食品介电性能、形状、密度，以及微波仪器设备等对AFB1降解效果的影响。因此，对于一些AFB1非均匀分布[59]的谷物类食品，研究利用微波选择性加热的特点，使微波能量更多集中在食品中AFB1含量高的部位，避开AFB1含量低的部位，在提高AFB1降解效果的同时最大限度降低对食品整体营养品质的破环，实现类似生物酶法特异性降解AFB1的效果，这可能是未来利用微波降解谷物类食品中AFB1的一个方向。此外，根据不同食品的特点，考虑微波降解方法与其他降解方法联合使用，充分发挥不同降解方法的优点，也是高效降解食品中AFB1的研究方向。对于微波降解AFB1过程中是否存在“非热效应”促进了降解，还需要借助更加精准的控温方法与试验设备做进一步的研究。

深入研究AFB1的微波降解产物以及降解路径将是了解微波降解AFB1机理的关键。从食品安全角度考虑，仅有AFB1标准品的微波降解产物信息有时是不够的，仍需要研究食品中AFB1的降解产物信息。未来可考虑使用其他方法与液质联用技术相结合，进一步确认食品中AFB1微波降解产物的结构和种类，丰富降解产物信息。必要时可考虑进行动物试验全面评估微波降解AFB1后食品的食用安全性。