食品和饲料中霉菌毒素污染及生物降解方法

冯 利，程丹丹，曹 珍

（河北工业职业技术大学，河北石家庄 050091）

在世界范围内，被霉菌污染的原料有食品和饲料原料，如谷物、油籽、水果、牛奶及食品工业产品（如面粉、果汁、啤酒、葡萄酒、乳制品等）。霉菌毒素是由霉菌产生的有毒化合物。被霉菌毒素污染的饲料对动物健康构成威胁，因此，由于畜牧业效率较低，可能造成重大的经济损失，同时，也可能对人类健康构成威胁。食品和饲料中最重要的真菌毒素是黄曲霉毒素、赭曲霉毒素A和镰刀菌毒素（玉米赤霉烯酮、伏马菌素等），主要有3种方法可能避免真菌毒素的影响，如防止污染；去除含真菌毒素的食品和饲料；抑制食品中真菌毒素含量进入消化道（房祥军和邹晓庭，2006）。理论上最合理的预防方法无疑是培育抗霉菌感染的谷物和其他食品和饲料植物，从而排除霉菌毒素的产生，特别是在小麦和玉米育种方面。基因工程为育种者开辟了新的可能性，通过鉴定微生物种类，编码降解霉菌毒素酶的基因可以将这些基因转移到植物中，并通过转基因植物生产这些酶（李海芬等，2011）。预防霉菌毒素污染的另一种实用方法是抑制霉菌生长及其产生霉菌毒素，因此，最佳的收获、储存和处理方法可以成功地防止霉菌生长。

1 霉菌毒素处理方法

用一些化学方法处理谷物以防止霉菌毒素形成是可能的。如已经发现约有100种化合物可以抑制黄曲霉毒素的产生，这些化合物中的大多数都是通过抑制真菌生长而起作用的。两种广泛研究的黄曲霉毒素合成抑制剂是敌敌畏（一种有机磷杀虫剂）和咖啡因。最简单的去污方法可能是通过人工选择、物理去除受污染的谷物，这是一项费时费力的工作，而且在许多情况下是不可能的，如小麦在磨粉过程中，麦麸中霉菌毒素含量增加，面粉中霉菌毒素含量降低。此外，大多数霉菌毒素耐热，通常应用于食品工艺的热处理对霉菌毒素水平没有显著影响。利用碱和氧化剂等不同的化学物质将霉菌毒素转化成无毒产品。碱性化合物，如氨、钠和氢氧化钙，特别用于破坏黄曲霉毒素，尽管这种处理几乎可以完全消除霉菌毒素，但这些化学物质也会导致一些营养物质的损失（张恒达等，2014）。最后，不可消化吸附剂可以用来防止霉菌毒素被消化道吸收，这种吸附剂在饲料中被使用。如有报道成功地将黄曲霉毒素B1吸附在水合-钙铝硅酸盐及乳酸菌的细胞壁上（Lahtinen等，2004），但吸附的同时也会造成必需微量营养素的损失，这是这种解毒方法的潜在缺点。尽管如此，一些吸附剂仍被用于饲料添加剂。虽然目前使用的方法在某种程度上是成功的，但大多数方法都有其缺点，首先对重要营养素的吸附作用，而且通常成本高。

2 霉菌毒素生物降解

霉菌毒素生物降解最常用的策略之一是分离能降解给定霉菌毒素的微生物，并在适当的发酵过程中处理食品或饲料。从食品安全的角度看，应优先考虑食品生产中常用的微生物发酵，如乳酸菌发酵、酵母发酵等。在最佳的情况下，这一程序可以产生无霉菌毒素的食物或饲料。另一种方法是观察一些动物消化道的微生物能降解霉菌毒素，将这些微生物从动物体内分离出来，其制剂可用于上述发酵过程，同时通过优化它们在胃肠道中生长的最佳条件来促进它们在消化道中的活性也是一种可能的方法，因为理论上这些微生物也可用作为益生菌添加到食品或饲料中。第3个战略越来越重要，它与分子生物学和遗传学的发展有关，对参与真菌毒素降解酶的认识开辟了一些新的途径，如在食品或饲料生产中常用的转基因微生物的生产和它们用于上述酶的生产，或者将编码这些酶的基因转移到转基因植物中，并利用这些植物生产降解霉菌毒素的酶（计成，2012）。

通过发酵来净化谷物的想法是在20世纪80年代初提出的，如用受玉米赤霉烯酮污染的玉米发酵生产乙醇。Sawinski-Acsadi（1983）研究表明，受伏马毒素污染的玉米可以作为假丝酵母中间发酵底物，可以将最初的毒素活性降低到原来的1/10，几乎全部存在于发酵液中，而在饲料蛋白质中没有检测到毒素。Flesch和Voight-Scheuerman（1994）研究了酵母乙醇发酵对镰刀菌毒素的潜在影响，发现了不含环氧基团的衍生物，这表明可能存在一种酵母表羟化酶，同时其也认为酵母可能产生连接酶和酮烯醇互变异构酶。

赭曲霉毒素A是一种真菌毒素，污染不同的植物及其产品，包括谷物、咖啡豆、葡萄和其他水果、果汁、啤酒和葡萄酒。葡萄和葡萄酒被认为是赭曲霉毒素摄入量的第二大来源，仅次于谷物。相关研究报道了赭曲霉毒素可被瘤胃细菌降解，但相关细菌尚未被分离和鉴定。Cheng-Ah-Hwang和Draughon（2014）通过筛选细菌和酵母来检测能降解赭曲霉毒素的微生物，他们筛选了37种细菌、10株酵母菌和12种霉菌，结果发现，在25和30°C条件下，添加赭曲霉毒素的初始浓度为10 μg/mL时，醋酸杆菌能降解赭曲霉毒素。用蛋白水解酶降解赭曲霉毒素的试验结果并不理想，如Abunrosa等（2006）利用曲霉菌株的蛋白酶制剂和酶提取物观察到赭曲霉毒素水解活性较差。尽管大多数研究人员在酿造过程中观察到液相中赭曲霉毒素含量下降，但目前关于赭曲霉毒素移除机制的报道存在争议。此外，尽管这些研究结果在减少赭曲霉毒素污染方面看起来非常有前景，但需要进一步研究降解产物的特性，并研究这些细菌在食品和饲料中的活性。

早期研究表明，pH和温度影响细胞对毒素的摄取，其中高数量的细胞比低数量的细胞能去除更多的黄曲霉毒素，而大量的热灭活细胞也被证明可以与一些黄曲霉毒素相结合，这些毒素很容易通过水洗得到，如金黄色黄杆菌B-184对牛奶、植物油、玉米、花生、花生酱和花生牛奶中黄曲霉毒素的去除能力已被证明是有效的，但与这种细菌相关的亮橙色色素可能会限制它在食品和饲料发酵方面的适用性（汪洋等，2014）。进一步研究发现，许多微生物都能降解黄曲霉毒素B1，这些微生物包括红色棒状杆菌、黑曲霉、绿色木霉、二歧毛霉、树胶毛霉、灰霉病毛霉、红毛霉、米根霉等。Line等（1994）使用了放射性标记（C14）黄曲霉毒素B1，该物质可以通过闪烁计数程序精确地追踪和检测，这项技术允许检测放射性标记的黄曲霉毒素形成的放射性二氧化碳，因此，其存在证实了黄曲霉毒素被微生物降解，因为实验过程中释放了放射性标记的二氧化碳，表明放射性标记的黄曲霉毒素被黄杆菌降解。由于黄曲霉毒素B1是一种多芳香族化合物，其降解酶（联苯双加氧酶、二氢二醇脱氢酶和水解酶）可能与其他芳香族化合物（如多氯联苯）的分解代谢途径相同，因此，了解这些酶的基因编码将有助于开发和生产新的、有效的黄曲霉毒素降解酶制剂（邓利红和胡建安，2018）。

3 胃肠道微生物及酶制剂对霉菌毒素的降解

虽然在上文已经介绍了微生物发酵过程去污染含霉菌毒素的食品和饲料的许多可能性，但由于在商业水平上实现困难和成本高，这种真菌毒素的生物降解方法仍然受到限制。真菌毒素在动物消化道中的研究表明，消化道微生物区系中存在的几种微生物能降解真菌毒素。反刍动物对霉菌毒素的普遍抗性与这些微生物的存在有关，包括瘤胃中的原生动物。基于这一观察结果，一种真菌毒素生物降解的替代策略已经发展，消化道微生物已经能降解真菌毒素，但这些微生物仍然需要被识别，然后对其生态进行研究，以确定在胃肠道中生长的最佳条件，以及它们实际应用限制。益生菌被广泛应用于食品生产，可用来平衡肠道菌群和预防胃肠道疾病。Peltonen等（2000）研究了益生菌在体内和体外条件下对黄曲霉毒素的结合作用，观察到鼠李糖乳杆菌可干扰肉鸡肠道对黄曲霉毒素的吸收，其中乳酸菌和双歧杆菌与黄曲霉毒素B1体外孵育，测定上清液中的毒素残留量，结果发现，黄曲霉毒素结合率为5.8%～31.3%。

Young等（2007）研究了鸡肠道微生物对天花粉霉菌毒素的降解，观察到12种天花粉毒素的降解有两条途径——脱酰化和脱环氧化。基于真菌毒素降解微生物代谢过程的研究进展，已经确定了参与降解过程的特定酶，这一事实加上基因工程的发展，为减少食品和饲料中霉菌毒素污染开辟了新的途径。基因工程技术可用于向植物引入解毒基因，Liu等（2001）报道了镰刀菌毒素降解酶已在转基因植物中成功表达，转基因植物籽粒中的霉菌毒素水平明显低于常规植物。但公众和科学上对使用转基因植物作为食品和饲料成分的担忧使这种方法受到质疑。另一种选择可能是使用分离和纯化的含有活性的微生物提取物来降解霉菌毒素。

4 展望

人们普遍认为，消除霉菌毒素引起的问题的最好方法是有效预防。分子生物学的最新成果可能为种植饲料原料和粮食植物开辟新的途径。研究发现，微生物似乎是适用于霉菌毒素生物降解的主要生物。从理论上讲，任何有机化合物（包括真菌毒素）都可以通过氧化降解作为需氧微生物的一种可能的能量来源。对霉菌毒素具有耐药性的微生物在这类研究中具有最高优先地位，其抗性的生化机制研究有助于发现能去除霉菌毒素的微生物。随着分子生物技术的应用，具有多种功能特性（包括降解霉菌毒素）的微生物菌株可以被改造，以显著提高食品安全性和可接受性。尽管在这一领域有大量的研究和大量的出版物证实了各种微生物降解霉菌毒素的能力，但到目前为止取得的结果可能被视为发展实际商业技术的第一步。大部分试验是在模型系统和实验室条件下进行的，在许多情况下，使用混合培养的微生物，它们通常不是食品微生物区系的一部分。因此后续基于动物消化道中存在的霉菌毒素降解微生物，这些微生物的活性可能会增加，它们可能被用于体内降解霉菌毒素或作为益生菌。