防霉劑在儲糧中的應用研究進展

項芳芝 趙 凱 邵 倩 陶 芳

(安徽農業大學生命科學學院，合肥 230036)

中國是農業大國。根據農業部統計，截至2014年，我國糧食總產量已連續增長11年，2014年我國糧食總產量高達60 709.9萬t[1-2]。糧食在儲藏過程中，受溫濕度、含水量等因素影響，極易產生霉變。被真菌毒素污染的糧食不僅品質下降，還威脅著人類的身體健康和生命安全。2008年，我國在進出口貿易中，有164個批次花生遭到真菌毒素污染，其中162例花生受到黃曲霉毒素污染；2010年，長江中下游地區的小麥由于受到赤霉毒素的污染，導致幾百萬噸糧食無法食用。由霉變而造成的糧食損失可達到糧食總產量的1.5%～3%[3]。因此，糧食的霉變、毒素污染等問題已經成為政府高度重視、社會關注的焦點。

近年來世界各國對糧食的安全儲藏越加重視，較為先進的儲藏技術主要有氣調儲藏、低溫儲藏、環流熏蒸、生物防霉防蟲等[4-6]。氣調儲藏和低溫儲藏對糧倉密閉和隔熱性能的要求較高。環流熏蒸的方法應用已久，但由于磷化氫具有較強的毒性，長期使用會引起害蟲產生抗藥性[7]。生物防霉防蟲技術具有安全無毒的優點，對糧倉設備要求不高、使用方便，是近些年來研究較多的技術，但在實際應用時仍面臨著高效、安全等問題。本文主要分析了糧食在儲藏期間霉變的原因、防霉劑的分類和對效果評價方法進行了總結，為開展防霉劑的進一步應用研究提供參考。

1 糧食霉變的原因

糧食霉變受到生物和非生物因素的影響。儲藏過程中，糧食作物種類、霉菌、溫度、濕度等都是影響糧食霉變的關鍵因素[8]。糧食霉變對糧食品質產生一系列影響，如營養成分降低、發芽率下降、籽粒變色、變味等，嚴重損耗了糧食的食用價值，甚至導致糧食的使用價值完全喪失。

糧食中的微生物種類很多，主要有真菌、細菌、放線菌等。真菌是糧食霉變的關鍵“殺手”，如灰綠曲霉、黃曲霉、青霉等。細菌和放線菌等對糧食的危害遠遠小于真菌。此外，部分霉菌會產生毒素污染糧食。例如，水稻、小麥和玉米等谷物常受到黃曲霉毒素、嘔吐毒素、赫曲霉毒素等真菌毒素的污染[9-10]。這些毒素對身體的組織、器官會產生嚴重的損傷，具有致癌、致畸作用。糧食中霉菌種類因不同的作物、耕作方式、儲藏條件而不同，有學者根據來源不同將其分為兩種類型：田間儲藏型和正常儲藏型[11]。而糧食在儲藏期間霉菌的種類和數量受種植區域、農作物種類等因素影響差異較大[9,11]。

儲糧過程中霉菌的生長代謝與諸多因素有關，主要包括環境的溫濕度以及糧食的含水量。當溫度、相對濕度和含水量等因素適宜時，霉菌生長旺盛，加速了糧食的霉變。有研究表明，糧食中的霉菌大都屬于中溫性霉菌，在30 ℃左右生長旺盛。例如，黃曲霉菌的最適生長溫度為28 ℃左右，禾谷鐮刀菌為25 ℃[10]。糧食入庫后，由于堆積和呼吸作用的影響，溫度升高，促進微生物的生長和繁殖。當相對濕度處于85%左右時，黑曲霉菌、黃曲霉菌和青霉菌等生長活躍；當相對濕度在65%～70%時，灰綠曲霉、白曲酶等干生性霉菌生長活躍[12]。在我國的部分地區，受陰雨等惡劣天氣的影響，空氣濕度較大，即使溫度較低，入庫糧食也會再吸濕而導致含水量高于安全儲藏水分，霉菌活動加劇[13]。這一情況在我國南方高溫高濕地區顯得尤為嚴重。

2 防霉劑的種類

防霉劑是一類抑制霉菌生長的化學物質，在糧食儲藏過程中可直接添加到原糧中。不同的霉菌對特定的防霉劑敏感程度不同。由于防霉劑與食品安全緊密相關，因此對防霉劑的使用具有嚴格的限定標準。防霉劑應具有以下四個基本條件[14]：1)對霉菌具有高效性和廣譜性；2)對人和動物的危害盡可能小，且不造成毒素累積作用；3)穩定性強，不對糧食的品質產生影響；4)原料易得，生產成本低。此外，防霉劑必須通過相關管理部門的安全性驗證，才能用于原糧中。目前有關糧食的防霉劑的研究和應用，主要有物理防霉劑、化學防霉劑、生物源防霉劑三種類型。

2.1 物理防霉劑

Ag、Zn、Cu等金屬離子及其氧化物具有抗菌功能，通常利用合適的載體來緩釋這種抑菌物質，以達到抑菌效果。如將納米氧化鋅負載在沸石、天然膨潤土中，可明顯提高納米氧化鋅的抗菌性能。其中膨潤土——納米氧化鋅復合體對黃曲霉毒素、嘔吐毒素、赭曲霉毒素等多種霉菌毒素都具有較好的吸附效果；但防霉劑中的天然膨潤土、沸石等載體對營養成分也具有吸附作用，降低了糧食、飼料等的利用價值[14-15]。Li等[15]將納米銀抗菌劑添加到包裝膜材料中，與聚乙烯包裝材料相比，對黃曲霉菌的生長抑制率提高了23.3%。該包裝材料不僅具有防霉、延長貨架期的作用，對食品的色澤、口感等也沒有影響。

2.2 化學防霉劑

2.2.1 丙酸和丙酸鹽

丙酸是一種無色液體，具有強烈的刺激性氣味。同時，丙酸也是人體內分泌的一種正常代謝產物，參與體內能量代謝。研究表明，丙酸及丙酸鹽類都對霉菌、真菌具有明顯的抑菌效果。丙酸的穿透能力強，能夠穿透細胞壁，進入霉菌及其孢子中，抑制DNA和蛋白質的合成，從而殺死霉菌及其孢子[16]。杜莉等[18]比較了丙酸、丙酸銨、谷氨酸鈉三種液體防霉劑的抑菌效果發現丙酸、丙酸銨的抑菌效果優于谷氨酸鈉。另有學者指出，丙酸鹽的抑菌成分是丙酸分子，而不是鹽類[19]。丙酸型防霉劑由于具有安全高效、抑菌譜廣的特點，已在糧食、飼料等行業中被廣泛應用。但市場上的丙酸大多是化學方法合成，污染嚴重，且對合成設備要求高，使得丙酸的合成成本大大提高。

2.2.2 苯甲酸和苯甲酸鹽

苯甲酸可降低細胞膜的通透性，阻礙氨基酸吸收，影響膜內呼吸酶的合成。苯甲酸及其鹽類對酵母菌、細菌和霉菌等的抑制效果較好[20]。當苯甲酸濃度為0.1%時，可將孢子萌發率降低33%～55%，對菌絲的生長抑制最高可達97%[21]。苯甲酸及其鹽類有一定的致突變作用、遺傳毒性，但無致畸作用，是輕度蓄積物質[22]。目前，苯甲酸及其鹽類主要集中應用在對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制，在醫療和食品等方面應用廣泛。而在抑制霉菌的應用方面，發現將苯甲酸鈉與肉桂精油復配使用，對黃曲霉菌的生長抑制具有協同作用[23]。

2.2.3 山梨酸和山梨酸鹽

山梨酸外觀為無色針狀結晶或白色結晶粉末，無味、無臭。山梨酸能與微生物酶系統中的巰基結合，從而影響酶的活性，達到抑制霉菌的生長和繁殖，具有較高的抗菌活性[24]。山梨酸鉀對曲霉菌、酵母菌的抑制效果強于細菌，其最低抑制濃度僅為對細菌的1/6[25]。此外，將山梨酸及鹽類與其他幾種防霉劑復配使用，可進一步擴大抑菌譜，提高防霉劑的應用范圍。如將紫蘇油與山梨酸鉀復配，發現這兩種抗菌劑對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有協同作用[26]。山梨酸鉀的毒性僅為苯甲酸的1/4，是一種安全、相對無毒的食品添加劑，被聯合國糧農組織和世界衛生組織等機構公認為高效防腐、防霉劑。

2.2.4 雙乙酸鈉

雙乙酸鈉分子中的乙酸分子可以穿透細胞壁進入細胞中，降低細胞內的pH，影響細胞內生物酶活性。雙乙酸鈉對霉菌、細菌及真菌均有較強的抑制性，且具有生產成本低、無毒、穩定性高等優點。因此，美國、加拿大、德國等發達國家都已將雙乙酸鈉大規模用于食品、糧食、飼料等防霉防腐中。20世紀末，我國也將雙乙酸鈉作為糧食和食品的防霉劑之一。付春麗[27]比較了10種抗菌劑對飼料青儲期間毛霉、米根霉、止青霉、斜臥青霉的抑制作用，發現雙乙酸鈉對毛霉的的抑制效果最佳，而對其他霉菌的抑制效果一般。而雙乙酸鈉和乳酸鏈球菌素復配，不僅擴大了抑菌譜，還起到了協同作用，增強了抑菌能力；此外，防霉劑在使用過程中，通過檸檬酸鈉等物質調節pH，能夠使抑菌率達到95.98%[28]。

2.3 生物源防霉劑

生物源防霉劑具有來源豐富、綠色安全、高效等優點，在食品、農產品和中藥材等防霉中已有運用[29]。迄今為止，生物源防霉劑主要來源植物和動物兩個方面。

2.3.1 生物源防霉劑——植物源

植物中含有大量的化合物，其中脂肪族類、芳香族類和萜類等化合物具有抑菌、抗病毒、抗腫瘤等功效[30]。通過蒸餾法、超聲波法將植物中的這些生物活性物質進行提取，形成油狀且具有揮發性的化合物—精油。精油來源廣泛，主要有香辛料、中草藥、果蔬、野生植物、曲酸、食用菌[31]。目前，對植物精油的熱點主要集中在香辛料和中草藥中。

精油中的化學成分復雜，除六大基本營養元素外，還含有揮發油、酚類、萜類等化合物。這些物質可以通過酶抑制作用或巰基反應來抑制微生物的活動[32]。其中，香辛料中的揮發油等成分在防霉、防腐中已進行廣泛研究。通過氣相色譜和質譜聯用分析發現，精油中起到抑菌作用的物質主要為醛類、酚類、酯類和醇類[33-35]。精油的抑菌效果受到溫度的影響，Santiago等發現[36]：15 ℃時精油對赭曲霉毒素A的抑制效果好于25 ℃。此外，Boukaew等[33]發現丁香精油在10L/L時，能夠完全抑制玉米種子的病蟲害感染，而在100L/L時，對黃曲霉菌PSRDC-2的分生孢子抑制率僅達到84.7%；這種現象可能與菌株的類型有關。精油對霉菌生長和產毒也具有抑制作用，其作用機制也是近年來研究的熱點。有研究表明，精油是通過降低細胞質膜中麥角甾醇的含量、線粒體ATP酶活性、琥珀酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶等酶活性而起到抑菌或殺菌的目的[37]。由于大部分植物精油來自藥材食材，對人體的危害小。因此，將植物精油作為防霉熏蒸劑，是一種安全、高效的生物源防霉劑，在糧食的天然保鮮、防霉等方面具有重要的開發價值。

2.3.2 生物源防霉劑——動物源

和植物源防霉劑相比，動物源防霉劑研究相對較少。近些年，昆蟲抗菌肽、殼聚糖以及魚精蛋白為主要研究對象。呂丁丁等[38]對家蠶抗菌肽抑制細菌的作用機理進行研究。發現家蠶抗菌肽具有穿透細胞膜功能，并與DNA和RNA相互作用，致使細菌死亡。另外對殼聚糖及其鹽類物質的抑菌效果進行研究，研究發現殼聚糖鹽類物質的抑菌效果明顯高于殼聚糖。將殼聚糖與金屬離子Cu、Zn等復合，對殼聚糖的抑菌效果明顯提高，當質量分數為20.0 g/kg時，抑菌效果最佳[39]。殼聚糖是一種天然化合物，無毒副作用，將其與金屬離子復合，形成殼聚糖鹽，在食品、醫療等行業具有潛在的應用價值。

以上三類防霉劑各有優缺點(表1)，目前，仍處于不斷的探索和研究中。從物理防霉劑到生物源防霉劑，不同來源的防霉劑在不斷地被挖掘，以期達到廣譜高效、安全低毒的目的。

表1 三類防霉劑在應用過程中的優勢和不足

3 防霉劑效果評價方法

防霉劑防霉效果的評價方法較多，主要有兩個方面：一是防霉劑的抑菌效果，通常是讓防霉劑只作用于菌體，確定其是否具有抑菌功能；二是以糧食為載體進行的防霉效力測定，主要是檢測防霉劑在模擬或實際儲糧過程中，對霉菌的抑制效果。目前，常見的評價方法有以下幾種。

3.1 防霉劑抑菌效果分析

3.1.1 抑菌圈法

抑菌圈法是指防霉劑點接在培養霉菌的瓊脂平板上，使其周圍的菌落生長受到抑制而形成透明圈，即抑菌圈。抑菌圈法是一種初步評價方法，通常用來判斷某種物質是否具有抑菌效果或比較幾種物質的抑菌效果強弱[37]。在進行抑菌實驗時，由于抑菌圈的大小受防霉劑種類、培養基成分、培養溫度等因素的影響，因此選擇適當的條件，是抑菌實驗成功的關鍵[40]。 抑菌圈法操作方便，通過比較抑菌圈直徑大小可知抑菌效果，是防霉劑效力的初步檢測方法。

3.1.2 最低抑菌濃度

最低抑菌濃度法是一種定量方法，能夠較為精確地測定防霉劑的抑菌能力。抑菌測定的方式可采用固體培養基，也可以在液體培養基中進行，但對抑菌程度的評價方法不一。最低抑菌濃度一般是指在某一濃度下，無菌生長，則該濃度為最低抑制濃度。但也有學者認為最低抑制濃度是當抑菌劑對菌絲生長抑制率為50%時，該濃度為最低抑制濃度[41]。在實際操作過程中，通常采用菌落數、OD值和革蘭氏染色等方法來判斷最低抑菌濃度[42-44]，由于最低抑菌濃度在測定過程中受到接菌量、培養環境以及培養基等條件的影響，因此在利用最低抑菌濃度法評估防霉劑的抑菌效果時，建議至少三次重復實驗和三組平行實驗，以達到較為穩定的數據結果。

3.1.3 最低殺菌濃度

為了更為精準地評價防霉劑的抑菌效果，常對防霉劑的最低殺菌濃度進行測定。目前，研究者主要在兩個方面對最低殺菌濃度進行測定。一是將不同濃度的防霉劑和含有霉菌孢子的培養基混合，當孢子的致死率達到99.9%以上，該濃度為最低殺菌濃度[45]。二是在最低抑菌濃度的基礎上，增大抑菌劑濃度，延長培養時間，若無菌落生長，則為最低殺菌濃度[46]。最低殺菌濃度對孢子的致死率要求很高，但霉菌孢子的數量、培養基pH等因素對準確率會有影響。因而要求在比較防霉劑的最低殺菌濃度時，實驗條件要保持一致。

3.2 防霉劑在糧食中防霉效果的檢測方法

防霉劑效果的評價通常先進行防霉劑的抑菌效果的初步評價，再對防霉劑在糧食中的防霉效果進行檢測。糧食防霉效果評估主要考察籽粒的菌相、菌量、萌發率、營養成分、相關酶活性等指標。在儲藏過程中，糧食籽粒的質量、初始菌相菌量、防霉劑的投放方式、溫濕度等均會影響防霉劑的防霉效果。模擬儲藏條件下，若采用糧食接種目標霉菌來測定防霉效果，還需先對糧食籽粒進行無菌處理，目前常采用的方法有：1)NaClO4或酒精進行表面消毒；2)γ射線進行完全滅菌[10]。另外，防霉劑運用于實際儲糧是防霉效果評價的最后環節，也是極為重要的一步，可以反映真實的儲糧條件下防霉劑的防霉效果。

在防霉劑效果評價過程中，一些學者選擇細菌作為抑菌對象，雖然能夠驗證該物質具有抑菌能力，但在糧食儲藏中，影響糧食品質的主要為霉菌，防霉劑對細菌的抑制，不能反映出對霉菌也有很好的抑制效果。因此，防霉效果評價時要注意抑菌對象的選擇對實驗結果的影響。

4 展望

國內外關于糧食防霉劑的研究報道均表明，精油具有綠色、安全、高效等特點，對糧食中黃曲霉和青霉菌等具有較強的抑制效果，且對黃曲霉毒素、嘔吐毒素等毒素的合成有抑制作用，是一種較為理想的糧食防霉劑，在糧食儲藏中具有良好的應用前景。然而在實際生產使用過程中，面臨著諸如提取成本高、應用工藝尚未成熟等問題，阻礙了在糧食儲藏中的應用。植物源防霉劑若要在糧食儲藏中得以廣泛應用，還需要進行改進和優化：1)精油中的檸檬醛、肉桂醛、丁香酚等成分是影響抑制霉菌生長的主要成分，可以通過人工化學合成的方法，降低提取成本。但某些成分存在異構現象如檸檬醛、肉桂醛，天然存在時只為其中的一種構型(反式)，而在化學合成過程中，易產生對應的異構體(順式)，降低了有效成分的產率。所以，還需對反式檸檬醛、反式肉桂醛等物質合成工藝進行探索和研究，提高單一目標成分，減少異構體。2)在在應用時，精油除了可以利用糧倉已有的環流熏蒸管道進行短時間高濃度熏蒸外，也可以制成微膠囊、脂質體等緩釋產品，增加精油釋放的穩定性、延長其釋放時間，達到長期防霉效果。為了提高緩釋產品包埋率，仍需要進一步優化包埋工藝。如采用冷凍干燥法來增大精油乳液顆粒的表面積等。3)大都數精油都具有強烈的刺激性氣味，如肉桂精油、牛至精油等，導致糧食也具有一定的氣味，降低糧食及其副產品的使用價值。因此，如何將精油中的刺激性氣味去除，同時不影響防霉效果，仍需要進一步探究。