光催化降解真菌毒素的研究进展

李 理 江孝龙 王 锦 张宇冲 单晓雪 廖子龙 陈晋莹

(中储粮成都储藏研究院有限公司 610091)

1 真菌毒素概述

玉米、小麦等谷物是人类主食、动物饲料及食品加工原料的重要来源，其品质好坏直接关系到人畜的健康和加工业、畜牧业的经济利益，适宜的温度和湿度使粮食很容易感染真菌而产生真菌毒素。真菌毒素是真菌在食品或者饲料中生长繁殖过程中产生的一种有毒的次级代谢产物，真菌毒素污染农作物后可通过食物链进入动物体内，使其机体免疫机能下降、生长受阻、生产性能减弱，也会导致人类的抗病力降低而引发中毒[1]。

世界粮农组织(FAO)的调查报告指出，全球有25%以上的谷物受到真菌毒素的污染，导致食品和饲料产品损失约10亿公吨。据报道，在镰刀菌爆发年中，发霉玉米对美国的经济损失可能高达4600万美元[2]。Hu等人[3]在2016年调查了陕西省10个地方百余种玉米及其制品的污染情况，发现呕吐毒素(DON)、黄曲霉毒素(AFs)、玉米赤霉烯酮(ZEN)、赭曲霉毒素(OTA)等毒素均被检出，且样品总体检出率高达98.3%。Zhou等人[4]在2017年的调查报告中对全国各个地区的1034种饲料原料及配合饲料样品进行了检测分析，发现真菌毒素的污染非常普遍，其中小麦及麸皮中DON的最高值达到13348 μg/kg，玉米副产物中DON的最高值达到3949.00 μg/kg，是DON污染的高风险饲料原料。由此可见，建立简单快捷的真菌毒素检测方法，开发新的真菌毒素脱毒方法，对预防真菌毒素污染，减少毒素中毒事件发生至关重要。

2 真菌毒素的分类及危害

常见的真菌毒素主要由曲真菌、镰刀菌和青真菌等真菌产生，图1给出了部分真菌毒素的分子式，包括AFs、DON、ZEN、OTA与T-2毒素等[5]。目前已知的AFs主要有B1、B2、G1、G2以及两种主要存在于牛奶中的代谢产物的M1、M2，其中AFB1最容易产生、存在最多、毒性和致突变性最强，也是主要的致癌因子。镰刀菌产生的DON被列为第3类致癌物，美国食品和药品管理局(FDA)颁布的DON限量建议中规定人类所食用的麦制品中DON的含量不能超过1 ppm。ZEN也是由镰刀菌属的菌株-禾谷镰刀菌产生，会导致动物出现精神萎顿、死胎和延期流产等情况，严重时可造成流产、死胎，甚至死亡。OTA在世界范围造成的经济损失仅次于AFs，属于IIB类致癌物。真菌毒素广泛存在于小麦、花生、玉米等谷类中，不仅对消费者的安全产生了很大的影响，也使生产者受到严重的经济影响，因此已经有超过100个国家和组织建立了管理真菌毒素风险的法规。

图1 部分真菌毒素的分子式

3 真菌毒素的检测方法

真菌毒素作为谷物中无法消除的高风险污染物，其危害引起了世界各国的广泛关注，表1列出了GB 2161-2011中规定的部分食品中真菌毒素的限量标准[6]，这对真菌毒素的检测技术提出了更高的要求。作为控制食品质量安全和真菌毒素研究的一个关键点，常用的真菌毒素检测方法主要包括酶联免疫吸附法(EL1SA)、胶体金免疫层析法、薄层色谱法(TLC)、高效液相色谱法(HPLC)、气质联用(GC-MS)、液质联用(HPLC-MS)等[7]。

表1 食品中真菌毒素的限量标准

4 真菌毒素消减方法概述

真菌毒素污染是自然发生的，污染发生在作物种植、收获、储藏、加工、运输等各个阶段，且污染发生受环境影响较大。相比于农药残留和重金属等食品、农产品中常见污染物，真菌毒素污染产前防控技术难度大。随着人们对食品和农产品安全的日益重视，真菌毒素脱毒消减技术研究已成为农产品和食品安全领域的热点。目前的真菌毒素脱毒消减方法主要有物理方法、化学方法以及生物方法。

4.1 物理方法

常用的物理脱毒方法包括加热、吸附、挤压、洗涤、分选等。但有些真菌毒素结构较稳定，耐高温，一般的食品和饲料加工过程中很难被完全降解。而吸附法是利用吸附剂与真菌毒素结合，形成复合物去除真菌毒素的一类方法。真菌毒素吸附剂主要包括硅铝酸盐、活性炭、改性葡甘露聚糖、改性蒙脱土等。Galvano等人[8]研究了4种不同种类活性炭对水溶液中DON的吸附效果，4种活性炭吸附效果存在差异，最高吸附率可达98%。Frobose等人[9]研究海藻改性蒙脱土对DON的吸附性能，研究证明蒙脱土可减轻DON污染造成的猪体重下降等不良反应。吸附法操作简单，成本低，但真菌毒素毒性结构未被破坏，且其在机体内代谢机制不明，这可能是制约吸附法应用的主要问题。Cetin等人[10]则采用HPLC和EL1SA分别测定了挤压处理后玉米中DON的消减效果，挤压处理后，玉米中DON含量降低了21%～37%。分选主要是根据农产品色泽、比重等不同将受污染农产品剔除，从而降低农产品中真菌毒素污染风险。受镰刀菌感染的麦粒密度较未感染麦粒小，通过比重分选可使感病麦粒集中在轻质小麦中。另外，感病小麦的色泽异于正常小麦，将非正常色泽的小麦剔除也可降低小麦中DON污染风险。Huang等人[11]对比重分级去石机的参数(喂料速度、振动频率、筛体横向倾角、筛体纵向倾角、吸风量等)以及色选机的参数(通道进料比、分选精度等)进行优化，提升了污染麦粒的筛选去除效率，使小麦粉中DON含量满足限量要求，该加工工艺的DON去除率可达78.9%。

4.2 化学方法

化学方法是指使用化学试剂去除真菌毒素的一类方法，常用化学试剂包括臭氧(O3)、亚硫酸氢钠(NaHSO3)、亚硫酸钠(Na2SO3)以及碳酸钠(Na2CO3)等。O3降解技术因具有操作简单、不易引入二次污染等优点，被广泛应用于实际生产中。Li等人[12]使用O3处理浓度为1 μg/mL的DON水溶液30 s后，DON降解率达93.6%。O3可有效降解农产品中的DON。O3的氧化位点是DON中位于C9和C10位的双键，其通过氧化作用将DON分子降解为酸、醛、酮等简单分子。然而，Young等人[13]报道O3处理会导致小麦粉的流变学特性发生改变。此外，Na2SO3也被用于DON降解。Paulick等人[14]将每千克水分含量为30%的玉米中添加10 g Na2SO3处理8 d后，玉米中DON可被完全降解。Abramson等人[15]研究发现，将100 g含有18.4 μg/g DON的加拿大大麦加入到20 mL浓度为1 mol/L的Na2CO3溶液中，80℃加热3 d后，DON含量接近0。Xie等人[16]用1% NaHSO3水溶液、0.1 mol/L碳酸钠水溶液、5%石灰水水溶液和5%过氧化氢水溶液处理小麦，小麦中DON的降解率分别为69.9%、83.9%、21.8%和45.1%。为减少化学试剂对人体和动物的危害，研究人员从天然植物中提取了白藜芦醇等天然产物用于DON的脱毒研究。Kolesarova等人[17]则发现白藜芦醇可降低DON导致的动物生殖毒性。

4.3 生物方法

生物方法是利用微生物菌体的吸附或分解代谢作用去除真菌毒素的一类方法。筛选既具有脱毒能力又不破坏产品品质的微生物菌体是生物脱毒消减方法的关键。生物法因具有产物专一、条件温和、毒性低等优点受到广泛关注。国内外文献报道了多种具有吸附或降解真菌毒素性能的微生物菌体，它们的脱毒或降解能力有强有弱，其脱毒或降解率介于20%～100%[18,19,20]。目前，生物脱毒消减研究取得了一定进展，但研究主要侧重于菌株的筛选，真菌毒素的吸附机制和降解机制等关键科学问题仍需进一步深入探索。

4.4 光降解方法

真菌毒素的脱毒应当满足以下条件：①能够吸附或者破坏真菌毒素的毒性；②不产生二次有毒物质；③不改变原来食物的营养价值；④不产生太大经济成本。

5 光催化降解技术发展现状

光降解技术具有绿色、安全、高效等优点，因而越来越多地被应用于真菌毒素消减领域。

5.1 光催化降解技术及原理

半导体介导的光催化降解反应机理可分为三个阶段，如图2所示。

图2 半导体介导的光催化降解反应机理

5.1.1 光生载流子产生 半导体催化剂吸收光能，价带(VB)中的电子(e-)激发后跃迁至导带(CB)，同时在价带相应位置生成一个带正电的空穴(h+)，即在催化剂内部产生光生电子-空穴对[21]。光生空穴和光生电子分别具有很强的氧化、还原能力。

5.1.2 光生载流子分离 跃迁至导带的光生电子和价带生成的空穴统称为光生载流子。光生载流子可向不同位置迁移，其中一部分载流子在迁移过程中于催化剂的杂质或缺陷处发生电子-空穴对复合，并以热福射的形式将吸收的光能释放，另一部分光生空穴和光生电子分别沿晶格迁移至催化剂表面。

5.1.3 表面氧化还原反应 在光催化降解反应过程中，迁移至催化剂表面的光生电子和光生空穴可直接参与降解反应，但是起主要作用的基团是催化剂表面氧化还原反应产生的羟基自由基(·OH)和超氧自由基(·O2-)等活性自由基。这些活性自由基具有强氧化性，可与染料、色素、抗生素和真菌毒素等反应，实现对污染物的降解。

5.2 光催化降解技术在毒素消减领域的应用

光催化降解技术可实现低浓度高毒性污染物的降解，被广泛应用于污水处理、生活饮用水净化等领域。该技术不仅可以降解染料、色素、苯酚和抗生素等有机污染物，还可用于真菌毒素的降解(如图3)。

5.2.1 紫外光照射下的降解 Matsunaga等人[22]于1985年首次研究了TiO2在紫外光照下的抗菌(酿酒酵母)性能，并提出了光化学杀菌的新概念。他们使用半导体粉末(载铂的二氧化钛，TiO2/Pt)在光照的条件下对微生物细胞进行杀灭。将酿酒酵母与TiO2/Pt颗粒一起放在紫外灯下照射60 min～120 min可实现完全灭菌。由于整个细胞中的辅酶A被光催化氧化产生的活性氧物质氧化，使得细胞呼吸受到抑制，从而导致细胞死亡。随后，半导体光催化剂在抗菌领域的应用引起了研究者的极大兴趣。

图3 光催化材料用于真菌毒素的降解

Deng等人[23]则建立一种基于磁性TiO2-SiO2反蛋白石光子晶体微球光催化降解DON真菌毒素的方法。首先利用玻璃毛细管、聚四氟乙烯管以及移液枪枪头等材料自主设计制作出微流控设备、搭建微流控平台，结合自组装法及高温煆烧去除聚苯乙烯(PS)纳米粒子模板，最终制备得到磁性TiO2-SiO2反蛋白石光子晶体微球和TiO2-SiO2反蛋白石光子晶体微球。将制备得到的不同乳液配比的磁性TiO2-SiO2反蛋白石光子晶体微球和TiO2-SiO2反蛋白石光子晶体微球，进行250 W紫外灯照射，利用TiO2的光催化特性降解DON真菌毒素，通过高效液相色谱紫外检测DON真菌毒素的降解情况。对两种微球的不同乳液配比的光催化性能分别进行对比，实验得出：乳液配比为TiO2-SiO2=1:6(v/v)的磁性TiO2-SiO2反蛋白石光子晶体微球展示了最好的光催化活性，5 h内可以减少49%的DON真菌毒素。

而Shan等人[24]以未固化加工的纳米级试剂二氧化钛(TiO2)为研究对象，对小麦中DON的降解情况进行研究。通过在小麦粉和籽粒中添加TiO2，进行一系列的正交实验，观察小麦DON的降解效果，最后再验证添加TiO2对小麦的出粉率、色泽、气味、脂肪酸值、粗蛋白等相关品质指标的影响。研究结果表明：光照2 h，小麦粉和籽粒实验组降解率提升最快，相对降解率最高，紫外照射6 h，紫外光催化TiO2与紫外光协同作用使DON降解率可分别达到40.0%和32.8%，说明粉状未加工的纳米级TiO2对小麦DON有较明显的降解效果。

此外，Bai等人[25]通过水热法制备了石墨烯/ZnO复合材料，该材料在紫外光照射下对DON表现出优异的光催化降解性能。经过30 min光降解处理，DON降解率(15 ppm)可达99%。同时实验还表明，石墨烯/ZnO复合材料的活性是纯ZnO活性的3.1倍，且DON的降解后出现三个中间产物峰。通过ESI/MS谱图进行分析，证实了DON和中间产物的存在。

5.2.2 可见光照射下的降解 紫外光能量较高，可能会破坏农产品、食品以及饲料中的营养成分或风味物质。可见光催化降解技术可将低密度的太阳能转化为化学能，实现对有毒物质的消减，从而避免紫外光造成的底物损失。

Khadgi等人[26]采用氧化石墨烯(GO)和纳米Ag对铁酸锌(ZnFe2O4)进行改性制得ZnFe2O4-Ag/rGO纳米复合材料，用于微囊藻毒素-LR(MC-LR)的光催化降解。在可见光下表现出优异的性能，在120 min内完全降解MC-LR，伪速率常数k0.0515 min-1，比其他光催化剂TiO2(k0.0009 min-1)，ZnFe2O4(k0.0021 min-1)，ZnFe2O4-Ag(k0.0046 min-1)和ZnFe2O4/rGO(k0.007 min-1)快几倍。总有机碳分析显示，在120 min的反应时间内，只有22%的MC-LR矿化，表明降解过程中存在不同的中间副产物。采用液相色谱-质谱法(LCMS)对光催化处理过程中形成的中间体进行鉴定，从而提出了可能的降解途径。光催化过程中形成的·OH的攻击导致二烯键羟基化和断裂。对大型水蚤的毒性评价表明，降解过程减轻了MC-LR的毒性，并且在处理过程中没有形成毒性中间体，从生态毒理学的角度看这是非常重要的。因此，ZnFe2O4-Ag/rGO作为可见光活性和磁性光催化剂在环境领域具有良好的应用前景性能。

Graham等人[27]利用TiO2-Rh(III)可见光吸收型光催化剂，实现了对MC-LR的光催化降解。在20 min的光照下，90%的毒素被破坏。尽管TiO2/UV在紫外光照射下相对效率更高，但是使用可见光来驱动光催化反应的优势显而易见，远远超过在紫外光下稍快的动力学反应。因此，这些可见光吸收材料可以显著提高半导体光催化的活性，从而作为一种从供给饮用水中去除微囊藻毒素的光催化剂。

Sui等人[28]则采用离子交换法合成了Ag3PO4光催化剂，并用于MC-LR的降解。通过实验发现，初始pH值、Ag3PO4初始浓度、MC-LR初始浓度和循环实验均影响MC-LR的降解效率。采用液相色谱-质谱联用(LC-MS/LRES)检测降解产物。结果表明：降解过程符合拟一级动力学模型。在pH为5.01、Ag3PO4浓度为26.67 g/L、MC-LR浓度为9.06 mg/L的条件下，MC-LR降解量最大，5 h内降解率可达99.98%。此外，还对反应机理进行探究，得出了以下结论：①Adda芳环上的羟基化；②Adda的二烯键上的羟基化；③内部MC-LR环结构上的相互作用。

而Wu等人[29]制备了包覆二氧化钛光催化剂的纳米颗粒(NaYF4:Yb，Tm@TiO2)用于MC-LR的降解。在模拟太阳光照射下，初始pH值为4，NaYF4:Yb，Tm@TiO2浓度为0.4 mg/mL，MC-LR(10 μg/mL)的降解率在30 min内可接近100%。而相同条件下，使用纯TiO2(P25)作为催化剂，MC-LR(10 μg/mL)的降解率为61%。他们对反应过程进行了研究，并用拟一级动力学模型进行了拟合，发现高活性·OH是主要的活性物种。同时，采用液相色谱/质谱联用技术对MC-LR的7种降解中间体进行了分析，并对其降解机理进行了探究，根据中间产物的分子量，提出了主要降解途径为双烯键羟基化和芳香环羟基化。此外，他们还根据中间体的结构对产物进行了毒性评价，发现中间产物均为无毒性的。该工作表明，除了紫外光，近红外的能量也可以作为光催化的驱动源，具有高效和潜在降解MC-LR的潜力。

Jamil等人[30]采用复合前驱体法制备了纳米级未掺杂的、Sc掺杂的SrTi0.7Fe0.3O3材料，并通过XRD、漫反射和XPS对制备的光催化材料进行了表征。结果表明，所得的材料具有类立方相钙钛矿的结构。通过Sc掺杂，使该材料的立方晶格参数和单胞体积均增大，同时也减小了材料的带隙值(1.58 eV)。应用基质效应分析法在可见光范围内将AFB1的光催化脱毒作用与照射时间，AFB1的初始浓度、催化剂用量以及pH值进行关联分析。结果发现，在可见光作用下，Sc掺杂的SrTi0.7Fe0.3O3比未掺杂的材料对AFB1的光催化降解率要高。此外，以Sc掺杂的SrTi0.7Fe0.3O3作为催化剂，在可见光照射下，经过120 min处理，AFB1的去除率可达88.2%。

Wang等人[31]通过水热法制备了树枝状α-Fe2O3，并以树枝状α-Fe2O3、商业纳米α-Fe2O3为催化剂，在可见光下催化降解DON。DON光催化降解实验证明与商业纳米α-Fe2O3相比，树枝状α-Fe2O3降解DON的效率更高。经过2 h的光催化处理，90.3%的DON被降解，而以商业纳米α-Fe2O3为催化剂的对照组，DON的降解率仅为46.7%。此外，他们还对DON的降解机理进行了探究。通过实验证明，在光催化过程中催化剂表面产生大量羟基自由基(·OH)和超氧自由基(·O2-)。这些活性物质与DON分子反应，将DON分子中的环氧基破坏，脱氧形成碳碳双键。另外，C9,C10位的双键被氧化后碳链发生断裂形成降解后的中间产物。DON是B型单端孢霉烯类化合物，其结构上的12,13-环氧基团与其毒性有关，同时DON分子中3，7，15位的三个羟基基团也与其毒性有关，在该降解后的中间产物形成的过程中，以上毒性位点被不同程度的破坏，表明经过光催化处理后，DON的毒性可能会降低。

而Wei等人[32]利用热聚合方法构建了g-C3N4与Bi4O7的“Z”型异质结(DCN/Bi4O7)光催化材料，实验发现DCN/Bi4O7展现出了较优异的光催化性能。他们利用这种材料对烟曲霉菌进行光催化杀灭，催化剂表现出较好的可见光光催化杀菌活性，在可见光照射下，6 h内可以使80.6%的烟曲霉失活。同时，他们利用活性物质捕获、毒性实验、SEM、染色等讨论了杀菌机理。结果表明，DCN/Bi4O7在可见光下产生的高活性的自由基，如h+和·O2-，对烟曲霉菌的细胞壁和细胞膜产生了破坏，从而抑制或杀灭了萌发的烟曲霉菌。

Mao等人[33]成功地设计、合成了由纳米WO3、纳米g-C3N4片和还原态的氧化石墨烯(RGO)为固体电子介质的新型高效三元复合材料。与一元或二元催化剂相比，WO3/RGO/g-C3N4复合材料在可见光下对AFB1的光催化降解活性明显增强。结果表明，三元复合材料中存在协同效应，而协同效应又取决于组分的几何结构和界面组合。当RGO作为WO3和g-C3N4之间的过渡层时，形成了Z型结构体系，而在没有RGO的情况下，其形成机制为异质结型。通过自由基捕获实验和ESR检测，发现自由基·O2-、h+和·OH是AFB1光降解过程中的主要活性自由基。最后，Mao还提出了三元复合材料的光催化降解机理和降解产物。不仅为有效复合材料体系的设计与合成提供了有益的信息，而且为解决难降解天然污染物的问题提供了新的途径。

Mao等人[34]利用双氰胺重结晶后热分解产生的大块g-C3N4进行超声剥离，制备出横向尺寸约为100 nm±50 nm的无定形纳米g-C3N4。纳米g-C3N4在可见光下对AFB1的光催化降解性能优于块状g-C3N4。随后他们探究了纳米g-C3N4增强光催化降解效率的机理，通过一系列物理化学、光电性能表征证实了纳米g-C3N4具有较好的光生电荷分离能力和较大的比表面积。通过对降解产物结构进行分析，发现AFB1在块状g-C3N4和纳米g-C3N4上辐照2 h后，其初始光降解中间体(C17H14O7)或主要产物(C14H16O4和C12H10O4)存在差异，这可能与光反应过程中两种催化剂的光催化活性以及活性基团数有关。这项工作也为深入理解AFB1光降解的相关机理材提供参考信息。

Mao等人[35]又通过在WO3表面沉积CdS，制备了一种全固态Z型结构的复合材料。在可见光照射下，AFB1在水溶液中的毒性明显降低。通过高分辨质谱(HRMS)、自由基捕获试验和18O同位素标记研究，表明羟基自由基加成反应优先发生在C8、C9双键位点，从而使双键失活、AFB1脱毒。此外，他们运用密度泛函理论(DFT)计算进一步揭示了AFB1降减的反应机理，验证了羟基自由基最有可能与C9位点发生反应形成AFB1-9-羟基。这项工作深入探讨了AFB1中毒性位点的失活机理，并设计了有效的光催化剂来减轻有毒污染物的危害。

Gao等人[35]则通过原位静电组装制备了苝二酰亚胺(PDI)/氧掺杂g-C3N4纳米片(O-CN)全有机异质结光催化剂。在可见光照射下，PDI/O-CN-40%复合材料的杀菌效率显著高于O-CN，在光照3 h后几乎已杀灭了全部金黄色葡萄球菌(96.6%)，而相同时刻O-CN杀菌率仅为62.2%。此外，他们还探究了杀菌机理，通过一系列表征及实验表明，在光照下产生了大量具有强氧化性的活性物种，可以氧化细胞膜，使其变形。同时，部分金黄色葡萄球菌细胞表面出现一些大的空腔，可能导致细胞内容物泄漏，有利于活性物种进入细菌细胞内部，进一步促进金黄色葡萄球菌的失活。

6 展望

由于目前国内外降解真菌毒素的主要方法一般为物理降解法、化学降解法以及生物降解法，这些方法都存在产生二次污染物或者降解不彻底等缺陷。因此，利用纳米材料(诸如TiO2、g-C3N4及其复合物等)具有的优良特性作为光催化剂，可以有效改进这些方法的缺陷，且光催化降解真菌毒素简单方便、成本低，将越来越显示出广阔的应用前景。