γ射線降解玉米粉中玉米赤霉烯酮的效果及降解動力學研究

趙　琳,張瑞英,蘭　靜,金海濤,任紅波,孫向東

(黑龍江省農業科學院農產品質量安全研究所,黑龍江哈爾濱 150086;農業部農產品質量安全風險評估實驗室(哈爾濱),黑龍江哈爾濱 150086)

?

趙琳,張瑞英*,蘭靜,金海濤,任紅波,孫向東

(黑龍江省農業科學院農產品質量安全研究所,黑龍江哈爾濱 150086;農業部農產品質量安全風險評估實驗室(哈爾濱),黑龍江哈爾濱 150086)

采用γ-射線降解玉米粉中玉米赤霉烯酮(ZEA),建立玉米粉中ZEA殘留分析方法,研究輻射劑量、毒素起始濃度、水分含量等因素對ZEA降解率和降解動力學參數的影響,并分析輻射過程中玉米營養成分的變化。結果表明,隨γ-射線輻射劑量增大,ZEA降解率顯著增加(p<0.05),50 kGy時玉米粉中360～1950 μg/kg ZEA降解率為33.85%～43.28%;γ-射線對ZEA的降解作用符合一級反應動力學方程,起始毒素濃度對ZEA的降解率沒有顯著影響(p>0.05),低濃度玉米粉中ZEA的降解速率大于高濃度。玉米粉水分含量為9.41%～12.35%時對ZEA降解率和降解速率均沒有顯著影響(p>0.05)。50 kGy輻射劑量對玉米粉蛋白質、脂肪、淀粉含量沒有顯著影響(p>0.05),但賴氨酸含量降低8.11%。結論:γ-射線對ZEA具有降解作用,可采用一級反應動力學方程預測降解速率。

γ-射線,玉米赤霉烯酮,降解,動力學

玉米赤霉烯酮(Zearalenone,ZEA),又稱F-2毒素,其化學名為6-(10羥基-6氧基-十一碳烯基)β-雷鎖酸內酯,由禾谷鐮刀菌(Fusarium graminearum)、黃色鐮刀菌(F.culmorum)、克地鐮刀菌(F.crookwellense)等多種鐮刀菌產生[1]。ZEA結構與哺乳動物體內雌激素結構類似,具有類似雌激素的毒性作用,主要作用于生殖系統可造成雌性動物乳房腫大、卵巢發育不全,胎兒可通過胎盤從母體吸收ZEA,從而損害幼體健康甚至造成流產[2]。玉米生產過程中極易感染ZEA,Li R等人[3]調查顯示我國玉米中ZEA的污染濃度為10～440 μg/kg,最高值達到目前我國限量標準的7.3倍。玉米是我國最重要的糧食作物之一,在整個國民經濟發展中占有非常重要的地位,玉米不僅可作為食品原料,還經常用來做酒精飲料和動物飼料,長期攝入ZEA污染的玉米及其制品,即使殘留量非常低,也會對人和動物造成嚴重傷害。近年來很多學者研究表明即使在提高玉米田間管理,改進加工、干燥和儲藏措施的情況下,每年仍有大量玉米受ZEA污染,因此,對已污染玉米進行安全有效的脫毒處理,對保證玉米的消費安全性,減少經濟損失具有重要意義。

ZEA具有極好的熱穩定性,常規食品加工處理方法難以將其完全去除,仍然可以通過加工制品進入人體危害健康[4]。γ-射線輻射技術是20世紀發展起來的一種食品處理技術,作為一種冷處理技術,具有許多傳統滅菌法不可比擬的優點。近幾年有學者采用該技術降解真菌毒素如脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(DON)[5]、赭曲霉毒素(OTA)[6]、黃曲霉毒素B1(AFB1)[7]、ZEA[8-9]等,結果均表明γ-射線對真菌毒素具有良好的降解效果,但目前關于γ-射線對ZEA的降解動力學研究還未見報道。掌握ZEA的降解動力學規律對指導輻射降解工藝的實際應用,提高ZEA處理效率有重要意義。

本研究采用不同輻射條件處理ZEA污染的玉米粉,以ZEA的降解率作為降解處理效果的評價指標。通過研究輻射處理對玉米中ZEA的降解效果及降解規律,建立相應的降解動力學模型,同時分析γ-射線對玉米營養成分的影響,為輻射降解ZEA技術的應用和完善提供理論和實踐指導。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

ZEA 標準品山東青島普瑞邦生物工程有限公司公司;甲酸、乙腈等色譜純試劑北京迪馬科技有限公司;分析純乙腈、乙醚、氫氧化鈉、氯化鈉北京益利精細化學品有限公司。ZEA污染陽性玉米和玉米空白樣品來源于黑龍江省紅旗鄉玉米田間,經實驗室60目篩網旋風磨粉碎。

超高效液相色譜-串聯質譜(配電噴霧離子源)UPLC-XEVO TQS美國Waters公司;MILLI-Q型純水機美國Millipore公司;MS 3 basic型渦旋混勻器 德國IKA公司;N-EVAP 112型氮吹儀美國Organomation公司;2300型全自動凱式定氮儀瑞典FOSS公司;L-8900型氨基酸分析儀日本日立;3100型旋風磨瑞典FOSS公司;γ-射線輻射源:黑龍江省農業科學院玉米研究所。

1.2實驗方法

1.2.1玉米粉的γ-射線輻射將ZEA污染程度較高的玉米樣品,添加到空白玉米中,通過測定玉米樣品中ZEA濃度分別為360、670、1950 g/kg。每份樣品各取500 g,置于γ-射線中輻射,設定輻射劑量為1、5、10、30、50 kGy(輻照時間分別為1.53、7.65、15.35、46.06、76.76 h)。

利用方程ln(Ct/C0)=-kt(C0與Ct分別指輻射前后ZEA的濃度;t為輻射時間,h),作ln(Ct/C0)-t的關系圖,并對曲線進行線性擬合,得到反應動力學方程、反應速率常數、半衰期和相關系數(R2)。

1.2.2玉米粉水分的調整參考Burger H-M等[10]人調整玉米中水分含量方法,用噴壺直接將計算好的無菌水噴灑到玉米中攪拌均勻,加水后的樣品在4℃下保持3 d,保證水分充分吸收。玉米磨成粉后采用國標方法GB 5009.3-2010[11]測定最終水分含量,玉米粉的含水量分別為9.41%、11.84%和12.35%。

1.2.3超高效液相色譜-串聯質譜(UPLC-MS/MS)測定玉米中ZEA稱取10 g玉米粉樣品(精確至0.01 g)于250 mL燒杯中,加入50 mL 80%乙腈水溶液(v/v),均質器混勻2 min,靜止3 min,取上清液5 mL,濾液采用弗羅里硅土凈化柱進行凈化。用3 mL 80%乙腈水溶液(v/v)預淋洗凈化柱,濾液棄去,將5 mL上清注入凈化柱中,用3 mL 80%(乙腈∶水)洗脫。將凈化液于50℃水浴中氮吹至0.5 mL左右,以20%乙腈定容至2.5 mL,過0.22 μm尼龍濾膜,采用UPLC-MS/MS以空白基質配制標準溶液進行測定,以峰面積計算ZEA濃度。

色譜柱ACQUITY BEH C18柱(50 mm×2.1 mm,粒徑1.7 μm),柱溫30℃,流動相A:乙腈(色譜級),流動相B:0.1%甲酸水溶液(1 mL甲酸溶于1000 mL水中),流速0.3 mL/min,進樣體積5 μL。電噴霧離子源(ESI+),多反應監測(MRM)模式采集,毛細管電壓3.0 kV,去溶劑氣流量1000 L/h,去溶劑氣溫度450℃。ZEA定量離子對185.0/319.20,錐孔電壓20 V,碰撞能量23 V;定性離子對187.0/319.20,錐孔電壓20 V,碰撞能量19 V。

1.2.4方法驗證在空白玉米粉中添加3檔濃度的ZEA標準溶液,添加濃度分別為10、50、100 μg/kg。每檔重復5次,計算方法平均回收率和相對標準偏差。

1.2.5玉米營養成分測定采用農業行業標準NY/T 3-1982[12]測定蛋白質含量;采用農業行業標準NY/T 4-1982[13]測定脂肪含量;采用農業行業標準NY/T 11-1985[14]測定淀粉含量,采用國標方法GB/T5009.124-2003[15]測定氨基酸含量。

1.3統計分析

所有數據均為3次獨立重復實驗平均值,以平均值±標準偏差表示。SAS 9.2軟件(美國SAS軟件研究所)中的方差分析和Duncan多重比較(p<0.05)進行不同處理組的差異分析。

2　結果與分析

2.1ZEA檢測方法的準確度

檢測方法的準確度采用加標回收率來評價。在同一玉米空白樣品中分別添加不同濃度的(10、50、100 μg/kg)ZEA,分析測定得到的ZEA平均回收率見表1。

由表1可知,在添加范圍內,玉米粉中ZEA的加標回收率較高,均大于80%。加標回收率隨ZEA含量的增加而增加。當添加量為100 μg/kg時,回收率達到95.0%。此外,三種不同添加量下的回收率相對標準偏差均小于3.5%,表明該方法具有較好的重復性。

表1　玉米中ZEA的加標回收率

表2　玉米赤霉烯酮在不同初始濃度下的降解動力學

2.2輻射劑量對玉米粉中ZEA的降解作用

不同輻射劑量下玉米粉中ZEA的降解率如圖1所示。從圖中可以看出,在所觀察的輻射劑量范圍內,相同條件下(含水量12.34%,ZEA含量670 μg/kg)低輻射劑量(10 kGy)對ZEA的降解率較低,但ZEA的降解率隨輻射劑量的增加而顯著增大(p<0.05),高輻射劑量30 kGy時ZEA降解率為31.34%,50 kGy時降解率能達到43.28%。Hooshmand[16]研究也發現當輻射劑量為10、20 kGy時,玉米中ZEA才剛開始發生降解。該結果與其他學者的研究結果差異較大:朱佳廷等[8]采用輻射技術降解玉米籽粒中濃度為30 μg/kg的ZEA時發現,在最大輻射劑量為10 kGy時,ZEA的降解率>86%。尹青崗[9]采用3 g(本研究為500 g)ZEA含量為274.233～1461.67 μg/kg的玉米粉在輻射劑量為8 kGy時,ZEA的降解率為33.74%～65.4%。推測玉米狀態和輻射過程中樣品量不同是造成結果存在較大差異的主要原因。我國國家標準GB/T18524-2001[17]和國際食品法典委員會(CAC)Codex Stan 106-1983[18]規定食品接受的最大輻射吸收劑量不高于10 kGy,因此可以采用γ-射線來控制飼料玉米中的ZEA含量。

圖1　不同γ射線輻射劑量下ZEA的降解率Fig.1　Degradation ratio of ZEA at different gamma irradiation doses注:上標字母不同表示處理間存在顯著性差異 (p<0.05)，表2、圖3同。

2.3ZEA起始濃度對輻射降解率和降解動力學參數的影響

2.3.1ZEA起始濃度對輻射降解率的影響將ZEA起始濃度分別為360、670、1950 μg/kg 的玉米粉進行輻射處理,輻射劑量分別為10、30、50 kGy。輻射后玉米粉中ZEA降解率變化趨勢如圖2所示。從圖2中可以看出,輻射劑量大于10 kGy時,不同初始濃度的ZEA其降解率隨吸收劑量增加而增大,50 kGy時起始濃度分別為360、670、1950 μg/kg的樣品中ZEA的最大降解率分別為36.10%、43.28%和33.85%。玉米粉中ZEA起始濃度為360～1950 μg/kg時對ZEA降解率影響不顯著(p>0.05)。

圖2　不同起始濃度下ZEA的降解率Fig.2　Degradation ratio of ZEA in corn at different initial contents

2.3.2ZEA含量對輻射降解動力學參數的影響輻射過程中3種初始濃度ZEA隨輻射劑量變化得到的數據見表2。由表2可知不同ZEA初始濃度的玉米粉經輻射后,ZEA濃度變化與輻射時間之間的相關系數均大于0.85,ZEA濃度變化符合一級反應動力學方程。Jalili等[19]在輻射降解黑辣椒中OTA和AFB1時采用樣品中毒素濃度、輻射劑量和毒素降解率,擬合成一階多項式回歸方程。王峰[7]采用CO60輻射降解AFB1時,將AFB1處理后濃度/起始濃度與輻射劑量進行數據擬合,認為Co60輻射降解AFB1為三階多項式回歸方程。不同種類的真菌毒素結構差異較大,對輻射的敏感程度不同導致降解回歸模型的差異。當玉米粉中ZEA起始濃度分別為360、670、1950 μg/kg時ZEA降解速率分別為0.114、0.115、0.094 h-1,其中ZEA起始濃度為360、670 μg/kg的降解速率高于1950 μg/kg。表明在低濃度條件下,ZEA的反應速率差異不顯著,當ZEA濃度增加時,其反應速率常數降低。因為吸收劑量一定時,水輻解產生的活性自由基大致不變,當ZEA濃度較低時,ZEA分子主要是與·OH直接發生氧化反應,而當ZEA濃度較高時,ZEA分子及其產物存在自由基競爭,而且也可能發生的自由基與自由基之間的重組,導致降解ZEA的反應速率常數變小[7]。

2.4水分含量對玉米粉中ZEA降解率和降解動力學參數的影響

2.4.1水分含量對玉米粉中ZEA降解率的影響圖3所示的是γ射線輻射對不同含水量(水分含量分別為9.41%、11.84%和12.34%)的玉米粉中ZEA降解率的影響。從圖中可以看出,在相同條件下(ZEA含量360 μg/kg),玉米粉中ZEA降解率隨輻射劑量增加而增大,但相同輻射劑量下不同水分含量之間差異不顯著(p>0.05)。尹青崗[9]等人研究發現玉米水分含量為10%～20%時對ZEA的降解率影響也不顯著。已經有實驗證明在水溶液中γ射線對ZEA的降解能力大于玉米粉中,表明水在輻射降解過程中具有非常重要的作用。但是在低水分含量下,水分含量對降解的增強作用不顯著。

圖3　不同水分含量下ZEA的降解率Fig.3　Degradation ratio of ZEA in corn at different moisture contents

2.4.2水分含量對輻射降解動力學參數的影響將輻射過程中3種水分含量的玉米粉中ZEA濃度變化和輻射時間,按照一級反應動力學方程進行線性擬合,得到反應動力學方程、反應速率常數、半衰期和相關系數(R2),見表3。

表3　不同水分含量下玉米赤霉烯酮的降解動力學

水分含量對玉米粉中ZEA降解速率的影響如表3所示,相同ZEA起始濃度時,3個水分含量玉米粉中ZEA降解速率常數分別為0.128、0.121、0.119 h-1,不同水分含量之間差異不顯著(p>0.05)。

2.5γ-射線對玉米粉營養成分的影響

輻射劑量為0～50 kGy時,玉米粉中營養成分變化如表4所示,蛋白質含量為7.89%～8.12%,脂肪含量為3.05%～3.30%,淀粉含量為65.94%～67.02%,γ射線輻射對玉米粉中蛋白質、脂肪和淀粉含量無顯著影響(p>0.05),這一現象與于勇[20]和楊靜[21]等人報道的結果一致。

通過測定輻射過程中玉米粉中的18種氨基酸含量變化發現,隨輻射劑量增加,玉米粉中谷氨酸和脯氨酸含量逐漸下降但差異不顯著(p>0.05)。賴氨酸含量隨輻射劑量增大而降低(p<0.05),結果如表4所示。輻射劑量為30 kGy時,賴氨酸含量降低8.11%,當輻射劑量為50 kGy時賴氨酸含量與30 kGy時差異不顯著。其它15種氨基酸在實驗輻射劑量下含量比較穩定(結果沒有列出)。Azzeh F.S等[22]研究發現當輻射劑量大于5 kGy時杜倫麥及其粗面粉的賴氨酸含量顯著下降,在10 kGy賴氨酸含量分別下降14%和5%。Khattak A B[23]研究發現輻射劑量為5 kGy時,小麥中賴氨酸、蛋氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、異亮氨酸含量明顯降低,其中賴氨酸含量降低11%,變化趨勢同本研究結果相同。

表4　不同輻射劑量下玉米粉營養成分含量

表5　不同輻射劑量下玉米粉氨基酸含量

注:上標字母不同表示處理間存在顯著性差異(p<0.05)。

3　結論

γ射線輻射對玉米粉中ZEA具有降解作用,50 kGy時降解率能達到43.28%,玉米粉中起始ZEA濃度和水分含量對ZEA的降解率沒有顯著影響(p>0.05)。γ射線對ZEA的降解作用符合一級反應動力學方程,低濃度玉米粉的ZEA降解速率大于高濃度。玉米粉的水分含量對降解速率沒有顯著影響(p>0.05)。輻射劑量為50 kGy時,除賴氨酸外對玉米粉的其他營養成分沒有影響。

[1]Bennett J W,Klich M.Mycotoxin[J].Clinical Microbiology Reviews,2003,16(5):497-516.

[2]Zinedine A,Soriano J M,Molto J C,et al.Review on the toxicity,occurrence,metabolism,detoxification,regulations and intake of zearalenone:an oestrogenic mycotoxin[J].Food and Chemical Toxicology,2007,45(1):1-18.

[3]Li R,Wang X,Zhou T,et al.Occurrence of four mycotoxins in cereal and oil products in Yangtze Delta region of China and their food safety risks[J].Food Control,2014,35(1):117-122.

[4]Zheng Y Z,Hossen S M H,Sago Y K S,et al.Effect of milling on the content of deoxynivalenol,nivalenol and zearalenone in Japanese wheat[J].Food Control,2014,40(7):193-197.

[5]李萌萌,卞科,關二旗,等.輻射降解脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(DON)的研究[J].食品研究與開發,2012,33(12):1-4.

[6]遲蕾,哈益明,王鋒,等.玉米中赭曲霉毒素A的輻射降解效果[J].食品科學,2011,32(11):21-24.

[7]王峰.黃曲霉毒素B1的輻射降解機理及產物結構特性分析[D].北京:中國農科院,2012.

[8]朱佳廷,馮敏,王玲,等.60Co γ 射線對谷物中3種真菌毒素含量的控制[J].江蘇農業學報,2012,28(5):1152-1156.

[9]尹青崗.玉米中玉米赤霉烯酮輻射降解技術研究[D].重慶:西南大學,2009.

[10]Burger H M,Shephard G S,Louw W,et al.The mycotoxin distribution in maize milling fractions under experimental conditions[J].International Journal of Food Microbiology,2013,165(1):57-64.

[11]GB 5009.3-2010.國家標準 食品中水分的測定[S].北京:中國標準出版社,2010.

[12]NY/T 3-1982農業行業標準谷類、豆類作物種子粗蛋白質測定法(半微量凱氏法)[S].北京:農業出版社,1982.

[13]NY/T 4-1982 農業行業標準 谷類 油料作物種子粗脂肪測定方法[S].北京:農業出版社,1982.

[14]NY/T 11-1985 農業行業標準谷物籽粒粗淀粉測定法[S].北京:農業出版社,1985.

[15]GB/T 5009.124-2003.國家標準 食品中氨基酸的測定[S].北京:中國標準出版社,2003.

[16]Hooshmand H,Klopfenstein C F.Effects of gamma irradiation on mycotoxin disappearance and amino acid contents of corn,wheat,and soybeans with different moisture contents[J].Plant Foods for Human Nutrition,1995,47(3):227-238.

[17]GB/T18524-2001.國家標準 食品輻照通用技術要求[S].北京:中國標準出版社,2001.

[18]Codex Stan 106-1983 REV.1-2003.國際食品法典委員會(CAC)輻照食品通用標準.[S]

[19]Jalili M,Jinap S,Noranizan A.Effect of gamma radiation on reduction of mycotoxins in black pepper[J].Food Control,2010,21(10):1388-1393.

[20]于勇.γ射線輻射對稻谷小麥干燥特性及品質的影響[D].杭州:浙江大學,2006.

[21]楊靜.農產品中真菌毒素污染輻射降解效應研究[D].北京:中國農業科學院,2009.

[22]Azzeh F S,Amr A S.Evaluation of protein content,lysine and sulfur-containing amino acids content and electrophoretic patterns of soluble proteins for gamma-irradiated semolina before and after milling of durum wheat[J].Radiation Physics and Chemistry,2009,78(11):971-975.

[23]Khattak A B,Klopfenstein C F.Effect of gamma irradiation on the nutritional quality of grains and legumes.II.Changes in amino acid profiles and available lysine[J].Cereal Chemistry,1989,66(3):171-172.

Study on the efficiency and kinetics of γ-ray irradiation degradation of zearalenone in corn

ZHAO Lin,ZHANG Rui-ying*,LAN Jing,JIN Hai-tao,REN Hong-bo,SUN Xiang-dong

(Agri-product Quality and Safety Institute,Heilongjiang Academy of Agriculture Sciences,Harbin 150086,China; Laboratory of Agro-product Quality and Safety Risk Assessment(Harbin),Harbin 150086,China)

The effects of radiation dose,zearalenone initial concentration,moisture content on the degradation rate and degradation rate constant of zearalenone(ZEA)in corn flour by γ-ray irradiation,the stability of corn nutrients at different radiation doses and establishment of ZEA residual method in maize flour were studied in this paper.The results indicated that the ZEA degradation rate was increased with elevated radiation dose.When corn flour was 360～1950 μg/kg and zearalenone degradation rate was 33.85%～43.28% at 50 kGy,γ-ray degradation of ZEA obeyed the first order kinetics,the degradation rate of ZEA was not significantly affected by the initial concentration of the toxin(p>0.05),but the degradation rate of the low initial concentration ZEA in maize flour was higher than that of high concentration.The degradation of ZEA were not significantly affected by the content of 9.41%～12.35% in the corn flour(p>0.05).50 kGy radiation dose had no significant effect on the corn flour protein,fat,starch content,but the lysine content was decreased by 8.11%.In conclusion,γ-ray had a degradation effect on ZEA,which can be used to predict the degradation rate of the first order reaction kinetics equation.

γ-ray irradiation;zearalenone;degradation;dynamics

2015-09-07

趙琳(1978-)，女，博士，副研究員，研究方向：農產品質量安全，E-mail:zhaolin78@126.com。

張瑞英(1963-)，女，碩士，研究員，研究方向：農產品質量安全，E-mail:zhruiying@163.com。

農業部重大專項糧油作物產品未知危害因子識別與已知危害因子安全性評估(2015GJFP00703)。

TS213.4

A

1002-0306(2016)07-0056-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.07.003