食品中黄曲霉毒素的新型降解技术进展

祁迪亚，陆利霞，刘元建，熊晓辉

(南京工业大学 食品与轻工学院，江苏 南京 211800)

黄曲霉毒素(aflatoxins,AFs)是20世纪60年代初发现的主要由黄曲霉(Aspergillusflavus)寄生曲霉(Aspergillusparasiticus)产生的一类结构类似的次生代谢产物。在湿热地区的食品和饲料中，出现黄曲霉毒素的概率最高，其主要存在于土壤、动植物和各种坚果中，特别容易污染花生、玉米、稻米、大豆和小麦等粮油产品。黄曲霉毒素是目前发现的化学致癌物中毒性最大、对人类健康危害极为突出的一类真菌毒素[1]。1993年世界卫生组织(WHO)将黄曲霉毒素划定为一级致癌物质[2]。黄曲霉毒素的主要分子形式有B1、B2、G1、G2、M1和M2等，其中M1和M2主要存在于牛奶中；B1为毒性及致癌性最强的物质，会引起突变、致畸和肝损伤[3]。当B1摄入量较大时，可发生急性中毒，出现急性肝炎、出血性坏死、肝细胞脂肪变性和胆管增生；当B1微量且持续摄入，可造成慢性中毒，生长障碍，引起纤维性病变，致使纤维组织增生。黄曲霉毒素的致癌力也居首位，是目前已知的最强致癌物之一[4]。因此，黄曲霉毒素的降解技术成为食品安全领域的持续性热点话题。此外，食品中黄曲霉毒素的发生率取决于几个因素，包括食品类型、季节、地理位置、收获后时期和管理[5]。

防止黄曲霉中毒的措施主要分为两种：预防和降解。预防策略主要有播种前对种子的前处理以及谷物成熟后的储藏条件控制等。降解策略主要分为3种：物理方法、化学方法和生物技术法。本文中，笔者分析了新型降解毒素策略，包括辐照技术、臭氧降解技术、电解水技术、低温等离子体技术、光催化技术以及生物技术。

1 物理方法

1.1 辐照技术

1.1.1 伽马射线和电子束辐照

伽马射线在液体和固体介质中具有较好的穿透深度，然而黄曲霉毒素对伽马射线的直接辐照有抗药性[6]。伽马射线是通过水或其他组分辐射分解产生自由基反应等间接作用来实现黄曲霉毒素降解的，这些自由基容易攻击黄曲霉毒素B1(AFB1)的末端呋喃环，从而降解黄曲霉毒素，产生低活性的产物[7]。

Prado等[8]研究了伽马射线辐照对自然污染花生中AFB1的破坏作用，发现5 kGy和10 kGy伽马射线辐照剂量处理并没有使AFB1含量下降，但是当辐照剂量达到15～30 kGy时，AFB1减少了49%～72%，这说明黄曲霉毒素的降解效率与射线的辐照剂量有较大相关性。Zhang等[9]研究发现伽马射线辐照可以在10 kGy时完全清除真菌，降低大豆中黄曲霉毒素B1的含量；大豆孵育30 d后，品质性状和生育酚含量均无明显变化。Markov等[6]在被黄曲霉侵染的玉米中也得到了类似的结论。

电子束辐照(EBI)处理是一种先进的氧化工艺，具有无化学添加剂、无化学残留物等优点[10]。EBI有直接或间接氧化降解复杂有机分子的潜力[11]。伽马射线辐照和电子束辐照对食物的影响相似，但辐照的穿透性和使用方法略有不同[12]。Assuncao等[12]采用电子束辐照对不同初始浓度的AFB1在水介质中的降解进行了研究。Jubeen等[13]证明AFB1在一定浓度范围内的降解符合一阶反应动力学(R2>0.95)。EBI的优点包括加工时间短、效率高、所需热量少、设备成本低和用量控制便捷等[14]。Ghanem等[15]研究发现伽马射线辐照和EBI对玉米中黄曲霉毒素的降解率分别为69%和67%，EBI并不比伽马射线对黄曲霉毒素的降解效率更高。

1.1.2 微波技术

微波技术在食品行业有着广泛的应用，例如解冻、膨化、干燥、改性、杀菌等[16]。食品微波干燥与传统加热相比，干燥时间减少25%～90%，干燥速度有显著提高[17]。但是，微波干燥本身也存在微波辐射穿透深度有限、干燥过程中成品温度难以控制等主要缺点。

Farag等[18]利用微波对黄曲霉毒素的模型体系(将纯黄曲霉毒素包覆在硅胶上)和食品体系(含有黄曲霉毒素的玉米和花生)进行了微波杀菌处理，将模型体系和食品体系在不同功率和周期的微波中处理，发现黄曲霉毒素的破坏程度受微波功率高低、微波照射时间长短以及加热时的温度影响；其中，模型体系中AFB1在低、中、高功率处理9 min后分别降低76%、85%和100%，且实验表明微波温度的升高取决于加热时间和功率。Luter等[19]研究发现，通过微波将受黄曲霉毒素污染的花生加热到150 ℃，黄曲霉毒素污染可以持续减少95%以上；且能获得满意的褐变程度，不影响蛋白质和脂肪酸含量。

1.1.3 紫外线辐射

表1 物理方法降解黄曲霉毒素总结Table 1 Summary of physical degradation of aflatoxin

2 化学技术

2.1 臭氧降解技术

臭氧(O3)又称为超氧，是氧气(O2)的同素异形体，在常温下，它是一种有特殊臭味的淡蓝色气体[24]。在常温常压下，稳定性较差，可自行分解为O2[25]。臭氧在水处理、医疗保健、食品加工保鲜和农业等领域有着广泛的应用[26]。食品企业、医院及制药企业等已经投入应用的臭氧发生技术主要有电晕放电法和电解法[27]。

2.2 电解水技术

电解水(EW)已被用作食品、设备表面和非食品接触面微生物还原的消毒剂和清洁剂[33]。EW是由稀释的NaCl或KCl-MgCl2溶液在隔膜分隔电极的电解池中电解产生的[34]。通过电解NaCl溶液可以得到含有HClO分子的酸性电解水，通过电解KCl-MgCl2溶液得到含K+的碱性电解水。酸性电解水中主要含有H+、次氯酸、溶解氧，其pH在1.5左右，而碱性电解水中主要含有K+、OH-并富含氧离子，其pH在13.5左右[35]。中性电解水中主要是酸性电解水与O-混合，pH 7～8。强酸性电解水和强碱性电解水都具有很好的杀菌效果，由于有效氯浓度较高，一般认为酸性电解水的杀菌效果比碱性电解水好。天然污染AFB1的花生浸泡在中性EW中10 min和酸性EW中15 min，AFB1降低90%[36]，而碱性EW浸泡则无效[37]。但是未有研究说明其对食品中营养物质是否有影响，因此还需要进一步验证该技术对食品底物的营养价值及安全性的影响。

2.3 低温等离子体技术

低温等离子体利用带电的、高活性的气体分子来灭活食品和包装材料上的污染微生物，是一种理想的抗菌剂，具有多种活性化学物质[38-39]。因此，低温等离子体是一种合适的替代加工技术，也可以帮助对抗食物过敏，利于种子萌发，用于包装材料印刷、废水处理、改进食品功能、提取生物活性物质等方面[40]。在强大的电磁场中产生低温等离子体诱导形成的离子(H+、H3O+、O+、H-、O-和OH-)、分子(N2、O2、O3和H2O2)、活性自由基(O·、H·、·OH和NO·)这些集体称为活性化学物质。这些活性物质的产生促使研究人员使用低温等离子体来降解包括黄曲霉毒素在内的各种毒素[41]。

Sakudo等[42]利用静态感应晶闸管产生的氮气等离子体作为脉冲电源的玻璃基板的研究，在15 min内使AFB1降低了90%。Devi等[43]研究了低温等离子体对曲霉寄生菌和黄曲霉生长及黄曲霉毒素产生的影响，在40 W、15 min和60 W、12 min的低温等离子体处理样品中，AFB1含量分别降低了70%和90%以上。这些结果表明，低温等离子体具有很强的灭活微生物的潜力，可作为食品灭菌的替代方法。低温等离子体降解黄曲霉毒素的影响因素主要是使用的基板材料类型、处理的样品数量以及处理时间长短等[44]。但低温等离子体技术不仅需要更加清楚地了解其解毒机制，还需要深入研究对其处理后的食品理化性质和感官方面的影响以及毒理学方面和诱导后的安全验证[45]。

2.4 光催化技术

二氧化钛(TiO2)光催化技术是近几年来迅速发展的一种高级氧化技术，它利用近紫外光照射具有光催化活性的TiO2，使其产生高活性物质，让有机物氧化并逐步降解，最终生成CO2、水和无机盐类[46]。该技术主要应用于分解有机物、贵金属回收以及净化废水和空气中的有机污染物等[47]。

Magzoub等[48]对苏丹地区2种不同灌溉法种植的花生制备的花生油进行了研究，以固定在玻璃支架上的TiO2为光催化剂，以500 W高压灯(发射紫外光为920 W/m2，可见光为2 000 W/m2)为光源，室温照射4 min内，AFB1降解率≥99.4%，AFB2降解率≥99.2%。徐程鹏等[49]在自制的光催化反应器中，采用负载型TiO2对花生油进行降解，在煅烧温度400 ℃、光照强度26 μmol/(m2·s)、循环速度800 mL/min条件下反应120 min，AFB1降解率可达73.02%。光催化可以有效降解花生油中的黄曲霉毒素且处理后花生油的理化特性没有发生明显变化，包括脂肪酸组成、过氧化值、皂化值、酸值、游离脂肪酸、碘值、水分和挥发性物质以及折射率。TiO2光催化剂还可重复使用多达10次，为花生油中黄曲霉毒素的解毒提供了一种切实可行的方法。表2对化学方法降解黄曲霉毒素进行了总结。

表2 化学方法降解黄曲霉毒素总结Table 2 Summary of chemistry degradation of aflatoxin

3 生物技术

由于消费者对化学处理的食品安全性的担忧，利用微生物的食品解毒策略对消费人群具有无形的吸引力，所以黄曲霉毒素的生物降解技术成为具有吸引力的一个研究方向。在现有的研究当中，黄曲霉毒素的生物降解有三大类方法，包括微生物法、植物提取物法和酶法，本文介绍微生物法和酶法。

3.1 微生物法

微生物法是将细菌菌株接种到食物上，然后通过代谢或直接与AFB1结合来降解黄曲霉毒素。Ismail等[50]研究发现分枝杆菌、乳酸菌、芽孢杆菌等菌属都能达到降解AFB1的作用。Teniola等[51]发现分枝杆菌菌株DSM 44556T降解AFB1的最高能力≥90%，而反应4～8 h后的降解率接近100%。Bueno等[52]研究发现：①植物乳杆菌、发酵乳杆菌和干酪乳杆菌均具有降解AFB1的能力，能够有效降解25%～61%的AFB1；②AFB1降解过程快，但降解效果差，且降解产物会逆向反应变成AFB1；③干酪乳杆菌与AFB1的结合强于其他2种细菌。3种细菌和黄曲霉毒素的结合在1 min内完成，并在菌株表面与AFB1之间形成了一个可逆复合体来实现黄曲霉毒素的降解。Sangaré等[53]研究了铜绿假单胞菌N17-1在37 ℃营养肉汤培养基中培养76 h后，分别降低AFB182.8%、AFB246.8%、AFM131.9%。细菌与黄曲霉毒素的结合与实验菌株、基质、温度、pH、培养时间等多个因素密切相关。

3.2 酶法

酶法是利用各种生物来源的纯化酶对AFB1进行降解。Alberts等[54]发现从红葡萄球菌中提取的细胞外提取物以及从几种真菌中提取的乳酶可以有效降解AFB1。Loi等[55]将漆酶用于AFB1和AFM1的降解，但仅有漆酶存在作用时黄曲霉毒素降解程度较低，而加入10 mmol/L氧化还原介质，在反应72 h后，AFB1的降解效率从23%提高至90%，AFM1的降解效率则提高至100%。通过对生物酶降解AFB1机制以及降解产物的结构和毒性的深入研究发现，微生物通过分泌酶破坏AFB1结构中的双呋喃环和酮羰基，使AFB1异构化，从而改变AFB1的致癌性和毒性[56]。该研究表明微生物酶对黄曲霉毒素的降解并非作用于单一毒性位点。对于酶降解黄曲霉毒素的完整代谢途径及相关降解酶的特性仍有待深入研究。

细菌和酵母对黄曲霉毒素降解的生物学方法有很好的前景，在这些研究中的许多降解产物没有得到充分认识。如果不能对处理后的最终产品进行表征，就不能完全确定处理后食品的安全性。所以目前还不能对商业规模的食品采用这种做法。表3对生物学方法降解黄曲霉毒素进行了总结。

表3 生物学方法降解黄曲霉毒素总结Table 3 Summary of biological degradation of aflatoxin

4 问题与展望

黄曲霉毒素的降解是全球性食品科学研究热点，也是食品工业正在面对的巨大挑战。在应用这些新技术降解黄曲霉毒素的同时，了解黄曲霉毒素的解毒机制及其对食品的相关影响至关重要。经新型技术处理的食品不仅要去除黄曲霉毒素，更应保证其原有营养物质，不残留或产生新的有害物质。虽然每一项技术都存在或多或少的缺点，但它们确实有效地保护我们避免黄曲霉毒素中毒，并减少了经济损失。因此，黄曲霉毒素的新型降解技术具有重要的研究意义。