真菌毒素脫毒技術研究進展

馬 帥，李 安，潘立剛

（北京市農林科學院質量標準與檢測技術研究所，北京 100097）

民以食為天，食以安為先。食品質量安全是人民群眾最關心、最直接、最現實的利益問題，關系著廣大人民群眾的身體健康和生命安全，關系著經濟的健康發展和社會穩定。真菌毒素是產毒絲狀真菌生長繁殖過程中產生的有毒次生代謝產物，具有致畸性、致癌性、致突變等毒性，其化學性質穩定，很容易進入食物鏈，對人類和動物健康造成嚴重危害。目前，解決農產品中的真菌毒素污染仍然是全球許多國家面臨的關鍵挑戰之一。因此，本文主要綜述了真菌毒素的污染特點、限量標準以及脫毒技術研究進展，重點總結了基于石墨烯、金屬有機骨架和磁性納米材料吸附劑等新型功能納米材料的真菌毒素物理吸附脫毒技術研究進展，進一步促進新型功能納米材料在物理吸附技術中的發展，推動物理吸附脫毒技術在真菌毒素防控中的應用。

1 真菌毒素概述

1.1 真菌毒素污染特點

真菌毒素（Mycotoxin）是產毒絲狀真菌產生的有毒次級代謝產物，廣泛存在于農產品及其制品中[1-2]。全球每年約有25%的農產品被真菌毒素所污染，造成10 億噸農產品損失和高達數千億美元的經濟損失[3]。目前，已知的真菌毒素已超過400 種，危害較大的包括黃曲霉毒素（Aflatoxins，AFs）、赭曲霉毒素A（Ochratoxins，OTA）、脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（Deoxynivalenol，DON）、玉米赤霉烯酮（Zearalenone，ZEN）和伏馬菌素（Fumonisin，FB）等40 余種[4]。真菌毒素可以通過抑制機體酶和蛋白質的合成來破壞細胞結構，進而損害腎臟、肝臟和神經等組織器官，具有致畸、致癌和致突變的毒性作用[5-6]。同時，真菌毒素具有分子結構及化學性質穩定、熔點高、可溶性小和分布廣泛等特點，農產品一旦被污染后利用常規的加工技術很難去除，在食品和飼料中就會產生毒素殘留，嚴重危害人類和動物健康。

1.2 真菌毒素的限量標準

真菌毒素的限量標準是各國根據居民膳食結構及食品安全監測數據，經過科學評估，并結合現有檢測技術水平和經濟貿易發展等因素而制定。由于不同國家和地區的氣候條件、地理環境及主要作物種類不同，居民的膳食結構和飲食習慣也不盡相同，因此，不同國家真菌毒素的限量標準存在一定差異。中國國家標準（GB）、美國分析化學家協會（AOAC）和歐洲標準化委員會（CEN）都在制定真菌毒素限量標準方面做了大量的工作[7-9]。

中國從1981 年開始制定食品中AFB1的限量標準，先后經過4 次修訂增加了AFM1、DON 和PAT 的限量，至2005 年將幾種真菌毒素限量合并形成了GB 2761-2005《食品安全國家標準食品中真菌毒素限量》。2011 年修訂版本追加規定了OTA 和ZEN 的限量。2017 年頒布了新修訂的GB 2761-2017《食品安全國家標準食品中真菌毒素限量》，依據公眾健康風險及膳食暴露水平現狀，對食品中AFB1、AFM1、DON、PAT、OTA 及ZEN 的限量進行了適當調整和規定。如表1 所示，對于黃曲霉毒素，中國對不同食品中AFB1的最高允許量進行了限定，歐盟既對食品中黃曲霉毒素總量（AFB1、AFB2、AFG1、AFG2）進行了規定，又特別標明了其中AFB1的最高限量標準，美國規定一般食品中黃曲霉毒素總含量不得超過15 μg/kg。對于赭曲霉毒素，中國和CAC 的限量標準均為5.0 μg/kg，歐盟的限量標準為3.0 μg/kg，美國沒有對OTA 進行限量規定。中國和美國對于DON 限量標準為1000 μg/kg，歐盟和CAC根據食品類別對DON 進行不同的限量規定，最大限量分別為1750、2000 μg/kg。中國對于食品中ZEN的限量為60 μg/kg，美國和CAC 對ZEN 的限量沒有明確規定。世界各國對PAT 在食品中的限量標準大多規定在50 μg/kg 以內。玉米作為最易感染伏馬毒素的糧種，已引起CAC、歐盟和美國等各國和組織的重視，并對其進行限量，限量標準4000 μg/kg。我國也有很多研究團隊關注到伏馬毒素的污染問題[10-11]，目前我國還沒有對食品中的伏馬毒素進行限量。總體來講，歐盟的標準所涉及的真菌毒素類別更廣，對食品類別和適用對象的區分也更加精細。當前，真菌毒素超標是我國農產品出口的最大阻礙之一，給我國農產品加工和出口企業造成了巨大經濟損失。因此，為了促進雙方間的自由貿易，預防及減少真菌毒素在農作物的種植、儲運、加工等環節的污染，從過程監管以及風險控制角度尋找真菌毒素去除技術的提升，探求限量標準統一的實現。

表1 各組織和國家食品中真菌毒素限量規定Table 1 Residual limits for main mycotoxins from different organizations and countries

2 真菌毒素生物脫毒技術

真菌毒素生物脫毒技術主要是利用微生物（包括真菌和細菌）之間的拮抗作用抑制產毒菌株的生長，或者利用微生物的生長代謝和生長過程中產生的酶類化合物降解真菌毒素。

近年隨著研究深入，發現能吸附和降解真菌毒素、且經分離鑒定的微生物種類繁多，其中包括細菌、霉菌、酵母菌及混合菌等。Adebo 等[12]研究發現發酵乳桿菌菌株發酵可以顯著降低高粱樣品中的真菌毒素，通過乳桿菌菌株（FUA3165 和FUA3321）發酵后，高粱樣品中FB1、T-2 和α-ZOL 含量分別降低了98%、84%和82%，因此，推薦發酵乳桿菌FUA3321 作為高粱發酵的發酵劑。陰佳璐[13]研究通過菌株與AFB1共培養的方法，從菌種庫里篩選到一株可以高效降解AFB1的渾濁紅球菌PD630 菌株，72 h 后對AFB1的降解率高達93.04%。菌株的降解活性與培養基中AFB1濃度密切相關，在0～2 μg/mL 的污染范圍內均可以保持高降解活性（＞66%）。Alberts 等[14]研究了漆酶對AFB1 的降解作用，采用白腐真菌培養物、純真菌漆酶和重組漆酶處理AFB1，發現由Peniophorasp.SCC0152 和P.ostreatusSt2-3 產生的漆酶對AFB1的降解率為40.45%和35.90%，可以有效降低食品中的AFB1含量。Zhang 等[15]研究了釀酒酵母CCCC93161 在水溶液發酵過程中對PAT 的吸附，結果表明PAT 的去除效率隨著發酵溫度和時間的增加顯著提高，而隨著發酵系統中初始PAT 濃度的增加而降低，吸附過程中酵母細胞壁中的蛋白質和多糖與PAT 相互作用。Young 等[16]研究發現雞大腸內分離培養的LS100菌和小腸內分離培養的S33 菌可以通過深度氧化和去乙酰化功能降解HT-2、T-2、DON 等單端孢霉烯族化合物，降解途徑取決于酰基官能團及其所存在的位置。曾凡正等[17]將磷脂酶A1運用到酶法脫膠的精煉步驟中，并通過正交試驗確定脫膠去毒實驗優化工藝條件，以添加AFB1為100 μg/kg 的花生毛油為實驗對象，在去毒粗酶添加量100 μL 及優化條件下，AFB1去除率為81%。

國內外研究者發現許多細菌、真菌能夠不同程度地消減真菌毒素，生物脫毒處理條件也相對溫和，但是大多數的研究還只是證明了降解特性，缺乏進一步對其降解機制進行更深入的探究，沒有證明這種消減是微生物的物理性吸附作用還是生物酶的生物降解作用。另外，生物法降解毒素的周期較長，并且微生物生產的環境要求也比較嚴格，成本相對較高，目前僅在實驗室條件下進行，無法投入工業化應用。

3 真菌毒素化學脫毒技術

真菌毒素化學脫毒技術的主要原理是氧化降解和反應生成無毒或低毒的加合物。常用的方法有臭氧處理法、氨處理法和酸堿處理法等。

臭氧可以通過產生初級臭氧化合物來破壞真菌毒素的結構，可以用于許多真菌毒素的降解。研究表明，臭氧氣體可以通過破壞C8-C9 雙鍵結構和呋喃環內的高毒性位點降解黃曲霉毒素，尤其是AFB1和AFG1[18]。陳冉等[19]利用臭氧脫毒專用裝置，在臭氧濃度6.0 mg/L 的條件下，對水分含量為5%的花生處理30 min，花生中黃曲霉毒素總量和黃曲霉毒素B1脫毒率分別達到65.88%和65.9%，具有明顯的脫毒效果。Diao 等[20]在臭氧脫除花生總黃曲霉毒素的效果及安全性評估的研究中發現，利用濃度為50 mg/L 的臭氧以5 L/min 的流速處理60 h，花生中89.4%的AFB1能夠被降解，且在60 h 以后降解量不再變化。姬寧[21]以堿煉工藝脫除花生油中AFB1，在1%的堿液下分解30 min，花生油含量為100 μg/kg的AFB1被完全脫除，分解為中間產物。Appell 等[22]研究表明氨水和高錳酸鉀都能夠高效地減少PAT 的含量，通過氨化作用，果汁中的PAT 可被降解99.8%；利用高錳酸鉀氧化作用可將PAT 降低99.9%。

化學去除技術具有良好的真菌毒素去除效果，促進了真菌毒素去除技術發發展。然而，化學技術中真菌毒素的解毒機制不明確，化學處理過程通常伴有次級代謝產物的生成，易造成對食品的二次污染，且反應多為非特異性反應，在破壞毒素分子結構的同時，不可避免地會與食品組成基質發生反應，損害食品原有的營養品質，所以技術的應用有局限性。

4 真菌毒素物理脫毒技術

真菌毒素物理脫毒技術是通過清洗過濾、擠壓蒸煮料、電磁輻射、微波和吸附等方法處理原材料從而達到去除真菌毒素的目的。

鄭海燕[23]研究表明擠壓蒸煮法可以有效降解黃曲霉毒素，適用于谷物類、米面類、食用油料等食品加工廠和飼料廠，但高溫、高壓、高剪切力的條件會影響食品的口感及營養品質，同時在使用擠壓蒸煮法時會添加乳酸或檸檬酸等添加劑，添加劑的使用不僅影響食品的風味，還存在添加劑殘留的問題。Neme等[24]采用電子束對50 kg 感染真菌毒素的玉米進行輻照，結果表明輻照對OTA、ZEN 和AFB1降解率分別為67.9%、71.1%和95%，對蘋果汁進行5 min輻照，可以去除83%的PAT。Aziz 等[25-26]研究發現黃曲霉毒素的降解率與輻照強度呈正相關，輻照劑量為5 kGy 可降解食品中44%～48%的AFB1，而10 kGy 輻照處理時降解率達到82%～88%，20 kGy輻照處理時則可完全降解AFB1。Jalili 等[27]研究了γ輻照對辣椒中AFs 和OTA 含量的影響，研究表明輻照劑量為30 kGy，毒素達到最高降解率（35%～55%），而AFB2和AFG2輻照抗性強于AFB1和AFG1。盡管輻照能夠降低食品中的真菌毒素水平，但降解產物及其毒性不明確，研究評估降解產物的毒性是輻照降解生物毒素技術研究開發的重要內容之一。

物理吸附是利用吸附劑與毒素結合形成穩定的化合物，從而達到降解真菌毒素的目的，具有操作簡便、實用性強、效率高等優點，是目前食品工業中應用最為廣泛也最為成熟的脫毒方法之一。物理吸附法的吸附效果與吸附劑類型、吸附劑總電荷數、顆粒大小及表面積等相關。因此，吸附劑的選擇是物理吸附法應用的關鍵。目前，常用的吸附劑主要包括活性炭、硅鋁酸鹽類、有機聚合物等，這些天然的吸附劑對于毒素的消減具有一定的效果，同時存在著吸附效果不理想、吸附選擇性較差等問題。而石墨烯、金屬有機骨架和磁性納米復合材料等新型納米材料具有比表面積大、分散性良好和豐富的活性位點等優勢，具有良好的生物相容性和優異的吸附性能，為真菌毒素的物理吸附脫毒提供了前景。

4.1 石墨烯吸附劑

石墨烯（Graphene，G）是由單層二維sp2雜化碳原子排列成的蜂窩狀網格結構，理論比表面積達2630 m2/g，具有良好的化學穩定性和高吸附容量[28]。氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）表面含有羥基、環氧基、羧基、氨基等多種官能團，具有良好的親水性和化學活性，可與含有N-或O-官能團的有機分子形成氫鍵[29]。還原氧化石墨烯（Reduced grapheneoxide，rGO）具有豐富的π-電子結構，對芳香族化合物及其衍生物具有理想的吸附效果[30]。

近年來，功能化石墨烯用于吸附各種類型的真菌毒素的文獻已被報道。Pirouz 等[31]制備了殼聚糖改性磁性氧化石墨烯（Magnetic graphene oxide modified with chitosan，MGO-CTS）吸附AFB1、OTA和ZEA，通過優化確定MGO-CTS 最佳吸附條件為50 ℃和pH5，吸附機理研究表明MGO-CTS 表面的羥基、氨基和鐵離子可以與真菌毒素結合，吸附機制研究表明吸附過程符合準二級動力學模型和Freundlich 模型，吸附過程為自發進行，吸附量隨溫度的升高而增加。Bai 等[32]采用功能化石墨烯（Functionalized GO system，FGO）吸附玉米油中的ZEN，研究表明FGO 對ZEN 的最大吸附容量為23.75 mg/g，吸附過程是在石墨烯結構的層表面和層間的多重吸附，ZEN 作為電子受體通過π-π 和氫鍵與FGO 表面的電子供體結合，ZEN 分子的洗脫率可以達到96%以上，FGO 可以于食品安全領域的真菌毒素吸附去除。劉亞杰等[33]制備了磁性石墨烯二氧化鈦復合材料（MGO/TiO2）吸附去除AFB1，吸附動力學符合準一級動力學模型，等溫吸附主要為單層吸附。在催化劑添加量為10 mg，吸附時間120 min，pH3 時，MGO/TiO2對AFB1的吸附率可達78.1%，最大吸附量為1.18 μg/mg。

功能化石墨烯吸附劑對真菌毒素具有高選擇性吸附和顯著的去除效果。共價和非共價的表面修飾使石墨烯可以在溶劑中很好地剝離和分散，減少了溶液中的團聚現象，石墨烯的引入不僅為復合材料提供了額外的獨特吸附性能，而且還改善了原始材料本身的性能。功能化石墨烯吸附劑表面通過π-π 和氫鍵與真菌毒素結合，吸附過程由化學吸附和物理吸附共同完成，化學吸附占主導地位，吸附過程為自發進行，吸附量隨溫度的升高而增加。細胞安全性研究表明石墨烯吸附劑具有良好的生物相容性。功能化石墨烯吸附劑制備簡單、具有良好的吸附吸能和安全性，可以應用于食品中多種真菌毒素的高效去除。

4.2 金屬有機骨架吸附劑

金屬有機骨架（Metal-organic frameworks，MOFs）是由金屬離子（或金屬簇）和有機配體通過配位自組裝形成的新型多孔晶體材料，具有比表面積大、孔徑清晰、結構可控、組成多樣等優于傳統材料的理化特性，在吸附分離、檢測、催化、傳感等領域展現出極大的應用前景，從而成為人們關注的焦點[34]。

Ma 等[35]成功制備了三種銅基MOF 吸附劑材料吸附植物油中的AFB1，研究表明吸附過程符合準二級動力學模型和Langmuir 等溫線模型，吸附劑最大吸附容量為17.21 μg/mg，可以在30 min 內去除植物油中90%的AFB1，銅基MOF 吸附劑具有低成本和高效的特點，對人胃細胞沒有明顯的細胞毒性，具有良好的安全性，對植物油的營養品質沒有影響，具有良好的可應用性。Samuel 等[36]設計了一種氨基修飾鋅基MOF 材料（NH2-[Zn（BDC）（DMF）]MOF）吸附AFB1，通過SEM、FTIR、PXRD、BET 和UVDRS 對所制備的材料進行表征表明材料制備成功。通過優化確定最佳吸附條件為303 K 和pH6.0，最大吸附容量為73.4 mg/g，吸附過程符合Freundlich 等溫模型和準二級動力學模型，AFB1作為單層覆蓋物被吸附在吸附劑表面的官能團位點上。在5 次吸附-解析循環后，材料仍有高效的吸附能力，具有良好的可重復利用性。Liu 等[37]發現Fe 基MOF 材料（MIL-101（Fe））對AFB1具有顯著的吸附效果，吸附容量為30.58 mg/g，利用XRD 表征和計算化學表明MIL-101（Fe）是通過范德華力吸附AFB1，吸附過程復合準二級動力學模型。Cheng 等[38]設計并合成了一種新型Zr（IV）基MOF 材料，實現對DON 的顯著吸附去除，最大吸附容量為46 mg/g，吸附速率為0.031 g/mg/min，是目前已知的微介孔吸附材料中最高的。負載相的DFT 計算和X 射線光電子能譜結果表明，DON 分子與吸附材料之間通過氫鍵和Zr···O 相互作用。最重要的是，利用斑馬魚模型對吸附材料的毒性進行了評價，安全性可以滿足實際應用的要求，該設計思路為MOFs 在控制霉菌毒素污染和保證食品安全方面的應用提供了途徑。

功能化的MOF 吸附劑，提高了MOF 材料在溶液中的穩定性和色散力，經過協同效應形成更多吸附活性位點以增強MOF 對真菌毒素的吸附性能。功能化的MOF 吸附劑還可以通過氫鍵、范德華力和靜電相互作用等多種相互作用與毒素分子結合，具有較高的吸附容量。吸附過程符合準二級動力學模型，說明吸附過程為化學吸附，吸附劑的活性位點數量與吸附量呈正比。熱力學分析結果表明吸附過程是自發且吸熱的，而且是一個熵增加的過程。模型生物和細胞安全性研究表明功能化MOF 吸附劑具有良好的生物形容性，在食品真菌毒素吸附去除中具有廣泛的應用前景。

4.3 磁性納米吸附劑

磁性納米吸附劑具有比表面積大、良好的分散性和豐富的活性位點，在外加磁場的作用下能實現快速固液分離，為吸附材料的再生及重復利用提供了很大的便利[39-42]。近年來，磁性納米材料也被開發應用于真菌毒素的物理吸附去除。

Bayrac 等[43]制備了巰基磁性納米材料吸附去除蘋果汁中的PAT，在pH7.2、25 ℃條件下，1.5 mg納米材料孵育4 h 后，水溶液和蘋果汁中PAT 的吸附效率分別為99%和71.25%。吸附過程符合準二級動力學模型和Freundlich 模型。在4 次吸附-解吸附后材料對PAT 的去除率為98.60%，吸附材料不會造成蘋果汁營養成分降低，具有良好的重復性和可應用性。Sun 等[44]設計了磁性分子印跡吸附材料Fe3O4@SiO2@CS-GO@MIP 吸附蘋果汁中的PAT，吸附過程遵循準二級動力學和Freundlich 等溫線模型，吸附過程為物理多分子層吸熱吸附，吸附劑的吸附容量最大為7.11 mg/g。Fe3O4的加入使最終制備的MIP吸附劑具有磁性，這有利于將吸附劑與食品基質分離。此外，殼聚糖（CS）和SiO2有效地改善了MIP吸附劑的生物相容性、穩定性和分散性。Ji 等[45]設計并制備了高效磁性吸附劑Fe3O4@ATP 吸附去除植物油中的AFB1，Fe3O4@ATP 具有高比表面積、負表面電荷、多孔結構飽和超順磁特性，磁化強度為50.86 emu/g，能夠使用外部磁體將其與介質輕松分離。吸附溫度為50 ℃，吸附平衡時間為1 h，最大吸附容量為52.9 μg/g，吸附過程遵循準二級模型和Freundlich 等溫線，熱力學研究表明Fe3O4@ATP 吸附AFB1是放熱和自發的。Fe3O4@ATP 吸附不會造成植物油甾醇和維生素E 等營養成分降低，具有良好的應用前景。Ji 等[46]制備了磁性石墨烯（Magnetic graphene oxides，MGO）吸附去除食用油中的AFB1，通過優化確定最佳吸附條件為37 ℃吸附60 min，吸附過程符合Freundlich 等溫模和準二級動力學模型，最大吸附容量為1.68 mg/g。研究表明MGO 具有易于分離和AFB1去除效率高的優點，而且不會造成食用油營養品質下降，為食用油工業開發新型復合吸附劑開辟了一條道路。

磁性納米吸附劑具有選擇特異性高、生物相容性好、吸附能力強的特點，最重要的是其超順磁性，在外加磁場的作用下能實現材料的快速分離和高效回收，為吸附材料的再生及重復利用提供了很大的便利[47-49]。吸附動力學和吸附等溫線研究表明，吸附過程分別符合準二級動力學模型和Freundlich 模型。吸附熱力學研究證實，吸附是一個吸熱的自發過程。磁性納米吸附劑一般在4 次吸附-解析循環后吸附能力沒有顯著降低，對真菌毒素仍有較高的吸附能力，對細胞沒有明顯的毒性，吸附過程不會導致食品品質惡化。因此，磁性納米吸附劑優異的吸附性能和良好重復性、安全性和應用性可以保證其在實際食品真菌毒素吸附去除領域的應用。

5 總結與展望

本文綜述了真菌毒素的污染特點、限量標準以及脫毒技術研究進展。重點總結了基于石墨烯、金屬有機骨架和磁性納米材料吸附劑等新型功能納米材料的真菌毒素物理吸附脫毒技術研究進展。石墨烯主要通過π-π 和p-π 堆積作用吸附真菌毒素。MOFs可以通過氫鍵、范德華力和靜電相互作用等多種相互作用與毒素分子結合，具有較高的吸附容量，是一種非常有潛力的真菌毒素吸附劑。磁性納米吸附劑，在外加磁場的作用下能實現快速固液分離，為吸附材料的再生及重復利用提供了很大的便利，最大限度地減少吸附劑在食品中的殘留。此外，新型功能納米材料在真菌毒素樣品前處理提取、凈化和富集中的應用取得了巨大進展，可以提高前處理效率和效果，為農產品中多種真菌毒素的篩查和測定提供可靠的方法，為構建高效真菌毒素安全檢測平臺和防控去除提供前瞻性技術支撐。

然而，使用新型功能納米材料吸附劑去除食品中的真菌毒素仍面臨若干挑戰，未來的研究應重點關注以下問題：一是目前大多數研究仍處于實驗室階段，很少有吸附劑可商購。考慮到食品工業的復雜條件，后續研究應致力于解決實際生產中面臨的問題；二是盡管大多數研究都提到吸附劑本身含量低或無毒，但仍缺乏基于體內實驗的長期監測記錄。因此，需要深入探討材料殘留物可能帶來的風險和解決辦法；三是納米材料的成本仍然是限制納米吸附劑大規模應用的關鍵因素，有商業前景的吸附劑的開發依賴于材料科學和化學的進步技術；四是繼續需要加強對納米材料吸附真菌毒素機理的系統研究，以設計具有更好吸附性能、適應性和安全性的吸附劑。