食品和飼料中霉菌毒素污染及生物降解方法

馮 利，程丹丹，曹 珍

（河北工業職業技術大學，河北石家莊 050091）

在世界范圍內，被霉菌污染的原料有食品和飼料原料，如谷物、油籽、水果、牛奶及食品工業產品（如面粉、果汁、啤酒、葡萄酒、乳制品等）。霉菌毒素是由霉菌產生的有毒化合物。被霉菌毒素污染的飼料對動物健康構成威脅，因此，由于畜牧業效率較低，可能造成重大的經濟損失，同時，也可能對人類健康構成威脅。食品和飼料中最重要的真菌毒素是黃曲霉毒素、赭曲霉毒素A和鐮刀菌毒素（玉米赤霉烯酮、伏馬菌素等），主要有3種方法可能避免真菌毒素的影響，如防止污染；去除含真菌毒素的食品和飼料；抑制食品中真菌毒素含量進入消化道（房祥軍和鄒曉庭，2006）。理論上最合理的預防方法無疑是培育抗霉菌感染的谷物和其他食品和飼料植物，從而排除霉菌毒素的產生，特別是在小麥和玉米育種方面。基因工程為育種者開辟了新的可能性，通過鑒定微生物種類，編碼降解霉菌毒素酶的基因可以將這些基因轉移到植物中，并通過轉基因植物生產這些酶（李海芬等，2011）。預防霉菌毒素污染的另一種實用方法是抑制霉菌生長及其產生霉菌毒素，因此，最佳的收獲、儲存和處理方法可以成功地防止霉菌生長。

1 霉菌毒素處理方法

用一些化學方法處理谷物以防止霉菌毒素形成是可能的。如已經發現約有100種化合物可以抑制黃曲霉毒素的產生，這些化合物中的大多數都是通過抑制真菌生長而起作用的。兩種廣泛研究的黃曲霉毒素合成抑制劑是敵敵畏（一種有機磷殺蟲劑）和咖啡因。最簡單的去污方法可能是通過人工選擇、物理去除受污染的谷物，這是一項費時費力的工作，而且在許多情況下是不可能的，如小麥在磨粉過程中，麥麩中霉菌毒素含量增加，面粉中霉菌毒素含量降低。此外，大多數霉菌毒素耐熱，通常應用于食品工藝的熱處理對霉菌毒素水平沒有顯著影響。利用堿和氧化劑等不同的化學物質將霉菌毒素轉化成無毒產品。堿性化合物，如氨、鈉和氫氧化鈣，特別用于破壞黃曲霉毒素，盡管這種處理幾乎可以完全消除霉菌毒素，但這些化學物質也會導致一些營養物質的損失（張恒達等，2014）。最后，不可消化吸附劑可以用來防止霉菌毒素被消化道吸收，這種吸附劑在飼料中被使用。如有報道成功地將黃曲霉毒素B1吸附在水合-鈣鋁硅酸鹽及乳酸菌的細胞壁上（Lahtinen等，2004），但吸附的同時也會造成必需微量營養素的損失，這是這種解毒方法的潛在缺點。盡管如此，一些吸附劑仍被用于飼料添加劑。雖然目前使用的方法在某種程度上是成功的，但大多數方法都有其缺點，首先對重要營養素的吸附作用，而且通常成本高。

2 霉菌毒素生物降解

霉菌毒素生物降解最常用的策略之一是分離能降解給定霉菌毒素的微生物，并在適當的發酵過程中處理食品或飼料。從食品安全的角度看，應優先考慮食品生產中常用的微生物發酵，如乳酸菌發酵、酵母發酵等。在最佳的情況下，這一程序可以產生無霉菌毒素的食物或飼料。另一種方法是觀察一些動物消化道的微生物能降解霉菌毒素，將這些微生物從動物體內分離出來，其制劑可用于上述發酵過程，同時通過優化它們在胃腸道中生長的最佳條件來促進它們在消化道中的活性也是一種可能的方法，因為理論上這些微生物也可用作為益生菌添加到食品或飼料中。第3個戰略越來越重要，它與分子生物學和遺傳學的發展有關，對參與真菌毒素降解酶的認識開辟了一些新的途徑，如在食品或飼料生產中常用的轉基因微生物的生產和它們用于上述酶的生產，或者將編碼這些酶的基因轉移到轉基因植物中，并利用這些植物生產降解霉菌毒素的酶（計成，2012）。

通過發酵來凈化谷物的想法是在20世紀80年代初提出的，如用受玉米赤霉烯酮污染的玉米發酵生產乙醇。Sawinski-Acsadi（1983）研究表明，受伏馬毒素污染的玉米可以作為假絲酵母中間發酵底物，可以將最初的毒素活性降低到原來的1/10，幾乎全部存在于發酵液中，而在飼料蛋白質中沒有檢測到毒素。Flesch和Voight-Scheuerman（1994）研究了酵母乙醇發酵對鐮刀菌毒素的潛在影響，發現了不含環氧基團的衍生物，這表明可能存在一種酵母表羥化酶，同時其也認為酵母可能產生連接酶和酮烯醇互變異構酶。

赭曲霉毒素A是一種真菌毒素，污染不同的植物及其產品，包括谷物、咖啡豆、葡萄和其他水果、果汁、啤酒和葡萄酒。葡萄和葡萄酒被認為是赭曲霉毒素攝入量的第二大來源，僅次于谷物。相關研究報道了赭曲霉毒素可被瘤胃細菌降解，但相關細菌尚未被分離和鑒定。Cheng-Ah-Hwang和Draughon（2014）通過篩選細菌和酵母來檢測能降解赭曲霉毒素的微生物，他們篩選了37種細菌、10株酵母菌和12種霉菌，結果發現，在25和30°C條件下，添加赭曲霉毒素的初始濃度為10 μg/mL時，醋酸桿菌能降解赭曲霉毒素。用蛋白水解酶降解赭曲霉毒素的試驗結果并不理想，如Abunrosa等（2006）利用曲霉菌株的蛋白酶制劑和酶提取物觀察到赭曲霉毒素水解活性較差。盡管大多數研究人員在釀造過程中觀察到液相中赭曲霉毒素含量下降，但目前關于赭曲霉毒素移除機制的報道存在爭議。此外，盡管這些研究結果在減少赭曲霉毒素污染方面看起來非常有前景，但需要進一步研究降解產物的特性，并研究這些細菌在食品和飼料中的活性。

早期研究表明，pH和溫度影響細胞對毒素的攝取，其中高數量的細胞比低數量的細胞能去除更多的黃曲霉毒素，而大量的熱滅活細胞也被證明可以與一些黃曲霉毒素相結合，這些毒素很容易通過水洗得到，如金黃色黃桿菌B-184對牛奶、植物油、玉米、花生、花生醬和花生牛奶中黃曲霉毒素的去除能力已被證明是有效的，但與這種細菌相關的亮橙色色素可能會限制它在食品和飼料發酵方面的適用性（汪洋等，2014）。進一步研究發現，許多微生物都能降解黃曲霉毒素B1，這些微生物包括紅色棒狀桿菌、黑曲霉、綠色木霉、二歧毛霉、樹膠毛霉、灰霉病毛霉、紅毛霉、米根霉等。Line等（1994）使用了放射性標記（C14）黃曲霉毒素B1，該物質可以通過閃爍計數程序精確地追蹤和檢測，這項技術允許檢測放射性標記的黃曲霉毒素形成的放射性二氧化碳，因此，其存在證實了黃曲霉毒素被微生物降解，因為實驗過程中釋放了放射性標記的二氧化碳，表明放射性標記的黃曲霉毒素被黃桿菌降解。由于黃曲霉毒素B1是一種多芳香族化合物，其降解酶（聯苯雙加氧酶、二氫二醇脫氫酶和水解酶）可能與其他芳香族化合物（如多氯聯苯）的分解代謝途徑相同，因此，了解這些酶的基因編碼將有助于開發和生產新的、有效的黃曲霉毒素降解酶制劑（鄧利紅和胡建安，2018）。

3 胃腸道微生物及酶制劑對霉菌毒素的降解

雖然在上文已經介紹了微生物發酵過程去污染含霉菌毒素的食品和飼料的許多可能性，但由于在商業水平上實現困難和成本高，這種真菌毒素的生物降解方法仍然受到限制。真菌毒素在動物消化道中的研究表明，消化道微生物區系中存在的幾種微生物能降解真菌毒素。反芻動物對霉菌毒素的普遍抗性與這些微生物的存在有關，包括瘤胃中的原生動物。基于這一觀察結果，一種真菌毒素生物降解的替代策略已經發展，消化道微生物已經能降解真菌毒素，但這些微生物仍然需要被識別，然后對其生態進行研究，以確定在胃腸道中生長的最佳條件，以及它們實際應用限制。益生菌被廣泛應用于食品生產，可用來平衡腸道菌群和預防胃腸道疾病。Peltonen等（2000）研究了益生菌在體內和體外條件下對黃曲霉毒素的結合作用，觀察到鼠李糖乳桿菌可干擾肉雞腸道對黃曲霉毒素的吸收，其中乳酸菌和雙歧桿菌與黃曲霉毒素B1體外孵育，測定上清液中的毒素殘留量，結果發現，黃曲霉毒素結合率為5.8%～31.3%。

Young等（2007）研究了雞腸道微生物對天花粉霉菌毒素的降解，觀察到12種天花粉毒素的降解有兩條途徑——脫酰化和脫環氧化。基于真菌毒素降解微生物代謝過程的研究進展，已經確定了參與降解過程的特定酶，這一事實加上基因工程的發展，為減少食品和飼料中霉菌毒素污染開辟了新的途徑。基因工程技術可用于向植物引入解毒基因，Liu等（2001）報道了鐮刀菌毒素降解酶已在轉基因植物中成功表達，轉基因植物籽粒中的霉菌毒素水平明顯低于常規植物。但公眾和科學上對使用轉基因植物作為食品和飼料成分的擔憂使這種方法受到質疑。另一種選擇可能是使用分離和純化的含有活性的微生物提取物來降解霉菌毒素。

4 展望

人們普遍認為，消除霉菌毒素引起的問題的最好方法是有效預防。分子生物學的最新成果可能為種植飼料原料和糧食植物開辟新的途徑。研究發現，微生物似乎是適用于霉菌毒素生物降解的主要生物。從理論上講，任何有機化合物（包括真菌毒素）都可以通過氧化降解作為需氧微生物的一種可能的能量來源。對霉菌毒素具有耐藥性的微生物在這類研究中具有最高優先地位，其抗性的生化機制研究有助于發現能去除霉菌毒素的微生物。隨著分子生物技術的應用，具有多種功能特性（包括降解霉菌毒素）的微生物菌株可以被改造，以顯著提高食品安全性和可接受性。盡管在這一領域有大量的研究和大量的出版物證實了各種微生物降解霉菌毒素的能力，但到目前為止取得的結果可能被視為發展實際商業技術的第一步。大部分試驗是在模型系統和實驗室條件下進行的，在許多情況下，使用混合培養的微生物，它們通常不是食品微生物區系的一部分。因此后續基于動物消化道中存在的霉菌毒素降解微生物，這些微生物的活性可能會增加，它們可能被用于體內降解霉菌毒素或作為益生菌。