臭氧對(duì)食品中真菌毒素的降解效果及影響因素研究進(jìn)展

劉芳，李萌萌，卞科

(河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州，450001)

真菌毒素是產(chǎn)毒真菌在適宜的環(huán)境條件下產(chǎn)生的次級(jí)有毒代謝產(chǎn)物，是一種常見(jiàn)的天然真菌污染物，絕大部分具有毒性，多存在于谷物、果蔬、豆類(lèi)、堅(jiān)果及其制品中，常見(jiàn)的真菌毒素包括黃曲霉毒素(aflatoxin，AF)、嘔吐毒素(deoxynivalenol，DON)、赭曲霉毒素(ochratoxin，OTA)、玉米赤霉烯酮(zearalenone，ZEA)和伏馬毒素(fumonisin，F(xiàn)UM)等，這些毒素不僅會(huì)給人和動(dòng)物的健康帶來(lái)巨大威脅，而且會(huì)給食品加工業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

隨著消費(fèi)者對(duì)健康飲食和食品安全重視程度不斷升高，真菌毒素的降解研究日趨重要[2]。食品中真菌毒素的消減可分為預(yù)防和降解2個(gè)途徑，預(yù)防即在谷物收獲前進(jìn)行，通常使用殺真菌劑和生物防治劑來(lái)進(jìn)行殺菌，或者在谷物中植入外源性基因以增強(qiáng)谷物的抗逆性[3]。在預(yù)防過(guò)程中，可能會(huì)受到多種因素的影響，例如谷物的品種選擇、播種日期、培育技術(shù)以及貯藏方法等都會(huì)導(dǎo)致谷物中真菌毒素分布的差異[3]。真菌毒素的降解方法目前研究的主要有物理消減、化學(xué)降解和生物降解三大類(lèi)，其中物理消減主要包括吸附、擠壓蒸煮、熱處理、輻照等方法；化學(xué)降解一般是使用化學(xué)劑脫毒，如碳酸鈉、石灰水、氯氣、氨氣以及臭氧等氣體或水溶液；生物降解可通過(guò)微生物代謝、發(fā)酵、添加酶制劑等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)真菌毒素的降解[4]。本文重點(diǎn)綜述了臭氧這一化學(xué)方法對(duì)食品中真菌毒素的降解研究，分析了影響臭氧降解真菌毒素的主要因素，以期為臭氧在真菌毒素降解中的應(yīng)用提供理論參考。

1 臭氧對(duì)食品中真菌毒素的降解研究進(jìn)展

臭氧具有極強(qiáng)的氧化性、高效殺菌性，它能破壞真菌毒素結(jié)構(gòu)中的雙鍵，用來(lái)滅活產(chǎn)毒真菌和降解真菌毒素，且使用后可自行分解為氧氣，無(wú)污染殘留，因此，臭氧是降解食品中真菌毒素的一種有效的化學(xué)手段[5]。目前，臭氧作為新的非熱殺菌技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)代臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧濃度高，能耗低，不產(chǎn)生金屬粉塵，這些優(yōu)點(diǎn)使得臭氧在降解毒素的應(yīng)用中日趨廣泛，世界衛(wèi)生組織、糧食與農(nóng)業(yè)組織、美國(guó)食品和藥物管理局認(rèn)為臭氧在食品工業(yè)中是一種安全有效的化學(xué)物質(zhì)[6]。

1.1 臭氧降解谷物中的真菌毒素

1.1.1 臭氧降解小麥中的真菌毒素

小麥中的DON是由鐮刀菌產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物，是小麥中檢出率最高、危害最嚴(yán)重的真菌毒素之一。DON可以與核糖體結(jié)合，抑制蛋白質(zhì)、RNA和DNA的合成，并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，當(dāng)人和動(dòng)物攝入DON時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嘔吐、腹瀉、厭食、惡心、神經(jīng)紊亂等中毒反應(yīng)[7]。臭氧氣體可使小麥中的鐮刀菌失活，同時(shí)降低小麥中DON的含量[8]。當(dāng)用臭氧處理DON污染的高中低3個(gè)濃度的天然小麥時(shí)，在處理質(zhì)量濃度為60 mg/L、處理時(shí)間為90 min的情況下，DON的降解率均能達(dá)到50% 左右，且臭氧對(duì)DON污染程度較低的小麥降解效果較好[9]。處理質(zhì)量濃度為8 mg/L的氣態(tài)臭氧，可在15 s內(nèi)顯著降解2 μg/mL DON水溶液，其降解率達(dá)到95.68%[10]；當(dāng)DON標(biāo)準(zhǔn)溶液暴露于14.50 mg/L的臭氧20 min后，未在標(biāo)液中檢測(cè)到DON[11]。由此可知，臭氧不僅可以降解DON標(biāo)準(zhǔn)液，也可以降解小麥中的DON，但臭氧對(duì)DON標(biāo)品的降解效果要顯著高于小麥，說(shuō)明小麥組分對(duì)臭氧降解DON有一定影響。臭氧對(duì)DON的降解效果主要體現(xiàn)在：在降解過(guò)程中DON的毒性降低，這是因?yàn)镈ON結(jié)構(gòu)中的雙鍵被臭氧破壞，因此DON的活性會(huì)受到影響，故其產(chǎn)物的毒性相對(duì)較弱[12]。

經(jīng)臭氧處理后的面粉中的蛋白質(zhì)、淀粉、氨基酸含量、脂肪酸值、羰基和羧基含量保持不變，具有較低的延展性，但具有較高的韌性和白度[13]；使用臭氧處理過(guò)的小麥粉制成的面包產(chǎn)品更耐咀嚼，且彈性和硬度變大，使得面包具有更大的比容和更白的面包屑[14]；臭氧還可以用于延長(zhǎng)冷凍面條的貨架期，抑制貯藏過(guò)程中微生物的生長(zhǎng)[15]；在饅頭制作過(guò)程中，臭氧會(huì)降低小麥的α-淀粉酶活性，從而使面筋含量、彈性和硬度增加，使得饅頭具有較好的色澤、結(jié)構(gòu)和風(fēng)味[16]。由此可見(jiàn)，臭氧不僅能降低小麥粉中的真菌毒素的含量，而且能夠改善面制品的品質(zhì)。

1.1.2 臭氧降解玉米中的真菌毒素

玉米是我國(guó)重要的食品和飼料原料，在收獲、加工和貯藏過(guò)程中，可能會(huì)受到真菌毒素的污染，其中較為常見(jiàn)的污染物為OTA和AFB1。OTA會(huì)造成動(dòng)物腎臟和肝臟的損害，有致畸和致癌的作用。AFB1具有強(qiáng)烈的“三致能力”，且對(duì)人和動(dòng)物肝臟有嚴(yán)重的損害作用，可致急性肝炎、肝癌甚至死亡[17]。臭氧處理能有效降解80 μg/L OTA 標(biāo)準(zhǔn)品，并且臭氧處理濃度越大所需的處理時(shí)間越短，臭氧也能有效降解污染玉米中的OTA，采用60 mg/L臭氧處理10 h后，能將玉米中的OTA(80 μg/kg)降低到國(guó)家糧食衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(5 μg/kg)以下[18]。

1.1.3 臭氧降解稻谷中的真菌毒素

稻谷是我國(guó)南方主要的食物來(lái)源和儲(chǔ)備糧品種，而在南方夏收時(shí)高溫、高濕的氣候下，使得高水分稻谷往往因不能及時(shí)干燥處理而發(fā)生霉變，并產(chǎn)生以AF為主的真菌毒素[20]。有研究表明，經(jīng)質(zhì)量濃度為95 mg/L的臭氧處理25 min時(shí)，稻谷中的AFB1的降解率隨著其初始含量的增加，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，可將AFB1初始含量為68.42 μg/kg的稻谷降解到國(guó)家限量標(biāo)準(zhǔn)(10 μg/kg)，降解率最高可達(dá)88.1%[21]。臭氧對(duì)稻谷中AFB1的降解效果受到臭氧濃度、處理時(shí)間以及稻谷處理量等因素的影響，在一定范圍內(nèi)，AFB1的降解率與臭氧處理濃度和處理時(shí)間成正比，與稻谷量的大小成反比，原因可能是稻谷量增大，臭氧的穿透性減弱，導(dǎo)致毒素降解效果下降[22]。

臭氧處理還可以使稻谷水分含量下降，特別是高溫時(shí)下降幅度更大，微生物由于缺乏水分，生長(zhǎng)繁殖受到抑制[23]。總而言之，臭氧處理可以有效降解稻谷中AFB1的含量，并且能夠明顯降低稻谷中微生物的含量以及細(xì)菌和霉菌總數(shù)，進(jìn)而提高稻谷的食用安全及品質(zhì)。

在控制疫病傳播上，產(chǎn)地檢疫和引種檢疫是非常重要的。對(duì)于引種的羊首先要進(jìn)行隔離飼養(yǎng)，切忌直接放入羊群，在引種羊免疫力達(dá)到要求后方可合養(yǎng)，同時(shí)可以適當(dāng)使用獸藥，從而更好的保障養(yǎng)殖安全。

1.2 臭氧降解果蔬中的真菌毒素

果蔬的含水量高，營(yíng)養(yǎng)豐富，所以在貯藏和加工過(guò)程中極易遭受病原真菌的侵染而腐爛變質(zhì)，同時(shí)這些真菌在果蔬的腐爛部位及其周?chē)】到M織中也積累了大量真菌毒素。目前從新鮮果蔬及其產(chǎn)品中檢測(cè)到的真菌毒素種類(lèi)主要有AF、DON、OTA、FUM、展青霉素(patulin，PAT)、鏈格孢霉素(altenuene, ALT)等[24]，其中PAT是引起梨、蘋(píng)果發(fā)生霉心病的主要病原菌。臭氧能夠降低蘋(píng)果汁中PAT的含量，其原因是臭氧攻擊了PAT中的羥基，使得PAT降解為2個(gè)分子物質(zhì)被破壞，因此通入臭氧氣體可以作為工業(yè)上消除PAT的有效手段[25]。臭氧還可以通過(guò)抑制柑橘和檸檬這2種水果中的青霉病菌分生孢子的萌發(fā)率，進(jìn)而抑制這2種水果中OTA的生成[26]。臭氧水可以抑制青菜、生菜、黃瓜、番茄這幾種蔬菜中真菌毒素的合成，并且臭氧水具有增強(qiáng)番茄的抗氧化活性和降解果蔬農(nóng)殘等作用[27]。

綜上可知，臭氧不但可以利用強(qiáng)氧化作用破壞果蔬中真菌毒素的結(jié)構(gòu)，起到降解毒素的效果，而且能夠?qū)咧械奈⑸锂a(chǎn)生抑制作用，在一定程度上抑制孢子萌發(fā)和菌絲生長(zhǎng)，進(jìn)一步抑制了真菌毒素的產(chǎn)生和積累，從而確保果蔬的微生物安全和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[28]。

1.3 臭氧降解干果中的真菌毒素

真菌毒素的發(fā)生不僅存在于谷物和果蔬這兩大食品中，在其他食品中也很常見(jiàn)，干果、調(diào)味品也是容易被真菌毒素污染的高危食品。有人對(duì)榛子和開(kāi)心果中AF的降解進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，臭氧處理可以有效降解榛子和開(kāi)心果中的AF，與其他AF相比，AFB1對(duì)臭氧更敏感，開(kāi)心果在臭氧質(zhì)量濃度為9.0 mg/L的條件下處理7 h后，可使AFB1和總AF的含量分別降低23%和24%[29]。臭氧還可以顯著降解花生中AFB1的含量，且隨著處理時(shí)間的增加，降解效果越好，在臭氧質(zhì)量濃度為50 mg/L、流速為5 L/min的條件下處理40 h時(shí)，最高降解率可達(dá)到90.1%，經(jīng)臭氧處理后，AFB1的分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，毒性降低[30]。

1.4 臭氧降解調(diào)味品中的真菌毒素

在調(diào)味品方面，有研究用臭氧處理含水率為12.6%、AFB1含量為20 μg/kg的紅辣椒，以此來(lái)研究臭氧對(duì)紅辣椒中AF的降解效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)質(zhì)量濃度為66 mg/L的臭氧處理60 min后，紅辣椒中的AFB1含量顯著降低，且降解率超過(guò)80%，并且總體上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的顏色和質(zhì)量變化[31]。臭氧還能對(duì)青花椒起到保鮮和殺菌作用[32]，對(duì)食用糖起到脫色作用[33]；臭氧在食品工業(yè)中的潛在應(yīng)用包括對(duì)食品包裝材料和食品接觸面的凈化，以及減少不良代謝物的存在，如異味或污染物[34]。由此可見(jiàn)，臭氧已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品安全和生產(chǎn)加工等領(lǐng)域。

2 影響臭氧對(duì)真菌毒素降解效果的因素

2.1 樣品的形態(tài)

有研究對(duì)臭氧處理后的小麥籽粒和全麥粉中DON的降解率進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，在相同條件下，全麥粉中DON的降解率高于籽粒，在臭氧質(zhì)量濃度為60 mg/L的條件下處理120 min，小麥籽粒降解率為17.1%，全麥粉為26.4%，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是由于全麥粉與臭氧的接觸面積更大，DON能更徹底地和臭氧發(fā)生反應(yīng)[35]。而在臭氧降解花生和花生粉中的AFB1時(shí)，花生籽粒的降解率高于花生粉，其原因可能是花生籽粒表面更易接觸到臭氧，而花生粉在處理過(guò)程中容易形成結(jié)塊，所以籽粒的降解效果較好[36]。同理，開(kāi)心果果仁在9.0 mg/L的臭氧中暴露420 min后，可使其中的AFB1和黃曲霉毒素總量分別降低23%和24%，而在相同的條件下，開(kāi)心果粉的AFB1和黃曲霉毒素總量只能降低5%[37]。這些研究表明，同一種樣品的不同形態(tài)下，臭氧對(duì)真菌毒素的降解效果存在差異。

2.2 水分含量

在臭氧處理DON的過(guò)程中，水分含量是影響樣品中DON降解效果的重要因素，它與DON的降解率呈正相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)麥后水分含量為16%的小麥籽粒經(jīng)過(guò)臭氧處理后，DON的降解率比同條件下臭氧處理原始水分含量為11.3%的小麥籽粒高17%左右，水分含量為20.10%的小麥粉的降解率高于水分含量分別為16.29%和11.79%的小麥粉[35]；臭氧在干燥狀態(tài)下半衰期為2.5 h，在潮濕狀態(tài)下為15 min，臭氧的干法(只有氣態(tài)臭氧)和濕法(通過(guò)水鼓泡產(chǎn)生的臭氧水)可以迅速分解小麥、玉米和水稻中的AFB1，在相同的處理?xiàng)l件下，濕法比干法更有效，原因可能是臭氧氣體與水發(fā)生了反應(yīng)。濕法雖然可以更有效的降低谷物中真菌毒素的含量，但是會(huì)增加糧食的水分含量，不利于后續(xù)的干燥與貯藏，因此氣態(tài)臭氧在食品中的應(yīng)用更為廣泛[38]。

2.3 樣品感染方式

糧食在生產(chǎn)過(guò)程中的感染方式可分為天然感染和人工感染，其中天然感染是糧食種子的自然感染，人工感染是在不含有真菌毒素的種子中接種特定的真菌毒素。有研究結(jié)果表明，臭氧處理人工感染種子中的真菌毒素的降解率高于天然感染的種子，其原因可能是人工感染種子中的真菌毒素僅存在于產(chǎn)品表面，毒素在產(chǎn)品中的分布不均勻，而自然污染種子中的毒素可能存在于整個(gè)產(chǎn)品中，包括子葉內(nèi)部[29]。

2.4 臭氧處理濃度和處理時(shí)間

有文獻(xiàn)研究了在不同臭氧濃度和不同處理時(shí)間下臭氧對(duì)紅辣椒中的AFB1的降解效果，發(fā)現(xiàn)在臭氧質(zhì)量濃度分別為16、33 mg/L的條件下處理60 min后，紅辣椒中AFB1的降低率分別為62.5% 和81.2%；將紅辣椒在臭氧質(zhì)量濃度為66 mg/L下分別處理30、60 min后，AFB1的降解率分別為87.5% 和93.7%[31]。由此可見(jiàn)，臭氧對(duì)真菌毒素的降解率隨著臭氧處理濃度和處理時(shí)間的增加而升高，且在合理范圍內(nèi)增加臭氧處理濃度和處理時(shí)間時(shí)，產(chǎn)品的品質(zhì)不會(huì)發(fā)生顯著改變。

2.5 溫度和pH

臭氧是一種不穩(wěn)定的氣體，溫度對(duì)于臭氧降解真菌毒素有一定的影響。有研究指出，隨著溫度(<50 ℃)的不斷升高，臭氧對(duì)花生中AFB1的降解率不斷提高，在溫度>50 ℃時(shí)，降解率開(kāi)始下降[36]。所以在臭氧處理食品中真菌毒素時(shí)，溫度控制在室溫即可，這樣也可以減少升溫產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)成本。

在臭氧降解真菌毒素的過(guò)程中，臭氧發(fā)生氧化反應(yīng)時(shí)對(duì)pH值比較敏感，當(dāng)pH值為4～6時(shí)，小麥中的DON易被降解；在pH值為7～8時(shí)，臭氧降解率與C8位的氧化狀態(tài)相關(guān)，氧化狀態(tài)越低，毒素越容易被降解；當(dāng)pH值為9時(shí)，則很少或基本不發(fā)生臭氧對(duì)真菌毒素的降解[40]。由上述可知，在臭氧降解真菌毒素的過(guò)程中，只有找到合適的溫度和pH，才能使降解更加高效的進(jìn)行。

3 結(jié)論

臭氧作為一種強(qiáng)氧化劑，可降低食品中真菌毒素的含量，無(wú)論是在谷物還是在水果蔬菜中，它都對(duì)食品中真菌毒素的降解起著重要的作用。臭氧對(duì)不同食品中不同類(lèi)型的真菌毒素降解效果均不同，且降解率隨著臭氧與樣品的接觸面積、樣品水分含量以及臭氧處理濃度和處理時(shí)間的增大而升高。所以在處理過(guò)程中應(yīng)盡量保證樣品與臭氧充分接觸，可采用適當(dāng)攪拌的方法來(lái)防止粉狀樣品的結(jié)塊；在選擇臭氧的處理?xiàng)l件時(shí)，可適當(dāng)提高臭氧的處理濃度和時(shí)間，同時(shí)也應(yīng)該考慮高濃度的臭氧對(duì)食品的風(fēng)味、品質(zhì)以及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值等方面帶來(lái)的負(fù)面影響。此外，臭氧的強(qiáng)氧化性可能會(huì)對(duì)人體健康造成威脅，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要保證實(shí)驗(yàn)的安全性，應(yīng)盡量在寬敞通風(fēng)的環(huán)境中進(jìn)行臭氧降解實(shí)驗(yàn)。

盡管臭氧技術(shù)具有巨大的潛力，但該技術(shù)尚未在食品工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，低滲透、短半衰期、殘留氣味和安全問(wèn)題是臭氧在商業(yè)規(guī)模上應(yīng)用的一些限制因素，因此需要更多的研究來(lái)解決這些問(wèn)題，以期為工業(yè)提供安全、經(jīng)濟(jì)、有效的臭氧氧化技術(shù)。盡管臭氧氧化技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中存在種種挑戰(zhàn)，但它在農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)中的應(yīng)用前景良好，臭氧技術(shù)有潛力成為一種降解真菌毒素的新技術(shù)。