小麦储藏过程中真菌毒素变化趋势及预警技术研究进展

王瑞虎, 李萌萌, 关二旗, 刘远晓, 卞 科

(河南工业大学粮油食品学院，郑州 450001)

小麦是世界性粮食作物，是我国人民最重要的口粮作物之一，是重要的储备粮和商品粮品种之一。由于小麦具有吸湿性强、后熟期长等储藏特性，小麦在储藏和运输阶段极易产生大量水分和热量，从而导致易受到真菌侵染及其产生的毒素污染，造成严重损失[1,2]。小麦中常见的真菌毒素包括黄曲霉毒素(AFs)、呕吐毒素(DON)及其衍生物3-乙酰基-DON(3-ADON)、15-乙酰基-DON(15-ADON)、DON-3-葡萄糖苷(D3G)赭曲霉毒素A(OTA)、玉米赤霉烯酮(ZEA)、雪腐镰刀菌烯醇(NIV)和伏马毒素(FUM)等[3,4]，小麦在生长、收获、运输过程极易受到产毒菌的污染，其中镰刀菌污染尤为严重，这些产毒菌在进入储藏后，在条件适宜时极易快速滋生并产生真菌毒素。这些真菌毒素会对人和动物体产生多种急性和慢性毒性效应，如免疫毒性、肾毒性、肝毒性、皮肤毒性和神经毒性等[5-7]。

适宜条件下，产毒真菌极易快速滋生并产生大量毒素，对产毒真菌早期生长活动做出预警，在毒素形成之前对真菌生长进行控制，对小麦储藏过程真菌毒素污染的预防具有重要意义。本文主要综述了小麦储藏过程真菌毒素变化规律，分析了温度、水分、环境湿度、储藏方式和原始带菌量对真菌毒素产生的影响，简述了小麦储藏过程真菌毒素预警技术的原理与研究现状，并比较了各种方法的原理与优缺点，以期为预防小麦储藏过程真菌毒素污染控制技术研究提供参考。

1 小麦中主要真菌毒素污染现状

小麦中真菌毒素污染主要来自两方面，首先是小麦生长收获时遭遇降雨等温暖湿润的天气，产毒真菌与毒素含量会大量增加；其次，在储藏期间，进仓前干燥不充分或储藏条件不当，也会导致真菌毒素的大量积累。目前，小麦储备体系主要由农户储粮与粮库储粮组成。全国大多数地区农户储粮设备落后、保管技术水平低、储粮观念落后，从而导致储藏过程中粮食品质下降严重[8,9]。粮库储藏小麦周期大部分为3～5年，随着储藏时间的延长与储藏条件的改变，以及小麦呼吸、害虫、害虫与真菌相互作用、害虫迁移、水分迁移等因素，粮堆中可能出现一定的发热霉变现象。发热霉变小麦会滋生大量真菌并产生真菌毒素，导致库存小麦安全性、营养价值与经济效益严重降低[10,11]。此外，田间真菌在小麦中的广泛存在导致入库小麦自身不可避免地携带污染，储藏过程中极易发生进一步霉变使真菌毒素含量上升。本文分析了近年来国内外对小麦中真菌毒素污染的调查研究，结果见表1。

世界各地小麦样品中，DON均为检出率最高的真菌毒素，伴随DON产生的3A-DON、15A-DON污染仅次于DON。研究表明，这些衍生物毒性与DON类似，同时可以在生物体内快速转化为DON，严重威胁人和动物健康，对DON及其乙酰化衍生物污染应高度重视[7，23]。其他真菌毒素虽检出相对较少，但由于它们的高毒性、联合毒性[24]，在小麦收储、加工时应注意监测。入库小麦受真菌毒素污染率普遍较高，而小麦储藏过程中，这些毒素又极易增长，甚至仅含DON的储藏过程中也会陆续发现3A-DON、15A-DON、ZEA[25]，极大影响了小麦的储藏安全。研究世界各地小麦真菌毒素污染水平与种类，有利于各地小麦入库标准的制定，实现小麦分级入库、合理入库，对受污染小麦尽早处理，防止正常小麦被污染，加深小麦储藏初期真菌毒素种类和污染变化情况的认识，实现科学储粮、绿色储粮。

表1 小麦中真菌毒素污染现状

2 储藏环境对小麦中真菌毒素变化的影响

2.1 温度、水分与真菌毒素变化的关系

小麦中的产毒真菌大多是植物病原真菌，其中镰刀菌为小麦中主要的产毒真菌，这些真菌在收获后随着小麦进入储藏过程，在条件适宜时就会产生真菌毒素，温度、水分、时间等是影响小麦真菌产毒的主要因素[26,27]，小麦中常见真菌毒素最适产毒温度水分活度如表2所示[28-30]。

表2 小麦中常见真菌毒素最适产毒条件

温度与水分活度是影响小麦储藏过程发热霉变的关键因素。刘露露[31]研究了不同含水量小麦发生霉变的极限条件，在小麦储藏的常温(15～25 ℃)与极端(25～35 ℃)条件下，含水量为16%的小麦安全储藏期分别为33、6 d。小麦中大多数微生物为中温性微生物，20～40 ℃是大多储粮真菌的最适生长温度，因此，在小麦储藏过程中，保持常温环境，甚至采用低温储藏是防止小麦发热霉变的良好措施。水分是产毒真菌生命活动的必要条件，常温(15～25 ℃)条件下，含水量为16%、18%、20%、22%的小麦安全储藏期分别为33、24、6、5 d。在20 ℃、20%含水量的条件下，DON含量为111 μg/kg的小麦在储藏28 d后，平均DON含量增加至2 186 μg/kg；在相同温度和时间条件下，小麦含水量在17%时，DON含量仅增长了9倍，OTA含量均无显著变化。研究发现，水分含量较高时DON含量增加较快，且短时间内DON含量可能迅速上升；相同温度条件下，小麦安全储藏期随小麦水分含量的升高而降低，真菌毒素增长速率随小麦水分升高而降低[32]。虽然当前小麦入库水分较低，大多数地区入库安全含水量为13%，根据地域不同略有不同，但在储藏过程中若出现漏水，高温高湿天气等情况，小麦水分仍可能会迅速上升，因此，储藏过程中应严格控制小麦水分，防止小麦水分过高发热霉变。

粮库中小麦储藏应根据地区、经济条件采用自然低温储藏、通风降温、机械制冷降温等方式保证小麦在低温环境中储藏，农户储粮应尽量将小麦储藏于阴凉位置。高水分含量小麦在储藏时会迅速霉变产毒，小麦入仓时水分应严格控制小麦含水量低于12.5%[33]，再行入库。在新麦入仓完成后熟作用时，小麦会释放较多水分与热量，造成小麦局部温度、水分含量过高，因此应加强检测力度，做好通风降温降湿工作。

小麦储藏安全性不仅取决于水分和温度的单独作用，也决定于两者的联合作用。因此，在一定温度情况下，小麦存在一个可以安全储藏的水分，即“安全水分”，小麦储藏安全水分值随着温度的不同而不断变化。模拟储藏条件下，温度每增加5 ℃，相应的安全含水量降低0.5%；小麦的安全含水量一般在2、30、35 ℃下分别为13.5%、13%、12.5%[34]，储藏时应确保小麦水分含量不高于安全水分。

2.2 温度、湿度与真菌毒素变化的关系

小麦储藏时，环境湿度会显著影响产毒真菌的生长传播。空气湿度较低时，产毒真菌易失水停止生命活动，较高的空气湿度则会促进产毒真菌的生长与传播。高温高湿环境中，产毒真菌极易迅速生长产生真菌毒素。Zhang等[25]研究结果显示，仅含DON毒素的小麦，随着储藏时间的延长，样品中陆续检测出3-ADON、15-ADON、ZEA等真菌毒素。15 ℃、50%相对湿度下，真菌毒素含量变化不大；20 ℃、65%相对湿度与30 ℃、80%相对湿度下，DON等含量缓慢上升，18周时达到最大高值，之后趋于稳定，DON等最终含量随温度升高而升高；在25 ℃、75%相对湿度DON等含量迅速上升，毒素含量上升最快最多。30 ℃下，DON含量增长较慢，这可能因为25 ℃是镰刀菌的最适产毒温度，15 ℃、50%相对湿度是小麦最适储藏条件。Homdork等[35]研究小麦储藏过程ZEA、DON、NIV变化观察到相似趋势，在25 ℃、90%相对湿度条件下，产毒真菌生长最快、产毒最多。较高湿度条件下，小麦真菌毒素含量均呈较快的增加趋势，25 ℃条件下小麦DON产生更快最多。因此，高温高湿季节小麦储藏应时刻注意及时通风降温降湿，尽可能使储藏环境保持在15 ℃、50%相对湿度条件以下，可以采用气调储藏、密闭储藏等受外界环境波动干扰较小的储藏方式。同时原本仅含DON的小麦也会产生其他真菌毒素，应建立完备的储藏真菌毒素监控系统，预防其他毒素危害小麦储藏安全。

2.3 储藏方式对真菌毒素变化的影响

储藏方式对储藏小麦真菌毒素变化趋势也具有显著影响，落后、较差的储藏方式如传统袋装储粮、农户小型仓储粮亦或管理措施、设备不完善的筒仓，储藏小麦受环境影响较大，又不能合理及时调整小麦状态，极大增加了小麦中真菌毒素产生的可能性，良好的储藏方式是预防小麦采收储藏时毒素含量升高的重要措施[36]。Joubrane等[37]对黎巴嫩2个的仓库研究发现，随着储藏时间增长，小麦中AFB1和OTA含量显著增加，这2个仓库的管理混乱，卫生条件较差，且研究期间温湿度较高，粮温水分变化较大。在意大利，采用密封的聚乙烯袋储藏小麦DON含量变化不显著，被认为是可行的，这可能与筒袋仓严格密封的环境有关。采用外界接触进行物质交换的储藏方式，可以有效减少真菌毒素污染的发生[38]。同样，小麦在聚乙烯袋、牛皮纸袋和布袋中，室温储存180 d后，DON、15-ADON和3-ADON的含量在储藏期间呈降低趋势，D3G含量明显上升，DON及其衍生物在小麦籽粒储藏期间可能发生相互转化[39]，但总体毒素含量未上升，毒性反而有所降低。因此，条件控制合理的袋装储藏效果甚至比黎巴嫩的仓库效果更好。常温库和地下仓库15.7%含水量的小麦在储藏60 d后DON毒素含量降低，但出现虫蛀现象。4 ℃冷库未发生虫蛀现象，毒素含量无显著变化，为理想的储藏方式[40]。后两者均为研究人员在实验条件下完成的，相较黎巴嫩仓库疏于管理而言储藏条件控制均较为严格，小麦中真菌毒素含量未出现显著增长，在没有仓库时，采用袋装储藏小麦做好熏蒸杀虫、机械通风、防鼠等工作亦是可行的，而仓库储藏则需要制定更加严格的管理管理措施，及时通风降温降湿，做好熏蒸工作等，必要时及时出库。同时，低温库可以更有效防止毒素含量上升及虫蛀现象，小麦储藏时应尽量采用低温储藏的方式，减少因储藏方式不合理引起的真菌毒素含量上升。

2.4 原始带菌量与真菌毒素变化的关系

新收获小麦有较长时间的后熟期，在收获后一定时间内呼吸作用较强，新陈代谢速率快，极易使粮堆发热，微生物数量迅速增长产毒，因此，小麦入库后带菌量高低直接关系真菌毒素含量的变化。Homdork等[35]等在25 ℃、90%相对湿度条件下进行为期36周的储藏实验发现，严重感染的小麦样品(52%镰刀菌感染)DON含量变化不显著；轻微(4%)或中度(15%)感染水平储存时DON含量迅速增加；所有样品储藏末期ZEA的含量均增加至最高水平，在储藏过程中均陆续发现原始样品不含有的NIV。同时实验表明，DON、D3G和3-ADON主要是由真菌感染谷物初期产生的，当产毒菌成为优势菌群后，它们不再产生真菌毒素，但此时真菌毒素的污染已经发生了。镰刀菌(2%污染)污染程度很低时，在20 ℃含水量为20%条件下储藏8周，DON、NIV含量变化不显著[41]。可见，初始带菌量低时，高水分小麦真菌毒素产生也相对较慢。而入库小麦镰刀菌污染程度往往处于极易增长产毒的状态，因此，在小麦入仓之前，应检测其原始带菌量，对入库小麦储藏状况和储粮稳定性进行分析，根据结果考虑小麦是否应经过某些处理再进行储藏，如熏蒸、灭菌等；根据初始带菌量种类对后期微生物区系的演替做出预测，确定取样间隔，及时取样分析，根据真菌不同变化规律对真菌毒素危害做出早期预报，针对不同真菌变化及时采取通风、干燥、熏蒸或及时加工利用等措施，防止真菌毒素污染的发生。

3 储藏小麦真菌毒素预警技术

3.1 储藏真菌毒素预警技术原理

真菌毒素的产生往往伴随真菌在小麦中的大量繁殖，导致小麦品质发生严重的劣变。真菌寄生在小麦中快速繁殖，会逐渐破坏细胞结构，损害胚乳中的营养物质，小麦湿面筋含量、面筋强度、降落数值等均出现不同程度下降，破损淀粉含量、脂肪酸值上升；放出大量热与二氧化碳等气体，产生特异性气体，使储藏环境温度升高、粮堆生物活性升高，产生真菌毒素，危害小麦储藏安全[42，43]。这些变化为储藏小麦产生真菌毒素的预警提供了基础，国内外据此相继提出了储藏动力学模型、气体检测预警技术、微生物活性技术。

3.2 储藏真菌毒素预警技术现状

储藏动力学模型主要通过模拟储藏实验对微生物生长产毒进行预测。彭坚等[44]以小麦为基质，考察温度对小麦与黄曲霉生长的关系，采用Ratkowsky方程拟合不同温度下黄曲霉生长二级模型，当温度接近黄曲霉最低生长温度时，拟合效果较好，R2可以达到0.99，可以较好预测小麦中黄曲霉生长情况。Mateo等[45]利用人工神经网络基于带菌量、温度、水分和时间来预测小麦中DON的积累，使用数据矩阵验证优化各网络，在预测值与目标之间获得最佳拟合网络，预测R2达到0.95以上，验证了神经网络系统在DON积累预测中的应用前景。但目前大多模型都缺乏适用性，由于模型输入变量的局限性与数据量的缺乏，模型缺乏严谨性与代表性，且大多预测模型采用小麦培养基进行的，在实际储藏过程的准确性仍有待进一步验证。

霉变过程真菌代谢活动会显著增加粮堆呼吸作用并产生特异性气体，与正常粮堆有显著差异。白静静[46]研究不同温度条件下CO2浓度检测值与真菌早起生长数量变化关系，制定了粮堆CO2检测值变化解析储粮真菌生长活动的规则，以此为基础构建了一套可以远程稳定监控储粮真菌活动情况，实现了终端的数据查询与报警的检测系统，在实仓化学熏蒸、机械通风时仍具有较好的效果，为小麦储藏早期监测提供了新的技术手段。利用电子鼻对储粮真菌进行早期检测和鉴定，发现该检测法可以根据气味早期检测到真菌的活性，并可以对相关真菌种类进行鉴定[47]。赵天霞等[48]采用电子鼻对不同储藏阶段小麦样品挥发性气体成分进行检测及多元统计分析，建立了一套电子鼻响应信号与霉菌侵染程度定性分析模型，对不同霉变程度样品具有较好的区分效果。CO2气体检测法与电子鼻法能快速、准确的反映储粮的安全状况，相较于传统的温度检测法可以更灵敏、更精确的监测到霉菌的活动。但现有研究多在实验室或模拟仓中进行，实际储藏过程仍需与粮温监测技术相结合，进一步完善技术体系，优化技术参数，为实仓运用奠定基础[49]。

蔡静平等[50，51]研究确立了以小麦表面过氧化氢酶活力变化为依据的储粮微生物活性监测技术，可以快速检测小麦表面微生物活性，准确度、灵敏性、重新性较好，操作更加简便快捷。牛冰洁等[52]进一步研究发现小麦霉变状况可以以真菌数量变化为指标，利用过氧化氢酶活性对粮食霉变快速检测，可以迅速反映不同品种小麦真菌数量的增加变化，在小麦储运时可以准确分析其霉变状况。相较于传统的、检测周期长的带菌量检测技术，微生物活性检测技术可以快速反应粮食带菌量，在对粮食储藏期间霉菌的危害有很好的预警效果，对减少真菌毒素的产生具有较高的可靠性。但该技术也存在一定的局限性，实仓储粮过程难以取得所有粮层小麦样品，且熏蒸时不能工作人员难以入仓进行检测，此时就需要与其他技术结合以实现预警效果。

4 总结与展望

随着小麦真菌毒素发生地区与发生频率的持续上升，真菌毒素污染已成为小麦产业的重大威胁。在储藏过程中，小麦中真菌毒素的产生主要受小麦水分含量、环境温湿度、储藏方式、原始带菌量等的影响，在水分含量较高、高温高湿环境或较高带菌量情况下，小麦真菌毒素含量极易快速升高。实际储藏中，小麦入库含水量应严格控制于12.5%以下，大规模储藏采用低温储藏、气调真空储藏等方式控制小麦储藏在15 ℃、50%相对湿度条件以下，加强小麦入库环节原始带菌量检测，适当对小麦采取干燥、熏蒸、灭菌等措施，以防止真菌毒素的产生。

随着对小麦储藏过程真菌毒素变化规律不断深入，目前已经发现了许多规律与预警方法，但对其规律研究多集中于实验室研究阶段，实验室研究多是在有限条件下进行的，基于有限数据基础上获得的规律，与实际储藏差别较大，且研究不可能针对所有小麦品种，只能针对个别特定品种小麦进行分析，数据不足与条件差别是制约实验结果准确性和可信度的最大难题。应获取尽可能多的数据对其规律与预警方法进行完善，但大量数据的获取本身就是很大的难题。同时研究的真菌毒素种类也较少，较难准确对小麦真菌毒素毒性进行预测。今后应着重研究构建真菌毒素预警模型，通过小麦在一定环境条件下的产毒概率直观反映小麦安全状况，并加大对多种真菌毒素协同作用的研究力度，对小麦储藏过程多真菌毒素变化情况也应重点关注。同时，由于各地环境不同，应根据不同地区实仓情况，细化小麦储藏环境，研究验证其在不同储粮生态区中的应用。