小麥儲藏過程中真菌毒素變化趨勢及預(yù)警技術(shù)研究進(jìn)展

王瑞虎, 李萌萌, 關(guān)二旗, 劉遠(yuǎn)曉, 卞 科

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

小麥?zhǔn)鞘澜缧约Z食作物，是我國人民最重要的口糧作物之一，是重要的儲備糧和商品糧品種之一。由于小麥具有吸濕性強(qiáng)、后熟期長等儲藏特性，小麥在儲藏和運(yùn)輸階段極易產(chǎn)生大量水分和熱量，從而導(dǎo)致易受到真菌侵染及其產(chǎn)生的毒素污染，造成嚴(yán)重?fù)p失[1,2]。小麥中常見的真菌毒素包括黃曲霉毒素(AFs)、嘔吐毒素(DON)及其衍生物3-乙酰基-DON(3-ADON)、15-乙酰基-DON(15-ADON)、DON-3-葡萄糖苷(D3G)赭曲霉毒素A(OTA)、玉米赤霉烯酮(ZEA)、雪腐鐮刀菌烯醇(NIV)和伏馬毒素(FUM)等[3,4]，小麥在生長、收獲、運(yùn)輸過程極易受到產(chǎn)毒菌的污染，其中鐮刀菌污染尤為嚴(yán)重，這些產(chǎn)毒菌在進(jìn)入儲藏后，在條件適宜時極易快速滋生并產(chǎn)生真菌毒素。這些真菌毒素會對人和動物體產(chǎn)生多種急性和慢性毒性效應(yīng)，如免疫毒性、腎毒性、肝毒性、皮膚毒性和神經(jīng)毒性等[5-7]。

適宜條件下，產(chǎn)毒真菌極易快速滋生并產(chǎn)生大量毒素，對產(chǎn)毒真菌早期生長活動做出預(yù)警，在毒素形成之前對真菌生長進(jìn)行控制，對小麥儲藏過程真菌毒素污染的預(yù)防具有重要意義。本文主要綜述了小麥儲藏過程真菌毒素變化規(guī)律，分析了溫度、水分、環(huán)境濕度、儲藏方式和原始帶菌量對真菌毒素產(chǎn)生的影響，簡述了小麥儲藏過程真菌毒素預(yù)警技術(shù)的原理與研究現(xiàn)狀，并比較了各種方法的原理與優(yōu)缺點(diǎn)，以期為預(yù)防小麥儲藏過程真菌毒素污染控制技術(shù)研究提供參考。

1 小麥中主要真菌毒素污染現(xiàn)狀

小麥中真菌毒素污染主要來自兩方面，首先是小麥生長收獲時遭遇降雨等溫暖濕潤的天氣，產(chǎn)毒真菌與毒素含量會大量增加；其次，在儲藏期間，進(jìn)倉前干燥不充分或儲藏條件不當(dāng)，也會導(dǎo)致真菌毒素的大量積累。目前，小麥儲備體系主要由農(nóng)戶儲糧與糧庫儲糧組成。全國大多數(shù)地區(qū)農(nóng)戶儲糧設(shè)備落后、保管技術(shù)水平低、儲糧觀念落后，從而導(dǎo)致儲藏過程中糧食品質(zhì)下降嚴(yán)重[8,9]。糧庫儲藏小麥周期大部分為3～5年，隨著儲藏時間的延長與儲藏條件的改變，以及小麥呼吸、害蟲、害蟲與真菌相互作用、害蟲遷移、水分遷移等因素，糧堆中可能出現(xiàn)一定的發(fā)熱霉變現(xiàn)象。發(fā)熱霉變小麥會滋生大量真菌并產(chǎn)生真菌毒素，導(dǎo)致庫存小麥安全性、營養(yǎng)價值與經(jīng)濟(jì)效益嚴(yán)重降低[10,11]。此外，田間真菌在小麥中的廣泛存在導(dǎo)致入庫小麥自身不可避免地攜帶污染，儲藏過程中極易發(fā)生進(jìn)一步霉變使真菌毒素含量上升。本文分析了近年來國內(nèi)外對小麥中真菌毒素污染的調(diào)查研究，結(jié)果見表1。

世界各地小麥樣品中，DON均為檢出率最高的真菌毒素，伴隨DON產(chǎn)生的3A-DON、15A-DON污染僅次于DON。研究表明，這些衍生物毒性與DON類似，同時可以在生物體內(nèi)快速轉(zhuǎn)化為DON，嚴(yán)重威脅人和動物健康，對DON及其乙酰化衍生物污染應(yīng)高度重視[7，23]。其他真菌毒素雖檢出相對較少，但由于它們的高毒性、聯(lián)合毒性[24]，在小麥?zhǔn)諆Α⒓庸r應(yīng)注意監(jiān)測。入庫小麥?zhǔn)苷婢舅匚廴韭势毡檩^高，而小麥儲藏過程中，這些毒素又極易增長，甚至僅含DON的儲藏過程中也會陸續(xù)發(fā)現(xiàn)3A-DON、15A-DON、ZEA[25]，極大影響了小麥的儲藏安全。研究世界各地小麥真菌毒素污染水平與種類，有利于各地小麥入庫標(biāo)準(zhǔn)的制定，實(shí)現(xiàn)小麥分級入庫、合理入庫，對受污染小麥盡早處理，防止正常小麥被污染，加深小麥儲藏初期真菌毒素種類和污染變化情況的認(rèn)識，實(shí)現(xiàn)科學(xué)儲糧、綠色儲糧。

表1 小麥中真菌毒素污染現(xiàn)狀

2 儲藏環(huán)境對小麥中真菌毒素變化的影響

2.1 溫度、水分與真菌毒素變化的關(guān)系

小麥中的產(chǎn)毒真菌大多是植物病原真菌，其中鐮刀菌為小麥中主要的產(chǎn)毒真菌，這些真菌在收獲后隨著小麥進(jìn)入儲藏過程，在條件適宜時就會產(chǎn)生真菌毒素，溫度、水分、時間等是影響小麥真菌產(chǎn)毒的主要因素[26,27]，小麥中常見真菌毒素最適產(chǎn)毒溫度水分活度如表2所示[28-30]。

表2 小麥中常見真菌毒素最適產(chǎn)毒條件

溫度與水分活度是影響小麥儲藏過程發(fā)熱霉變的關(guān)鍵因素。劉露露[31]研究了不同含水量小麥發(fā)生霉變的極限條件，在小麥儲藏的常溫(15～25 ℃)與極端(25～35 ℃)條件下，含水量為16%的小麥安全儲藏期分別為33、6 d。小麥中大多數(shù)微生物為中溫性微生物，20～40 ℃是大多儲糧真菌的最適生長溫度，因此，在小麥儲藏過程中，保持常溫環(huán)境，甚至采用低溫儲藏是防止小麥發(fā)熱霉變的良好措施。水分是產(chǎn)毒真菌生命活動的必要條件，常溫(15～25 ℃)條件下，含水量為16%、18%、20%、22%的小麥安全儲藏期分別為33、24、6、5 d。在20 ℃、20%含水量的條件下，DON含量為111 μg/kg的小麥在儲藏28 d后，平均DON含量增加至2 186 μg/kg；在相同溫度和時間條件下，小麥含水量在17%時，DON含量僅增長了9倍，OTA含量均無顯著變化。研究發(fā)現(xiàn)，水分含量較高時DON含量增加較快，且短時間內(nèi)DON含量可能迅速上升；相同溫度條件下，小麥安全儲藏期隨小麥水分含量的升高而降低，真菌毒素增長速率隨小麥水分升高而降低[32]。雖然當(dāng)前小麥入庫水分較低，大多數(shù)地區(qū)入庫安全含水量為13%，根據(jù)地域不同略有不同，但在儲藏過程中若出現(xiàn)漏水，高溫高濕天氣等情況，小麥水分仍可能會迅速上升，因此，儲藏過程中應(yīng)嚴(yán)格控制小麥水分，防止小麥水分過高發(fā)熱霉變。

糧庫中小麥儲藏應(yīng)根據(jù)地區(qū)、經(jīng)濟(jì)條件采用自然低溫儲藏、通風(fēng)降溫、機(jī)械制冷降溫等方式保證小麥在低溫環(huán)境中儲藏，農(nóng)戶儲糧應(yīng)盡量將小麥儲藏于陰涼位置。高水分含量小麥在儲藏時會迅速霉變產(chǎn)毒，小麥入倉時水分應(yīng)嚴(yán)格控制小麥含水量低于12.5%[33]，再行入庫。在新麥入倉完成后熟作用時，小麥會釋放較多水分與熱量，造成小麥局部溫度、水分含量過高，因此應(yīng)加強(qiáng)檢測力度，做好通風(fēng)降溫降濕工作。

小麥儲藏安全性不僅取決于水分和溫度的單獨(dú)作用，也決定于兩者的聯(lián)合作用。因此，在一定溫度情況下，小麥存在一個可以安全儲藏的水分，即“安全水分”，小麥儲藏安全水分值隨著溫度的不同而不斷變化。模擬儲藏條件下，溫度每增加5 ℃，相應(yīng)的安全含水量降低0.5%；小麥的安全含水量一般在2、30、35 ℃下分別為13.5%、13%、12.5%[34]，儲藏時應(yīng)確保小麥水分含量不高于安全水分。

2.2 溫度、濕度與真菌毒素變化的關(guān)系

小麥儲藏時，環(huán)境濕度會顯著影響產(chǎn)毒真菌的生長傳播。空氣濕度較低時，產(chǎn)毒真菌易失水停止生命活動，較高的空氣濕度則會促進(jìn)產(chǎn)毒真菌的生長與傳播。高溫高濕環(huán)境中，產(chǎn)毒真菌極易迅速生長產(chǎn)生真菌毒素。Zhang等[25]研究結(jié)果顯示，僅含DON毒素的小麥，隨著儲藏時間的延長，樣品中陸續(xù)檢測出3-ADON、15-ADON、ZEA等真菌毒素。15 ℃、50%相對濕度下，真菌毒素含量變化不大；20 ℃、65%相對濕度與30 ℃、80%相對濕度下，DON等含量緩慢上升，18周時達(dá)到最大高值，之后趨于穩(wěn)定，DON等最終含量隨溫度升高而升高；在25 ℃、75%相對濕度DON等含量迅速上升，毒素含量上升最快最多。30 ℃下，DON含量增長較慢，這可能因為25 ℃是鐮刀菌的最適產(chǎn)毒溫度，15 ℃、50%相對濕度是小麥最適儲藏條件。Homdork等[35]研究小麥儲藏過程ZEA、DON、NIV變化觀察到相似趨勢，在25 ℃、90%相對濕度條件下，產(chǎn)毒真菌生長最快、產(chǎn)毒最多。較高濕度條件下，小麥真菌毒素含量均呈較快的增加趨勢，25 ℃條件下小麥DON產(chǎn)生更快最多。因此，高溫高濕季節(jié)小麥儲藏應(yīng)時刻注意及時通風(fēng)降溫降濕，盡可能使儲藏環(huán)境保持在15 ℃、50%相對濕度條件以下，可以采用氣調(diào)儲藏、密閉儲藏等受外界環(huán)境波動干擾較小的儲藏方式。同時原本僅含DON的小麥也會產(chǎn)生其他真菌毒素，應(yīng)建立完備的儲藏真菌毒素監(jiān)控系統(tǒng)，預(yù)防其他毒素危害小麥儲藏安全。

2.3 儲藏方式對真菌毒素變化的影響

儲藏方式對儲藏小麥真菌毒素變化趨勢也具有顯著影響，落后、較差的儲藏方式如傳統(tǒng)袋裝儲糧、農(nóng)戶小型倉儲糧亦或管理措施、設(shè)備不完善的筒倉，儲藏小麥?zhǔn)墉h(huán)境影響較大，又不能合理及時調(diào)整小麥狀態(tài)，極大增加了小麥中真菌毒素產(chǎn)生的可能性，良好的儲藏方式是預(yù)防小麥采收儲藏時毒素含量升高的重要措施[36]。Joubrane等[37]對黎巴嫩2個的倉庫研究發(fā)現(xiàn)，隨著儲藏時間增長，小麥中AFB1和OTA含量顯著增加，這2個倉庫的管理混亂，衛(wèi)生條件較差，且研究期間溫濕度較高，糧溫水分變化較大。在意大利，采用密封的聚乙烯袋儲藏小麥DON含量變化不顯著，被認(rèn)為是可行的，這可能與筒袋倉嚴(yán)格密封的環(huán)境有關(guān)。采用外界接觸進(jìn)行物質(zhì)交換的儲藏方式，可以有效減少真菌毒素污染的發(fā)生[38]。同樣，小麥在聚乙烯袋、牛皮紙袋和布袋中，室溫儲存180 d后，DON、15-ADON和3-ADON的含量在儲藏期間呈降低趨勢，D3G含量明顯上升，DON及其衍生物在小麥籽粒儲藏期間可能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化[39]，但總體毒素含量未上升，毒性反而有所降低。因此，條件控制合理的袋裝儲藏效果甚至比黎巴嫩的倉庫效果更好。常溫庫和地下倉庫15.7%含水量的小麥在儲藏60 d后DON毒素含量降低，但出現(xiàn)蟲蛀現(xiàn)象。4 ℃冷庫未發(fā)生蟲蛀現(xiàn)象，毒素含量無顯著變化，為理想的儲藏方式[40]。后兩者均為研究人員在實(shí)驗條件下完成的，相較黎巴嫩倉庫疏于管理而言儲藏條件控制均較為嚴(yán)格，小麥中真菌毒素含量未出現(xiàn)顯著增長，在沒有倉庫時，采用袋裝儲藏小麥做好熏蒸殺蟲、機(jī)械通風(fēng)、防鼠等工作亦是可行的，而倉庫儲藏則需要制定更加嚴(yán)格的管理管理措施，及時通風(fēng)降溫降濕，做好熏蒸工作等，必要時及時出庫。同時，低溫庫可以更有效防止毒素含量上升及蟲蛀現(xiàn)象，小麥儲藏時應(yīng)盡量采用低溫儲藏的方式，減少因儲藏方式不合理引起的真菌毒素含量上升。

2.4 原始帶菌量與真菌毒素變化的關(guān)系

新收獲小麥有較長時間的后熟期，在收獲后一定時間內(nèi)呼吸作用較強(qiáng)，新陳代謝速率快，極易使糧堆發(fā)熱，微生物數(shù)量迅速增長產(chǎn)毒，因此，小麥入庫后帶菌量高低直接關(guān)系真菌毒素含量的變化。Homdork等[35]等在25 ℃、90%相對濕度條件下進(jìn)行為期36周的儲藏實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)重感染的小麥樣品(52%鐮刀菌感染)DON含量變化不顯著；輕微(4%)或中度(15%)感染水平儲存時DON含量迅速增加；所有樣品儲藏末期ZEA的含量均增加至最高水平，在儲藏過程中均陸續(xù)發(fā)現(xiàn)原始樣品不含有的NIV。同時實(shí)驗表明，DON、D3G和3-ADON主要是由真菌感染谷物初期產(chǎn)生的，當(dāng)產(chǎn)毒菌成為優(yōu)勢菌群后，它們不再產(chǎn)生真菌毒素，但此時真菌毒素的污染已經(jīng)發(fā)生了。鐮刀菌(2%污染)污染程度很低時，在20 ℃含水量為20%條件下儲藏8周，DON、NIV含量變化不顯著[41]。可見，初始帶菌量低時，高水分小麥真菌毒素產(chǎn)生也相對較慢。而入庫小麥鐮刀菌污染程度往往處于極易增長產(chǎn)毒的狀態(tài)，因此，在小麥入倉之前，應(yīng)檢測其原始帶菌量，對入庫小麥儲藏狀況和儲糧穩(wěn)定性進(jìn)行分析，根據(jù)結(jié)果考慮小麥?zhǔn)欠駪?yīng)經(jīng)過某些處理再進(jìn)行儲藏，如熏蒸、滅菌等；根據(jù)初始帶菌量種類對后期微生物區(qū)系的演替做出預(yù)測，確定取樣間隔，及時取樣分析，根據(jù)真菌不同變化規(guī)律對真菌毒素危害做出早期預(yù)報，針對不同真菌變化及時采取通風(fēng)、干燥、熏蒸或及時加工利用等措施，防止真菌毒素污染的發(fā)生。

3 儲藏小麥真菌毒素預(yù)警技術(shù)

3.1 儲藏真菌毒素預(yù)警技術(shù)原理

真菌毒素的產(chǎn)生往往伴隨真菌在小麥中的大量繁殖，導(dǎo)致小麥品質(zhì)發(fā)生嚴(yán)重的劣變。真菌寄生在小麥中快速繁殖，會逐漸破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，損害胚乳中的營養(yǎng)物質(zhì)，小麥濕面筋含量、面筋強(qiáng)度、降落數(shù)值等均出現(xiàn)不同程度下降，破損淀粉含量、脂肪酸值上升；放出大量熱與二氧化碳等氣體，產(chǎn)生特異性氣體，使儲藏環(huán)境溫度升高、糧堆生物活性升高，產(chǎn)生真菌毒素，危害小麥儲藏安全[42，43]。這些變化為儲藏小麥產(chǎn)生真菌毒素的預(yù)警提供了基礎(chǔ)，國內(nèi)外據(jù)此相繼提出了儲藏動力學(xué)模型、氣體檢測預(yù)警技術(shù)、微生物活性技術(shù)。

3.2 儲藏真菌毒素預(yù)警技術(shù)現(xiàn)狀

儲藏動力學(xué)模型主要通過模擬儲藏實(shí)驗對微生物生長產(chǎn)毒進(jìn)行預(yù)測。彭堅等[44]以小麥為基質(zhì)，考察溫度對小麥與黃曲霉生長的關(guān)系，采用Ratkowsky方程擬合不同溫度下黃曲霉生長二級模型，當(dāng)溫度接近黃曲霉最低生長溫度時，擬合效果較好，R2可以達(dá)到0.99，可以較好預(yù)測小麥中黃曲霉生長情況。Mateo等[45]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于帶菌量、溫度、水分和時間來預(yù)測小麥中DON的積累，使用數(shù)據(jù)矩陣驗證優(yōu)化各網(wǎng)絡(luò)，在預(yù)測值與目標(biāo)之間獲得最佳擬合網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測R2達(dá)到0.95以上，驗證了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在DON積累預(yù)測中的應(yīng)用前景。但目前大多模型都缺乏適用性，由于模型輸入變量的局限性與數(shù)據(jù)量的缺乏，模型缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性與代表性，且大多預(yù)測模型采用小麥培養(yǎng)基進(jìn)行的，在實(shí)際儲藏過程的準(zhǔn)確性仍有待進(jìn)一步驗證。

霉變過程真菌代謝活動會顯著增加糧堆呼吸作用并產(chǎn)生特異性氣體，與正常糧堆有顯著差異。白靜靜[46]研究不同溫度條件下CO2濃度檢測值與真菌早起生長數(shù)量變化關(guān)系，制定了糧堆CO2檢測值變化解析儲糧真菌生長活動的規(guī)則，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了一套可以遠(yuǎn)程穩(wěn)定監(jiān)控儲糧真菌活動情況，實(shí)現(xiàn)了終端的數(shù)據(jù)查詢與報警的檢測系統(tǒng)，在實(shí)倉化學(xué)熏蒸、機(jī)械通風(fēng)時仍具有較好的效果，為小麥儲藏早期監(jiān)測提供了新的技術(shù)手段。利用電子鼻對儲糧真菌進(jìn)行早期檢測和鑒定，發(fā)現(xiàn)該檢測法可以根據(jù)氣味早期檢測到真菌的活性，并可以對相關(guān)真菌種類進(jìn)行鑒定[47]。趙天霞等[48]采用電子鼻對不同儲藏階段小麥樣品揮發(fā)性氣體成分進(jìn)行檢測及多元統(tǒng)計分析，建立了一套電子鼻響應(yīng)信號與霉菌侵染程度定性分析模型，對不同霉變程度樣品具有較好的區(qū)分效果。CO2氣體檢測法與電子鼻法能快速、準(zhǔn)確的反映儲糧的安全狀況，相較于傳統(tǒng)的溫度檢測法可以更靈敏、更精確的監(jiān)測到霉菌的活動。但現(xiàn)有研究多在實(shí)驗室或模擬倉中進(jìn)行，實(shí)際儲藏過程仍需與糧溫監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步完善技術(shù)體系，優(yōu)化技術(shù)參數(shù)，為實(shí)倉運(yùn)用奠定基礎(chǔ)[49]。

蔡靜平等[50，51]研究確立了以小麥表面過氧化氫酶活力變化為依據(jù)的儲糧微生物活性監(jiān)測技術(shù)，可以快速檢測小麥表面微生物活性，準(zhǔn)確度、靈敏性、重新性較好，操作更加簡便快捷。牛冰潔等[52]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)小麥霉變狀況可以以真菌數(shù)量變化為指標(biāo)，利用過氧化氫酶活性對糧食霉變快速檢測，可以迅速反映不同品種小麥真菌數(shù)量的增加變化，在小麥儲運(yùn)時可以準(zhǔn)確分析其霉變狀況。相較于傳統(tǒng)的、檢測周期長的帶菌量檢測技術(shù)，微生物活性檢測技術(shù)可以快速反應(yīng)糧食帶菌量，在對糧食儲藏期間霉菌的危害有很好的預(yù)警效果，對減少真菌毒素的產(chǎn)生具有較高的可靠性。但該技術(shù)也存在一定的局限性，實(shí)倉儲糧過程難以取得所有糧層小麥樣品，且熏蒸時不能工作人員難以入倉進(jìn)行檢測，此時就需要與其他技術(shù)結(jié)合以實(shí)現(xiàn)預(yù)警效果。

4 總結(jié)與展望

隨著小麥真菌毒素發(fā)生地區(qū)與發(fā)生頻率的持續(xù)上升，真菌毒素污染已成為小麥產(chǎn)業(yè)的重大威脅。在儲藏過程中，小麥中真菌毒素的產(chǎn)生主要受小麥水分含量、環(huán)境溫濕度、儲藏方式、原始帶菌量等的影響，在水分含量較高、高溫高濕環(huán)境或較高帶菌量情況下，小麥真菌毒素含量極易快速升高。實(shí)際儲藏中，小麥入庫含水量應(yīng)嚴(yán)格控制于12.5%以下，大規(guī)模儲藏采用低溫儲藏、氣調(diào)真空儲藏等方式控制小麥儲藏在15 ℃、50%相對濕度條件以下，加強(qiáng)小麥入庫環(huán)節(jié)原始帶菌量檢測，適當(dāng)對小麥采取干燥、熏蒸、滅菌等措施，以防止真菌毒素的產(chǎn)生。

隨著對小麥儲藏過程真菌毒素變化規(guī)律不斷深入，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多規(guī)律與預(yù)警方法，但對其規(guī)律研究多集中于實(shí)驗室研究階段，實(shí)驗室研究多是在有限條件下進(jìn)行的，基于有限數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上獲得的規(guī)律，與實(shí)際儲藏差別較大，且研究不可能針對所有小麥品種，只能針對個別特定品種小麥進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)不足與條件差別是制約實(shí)驗結(jié)果準(zhǔn)確性和可信度的最大難題。應(yīng)獲取盡可能多的數(shù)據(jù)對其規(guī)律與預(yù)警方法進(jìn)行完善，但大量數(shù)據(jù)的獲取本身就是很大的難題。同時研究的真菌毒素種類也較少，較難準(zhǔn)確對小麥真菌毒素毒性進(jìn)行預(yù)測。今后應(yīng)著重研究構(gòu)建真菌毒素預(yù)警模型，通過小麥在一定環(huán)境條件下的產(chǎn)毒概率直觀反映小麥安全狀況，并加大對多種真菌毒素協(xié)同作用的研究力度，對小麥儲藏過程多真菌毒素變化情況也應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。同時，由于各地環(huán)境不同，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)實(shí)倉情況，細(xì)化小麥儲藏環(huán)境，研究驗證其在不同儲糧生態(tài)區(qū)中的應(yīng)用。