臭氧降解玉米中黃曲霉毒素B1效果及降解動力學研究

羅小虎，王 韌，王 莉，李永富，李亞男，周蘊宇，朱麗君，陳正行*

（江南大學食品學院，食品科學與技術國家重點實驗室，糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室，江蘇 無錫 214122）

臭氧降解玉米中黃曲霉毒素B1效果及降解動力學研究

羅小虎，王 韌，王 莉，李永富，李亞男，周蘊宇，朱麗君，陳正行*

（江南大學食品學院，食品科學與技術國家重點實驗室，糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室，江蘇 無錫 214122）

玉米是我國重要的食品和飼料原料，當收獲、加工和儲藏等措施不當時，可能會造成黃曲霉毒素B1（aflatoxin B1，AFB1）污染玉米這一突出問題，AFB1已被國際癌癥機構定為1級致癌物。盡管目前已建立了一些物理、化學和生物降解AFB1的方法，但高效、安全、經濟的綠色降解方法仍很少。本研究以AFB1污染的玉米為試樣，研究臭氧對玉米中AFB1的降解效果。結果表明：AFB1降解率隨著臭氧質量濃度的增加和處理時間的延長而顯著提高；當水分質量分數為20.37%的玉米經90 mg/L的臭氧處理40 min后，AFB1含量由77.6 μg/kg降低到21.42 μg/kg，降解率達72.4%。臭氧降解AFB1的動力學模擬結果表明，臭氧降解AFB1符合一級動力學模型。玉米中AFB1降解速率常數按以下次序遞減：k90mg/L＞k65mg/L＞k40mg/L。實驗得到臭氧降解AFB1的動力學方程、反應速率常數、決定系數和半衰期，為最優地控制臭氧降解AFB1的反應條件奠定了理論和實踐基礎，也為臭氧降解AFB1污染玉米的應用提供了技術保障。

黃曲霉毒素B1；玉米；臭氧；降解；動力學

黃曲霉毒素（aflatoxins，AFs）主要是由黃曲霉（Aspergillus flavus）和寄生曲霉（Aspergillus par asiticus）產生的一類具有嚴重致癌、致畸和致突變的化學結構類似的次級代謝產物的總稱。在已發現的20余種AFs中，又以黃曲霉毒素B1（aflatoxin B1，AFB1）最常見且毒性最強。玉米是我國最重要的食品原料之一，在整個國民經濟發展中占有非常重要的地位，玉米不僅可作為食品原料，還經常用來做小吃、酒精飲料和動物飼料，長期攝入AFB1污染的玉米及其制品，即使量非常低，也會對人和動物造成嚴重的傷害。為此，我國非常重視控制玉米及其制品中AFB1含量，以減少對人和動物的危害［1］。然而，盡管不斷改進玉米的加工、干燥和儲藏措施，但目前AFB1的危害依然極其嚴重［2］。因此，除采取行之有效的措施防止AFB1污染玉 米之外，對已污染的玉米進行安全有效的脫毒處理，對保證玉米安全性和減少經濟損失具有重要意義。

盡管目前已建立了一些物理、化學和生物降解AFB1方法，但高效、安全的降解方法仍很少［3-4］。早在1997年，美國食品藥品監督管理局就將臭氧作為一種普遍認為安全的方法應用于食品加工過程中，目前臭氧已在食品加工貯藏、果蔬保鮮、廢水處理等領域得到廣泛應用［5-7］。而自20世紀60年代AFs被發現以來，Dollear［8］和Dwarakan［9］等就較早利用臭氧降解花生粕和棉籽粕中AFs。此后，大量研究人員不斷研究臭氧對各種原料如玉米［10］、開心果［11］、紅辣椒［12］、花生［13］和無花果［14］中AFs的降解效果，結果均表明臭氧對AFs具有良好降解效果。國內外利用臭氧降解真菌毒素的研究主要集中在降解AFs上，特別是AFB1的降解［15-18］。這主要是由于臭氧容易通過親電作用破壞AFs終端呋喃環上的C8-C9鍵，且AFs一旦形成臭氧化產物后，再通過分子重排形成臭氧化衍生物如醛類、酮類和有機酸［19-20］。臭氧除能有效降解各類食品中AFs外，還有良好的消毒、脫色性能［21-22］，殺滅食品貯藏過程中的各種有害微生物和害蟲，如細菌、真菌、霉菌、病毒等［23-24］。因此，用臭氧降解食品中AFB1具有良好的應用潛力。

本研究采用不同臭氧條件處理AFB1污染的玉米，以AFB1的降解率作為衡量臭氧處理效果的指標。通過研究臭氧處理對玉米中AFB1的降解效果及降解規律，判定臭氧反應速率的關鍵控制點，建立相應的降解動力學模型，優化臭氧降解參數，為AFB1污染玉米臭氧降解方法的應用提供理論和實踐指導。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

AFB1標品（純度≥98.0%） 瑞士Alexis公司；AFs污染的玉米 湖南岳陽市售；MycoSep 226#型固相萃取柱 美國Romer Labs公司；甲醇、乙腈（色譜純）美國Fisher Scientifi c公司；三氟乙酸、正己烷（分析純）國藥集團（上海）化學試劑有限公司。

1.2儀器與設備

1260型高效液相色譜儀（帶有熒光檢測器、ZORBAX SB-C18柱） 美國Agilent公司；Simplicity UV超純水制備系統 法國Millipore公司；QJ-8003K-A臭氧發生器 青島國林實業股份有限公司；超聲波清洗儀昆山市超聲儀器有限公司；IDEAL-2000臭氧氣體濃度在線檢測儀 山東淄博愛迪爾測控技術有限公司。

1.3方法

1.3.1AFB1標準溶液制備

準確稱量5.0 mg的AFB1標品，溶于色譜純甲醇中，配成質量濃度為100 mg/L的AFB1標準儲備液后，－18 ℃保存。將100 mg/L的標準儲備液用甲醇稀釋成20 mg/L的AFB1標準工作液，4 ℃保存，待用。

1.3.2臭氧降解AFB1

臭氧發生器的氧氣源由外接純氧氣提供，臭氧質量濃度通過調整電壓和氧氣流量調節，臭氧氣體流速通過流量計調節。

將100 g玉米放入1 L玻璃反應器，臭氧氣體經玻璃導管通至反應器底部，多余臭氧從頂部排出。為了讓原料和臭氧充分接觸，不斷將臭氧通入反應器中，并每2.5 min將原料充分攪拌混勻一次。原料與臭氧的反應在環境溫度為25 ℃，相對濕度為75%，臭氧質量濃度為0～90 mg/L，處理時間為0～40 min條件下完成。臭氧處理完原料后，靜置120 min后再裹入干凈的聚乙烯袋中，密封，4 ℃保存，待用。

1.3.3玉米中AFB1含量的測定

玉米中AFB1含量的測定方法根據GB/T 5009.23-2006《食品中黃曲霉毒素B1、B2、G1、G2的測定》做適當調整。玉米樣品粉碎后過0.85 mm孔徑篩，取30 g樣品放入250 mL燒瓶，加3 g NaCl和100 mL乙腈-水（80∶20，V/V），150 r/min振蕩30 min，取上清液過濾，5 mL濾液過固相萃取柱，收集3 mL凈化液入棕色小瓶，60 ℃ N2吹干，200 μL正己烷和100 μL三氟乙酸溶解樣品，立即蓋緊小瓶并渦旋15 s，40 ℃衍生化30 min，60 ℃ N2吹干，殘渣用200 μL水-乙腈（85∶15，V/V）重新溶解，渦旋混合15 s，10 000 r/min離心5 min，取上清液放入小瓶，4 ℃保存。

液相色譜檢測條件：安捷倫1260液相系統，配自動進樣器，四元泵系統和熒光檢測器；熒光檢測器激發（λex）和發射（λem）波長分別為360、440 nm；液相色譜柱：ZORBAX SB-C18柱（150 mm×4.6 mm，5 μm）；流動相：水-甲醇（65∶35，V/V）；進樣體積：10 μL；流動相流速：1.0 mL/min；色譜柱柱溫：30 ℃。

1.4數據統計分析

2　結果與分析

2.1臭氧降解玉米中AFB1效果

圖1　臭氧處理對玉米中AAFFBB1降解效果Fig.1 Effect of ozone on degradation of AFB1in corn

如圖1所示，在臭氧處理前，水分含量為20.37%的玉米中AFB1含量分別為77.6 μg/kg，超過GB 13078-2001《飼料衛生標準》對飼用玉米中AFB150 μg/kg的限量要求。同時，圖1中顯示了不同臭氧質量濃度和處理時間對玉米中AFB1的降解效果，從圖1中看出，提高臭氧質量濃度和延長處理時間，AFB1的降解率都顯著升高（P＜0.05）。這個結果與Akbas［11］、Inan［12］和de Alencar［13］等的研究結果是一致的，即隨著臭氧質量濃度的增加和處理時間的延長，紅辣椒、花生和開心果中AFB1降解率顯著提高。而Proctor等［25］發現臭氧濃度一定，處理時間和溫度不同條件下花生中AFB1的降解率達77%。上述結果均表明，臭氧對不同原料中AFB1都有良好的降解效果。另外，從玉米中AFB1的降解效果看，90 mg/L臭氧處理水分含量為20.37%的玉米40 min，AFB1的含量從77.6 μg/kg降低到21.42 μg/kg，降解率達72.4%，AFB1含量遠低于中國飼用玉米限量標準（50 μg/kg）。

2.2臭氧對玉米中不同初始含量AFB1降解效果

圖2 臭氧處理對玉米中不同初始含量AAFFBB1的降解效果Fig.2 Effect of ozone on degradation of AFB1at different initial contents in corn

圖2為90 mg/L的臭氧對玉米中不同初始含量的AFB1降解過程的影響。圖2中3 條不同初始含量AFB1的降解曲線趨于一致，說明當AFB1初始含量分別為77.6、38.8、19.4 μg/kg時，90 mg/L的臭氧處理對玉米中AFB1降解率差異影響較小。由此可知，在本實驗選擇的AFB1含量范圍內，AFB1初始含量對臭氧降解AFB1效果無顯著影響。

2.3臭氧降解AFB1的反應動力學模型

臭氧降解AFB1的化學反應動力學主要是研究臭氧降解AFB1的反應速率及其所遵循的規律，以及各因素對反應速率的影響，從而給接下來的研究提供反應的條件；探討能夠解釋臭氧反應速率規律的可能機理，為最優地控制臭氧降解AFB1反應提供理論依據，找出決定臭氧反應速率的關鍵，使臭氧降解AFB1的反應能按照所需要的方向進行，并得到研究所希望的結果。

從一定程度上來說，臭氧降解AFB1的化學反應動力學研究比單純的優化降解條件更重要，這是因為它不僅討論化學反應的可能性，而且研究需要多長的時間才能達到預期的目標，即如何使可能性變為現實。但是，臭氧降解AFB1的化學反應動力學理論研究還不完善，本實驗將對這一研究做一個初步探討。在此，研究假設臭氧與AFB1反應符合一級反應，設反應為A→P，則其速率方程為：

將上面表達式用定積分形式表示，得到：

因為kA為常數，進行不定積分后可得：

即：

式中：c（A，0）為t=0時反應物A的初始濃度；c（A，t）為反應進行到t時刻反應物A的濃度；t為反應時間；kA為反應平衡常數。

式（3）、（4）為一級反應的動力學方程，該方程也可替換成指數形式，即：

由式（5）可以看出，反應物的濃度隨時間延長呈現指數減小，只有當t=∞時，才有c（A，t）=0。該一級動力學方程具有如下特征：

由式（3）可以看出，ln c（A，t）對t作圖為一直線，該直線斜率為－kA，截距為ln c（A，0）。

式中：kA為反應速率常數，其量綱是t－1，單位為s－1（或min－1、h－1等）。

由式（4）可得，當c（A，t）=c（A，0）/2時，即反應物A消耗一半所需要的時間（稱為反應物A的半衰期）t（1/2，A）= ln2/kA=0.693 1/kA，與反應物A的初始濃度無關。

圖3　玉米中AAFFBB1臭氧降解動力學曲線Fig.3 Kinetic curves of AFB1degradation in corn by ozone

圖4　玉米中不同AAFFBB1含量的臭氧降解動力學曲線Fig.4 Kinetic curves of degradation of AFB1at different initial contents in corn by ozone

由圖3、4可知，各質量濃度臭氧降解AFB1的動力學方程曲線擬合良好，符合一級動力學反應具有的3 項特征（圖3），而臭氧降解不同初始含量AFB1的動力學反應也屬于一級動力學反應（圖4）。

2.4不同條件下AFB1的降解動力學參數

表1　臭氧降解玉米中AAFFBB1動力學參數Table 1 Kinetic parameters for degradation of AFB1in corn by ozonee

表2　臭氧降解不同初始含量AAFFBB1動力學參數Table 2 Kinetic parameters for degradation of AFB1at different initiall contents by ozoonnee

表1、2列出了不同條件下AFB1降解的動力學方程、決定系數、反應速率、半衰期和顯著性分析結果。結果顯示，動力學方程擬合效果較好（除臭氧質量濃度為40 mg/L以外，R2均大于0.98）。表1中為不同質量濃度臭氧降解玉米中AFB1的動力學參數，其中反應速率常數（kA）按以下次序遞減：k90mg/L＞k65mg/L＞k40mg/L。從反應速率常數可看出，隨著臭氧質量濃度升高，AFB1降解速率加快；而從降解效果來看，隨著臭氧處理時間的延長，AFB1含量降低，這也與前人的研究結果是一致的［15，26］。表2中結果顯示臭氧對不同初始含量AFB1的降解速率參數（kA）和半衰期（t1/2）沒有顯著影響，說明臭氧對AFB1的降解符合一級動力學反應。上述動力學模型在改變一些臭氧處理AFB1污染的玉米條件下，仍能較好地幫助評估臭氧處理后玉米中AFB1的含量。

3　結 論

通過臭氧對玉米中AFB1降解的實驗，研究了臭氧質量濃度、處理時間等因素對AFB1降解效果的影響。質量濃度為90 mg/L的臭氧處理水分質量分數為20.37%的玉米40 min后，AFB1含量由77.6 μg/kg降低到21.42 μg/kg，降解率為72.4%。上述研究結果進一步驗證了臭氧能快速有效地降解玉米中AFB1，且隨著臭氧質量濃度的增加和處理時間的延長，AFB1的降解率顯著升高（P＜0.05）。

臭氧降解AFB1化學反應動力學模型結果表明，玉米中AFB1降解速率以如下順序遞減：k90mg/L＞k65mg/L＞k40mg/L。通過對臭氧降解AFB1的動力學模擬，發現臭氧降解AFB1行為符合一級動力學模型。實驗得到不同降解條件下臭氧降解AFB1的動力學方程、決定系數、反應速率常數、半衰期和顯著性分析結果，為最優地控制臭氧降解AFB1反應條件及臭氧降解AFB1對玉米品質改變及安全性評價提供理論基礎和實踐依據，也為接下來臭氧降解AFB1污染玉米技術的可行性奠定了基礎。

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Efficiency and Kinetics of Ozone Degradation of Aflatoxin B1in Corn

LUO Xiaohu， WANG Ren， WANG Li， LI Yongfu， LI Yanan， ZHOU Yunyu， ZHU Lijun， CHEN Zhengxing*
（National Engineering Laboratory for Cereal Fermentation Technology， State Key Laboratory of Food Science and Technology，School of Food Science and Technology， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

As an important ingredient in feed and food， corn is prone to being contaminated by AFB1during harvesting，processing and storage. Although several physical， chemical and biological protocols have been established to degrade AFB1， effi cient， safe， economical and environmentally friendly methods remain scarce. In this study， the effi ciency of ozone degradation of AFB1in corn was explored. The results showed that with increasing ozone concentration and treatment time， the degradation rates of AFs in corn were evidently elevated. The AFB1contents in corn with a moisture content of 20.37% plummeted from 77.6 μg/kg to 21.42 μg/kg after 40 min of treatment with 90 mg/L ozone， viz.， the degradation rate was 72.4%. The degradation of AFs in different raw materials by ozone followed fi rst order kinetics. The degradation rate constants of AFB1in corn followed the descending order of k90mg/L＞ k65mg/L＞ k40mg/L. Kinetics parameters， such as kinetic equations， reaction rate constants， correlation coeffi cients and half-life periods， provided valuable evidence for controlling ozonation under optimum conditions and for clarifying the infl uence of ozonation on AFB1in corn. Hence， the fi ndings allow feasible application of ozonation in degrading AFB1in corn.

afl atoxin B1； corn； ozone； degradation； kinetics

TS201.6

A

1002-6630（2015）15-0045-05

10.7506/spkx1002-6630-201515010

2014-10-05

公益性行業（糧食）科研專項（201313005）；中央高校基本科研業務費專項資金項目（JUSRP11510）；公益性行業（農業）科研專項（201203037）；國家自然科學基金面上項目（31371874）；“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAD34B02）

羅小虎（1983—），男，副教授，博士，研究方向為糧食質量與安全。E-mail：xh06326@gmail.com

陳正行（1960—），男，教授，博士，研究方向為糧食精深加工及安全。E-mail：zxchen_2008@126.com