植物源食品發酵與農藥殘留交互作用研究進展

王許蜜, 徐玲英, 楊孔談, 吳歡琪, 王祥云*, 潘道東

(1.寧波大學 食品與藥學學院, 浙江 寧波 315800; 2.農業農村部農藥殘留檢測重點實驗室浙江省農業科學院農產品質量與安全營養研究所, 浙江 杭州 310021)

植物源發酵食品是人類巧妙地利用有益微生物菌群對植物進行再加工和再創造的一種食品類型[1], 如泡菜、醬油、食醋、果醋、豆豉、腐乳、黃酒、啤酒、葡萄酒、普洱茶等。這些食品中因富含多種維生素、礦物質和膳食纖維等營養素而被大眾喜愛[2]。隨著植物源發酵食品需要量的不斷增加, 食品的質量安全及風味品質越來越受到人們重視。農作物作為主要原料在栽培過程中易受病蟲害侵襲, 所以化學農藥在保證其產量與質量方面起到了關鍵作用。但由于農藥不合理施用導致的農殘超標問題頻頻發生, 進而給發酵食品的質量和安全造成了不可忽視的影響。歐盟在2018 年食品農藥殘留檢測的報告中顯示: 茄子中檢出了氧樂果, 甜椒中殘留毒死蜱與三唑酮[3]。2015—2019 年對葡萄檢測的結果指出, 1 664 批次國內葡萄樣品中有1 408 批次檢出了農藥殘留, 檢出超標的農藥有氯氟氰菊酯、氯氰菊酯、甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽和苯醚甲環唑等[4]。2014 年, 在進口的轉基因大豆中檢測出3.908 mg·kg-1的草甘膦和3.364 mg·kg-1的氨甲基膦酸[5]。2019—2020 年從湖南不同地區采集的1 220 批次茶葉中有592 批次檢出農藥殘留, 其中5 批次茶葉農藥殘留超標[6]。

食品在發酵過程中涉及的微生物對原料中的農藥殘留行為及降解方式會產生顯著影響。Islam等[7]研究表明, 毒死蜱可被從泡菜中分離出來的短乳桿菌降解。除含量改變外有些農藥在微生物的作用下生成了比母體毒性更大的代謝物。如黃瓜在發酵過程中毒死蜱的含量有所減少但其代謝物3,5, 6-三氯-2-吡啶酚 (TCP) 殘留量增多, 且TCP的毒性更大[8]。同樣, 農藥也會對發酵過程中的微生物產生一定的負面影響, 從而影響發酵食品的品質和風味。當百菌清的濃度高于0.03 g·L-1時,能顯著抑制釀酒酵母的生長和酒精發酵效率, 當百菌清濃度低于0.01 g·L-1時, 發酵過程才能順利進行[9]。

本文以植物源食品發酵過程為主線, 對食品發酵過程與農藥殘留間的相互影響進行總結, 包括微生物在發酵過程中對農藥降解和代謝行為的影響,以及農藥殘留對食品感官品質和理化性狀的干擾,旨在為今后植物性發酵食品中農藥殘留的相關研究提供參考, 同時為農作物在栽培過程中農藥的規范使用提供理論依據。

1 發酵食品中微生物對農藥殘留降解代謝的影響

發酵食品中的微生物大致分為3 大類, 即細菌、酵母菌、霉菌[10]。其中, 細菌包括乳酸菌、醋酸菌、芽孢桿菌、糖多孢菌和葡萄球菌等, 幾乎存在于所有的發酵食品中。酵母菌主要包括釀酒酵母、畢赤酵母、假絲酵母和德巴利酵母等, 是酒精發酵和甘油發酵的主要微生物, 這些微生物在發酵面團、發酵酒、發酵醋等食品中不可或缺。與上述微生物相比, 霉菌中的根霉、毛霉和曲霉等則基本存在于醬油、醋、豆醬和豆豉等調味品中[11]。它們不僅能夠改善食品的口味, 提高食品的營養價值還可能降解食品中殘留的農藥, 保證了食品安全。

1.1 細菌

參與發酵蔬菜制作酸泡菜的微生物有乳酸菌、酵母菌、醋酸菌以及霉菌, 但乳酸菌是優勢菌[12]。酸泡菜中常見的乳酸菌有植物乳桿菌、腸膜明串珠菌和短乳桿菌, 這些細菌在無氧條件下能夠發酵多種糖類產生乳酸及少量乙醇、乙酸、二氧化碳等,增添了泡菜的風味[13]。蔬菜經過發酵后其農藥殘留往往有所減少, 這是因為微生物對其具有降解作用。遲濤等[14]在酸菜的低溫發酵實驗中發現, 經過高溫滅菌處理的酸菜中久效磷和氧樂果的降解半衰期為111.8 周和123.8 周, 接種了3 株植物乳桿菌的酸菜中久效磷和氧樂果的降解半衰期為26.8 ～37.3 周。另外, 含有天然菌株的酸菜中久效磷和氧樂果的降解半衰期分別為29.0 周和30.9 周, 這表明, 植物乳桿菌具有促進久效磷和氧樂果降解的作用, 同時天然菌株也具有相同的作用。為更加直觀地了解乳酸菌對有機磷農藥毒死蜱的降解情況,Maden 等[15]從發酵黑橄欖的鹽水中分離出的植物乳桿菌 LB-1 和LB-2 在MS 培養基中進行體外實驗, 菌株LB-1 和LB-2 在MS 培養基中對毒死蜱和溴氰菊酯的降解率在3 d 后分別達到96%、90%和24%、53%。申 文 熹 等[16]研 究 了α-666、β-666、ppDDE、ppDDD 等4 種有機氯農藥在酸菜中的降解情況, 發現在發酵15 d 后4 種有機氯農藥已完全降解。趙越[17]發現, 手性農藥多效唑在黃瓜和白菜腌制過程中都存在對映體轉化的情況, 并且S對映體轉化成R 對映體的速率較快; 手性農藥多效唑在黃瓜腌制過程中不存在選擇性降解行為, 而在白菜腌制過程中存在選擇性降解, S 對映體比R對映體降解快。

1.2 酵母菌

酵母菌作為兼性厭氧菌, 對農藥具有潛在的降解作用。Han 等[18-19]研究了高粱在發酵過程中對多種農藥殘留量的影響發現, 在3 個添加水平條件下, 釀酒酵母對甲基毒死蜱降解率分別為14.8%、18.8%和19.0%。單治國等[20]研究發現, 普洱茶接種微生物固態發酵實驗中接種釀酒酵母處理的聯苯菊酯殘留降解率為36.79%, 顯著優于傳統發酵、黑曲霉、產黃青霉處理。Lu 等[21]在醬油釀造過程中發現, 當用米曲霉作為發酵劑時, 禾草靈沒有表現出立體選擇性行為, 但是在魯氏酵母作為發酵劑時, S-禾草靈降解比 R-禾草靈快。An 等[22]研究發現, 在葡萄發酵過程中乙酰甲胺磷降解了58.9%, 但其有毒代謝物甲胺磷的量是原來的2倍。有報道稱酵母菌不僅能生物降解農藥還能對某些農藥進行吸附達到減少農藥殘留的目的[23]。Zhang 等[24]發現了釀酒酵母對擬除蟲菊酯類農藥具有很好的吸附作用, 并證實了發酵蘋果汁中氯氰菊酯被酵母菌吸附。

1.3 霉菌

相較于細菌和酵母菌, 對霉菌的研究則明顯較少。Zhou 等[25]研究了豆腐發酵過程中四種有機磷農藥降解情況, 發現4 種有機磷農藥含量在豆腐發酵過程中呈現出明顯的加速下降趨勢, 對照組中有機磷農藥的降解率是56.0%～86.1%, 而接種毛霉發酵的毛豆腐中有機磷農藥最終的降解率達到了79.7%～99.5%。Lu 等[26]研究了甲基敵草胺及其代謝物敵草胺在醬油釀造過程中的立體選擇性行為, 發現了醬油發酵中的米曲霉對甲基敵草胺和敵草胺的對映異構體表現出了不一致的降解能力。

2 農藥殘留對食品發酵的影響

2.1 農藥殘留對發酵過程微生物的影響

農作物在種植過程中噴施農藥會對其表面的天然菌群產生較大影響, 一般情況下會降低菌群多樣性和豐富度, 使其優勢菌群發生變化[27]。同樣發酵過程中殘留的農藥也會對體系中人工添加的菌種產生影響, 如郭璐瑤[28]進行了苯醚甲環唑、戊唑醇、吡唑醚菌酯、嘧菌酯以及噻蟲嗪5 種農藥對釀酒酵母菌脅迫的影響實驗, 結果顯示: 苯醚甲環唑、戊唑醇對酵母菌的抑制作用是相對較強的, 且隨著農藥濃度的增高抑制作用增強; 吡唑醚菌酯、嘧菌酯抑制相對較弱或無作用; 噻蟲嗪對釀酒酵母菌無明顯生長毒性。農藥對發酵微生物的影響不僅受農藥種類的影響, 還受其濃度的影響。在小麥釀造實驗中, 當毒死蜱濃度為5 倍最大殘留限量(MRL) 濃度時對酵母在培養基中的生長抑制為53%, 在兩個最高劑量 (15 倍MRL 濃度, 20 倍MRL 濃度) 下達到了88.3%和90.1%[29]。農藥的濃度達到一定水平后可能會延緩甚至中止發酵過程。添加百菌清的濃度越大, 對酒精發酵的抑制作用就會越加明顯, 發酵時間就越長, 當其劑量達到0.2 g·kg-1時即可出現葡萄醪發酵停止現象, 即便再次向容器中添加酵母也不能完成發酵[30]。另外, 少數農藥會通過刺激微生物的生命活動從而促進發酵過程, 如多效唑刺激了畢赤酵母的生長, 增加了其生 物 量[31]。Cabras 等[32-34]在滅菌丹對葡萄酒發酵的影響實驗中發現, 隨著發酵過程的進行,滅菌丹被降解為鄰苯二甲酰亞胺, 在一定程度上提高了酵母的發酵速率。

大量文獻表明, 微生物與農藥之間存在相互選擇影響, 因此, 在種植農作物過程中應根據不同作物的發酵需求合理選擇農藥以及用量, 既保證食品安全又能保證食品品質。

2.2 農藥殘留對發酵酒類品質的影響

植物性發酵食品雖然眾多, 但對農藥殘留影響發酵食品品質的研究目前主要集中在啤酒以及各種果酒上。酒的品質一般包括兩方面, 感官品質和理化性狀, 前者包括香氣、滋味及顏色等, 后者主要涉及酒精度、總糖含量、殘糖含量、揮發酸含量等指標。在酒的釀造過程中, 農藥主要通過抑制微生物的活性來干擾發酵進程, 改變微量成分以及代謝物含量, 導致發酵酒的品質下降[35-37]。

2.2.1 農藥對醇類物質的影響

醇類化合物是葡萄酒酵母發酵的主要產物, 除乙醇之外, 葡萄酒中還有丙醇、丁醇、丁二醇、糠醇等, 對葡萄酒風味構成具有重要意義[38]。農藥殘留對葡萄酒中醇濃度有較大影響, 如在葡萄酒發酵過程中丙森鋅、戊唑醇、吡唑醚菌酯、苯霜靈殘留改變了酵母和氨基酸的生物合成過程, 從而導致了葡萄酒中香葉醇和萜烯含量降低, 并且丙森鋅還降低了對香氣強度影響更大的異丁醇、正丁醇含量[39-41]。烯酰嗎啉、嘧菌胺分別降低了8%和10%的乙醇含量, 增加了異戊醇含量從而導致酒品質下降[42]; 環酰菌胺氟喹唑、苯氧喹啉、肟菌酯、噁唑菌酮增加了正己醇含量, 從而產生令人反感的氣味, 使葡萄酒的品質下降[43]。

2.2.2 農藥對酚類物質的影響

酚類物質是酒中重要的品質貢獻及功能性物質, 一直以來都是酒研究的重點。酚類物質不僅可以影響酒的氣味、顏色、口感等品質指標, 還具有抗氧化的功能[44]。農藥殘留易改變多酚物質含量,如經過喹氧靈處理過的葡萄發酵后酚類化合物顯著高于對照組; 肟菌酯處理的葡萄酒總酚含量 (包括二苯代乙烯類) 明顯低于對照組; 經甲基醚菌酯、噁唑菌酮和氟喹唑處理過的葡萄酒發酵后總酚含量微有下降[45]。Navarro 等[46]發現, 在啤酒發酵的初期, 含有丙環唑、腈菌唑、殺螟硫磷和氟樂靈殘留物的樣品在發酵后總多酚含量都存在顯著差異。

2.2.3 農藥對酯類物質的影響

香氣是評判酒品質的一項重要指標, 葡萄酒中的香氣由800 余種揮發性物質組成[47], 已有研究表明, 酯類化合物具有較低的閾值和濃郁的水果香味, 其濃度的變化對葡萄酒香氣的濃郁度和持久性具有重要影響[48]。農藥殘留會影響酵母菌等微生物的代謝, 影響酯類物質的產生, 對酒的品質產生不利影響。如García 等[43]在2004 年研究殺菌劑殘留物 (嘧菌酯、咯菌腈和嘧霉胺) 對接種了不同釀酒酵母菌株的airen 白葡萄酒的芳香成分的影響時, 發現己酸乙酯、辛酸乙酯和癸酸乙酯的總含量有所下降, 導致葡萄酒的香味不夠純正。Noguerol-Pato 等[40]研究了戊唑醇殘留對曼西亞紅葡萄酒香氣的影響發現, 戊唑醇殘留減少了柚子、熱帶果蔬類香氣, 增加了曼西亞紅葡萄酒的葡萄香、發酵香和花香, 破壞了原有香氣成分組成與比例, 并且經蘋果酸-乳酸發酵后生成過多的乳酸乙酯, 從而降低葡萄酒的品質。

2.2.4 農藥對理化性狀的影響

無論是白酒還是葡萄酒其理化性狀如酒精度、揮發性酸、總糖都易受到農藥殘留的影響。殘留的農藥通過影響發酵微生物的生長及代謝活動而改變其含量, 最終導致了品質變化。在含有烯唑醇、氟環唑、環丙唑醇、戊唑醇和粉唑醇的樣品中, 發酵結束時的酒精含量明顯低于對照組。此外, 在處理過的啤酒中發現更高量的殘余糖 (主要是麥芽糖和麥芽三糖)、更低的顏色強度和更高的色度[46]。邢世均等[49]研究了3 種殺菌劑對葡萄酒色澤的影響, 發現在甲霜靈和嘧菌酯的作用下, 葡萄酒花色苷含量顯著降低, 導致成品酒色素比例發生改變;甲基硫菌靈能顯著改變葡萄酒的色調、色度以及花色苷含量等指標, 從而影響葡萄酒色澤。李記明等[30]研究了農藥殘留對葡萄酒理化指標的影響發現, 增加發酵醪中百菌清的濃度, 葡萄酒的酒精度降低, 揮發酸、總酸升高, 殘糖升高和干浸出物含量相應增加; 添加三唑酮使葡萄酒干浸出物含量顯著降低; 添加殺螟硫磷, 葡萄酒酒精度降低, 殘糖、總酸和揮發酸略升高; 添加氧化樂果, 葡萄酒中干浸出物有所降低。

2.3 農藥殘留對植物源發酵食品品質影響

農藥殘留不僅能影響發酵酒的品質, 同樣對植物源發酵食品品質也具有一定的影響。早在1998—1999 年Welkner 等[50]研究了農藥混合物對發酵黃瓜品質的影響發現, 與對照組比, 處理組的黃瓜顏色更綠, 硬度更低且空腔更多。Manthey等[51]研究了收獲前施用除草劑對小麥發酵面包制作品質的影響, 結果顯示, 除草劑處理對面包體積、面包對稱性和面包屑顆粒以及質地沒有明顯影響, Darwent 等[52]也觀察到了類似的結果, 報道中講述面包質量不受收獲前施用草甘膦的影響。Randazzo 等[53]在橄欖發酵過程中發現, 未處理的橄欖苦苷濃度緩慢下降, 在發酵過程結束時達到最低值, 經過高嶺土和含銅農藥處理的橄欖苦苷濃度在整個發酵過程中增加, 此外, 咸味、苦味、酸度、硬度和纖維性方面的值均高于相應的未處理樣品。

3 總結與展望

農藥的使用可以保證食物生產過程中的產量和品質, 但同時也帶來了農藥殘留風險。當前微生物降解農藥的安全性相對較高, 國內外學者對農藥微生物降解的研究也日益增多, 許多能降解農藥的微生物菌株如細菌、真菌等已陸續得到分離與鑒定,但是對發酵過程作用于農藥降解的研究還比較少,其中, 對農藥影響發酵食品品質的研究更多局限于葡萄酒和啤酒中。然而, 發酵食品因具有多種有益人體健康的優點而受到越來越多人的追捧, 所以在未來的研究中要不斷深入探索農藥在食物發酵過程中的降解和代謝規律, 以及農藥殘留對發酵食品品質的影響, 以充分確保發酵食品生產安全。