谷物和饲料中真菌毒素的危害、降解及其检测技术*

苏红梅，滕安然，李力

（福建师范大学 生命科学学院，福建 福州 350117）

真菌毒素是由丝状真菌产生的一系列次生代谢天然产物，人体、动物、农作物及饲料都深受真菌毒素的污染，真菌毒素已经严重地影响了我们的生活。目前已被科学家们发现的真菌毒素有400多种，虽然它们都表现出不同的生理生化性质，但是都有毒性，具有致癌、致突变等性质，据了解人和动物免疫系统的紊乱与真菌毒素有一定的关系[1]。第一次发现真菌毒素是在二十世纪六十年代，英国10万多只火鸡死于“火鸡X病”，当时用“真菌毒素”来表示这种物质，后来证明黄曲霉毒素B1是导致火鸡得“火鸡X病”的主要原因。现在，真菌毒素并不只指黄曲霉毒素B1，而是指真菌产生的有害作用的全部次级代谢产物，统称为“真菌毒素”。真菌毒素不仅对人和动物的健康造成威胁，同时给农业和经济的发展也造成了严重的影响。据统计，真菌毒素每年污染的农作物达到了全球的25%，给农业和各国的经济都带来了很大的压力[2]。由于真菌毒素污染我国每年粮食减产3%～7%，粮食在生产、运输、销售等过程中都可能被真菌毒素所污染，并且严重的年份会导致粮食大量减产[3]。所以，控制和降低真菌毒素对人类和动物的影响，是科学家们研究的热点，也是一直努力在做的事情。

1 谷物和饲料中常见的真菌毒素及危害

谷物和饲料中常见的真菌毒素主要有霉菌毒素，包括玉米赤霉烯醇、赭曲霉毒素、黄曲霉毒3种，另外，本文还介绍2种常见的真菌毒素——伏马毒素和脱氧雪腐镰刀菌烯醇。这5种真菌毒素是目前发现的对谷物、饲料、动物和人类危害最大的真菌毒素。

1.1 玉米赤霉烯醇

玉米赤霉烯醇（zearalenone，ZEN）是由镰刀霉菌属产生的具有一系列衍生物的真菌毒素。是目前发现的分布最广泛的真菌毒素，常见于玉米、高粱、小麦中。ZEN是一种具强耐热性的真菌毒素，据研究发现要使得其完全破坏需在110 ℃高温处理1 h。ZEN的污染就像食物链一样，从谷物、饲料到动物，从动物到人类，严重威胁人和动物健康。ZEN导致雌激素在体内积累进而影响动物的生长繁殖[4]。 1962年Stob等[5]从发霉的玉米中第一次纯化了出ZEN，1966年Urry等[6]确定了酚的二羟基苯酸内酯是ZEN的化学结构，分子式为C18H23O5，结构式见图1。ZEN经代谢可产生α-ZOL、β-ZOL、ZAN、α-ZAL、β-ZAL等一系列衍生物，这些衍生物与ZEN一样也会对人体和动物的健康造成威胁，是最危险的食品污染源之一，也是强致癌性真菌毒素。我国在食品中对ZEN含量都做了相关规定，为小于60μg/kg[7]。

图1 玉米赤霉烯醇ZEN结构式

1.2 赭曲霉毒素

赭曲霉毒素（ochratoxin，OT）是由曲霉属和青霉属产生的系列化学结构相似的衍生物，分别有OTA、OTB、OTC、OTα，其中在自然界分布最广且最具毒性的是OTA，它的结构式如图2。

1965年Vandermerwe课题组便从赭曲霉菌纯化得到，几种类似物里OTA对农作物最具有伤害性，农作物包括花生、玉米小麦等都会被赭曲霉毒素污染。赭曲霉毒素进入人体后与肝微粒体混合功能氧化酶反应，进而损害人体肾脏与肝脏。赭曲霉毒素还是一种致癌物质、强致畸性[8]。我国国家食品安全标准规定OTA在谷物及其制品、豆类及其制品、坚果及籽类、烘焙咖啡豆等要求不超过5.0μg/kg，葡萄酒为2.0μg/kg，速溶咖啡可以达到10.0μg/kg［7］。

图2 赭曲霉毒素OTA结构式

1.3 黄曲霉毒素

黄曲霉毒素（aflatoxin，AF）也是一类霉菌类真菌毒素。主要分为紫黄曲霉毒素B、黄曲霉毒素G和黄曲霉毒素M，它们可在紫外灯下发出不同的荧光［9］。人们现在可分离到的有B1、B2、G1、G2、B2a、M1、M2、P1等共18 种。据研究表明AFB1的毒素最强，属于一类致癌物，直肠癌、乳腺癌、肝癌和骨癌等的发生都与AFB1有关，它的结构式如图3。

花生和玉米最容易被AFB1所污染[10]。食品安全标准中对AFB1的限制量为 0.5μg/kg[7]。

图3 黄曲霉毒素AFB1结构式

1.4 伏马毒素

轮枝镰刀菌、串珠镰刀菌、层出镰刀菌等有害真菌感染农作物产生的真菌毒素为伏马毒素。是一类可以溶于水的真菌毒素。据统计，类似结构物有FA1、FA2、FB1和 FB2等共28种，其中FB1的毒性最大。伏马毒素是一种B类致癌物，与食道癌的高发有直接的关系，玉米及或玉米为原料的食品最易被污染，会对人体的肝肾造成损害，使猪肺水肿，马脑白质软化[11]。FB1的结构式图4。

图4 伏马毒素FB1结构式

1.5 脱氧雪腐镰刀菌烯醇

脱氧雪腐镰刀菌烯醇（Deoxynivalenol，DON），由禾谷镰刀菌和黄色镰刀菌等真菌污染小麦或其他农作物后所产生的次生代谢物。DON是一种单端孢霉烯族类化合物，化学名称为3α,7α,15-三羟基-12,13-环氧单端孢霉-9烯-8酮[12]，因为DON会使猪发生呕吐，所以又叫做“呕吐毒素”。C-3 位的·OH基团、C-9，10 位的双键及C-12，13位的环氧基是引起中毒的主要基团。

大麦、玉米、小麦、饲料都会被DON污染，DON 在胃肠道吸收后经过肝脏、肾脏最后随尿液排出，对各种器官都造成了一定的损害。长期摄入会影响免疫抑制、出现不想吃饭、腹泻、呕吐等现象，严重影响人和动物的健康[13]。中国卫生部规定谷物及其制品（玉米、 玉米面 、 大麦、 小麦、 麦片、小麦粉）呕吐毒素的含量不能超过1000μg/kg[7]，结构式见图5。

图5 脱氧雪腐镰刀菌烯醇DON结构式

2 真菌毒素的降解

2.1 生物方法降解真菌毒素

利用生物方法降解真菌毒素具有快速、安全、无污染的特点，是目前降解真菌毒素的主要方法，生物降解法包括微生物降解菌株、生物酶法。本文主要介绍微生物降解菌株的筛选与生物酶法降解真菌毒素。

一些微生物菌株能够使真菌毒素的结构发生改变转化为无毒的物质，通常我们从自然界或被污染的土地和食品中筛选得到降解菌。1997年Jun Shima[14]从土壤中分离得到的菌株E3-39，能够降解小鼠淋巴细胞中的DON，使毒性仅为原来的十分之一，脱毒原理是氧化改变了DON的结构。在选择培养基中添加毒素或毒素类似物作为唯一碳源也是筛选降解相应毒素的菌株的一种常用的方法。2018[15]年王悦利用ZEN作为唯一碳源和能源及高温处理后在霉变的饲料中分离出50株芽孢杆菌，利用ELISA分析，得到的7号菌株对ZEN的降解达到90.4%。

通过物理诱变、化学诱变、生物诱变等也是筛选真菌毒素降解菌株的有效方法之一，其中最常用的为紫外诱变。2017年张晓雪[16]利用紫外线诱变得到的新型黑曲霉FS-UV1，对AFB1的降解率高达到87.3%。陈艺[17]等从不动杆菌Acinetobacter sp.SM04培养上清液中分离纯化得到对ZEA具有降解能力的Peak 2组分及组分中的A4-Oxa蛋白，并将A4-Oxa在大肠杆菌表达系统中成功表达，得到的重组A4-Oxa蛋白，对ZEA的降解率可达32%。这是利用基因定向改造筛选表达特定蛋白（具有降解特定真菌毒素的能力）的微生物的方法，是现在研究的热点。

生物酶法降解真菌毒素具有操作简便、降解彻底等优点而受到了人们广泛的关注。可以降解玉米赤霉烯酮的酶有过氧化物酶、内酯水解酶等。Yu Y[18]课题组从土壤分离得到不动杆菌Acinetobacter sp.SM04所产生的过氧化物酶Prx可将ZEN降解为低活性的物质分子；2015年钟凤[19]等利用分子生物学手段构建成的过氧化物酶 A4-Pr的工程菌，可以降解63%的ZEN。 2002年Takahashi-Ando[20]等分离得到的一种编码内酯水解酶的基因zdh101，是目前发现可有效降解ZEN的内酯水解酶基因，已广泛应用到了农业等各领域。除了zdh101基因，2018年[21]Meixing Wd等表达的一种称为Zhd518的内酯酶，它与Zdh101有65%的氨基酸同源性，不仅能降解ZEN，也能降解ZEN系列衍生物。

除了过氧化物酶和内酯水解酶外，Banu I[22]等发现由Trametes versicolor产生的漆酶可以降解81.7%的玉米赤霉烯酮。黄曲霉毒素的生物酶降解主要依靠还原酶类。AFO即黄曲霉毒素氧化酶早在1998年Liu[23]等首次在真菌Armillariella tabescens中被发现。

乙酰化酶、氧化酶、糖基化酶是降解呕吐毒素的3种典型的酶。1997年Kimura[24]等就发现单端孢甲-3-O-乙酰转移酶可以降解呕吐毒素，它的降解机理是使呕吐毒素三号位乙酰化从而脱毒。Poppenberger等发现UDP-葡萄糖基转移酶将一分子葡萄糖基转移到DON的3号位碳原子上后形成的DON-葡糖苷酸毒性比原来低，降低了呕吐毒素的危害[25]。2013年Ito等发现P450细胞色素系统能够将呕吐毒素氧化，毒性大大降低。

由以上可知利用生物酶降解真菌毒素在操作上简单易行，降解均一、彻底，具有很大的研究前景与价值，是解决真菌毒素对食品、饲料危害最为有效的方法之一，但是，生物酶解目前存在的问题是新酶的开发与利用十分艰难。

2.2 降解真菌毒素的其他方法

降解真菌毒素除了微生物降解菌和生物酶解外，还有传统的降解方法，如物理法和化学降解法。

物理方法降解真菌毒素包括：吸附剂吸附、热处理、有机溶剂抽提、超声处理、射线照射，最简单的处理方式是将谷物进行清洗或将被真菌毒素污染的部分去掉以减少真菌毒素的危害。虽然这些方法操作简便，但是存在不彻底的缺点，近年来人们研究较多的是利用辐射降解真菌毒素。2005年Aquino[26]等研究发现玉米中的AFTB1和AFTB2在辐照剂量为10 kGy照射时可以完全降解；王蓓[27]研究表明在辐射通量为28.52 J/cm2的条件下，AFB1和AFB2经脉冲强光处理10 s，降解率高达96.6%和91.7%。许多的研究都表明用辐射去降解真菌毒素具有很好的脱毒效果，为食品、谷物、饲料中真菌毒素降解带来新方法，具有很高的研究价值。

化学方法降解真菌毒素是利用氢氧化钠、过氧化氢、次氯酸钠、盐、酸、氨等化学物质对被真菌毒素污染的饲料、食品或谷物进行处理，从而使真菌毒素的某些结构或基团遭到破坏，达到脱毒目的。与物理方法相比，化学降解真菌毒素的效果更好、更彻底，但是有可能给食品、饲料带来新的化学污染，并在一定程度上会使食品、饲料的营养物质流失，因此化学方法有一定的局限性而不常用，更多的是把化学方法与物理方法相结合，取长补短，以达到最有效、最安全的降解效果。

3 真菌毒素的检测技术

由于真菌毒素对人类和动物健康都具有极大的威胁性，因此必须对食品、饲料中的真菌毒素进行检测，故完善真菌毒素检测技术是非常必要的。

真菌毒素的检测方法根据检测的对象不同及不同种类的真菌毒素而异。如，食品中脱氧雪腐镰刀菌烯醇的检测一般是采用LC-MS/MS、HPLC、TLC或ELISA，而在谷物中一般用胶体金快速定量法来检测脱氧雪腐镰刀菌烯醇。食品中的真菌毒素的检测方法有HPLC（柱前、柱后衍生法）、LC-MS/MS、免疫亲和柱-荧光光度法；粮食和谷物的真菌毒素的检测方法有胶体金快速定量法、UPLC、HPLCMS/MS、液相色谱串联质谱法等[28]。除了以上的这些方法，常用的检测方法还有荧光光度法、免疫荧光分析法、酶联免疫吸附法、放射免疫分析技术、免疫芯片技术、薄层色谱法、快速检测方法、实时荧光定量PCR、近红外技术以及利用生物化学传感器[29]对真菌毒素进行检测，这些检测方法都是如今发展得较为完善的检测方法，检测的结果准确可靠，但是检测的过程较为繁琐复杂。目前又出现了一种称为便携式定量检测仪对真菌毒素进行检测的方法，这种方法操作简单又能快速知道结果且成本低，最大的优点是可以进行实地检测，为实时实地调查、检测研究提供了可能性[30]。随着科技的不断发展，会出现更为准确与快速的检测方法。

4 展望

真菌毒素对饲料、食品、农业的影响已经严重威胁了人和动物的健康，并对全球的经济也带来了难以想象的损失，已经严重阻碍了社会的发展。物理降解、化学降解都可以在一定程度上实现对真菌毒素的降解，但都存在一定的局限性，将两者相互结合可以取得不错的降解效果，在未来这些方法可能应用到实际中。

微生物降解与生物酶解是依然是目前最为安全、有效的手段，也是人们研究的热点，降解菌的筛选是关键，一方面可以从自然界中筛选，另一方面可利用基因定向改造技术进行培育、筛选。新酶的发掘也是研究的另一大热点，且发掘得到的新酶对真菌毒素的降解效率都远远超过物理与化学降解法。但是，新酶的发掘较为困难，条件也较为严格，因此目前还停留在起步阶段，不过，相信随着近代科学技术的不断发展，不断克服、改进，最终可实现产业化。另一方面，真菌毒素的检测手段也得到不断发展，从而使检测更加简便、快速、准确，有助于及时避免真菌毒素造成的危害。