光催化降解真菌毒素的研究進展

李 理 江孝龍 王 錦 張宇沖 單曉雪 廖子龍 陳晉瑩

(中儲糧成都儲藏研究院有限公司 610091)

1 真菌毒素概述

玉米、小麥等谷物是人類主食、動物飼料及食品加工原料的重要來源，其品質好壞直接關系到人畜的健康和加工業、畜牧業的經濟利益，適宜的溫度和濕度使糧食很容易感染真菌而產生真菌毒素。真菌毒素是真菌在食品或者飼料中生長繁殖過程中產生的一種有毒的次級代謝產物，真菌毒素污染農作物后可通過食物鏈進入動物體內，使其機體免疫機能下降、生長受阻、生產性能減弱，也會導致人類的抗病力降低而引發中毒[1]。

世界糧農組織(FAO)的調查報告指出，全球有25%以上的谷物受到真菌毒素的污染，導致食品和飼料產品損失約10億公噸。據報道，在鐮刀菌爆發年中，發霉玉米對美國的經濟損失可能高達4600萬美元[2]。Hu等人[3]在2016年調查了陜西省10個地方百余種玉米及其制品的污染情況，發現嘔吐毒素(DON)、黃曲霉毒素(AFs)、玉米赤霉烯酮(ZEN)、赭曲霉毒素(OTA)等毒素均被檢出，且樣品總體檢出率高達98.3%。Zhou等人[4]在2017年的調查報告中對全國各個地區的1034種飼料原料及配合飼料樣品進行了檢測分析，發現真菌毒素的污染非常普遍，其中小麥及麩皮中DON的最高值達到13348 μg/kg，玉米副產物中DON的最高值達到3949.00 μg/kg，是DON污染的高風險飼料原料。由此可見，建立簡單快捷的真菌毒素檢測方法，開發新的真菌毒素脫毒方法，對預防真菌毒素污染，減少毒素中毒事件發生至關重要。

2 真菌毒素的分類及危害

常見的真菌毒素主要由曲真菌、鐮刀菌和青真菌等真菌產生，圖1給出了部分真菌毒素的分子式，包括AFs、DON、ZEN、OTA與T-2毒素等[5]。目前已知的AFs主要有B1、B2、G1、G2以及兩種主要存在于牛奶中的代謝產物的M1、M2，其中AFB1最容易產生、存在最多、毒性和致突變性最強，也是主要的致癌因子。鐮刀菌產生的DON被列為第3類致癌物，美國食品和藥品管理局(FDA)頒布的DON限量建議中規定人類所食用的麥制品中DON的含量不能超過1 ppm。ZEN也是由鐮刀菌屬的菌株-禾谷鐮刀菌產生，會導致動物出現精神萎頓、死胎和延期流產等情況，嚴重時可造成流產、死胎，甚至死亡。OTA在世界范圍造成的經濟損失僅次于AFs，屬于IIB類致癌物。真菌毒素廣泛存在于小麥、花生、玉米等谷類中，不僅對消費者的安全產生了很大的影響，也使生產者受到嚴重的經濟影響，因此已經有超過100個國家和組織建立了管理真菌毒素風險的法規。

圖1 部分真菌毒素的分子式

3 真菌毒素的檢測方法

真菌毒素作為谷物中無法消除的高風險污染物，其危害引起了世界各國的廣泛關注，表1列出了GB 2161-2011中規定的部分食品中真菌毒素的限量標準[6]，這對真菌毒素的檢測技術提出了更高的要求。作為控制食品質量安全和真菌毒素研究的一個關鍵點，常用的真菌毒素檢測方法主要包括酶聯免疫吸附法(EL1SA)、膠體金免疫層析法、薄層色譜法(TLC)、高效液相色譜法(HPLC)、氣質聯用(GC-MS)、液質聯用(HPLC-MS)等[7]。

表1 食品中真菌毒素的限量標準

4 真菌毒素消減方法概述

真菌毒素污染是自然發生的，污染發生在作物種植、收獲、儲藏、加工、運輸等各個階段，且污染發生受環境影響較大。相比于農藥殘留和重金屬等食品、農產品中常見污染物，真菌毒素污染產前防控技術難度大。隨著人們對食品和農產品安全的日益重視，真菌毒素脫毒消減技術研究已成為農產品和食品安全領域的熱點。目前的真菌毒素脫毒消減方法主要有物理方法、化學方法以及生物方法。

4.1 物理方法

常用的物理脫毒方法包括加熱、吸附、擠壓、洗滌、分選等。但有些真菌毒素結構較穩定，耐高溫，一般的食品和飼料加工過程中很難被完全降解。而吸附法是利用吸附劑與真菌毒素結合，形成復合物去除真菌毒素的一類方法。真菌毒素吸附劑主要包括硅鋁酸鹽、活性炭、改性葡甘露聚糖、改性蒙脫土等。Galvano等人[8]研究了4種不同種類活性炭對水溶液中DON的吸附效果，4種活性炭吸附效果存在差異，最高吸附率可達98%。Frobose等人[9]研究海藻改性蒙脫土對DON的吸附性能，研究證明蒙脫土可減輕DON污染造成的豬體重下降等不良反應。吸附法操作簡單，成本低，但真菌毒素毒性結構未被破壞，且其在機體內代謝機制不明，這可能是制約吸附法應用的主要問題。Cetin等人[10]則采用HPLC和EL1SA分別測定了擠壓處理后玉米中DON的消減效果，擠壓處理后，玉米中DON含量降低了21%～37%。分選主要是根據農產品色澤、比重等不同將受污染農產品剔除，從而降低農產品中真菌毒素污染風險。受鐮刀菌感染的麥粒密度較未感染麥粒小，通過比重分選可使感病麥粒集中在輕質小麥中。另外，感病小麥的色澤異于正常小麥，將非正常色澤的小麥剔除也可降低小麥中DON污染風險。Huang等人[11]對比重分級去石機的參數(喂料速度、振動頻率、篩體橫向傾角、篩體縱向傾角、吸風量等)以及色選機的參數(通道進料比、分選精度等)進行優化，提升了污染麥粒的篩選去除效率，使小麥粉中DON含量滿足限量要求，該加工工藝的DON去除率可達78.9%。

4.2 化學方法

化學方法是指使用化學試劑去除真菌毒素的一類方法，常用化學試劑包括臭氧(O3)、亞硫酸氫鈉(NaHSO3)、亞硫酸鈉(Na2SO3)以及碳酸鈉(Na2CO3)等。O3降解技術因具有操作簡單、不易引入二次污染等優點，被廣泛應用于實際生產中。Li等人[12]使用O3處理濃度為1 μg/mL的DON水溶液30 s后，DON降解率達93.6%。O3可有效降解農產品中的DON。O3的氧化位點是DON中位于C9和C10位的雙鍵，其通過氧化作用將DON分子降解為酸、醛、酮等簡單分子。然而，Young等人[13]報道O3處理會導致小麥粉的流變學特性發生改變。此外，Na2SO3也被用于DON降解。Paulick等人[14]將每千克水分含量為30%的玉米中添加10 g Na2SO3處理8 d后，玉米中DON可被完全降解。Abramson等人[15]研究發現，將100 g含有18.4 μg/g DON的加拿大大麥加入到20 mL濃度為1 mol/L的Na2CO3溶液中，80℃加熱3 d后，DON含量接近0。Xie等人[16]用1% NaHSO3水溶液、0.1 mol/L碳酸鈉水溶液、5%石灰水水溶液和5%過氧化氫水溶液處理小麥，小麥中DON的降解率分別為69.9%、83.9%、21.8%和45.1%。為減少化學試劑對人體和動物的危害，研究人員從天然植物中提取了白藜蘆醇等天然產物用于DON的脫毒研究。Kolesarova等人[17]則發現白藜蘆醇可降低DON導致的動物生殖毒性。

4.3 生物方法

生物方法是利用微生物菌體的吸附或分解代謝作用去除真菌毒素的一類方法。篩選既具有脫毒能力又不破壞產品品質的微生物菌體是生物脫毒消減方法的關鍵。生物法因具有產物專一、條件溫和、毒性低等優點受到廣泛關注。國內外文獻報道了多種具有吸附或降解真菌毒素性能的微生物菌體，它們的脫毒或降解能力有強有弱，其脫毒或降解率介于20%～100%[18,19,20]。目前，生物脫毒消減研究取得了一定進展，但研究主要側重于菌株的篩選，真菌毒素的吸附機制和降解機制等關鍵科學問題仍需進一步深入探索。

4.4 光降解方法

真菌毒素的脫毒應當滿足以下條件：①能夠吸附或者破壞真菌毒素的毒性；②不產生二次有毒物質；③不改變原來食物的營養價值；④不產生太大經濟成本。

5 光催化降解技術發展現狀

光降解技術具有綠色、安全、高效等優點，因而越來越多地被應用于真菌毒素消減領域。

5.1 光催化降解技術及原理

半導體介導的光催化降解反應機理可分為三個階段，如圖2所示。

圖2 半導體介導的光催化降解反應機理

5.1.1 光生載流子產生 半導體催化劑吸收光能，價帶(VB)中的電子(e-)激發后躍遷至導帶(CB)，同時在價帶相應位置生成一個帶正電的空穴(h+)，即在催化劑內部產生光生電子-空穴對[21]。光生空穴和光生電子分別具有很強的氧化、還原能力。

5.1.2 光生載流子分離 躍遷至導帶的光生電子和價帶生成的空穴統稱為光生載流子。光生載流子可向不同位置遷移，其中一部分載流子在遷移過程中于催化劑的雜質或缺陷處發生電子-空穴對復合，并以熱福射的形式將吸收的光能釋放，另一部分光生空穴和光生電子分別沿晶格遷移至催化劑表面。

5.1.3 表面氧化還原反應 在光催化降解反應過程中，遷移至催化劑表面的光生電子和光生空穴可直接參與降解反應，但是起主要作用的基團是催化劑表面氧化還原反應產生的羥基自由基(·OH)和超氧自由基(·O2-)等活性自由基。這些活性自由基具有強氧化性，可與染料、色素、抗生素和真菌毒素等反應，實現對污染物的降解。

5.2 光催化降解技術在毒素消減領域的應用

光催化降解技術可實現低濃度高毒性污染物的降解，被廣泛應用于污水處理、生活飲用水凈化等領域。該技術不僅可以降解染料、色素、苯酚和抗生素等有機污染物，還可用于真菌毒素的降解(如圖3)。

5.2.1 紫外光照射下的降解 Matsunaga等人[22]于1985年首次研究了TiO2在紫外光照下的抗菌(釀酒酵母)性能，并提出了光化學殺菌的新概念。他們使用半導體粉末(載鉑的二氧化鈦，TiO2/Pt)在光照的條件下對微生物細胞進行殺滅。將釀酒酵母與TiO2/Pt顆粒一起放在紫外燈下照射60 min～120 min可實現完全滅菌。由于整個細胞中的輔酶A被光催化氧化產生的活性氧物質氧化，使得細胞呼吸受到抑制，從而導致細胞死亡。隨后，半導體光催化劑在抗菌領域的應用引起了研究者的極大興趣。

圖3 光催化材料用于真菌毒素的降解

Deng等人[23]則建立一種基于磁性TiO2-SiO2反蛋白石光子晶體微球光催化降解DON真菌毒素的方法。首先利用玻璃毛細管、聚四氟乙烯管以及移液槍槍頭等材料自主設計制作出微流控設備、搭建微流控平臺，結合自組裝法及高溫煆燒去除聚苯乙烯(PS)納米粒子模板，最終制備得到磁性TiO2-SiO2反蛋白石光子晶體微球和TiO2-SiO2反蛋白石光子晶體微球。將制備得到的不同乳液配比的磁性TiO2-SiO2反蛋白石光子晶體微球和TiO2-SiO2反蛋白石光子晶體微球，進行250 W紫外燈照射，利用TiO2的光催化特性降解DON真菌毒素，通過高效液相色譜紫外檢測DON真菌毒素的降解情況。對兩種微球的不同乳液配比的光催化性能分別進行對比，實驗得出：乳液配比為TiO2-SiO2=1:6(v/v)的磁性TiO2-SiO2反蛋白石光子晶體微球展示了最好的光催化活性，5 h內可以減少49%的DON真菌毒素。

而Shan等人[24]以未固化加工的納米級試劑二氧化鈦(TiO2)為研究對象，對小麥中DON的降解情況進行研究。通過在小麥粉和籽粒中添加TiO2，進行一系列的正交實驗，觀察小麥DON的降解效果，最后再驗證添加TiO2對小麥的出粉率、色澤、氣味、脂肪酸值、粗蛋白等相關品質指標的影響。研究結果表明：光照2 h，小麥粉和籽粒實驗組降解率提升最快，相對降解率最高，紫外照射6 h，紫外光催化TiO2與紫外光協同作用使DON降解率可分別達到40.0%和32.8%，說明粉狀未加工的納米級TiO2對小麥DON有較明顯的降解效果。

此外，Bai等人[25]通過水熱法制備了石墨烯/ZnO復合材料，該材料在紫外光照射下對DON表現出優異的光催化降解性能。經過30 min光降解處理，DON降解率(15 ppm)可達99%。同時實驗還表明，石墨烯/ZnO復合材料的活性是純ZnO活性的3.1倍，且DON的降解后出現三個中間產物峰。通過ESI/MS譜圖進行分析，證實了DON和中間產物的存在。

5.2.2 可見光照射下的降解 紫外光能量較高，可能會破壞農產品、食品以及飼料中的營養成分或風味物質。可見光催化降解技術可將低密度的太陽能轉化為化學能，實現對有毒物質的消減，從而避免紫外光造成的底物損失。

Khadgi等人[26]采用氧化石墨烯(GO)和納米Ag對鐵酸鋅(ZnFe2O4)進行改性制得ZnFe2O4-Ag/rGO納米復合材料，用于微囊藻毒素-LR(MC-LR)的光催化降解。在可見光下表現出優異的性能，在120 min內完全降解MC-LR，偽速率常數k0.0515 min-1，比其他光催化劑TiO2(k0.0009 min-1)，ZnFe2O4(k0.0021 min-1)，ZnFe2O4-Ag(k0.0046 min-1)和ZnFe2O4/rGO(k0.007 min-1)快幾倍。總有機碳分析顯示，在120 min的反應時間內，只有22%的MC-LR礦化，表明降解過程中存在不同的中間副產物。采用液相色譜-質譜法(LCMS)對光催化處理過程中形成的中間體進行鑒定，從而提出了可能的降解途徑。光催化過程中形成的·OH的攻擊導致二烯鍵羥基化和斷裂。對大型水蚤的毒性評價表明，降解過程減輕了MC-LR的毒性，并且在處理過程中沒有形成毒性中間體，從生態毒理學的角度看這是非常重要的。因此，ZnFe2O4-Ag/rGO作為可見光活性和磁性光催化劑在環境領域具有良好的應用前景性能。

Graham等人[27]利用TiO2-Rh(III)可見光吸收型光催化劑，實現了對MC-LR的光催化降解。在20 min的光照下，90%的毒素被破壞。盡管TiO2/UV在紫外光照射下相對效率更高，但是使用可見光來驅動光催化反應的優勢顯而易見，遠遠超過在紫外光下稍快的動力學反應。因此，這些可見光吸收材料可以顯著提高半導體光催化的活性，從而作為一種從供給飲用水中去除微囊藻毒素的光催化劑。

Sui等人[28]則采用離子交換法合成了Ag3PO4光催化劑，并用于MC-LR的降解。通過實驗發現，初始pH值、Ag3PO4初始濃度、MC-LR初始濃度和循環實驗均影響MC-LR的降解效率。采用液相色譜-質譜聯用(LC-MS/LRES)檢測降解產物。結果表明：降解過程符合擬一級動力學模型。在pH為5.01、Ag3PO4濃度為26.67 g/L、MC-LR濃度為9.06 mg/L的條件下，MC-LR降解量最大，5 h內降解率可達99.98%。此外，還對反應機理進行探究，得出了以下結論：①Adda芳環上的羥基化；②Adda的二烯鍵上的羥基化；③內部MC-LR環結構上的相互作用。

而Wu等人[29]制備了包覆二氧化鈦光催化劑的納米顆粒(NaYF4:Yb，Tm@TiO2)用于MC-LR的降解。在模擬太陽光照射下，初始pH值為4，NaYF4:Yb，Tm@TiO2濃度為0.4 mg/mL，MC-LR(10 μg/mL)的降解率在30 min內可接近100%。而相同條件下，使用純TiO2(P25)作為催化劑，MC-LR(10 μg/mL)的降解率為61%。他們對反應過程進行了研究，并用擬一級動力學模型進行了擬合，發現高活性·OH是主要的活性物種。同時，采用液相色譜/質譜聯用技術對MC-LR的7種降解中間體進行了分析，并對其降解機理進行了探究，根據中間產物的分子量，提出了主要降解途徑為雙烯鍵羥基化和芳香環羥基化。此外，他們還根據中間體的結構對產物進行了毒性評價，發現中間產物均為無毒性的。該工作表明，除了紫外光，近紅外的能量也可以作為光催化的驅動源，具有高效和潛在降解MC-LR的潛力。

Jamil等人[30]采用復合前驅體法制備了納米級未摻雜的、Sc摻雜的SrTi0.7Fe0.3O3材料，并通過XRD、漫反射和XPS對制備的光催化材料進行了表征。結果表明，所得的材料具有類立方相鈣鈦礦的結構。通過Sc摻雜，使該材料的立方晶格參數和單胞體積均增大，同時也減小了材料的帶隙值(1.58 eV)。應用基質效應分析法在可見光范圍內將AFB1的光催化脫毒作用與照射時間，AFB1的初始濃度、催化劑用量以及pH值進行關聯分析。結果發現，在可見光作用下，Sc摻雜的SrTi0.7Fe0.3O3比未摻雜的材料對AFB1的光催化降解率要高。此外，以Sc摻雜的SrTi0.7Fe0.3O3作為催化劑，在可見光照射下，經過120 min處理，AFB1的去除率可達88.2%。

Wang等人[31]通過水熱法制備了樹枝狀α-Fe2O3，并以樹枝狀α-Fe2O3、商業納米α-Fe2O3為催化劑，在可見光下催化降解DON。DON光催化降解實驗證明與商業納米α-Fe2O3相比，樹枝狀α-Fe2O3降解DON的效率更高。經過2 h的光催化處理，90.3%的DON被降解，而以商業納米α-Fe2O3為催化劑的對照組，DON的降解率僅為46.7%。此外，他們還對DON的降解機理進行了探究。通過實驗證明，在光催化過程中催化劑表面產生大量羥基自由基(·OH)和超氧自由基(·O2-)。這些活性物質與DON分子反應，將DON分子中的環氧基破壞，脫氧形成碳碳雙鍵。另外，C9,C10位的雙鍵被氧化后碳鏈發生斷裂形成降解后的中間產物。DON是B型單端孢霉烯類化合物，其結構上的12,13-環氧基團與其毒性有關，同時DON分子中3，7，15位的三個羥基基團也與其毒性有關，在該降解后的中間產物形成的過程中，以上毒性位點被不同程度的破壞，表明經過光催化處理后，DON的毒性可能會降低。

而Wei等人[32]利用熱聚合方法構建了g-C3N4與Bi4O7的“Z”型異質結(DCN/Bi4O7)光催化材料，實驗發現DCN/Bi4O7展現出了較優異的光催化性能。他們利用這種材料對煙曲霉菌進行光催化殺滅，催化劑表現出較好的可見光光催化殺菌活性，在可見光照射下，6 h內可以使80.6%的煙曲霉失活。同時，他們利用活性物質捕獲、毒性實驗、SEM、染色等討論了殺菌機理。結果表明，DCN/Bi4O7在可見光下產生的高活性的自由基，如h+和·O2-，對煙曲霉菌的細胞壁和細胞膜產生了破壞，從而抑制或殺滅了萌發的煙曲霉菌。

Mao等人[33]成功地設計、合成了由納米WO3、納米g-C3N4片和還原態的氧化石墨烯(RGO)為固體電子介質的新型高效三元復合材料。與一元或二元催化劑相比，WO3/RGO/g-C3N4復合材料在可見光下對AFB1的光催化降解活性明顯增強。結果表明，三元復合材料中存在協同效應，而協同效應又取決于組分的幾何結構和界面組合。當RGO作為WO3和g-C3N4之間的過渡層時，形成了Z型結構體系，而在沒有RGO的情況下，其形成機制為異質結型。通過自由基捕獲實驗和ESR檢測，發現自由基·O2-、h+和·OH是AFB1光降解過程中的主要活性自由基。最后，Mao還提出了三元復合材料的光催化降解機理和降解產物。不僅為有效復合材料體系的設計與合成提供了有益的信息，而且為解決難降解天然污染物的問題提供了新的途徑。

Mao等人[34]利用雙氰胺重結晶后熱分解產生的大塊g-C3N4進行超聲剝離，制備出橫向尺寸約為100 nm±50 nm的無定形納米g-C3N4。納米g-C3N4在可見光下對AFB1的光催化降解性能優于塊狀g-C3N4。隨后他們探究了納米g-C3N4增強光催化降解效率的機理，通過一系列物理化學、光電性能表征證實了納米g-C3N4具有較好的光生電荷分離能力和較大的比表面積。通過對降解產物結構進行分析，發現AFB1在塊狀g-C3N4和納米g-C3N4上輻照2 h后，其初始光降解中間體(C17H14O7)或主要產物(C14H16O4和C12H10O4)存在差異，這可能與光反應過程中兩種催化劑的光催化活性以及活性基團數有關。這項工作也為深入理解AFB1光降解的相關機理材提供參考信息。

Mao等人[35]又通過在WO3表面沉積CdS，制備了一種全固態Z型結構的復合材料。在可見光照射下，AFB1在水溶液中的毒性明顯降低。通過高分辨質譜(HRMS)、自由基捕獲試驗和18O同位素標記研究，表明羥基自由基加成反應優先發生在C8、C9雙鍵位點，從而使雙鍵失活、AFB1脫毒。此外，他們運用密度泛函理論(DFT)計算進一步揭示了AFB1降減的反應機理，驗證了羥基自由基最有可能與C9位點發生反應形成AFB1-9-羥基。這項工作深入探討了AFB1中毒性位點的失活機理，并設計了有效的光催化劑來減輕有毒污染物的危害。

Gao等人[35]則通過原位靜電組裝制備了苝二酰亞胺(PDI)/氧摻雜g-C3N4納米片(O-CN)全有機異質結光催化劑。在可見光照射下，PDI/O-CN-40%復合材料的殺菌效率顯著高于O-CN，在光照3 h后幾乎已殺滅了全部金黃色葡萄球菌(96.6%)，而相同時刻O-CN殺菌率僅為62.2%。此外，他們還探究了殺菌機理，通過一系列表征及實驗表明，在光照下產生了大量具有強氧化性的活性物種，可以氧化細胞膜，使其變形。同時，部分金黃色葡萄球菌細胞表面出現一些大的空腔，可能導致細胞內容物泄漏，有利于活性物種進入細菌細胞內部，進一步促進金黃色葡萄球菌的失活。

6 展望

由于目前國內外降解真菌毒素的主要方法一般為物理降解法、化學降解法以及生物降解法，這些方法都存在產生二次污染物或者降解不徹底等缺陷。因此，利用納米材料(諸如TiO2、g-C3N4及其復合物等)具有的優良特性作為光催化劑，可以有效改進這些方法的缺陷，且光催化降解真菌毒素簡單方便、成本低，將越來越顯示出廣闊的應用前景。