改性蒙脱石消减黄曲霉毒素B1的研究进展

韩露露，程玲，杨祥龙，毛劲*，盛峰，张奇，李培武

（1.中国农业科学院油料作物研究所，湖北武汉 430062）（2.湖北大学生命科学学院，湖北武汉 430062）

真菌毒素是由真菌产生的有毒次生代谢产物，广泛存在于霉变的食品、农产品和饲料中。全球每年约有25%的粮食油料作物受到不同程度的污染，对食品、农产品和经济贸易造成巨大的损失[1]。真菌毒素中最常见、危害最大的一类毒素为黄曲霉毒素，它们具有类似的结构，均为二氢呋喃香豆素的衍生物。研究表明，黄曲霉菌在 10 ℃～40 ℃范围内均可产生黄曲霉毒素，最适产毒温度为 20 ℃～35 ℃[2]。我国一些地区处于亚热带气候区域，高温高湿的环境使得粮油受黄曲霉毒素污染更为严重。徐文静等[3]对中国8省738份市售食用植物油中黄曲霉毒素污染状况进行调查，发现食用植物油样品中黄曲霉毒素总含量为 0.06～221.00 μg/kg，平均含量为 19.30 μg/kg。黄曲霉毒素包括黄曲霉毒素B1、B2、G1、G2、M1、M2，其中B1毒性最强[4]。黄曲霉毒素不仅严重威胁产业和经济贸易的发展，还影响整个食物链，因此，如何高效消减黄曲霉毒素成为研究热点和难点。

常见的消减黄曲霉毒素方法包括化学法、生物法和物理法等。化学法包括臭氧降解、有机酸降解和氨化脱毒法等，通常使用酸、碱、氧化剂等与黄曲霉毒素反应，破坏黄曲霉毒素的结构，使其转化为无毒或毒性更小的物质[5,6]；生物法大多利用生物降解技术去除黄曲霉毒素或降低其毒性，主要有微生物降解和生物酶降解[7]；物理法包括吸附、高温、辐射和超声降解等。吸附法是目前研究和应用较多的方法，常用吸附材料包括活性炭、生物活性物质和铝硅酸盐如蒙脱石、沸石等。天然蒙脱石具有较为疏松的孔隙结构，拥有较好的稳定性和离子交换能力，具有一定的吸附毒素的性能，但其在实际应用中仍存在效率不高、选择性差等问题，而通过各种改性方法能有效提高其吸附消减性能。因此，本文主要综述了改性蒙脱石吸附消减黄曲霉毒素B1的研究进展。

1 黄曲霉毒素B1的毒性及吸附消减方法

1.1 黄曲霉毒素B1的毒性

黄曲霉毒素B1（AFB1）是黄曲霉、寄生曲霉等真菌产生的具有香豆素和双呋喃环结构的毒性次级代谢产物[8]，是迄今为止发现的理化性质最稳定的真菌毒素之一，被国际癌症研究机构列入Ⅰ类致癌物[9]。研究表明，AFB1具有三个毒性位点，其中呋喃环上的位点是导致基因突变和引发癌症的功能性基团，是AFB1毒性强的原因[10]，也导致其具有很强的致畸性、致突变性与致癌性，主要影响人类及牲畜生长发育，破坏肝脏系统、免疫系统和生殖系统[11,12]，造成氧化损伤，并引发肿瘤等严重疾病[13]。粮油作物如花生、玉米、稻米及其产品等极易受AFB1污染，它们是很多食品和饲料的原料，也是食用植物油的主要来源。为避免AFB1污染进入食物链对人或动物造成毒害，开展绿色高效的黄曲霉毒素消减具有重要的意义，目前利用吸附剂脱除黄曲霉毒素污染是最常用的方法之一。

1.2 常用的AFB1吸附剂

1.2.1 活性炭

活性炭是由木屑、蔗渣、谷壳等经过碳化后，再通过物理或化学活化处理而成的物质，是最早的吸附材料之一[14]。活性炭拥有惰性表面，吸附作用完全依靠色散力，对非极性有机物有较强的吸附性，能吸附AFB1等多种真菌毒素。最早Decker等[15]提出活性炭对AFB1具有吸附作用，其研究发现在体外中性pH值条件下，活性炭能够吸附AFB1并形成稳定的化合物，将饲料中的黄曲霉毒素有效的脱除。Edrington等[16]发现活性炭可以减轻鸡饲料中 AFB1的毒害作用。陈金定等[17]利用WY1、WY2活性炭测定其对玉米毛油中AFB1的脱除率，结果显示在吸附温度100 ℃、吸附时间25 min、活性炭添加量0.2%条件下，两种材料分别将毛油中AFB1从39.28 μg/kg降至18.09、17.86 μg/kg，达到国标限量指标；当两种活性炭材料添加量为2%时，玉米毛油中AFB1的脱除率分别可达94.35%和95.72%，其中WY2活性炭将玉米毛油中AFB1降至欧盟限量标准。但由于活性炭可能存在选择性差的问题，在吸附霉菌毒素的同时也会吸附其他营养物质[18]，因此在实际应用中受到了限制。

1.2.2 生物活性物质

生物吸附剂主要是利用失活微生物细胞表面结合食品中的各种霉菌毒素[19]。吸附过程是在带有活菌的培养液中进行，菌体与 AFB1通过非共价方式结合形成复合体，从而降低微生物菌体自身的吸附能力，最终与 AFB1一起排出体外，达到降低毒素危害的目的[20]。目前研究的生物吸附剂包括酵母细胞壁、乳酸菌和植物纤维等。1999年Nagendra[21]发现双歧杆菌和乳酸菌能分别与 AFB1反应形成稳定复合物，有效的吸附 AFB1。朱新贵等[22]选用枯草芽孢杆菌、乳酸菌和醋酸菌降解 AFB1，研究结果表明材料均可大幅度降解AFB1，降解率分别为89%、88%、81%。酵母细胞壁是一种具有多吸附位点的生物吸附剂，可通过氢键、离子键和疏水作用力等对 AFB1产生吸附作用，并且添加用量少、不影响机体对矿物质的吸收、对环境不造成影响，研究较为广泛。钱潘攀等[23]研究制备了一种双效型细胞壁提取物，主要功能可抑制黄曲霉孢子萌发并且具有吸附毒素能力，研究结果表明制备的提取物对黄曲霉毒素的吸附能力达到了2.5 μg/mg。Liew等[24]对干酪乳杆菌Shirota在体内与体外与AFB1的结合效率进行了评价，发现热处理后的细胞与 AFB1最大结合效率为81%。微生物吸附具有安全性高、特异性强等优点，但其可能受到外界环境影响条件较多[25]，成本较高是目前亟需解决的关键问题。

1.2.3 铝硅酸盐

铝硅酸盐是研究较多的真菌毒素吸附剂，它由硅氧四面体和铝氧八面体通过共用氧连结而成，具有不饱和负电荷及阳离子交换能力，因此可用于捕获、吸附和固定真菌毒素，有效降低其毒性[26]，尤其是对拥有极性基团的毒素，如 AFB1。天然铝硅酸盐类矿物质，如蒙脱石、沸石等含量丰富、分布广泛且无生物毒性，可作为毒素脱除吸附剂大规模使用，早在1978年就有研究证实了硅铝酸盐类矿物质在体外条件下能够很好地吸附 AFB1[27]。张春华等[28]在花生油中添加0.5%的膨润土后，发现油中AFB1含量明显降低，含量从12.5 μg/kg降低到1 μg/kg以内。铝硅酸盐中蒙脱石拥有一定的阳离子交换容量和吸附能力，也可用于消减AFB1。研究表明，高岭石与伊利石对AFB1也有一定的吸附效果，但效率均低于蒙脱石[29]。表1为活性炭、生物活性物质及铝硅酸盐类物质吸附 AFB1效果的对比，可发现天然蒙脱石吸附能力优于其他材料，但为了进一步提高其吸附性能，可通过物理、化学等改性方法优化其吸附容量和选择性。

表1 不同类型吸附剂吸毒黄曲霉毒素B1效果对比Table 1 Comparison of different adsorbents for AFB1 removal

2 蒙脱石的结构与吸附机制

2.1 蒙脱石的结构

蒙脱石（montmorillonite）是一种颗粒极小的铝硅酸盐粘土矿，又名微晶高岭石，主要成分为 SiO2和Al2O3[36]，性质稳定，耐酸耐碱耐高温[37]，具有强烈的吸水性、膨胀性和分散性，其结构间存在大量可交换离子，因而拥有良好的阳离子交换性能和吸附能力。蒙脱石晶体类似三明治结构（如图1所示），两层Si-O四面体中间夹一层 Al-O八面体，三个片层之间通过共价键相连接，每个片层的厚度约为1 nm[38]，其层间存在一定量的负电荷，为保持晶体结构的稳定性，负电荷会吸引周围的阳离子靠近。蒙脱石对多种真菌毒素都有吸附作用，可吸附脱除 AFB1、玉米赤霉烯酮等并与之结合形成不同强度的络合物[39]，但是对呕吐毒素这种极性弱的真菌毒素吸附性较差。

2.2 蒙脱石的吸附机制

大量研究证明蒙脱石具备吸附 AFB1的性能，对其吸附机制也取得了一些进展。对于蒙脱石的吸附脱毒机理，通常认为是它与 AFB1结合形成稳定的化合物，减少毒素在肠道中的吸收，从而降低 AFB1对机体的毒害作用[41]。Magnoli等[42]研究证实，蒙脱石对AFB1的吸附与其孔径大小无关，但与其结构及其表面静电吸附作用密切相关。AFB1分子中十分重要的反应位点是的双羰基氧，而其余的2个呋喃氧则对吸附反应的贡献较小[43]。Phillips等人[44]研究了水合铝硅酸钠粘土吸附AFB1的机理，他们认为材料对AFB1的吸附为选择性吸附过程，可能涉及到AFB1的β二羰基体系，即通过金属离子在层状铝硅酸盐粘土表面和夹层内螯合进行吸附。Grant等[45]研究了蒙脱石对 AFB1的吸附过程得出结论，由于蒙脱石层间存在大量阳离子，在含水的条件下会与其他无机或有机阳离子发生置换，因此吸附后在粘土的层间区域存在显著比例的AFB1。Deng等[46]研究结果表明，蒙脱石与AFB1之间的主要通过离子-偶极子相互作用以及羰基氧的配位作用进行结合从而达到吸附脱除，且在潮湿条件下，羰基与可交换阳离子之间的氢键是主要的结合力。Wang等[47]研究认为蒙脱石层间可交换阳离子通过离子-偶极相互作用以及有机碳链通过疏水相互作用共同吸附AFB1，对弱极性真菌毒素ZEN的吸附为疏水相互作用，如图2所示。

3 蒙脱石的改性及其吸附性能

天然蒙脱石在吸附 AFB1的过程中，可能存在解吸反应，导致 AFB1重新暴露危害生命健康；并且天然蒙脱石在吸附 AFB1时层间的阳离子大多表现出亲水性，因此降低了对 AFB1的吸附率。吸附剂表面静电力的强弱决定其吸附能力的强弱[48]，为提高蒙脱石的吸附性能和选择性，众多学者对蒙脱石进行了改性相关研究，研究表明天然蒙脱石具有较大的比表面积，其外表面积大约只有10～50 m2/g，但内表面积很大，理论上内表面积可达600～800 m2/g[49]，通过合适的改性后，其有效吸附面积能够显著扩大。目前，常见改性方法包括无机改性与有机改性，主要利用蒙脱石层间域和表面的可改造性，将不同类型的无机阳离子、有机阳离子或中性分子与其表面或层间的基团结合，增加其对有机物的亲和性[50]进而提高对AFB1的吸附效率。殷传振等[51]分别使用盐酸与氢氧化钠改性蒙脱石，经吸附后发现酸改性蒙脱石的吸附效果更好，吸附率为 68.93%。姚志成等[52]使用改性蒙脱石吸附AFB1，吸附率达到 95.65%且形成了稳定性较好的复合物。叶盛群等[53]测定了活性白土、凹凸棒、沸石、活性炭和改性蒙脱石5种吸附材料对菜籽油中AFB1的吸附作用，结果表明，在相同条件下改性蒙脱石对AFB1脱毒效果最好，脱毒率达到89.02%。目前研究较多的方法有酸活化改性、无机盐离子改性与有机季铵盐改性等。

3.1 无机改性

3.1.1 酸活化改性

酸活化改性是在一定条件下利用不同浓度的酸，如盐酸、硫酸、硝酸等对蒙脱石表面进行改性，并去除影响蒙脱石活性的杂质[54,55]。蒙脱土片层间的Na、Mg、K、Ca等阳离子通过酸处理后，转变为酸的可溶性盐而溶出，削弱了片层间的结合力，从而使得片层间距增大，改性后蒙脱土的吸附能力和比表面积明显增大[56]。酸活化改性蒙脱石大致分为三个步骤：1、Ca2+和H+交换；2、金属离子(Fe2+、Fe3+、Al3+、Mg2+)从八面体片中溶解并去除，使蒙脱石表面及层间产生更多的负电荷；3、更多的水合氢离子进入层中以平衡负电荷并削弱层间力[57]。王磊等[58]以不同浓度的盐酸、硝酸、硫酸和磷酸对膨润土进行改性，研究发现，经10%的酸改性后，膨润土结构均变得松散蓬松，层间孔隙变大，原来的层间作用力被削弱，吸附能力提高。黄贵秋等[59]用20%（W）的硝酸对Na-MMT进行酸活化改性，活化前 Na-MMT具有很低的比表面积（21 m2/g）、较小的孔体积（0.10 m2/g）以及较大的平均孔径（19.0 nm），经活化后比表面积和孔体积均明显增大，平均孔径有不同程度下降，原因在于酸处理可使蒙脱石中一些被堵塞的孔隙疏通，同时八面体中的铝会在酸性条件下被溶出[60]，从而形成了一定数量的微孔和介孔，进而增强了对 AFB1的吸附能力。但随着酸处理强度的增加，酸活化蒙脱土的平均孔径先减小后增大，原因在于酸强度增加到一定程度时，蒙脱土的 Al-O骨架以及层间结构遭到破坏。酸处理蒙脱石在去除重金属和染料等工业污染物方面的应用已经有很多报道，但在真菌毒素吸附方面的研究很少。

3.1.2 无机盐离子改性

无机盐改性主要加入钠盐、锌盐、镁盐、铜盐等改性剂，通过大半径阳离子交换进入蒙脱石层间使结构间作用力减弱，同时使分散的蒙脱石单晶片形成层状缔合结构，改变了使蒙脱石在溶液中的分散状态和性能，缔合的片层之间形成较大的孔隙空间，使蒙脱石结构层间距增大、比表面积增大、离子交换能力和吸附能力得到显著提高。王品[40]分别用氯化钠、硫酸钠和碳酸钠三种钠盐表面活性剂对蒙脱石进行改性，并对改性后的蒙脱石结构和性能进行表征，其中热重分析结果表明，钠盐成功插入到蒙脱土层间，改性后蒙脱土的热稳定性增强；对蒙脱土层间距的变化进行分析发现，改性后的蒙脱土平均层间距从0.99 nm分别增大到1.25、1.23、1.21 nm。王晓娟等[61]对蒙脱石原料进行载铜处理，处理后AFB1的吸附率显著增加，从 82.15%提升至 95.26%，解吸率从 11.24%降至7.86%，同时蒙脱石与AFB1复合物的稳定性也有所增强。张亚坤等[62]测定钠化后蒙脱石对玉米皮中 AFB1的吸附率由14.08%增加到32.42%（p＜0.05）；张立阳等[63]研究发现，在毒素浓度为2.0 μg/mL的AFB1工作液中添加 0.5%（W/V）铜、锌改性蒙脱石后，AFB1的吸附率从67.88%分别提升至71.86%和81.74%，载铜加锌蒙脱石可将吸附率提升至86.38%，吸附率有显著的提高。同时，有研究发现，使用适当的钠盐对蒙脱石改性会降低其层间距，原因在于改性后晶体结构变得蓬松，层间大分子杂质被钠离子置换，提高了钠化蒙脱石的纯度，有利于后续进行有机改性[64]。

3.2 有机改性

一般来说，有机改性蒙脱石是由阳离子表面活性剂处理得到产物[65]。研究表明，阳离子表面活性剂的用量会影响其改性蒙脱石的机理。当活性剂的用量低于蒙脱石离子交换容量时，改性机理为离子交换作用；反之，不仅存在离子交换作用还有疏水相互作用[66]。目前使用最多的有机改性剂为长碳链烷基季铵盐，在蒙脱石层间插入长碳链烷基后片层表面呈现疏水性，这不仅增加了改性蒙脱石与有机相的亲合性，同时增大了蒙脱石的层间距使得聚合单体或大分子物质更易于插层到片层中[67]。马文文等[68]研究发现，季铵盐改性剂分子质量的大小与改性后蒙脱土的吸附效果密切相关，太大或太小均会影响材料的吸附效果，但其原因有待进一步研究。张立阳等[63]用十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基氯化铵和十八烷基二甲基苄基氯化铵对天然蒙脱石进行改性，研究结果显示随着碳链长度的增加，不同有机试剂改性后的蒙脱石对AFB1的吸附率也随之上升，其中十八烷基三甲基氯化铵对AFB1的吸附效果最佳，达到99.48%；对改性蒙脱石进行结构表征发现其颗粒松散，插层反应后层间距扩大，块状结构转变为光滑的多层结构并且发现有错落的孔隙结构，比表面积几乎达到原先的五倍。陈英等[69]研究表明，十八烷基三甲基溴化铵能够有效增加钠-蒙脱石的晶面间距，在反应温度为80 ℃，反应时间8 h，十八烷基三甲基溴化铵加入量为4 mmol的条件下能够得到稳定的有机改性蒙脱石。王高峰[65]分别使用单链十八烷基三甲基溴化铵与双链十八烷基二甲基氯化铵改性蒙脱石，通过对比发现，双链改性剂拥有较优的层间距、含碳量、亲油性，对 AFB1的吸附量也有显著的提高。

酸活化改性、金属盐离子改性及有机季铵盐改性方法均能在一定程度上提高蒙脱石对 AFB1的吸附性能，表2列举了不同方法改性蒙脱石后的结构变化及吸附效果。酸活化改性是通过疏通蒙脱石层间孔隙来提高 AFB1的吸附效率，需要注意的是在改性过程中应选择出适宜的酸浓度，否则酸浓度过高会导致蒙脱石结构坍塌反而降低吸附效率；由于蒙脱石具有亲水性，利用金属盐离子进行改性，并不能完全将蒙脱石层间阳离子置换，金属盐离子改性剂提高蒙脱石的吸附效率可能存在局限性；有机季铵盐改性在蒙脱石层间插入长碳链，增加了蒙脱石的层间域并提高了材料的疏水性，并且增加改性剂的碳链长度可有效提升对AFB1的吸附率，因此结合多种改性方法或许更有利于增强其吸附消减毒素的性能。

表2 不同方法改性蒙脱石的效果Table 2 Effect of modified montmorillonite by different methods

4 改性后的蒙脱石对营养物质及品质的影响

蒙脱石具有一定的离子交换能力，因此它不仅拥有吸附能力，同时也具有一定的催化活性。这些性质导致其在吸附 AFB1的同时还可能会吸附一些营养物质，降低油料、食品、农产品以及饲料的营养品质。杨威等[75]选用膨润土（蒙脱石的主要成分）吸附花生油中 AFB1后，对花生油中营养物质含量进行检测发现：吸附剂导致花生油中VE（维生素E）与甾醇含量降低，POV（过氧化值）含量增加，原因可能是吸附剂中的杂质降低了油脂的稳定性，加快其氧化速度。马文文等[68]用钠离子改性蒙脱石与十八烷基三甲基氯化铵改性蒙脱石吸附花生油中 AFB1后，测定了吸附前后花生油的酸价，结果发现改性后酸价有显著的下降，含量分别从0.85 mg/g降至0.61和0.41 mg/g。孙思远等[76]发现十八烷基三甲基溴化铵改性蒙脱石与钠离子改性蒙脱石均能提高食用油的亮度。天然蒙脱石往往会催化油脂中的游离脂肪酸等氧化、分解或聚合产生对人体有害的物质，改性后的蒙脱石能大大降低有害物质的产生，对油脂品质影响较小。

5 结论与展望

黄曲霉毒素严重威胁食品、农产品和饲料安全和产业高质量发展，如何高效且安全消减 AFB1具有重要意义。相比活性炭、生物活性物质等吸附剂，天然蒙脱石由于地表含量丰富，价格低廉，并且可通过离子-偶极子、羰基氧配位及静电引力等方式吸附黄曲霉毒素，广泛应用在饲料、食品等领域。然而，天然蒙脱石吸附选择性并不理想，往往吸附毒素的同时可能也会对营养或品质造成影响。通过化学和物理等方法改性天然蒙脱石，可有效增强其吸附消减 AFB1的性能，酸活化改性是通过疏通蒙脱石层间孔隙来提高AFB1的吸附效率，但酸浓度过高会导致蒙脱石结构坍塌反而降低吸附效率；利用金属盐离子进行改性，并不能完全将蒙脱石层间阳离子置换，因此也可能存在局限性；而在蒙脱石层间插入长碳链有机季铵盐，可增加蒙脱石的层间域并提高了材料的疏水性，可大幅度提升对 AFB1的吸附率，因此结合化学、有机等多种方法改性将更有利于增强其吸附消减毒素的性能。然而，目前其高选择性吸附作用机制尚不明确；其基础理论突破将为研制高效、高选择和稳定的改性蒙脱石材料和构建绿色、安全的黄曲霉毒素吸附消减方法提供科学依据，这将是黄曲霉毒素绿色控制领域发展的重要方向之一，将为保障食品、农产品和饲料安全和人民生命健康提供关键技术支撑。