超聲波處理對脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(DON)的降解效果研究

楊 龍 楊玉玲 關(guān)二旗 李萌萌 卞 科

(河南工業(yè)大學糧油食品學院，鄭州 450001)

脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(Deoxynivalenol，DON)是由禾谷鐮刀菌和黃色鐮刀菌等真菌侵染谷物后所產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物，是赤霉病小麥中最主要的真菌毒素[1]。DON的大量存在不僅造成小麥產(chǎn)量的嚴重損失和品質(zhì)的劣變，還在很大程度上影響食品安全，嚴重危害人畜健康[2, 3]。因此，設(shè)法降解赤霉病小麥中的嘔吐毒素含量，在保障消費者健康、減少經(jīng)濟損失、加快谷物加工產(chǎn)業(yè)的健康快速發(fā)展等方面具有重大的經(jīng)濟意義和社會意義。

目前，關(guān)于DON的削減技術(shù)主要集中在物理法、化學法和生物法等。Abbas等[4]研究結(jié)果表明，通過清洗可使小麥中的DON降低5.5%～19.5%。王莉等[5]研究表明在一定臭氧條件下，全麥粉中DON的最大降解率可達78.55%。此外，采用臭氧水浸泡小麥籽粒會得到比臭氧水潤麥更好的降解效果[6]。劉遠曉等[7]利用過熱蒸汽處理赤霉病小麥，DON降解率最高可達79.8%。Young等[8]用亞硫酸氫鹽處理小麥籽粒，能夠大大降低面粉中DON含量使其僅為未處理前的5%。鄒忠義等[9]研究了紫外光輻照對DON具有明顯的去除作用，且隨輻照時間的延長而不斷減小，隨著輻照距離和pH值的減小而不斷減小，降解率最高可達84.9%。Yu等[10]用PCR-DGGE法(變性梯度凝膠)從雞腸道中分離了10株能將DON轉(zhuǎn)化為毒性較低的DOM-1的菌株，以降低DON的毒性。目前雖然許多方法取得了較好的脫除效果，但大多存在降解率不高、對物料破壞大、成本高、無法大規(guī)模應(yīng)用等缺點，因此，尋找安全、高效的毒素削減方法仍然是小麥加工領(lǐng)域的研究熱點之一[11]。

超聲波是超出人類聽覺范圍的頻率在20 kHz以上的有彈性的機械震蕩，集熱解、高級氧化技術(shù)、超臨界氧化等多種處理技術(shù)于一體，可單獨或與其他處理技術(shù)聯(lián)合使用[12, 13]。超聲波技術(shù)是一種環(huán)境友好型技術(shù)，具有操作和控制容易，在處理中不引入其他的化學物質(zhì)，且反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)速度快等優(yōu)點，應(yīng)用前景廣闊[12]。近年來，超聲波技術(shù)作為一種新型的氧化方法，已在農(nóng)藥殘留[14, 15]、污水凈化[16, 17]等有機物降解層面得到廣泛的應(yīng)用，但采用超聲波降解脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(DON)卻鮮有報道。本文從超聲處理時間、振幅和脈沖占空比對純品DON溶液和赤霉病小麥籽粒的降解效果進行分析，旨在進一步探索不同超聲波處理條件下 DON 含量的變化規(guī)律，為超聲波處理在 DON 降解中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

赤霉病小麥、DON 純品(純度≥99%)、乙腈(色譜級)、乙腈(分析級)、甲醇(色譜級、分析級)。

1.2 儀器與設(shè)備

SFX 20:0.55超聲波破碎儀；Waters e2695液相色譜儀；12165001B BEM多功能凈化柱；Centrifuge 5810R高速離心機；MTN-2800D氮吹濃縮儀；XL-16B萬能粉碎機；HJ-6A六聯(lián)恒溫磁力攪拌器。

1.3 實驗方法

1.3.1 DON純品溶液的配置

DON純品標準儲備液與標準工作液參照李萌萌等[18]的方法。取1 mL質(zhì)量濃度為100 μg/mL的DON標準儲備液，低溫下氮氣吹干。使用流動相配制成質(zhì)量濃度分別為0.1、0.2、0.5、1、2、5、10 μg/mL的DON 標準溶液，經(jīng)0.22 μm有機濾膜過濾后，4 ℃避光保存，備用。

1.3.2 超聲波降解純品溶液中DON

取濃度一定的DON純品溶液放入超聲波專用杯中，將超聲探頭置于液面中心位置，每次伸入液面高度保持一定。超聲波處理過程中可控制和調(diào)節(jié)的參數(shù)包括：超聲時間、超聲振幅和脈沖占空比。對照組DON純品溶液未經(jīng)任何處理。

1.3.2.1 超聲時間對純品溶液中DON降解效果的影響

將1 μg/mL的DON純品溶液50 mL置于100 mL塑料燒杯中進行超聲波處理，在脈沖占空比為100%(連續(xù)超聲)、振幅為50%條件下，超聲時間分別設(shè)定為3、6、9、12、15、18、21 min。取2 mL處理過后溶液于低溫下氮氣吹干，然后經(jīng)2 mL流動相(乙腈∶水=16∶84)復溶混勻后，過0.22 μm濾膜，置于4 ℃下貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2.2 超聲振幅對純品溶液中DON降解效果的影響

將1 μg/mL的DON純品溶液50 mL置于100 mL塑料燒杯中進行超聲波處理，在連續(xù)超聲、處理時間為15 min條件下，超聲振幅分別設(shè)定為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%。其余步驟同上。

1.3.2.3 脈沖占空比對純品溶液中DON降解效果的影響

將1 μg/mL的DON純品溶液50 mL置于100 mL塑料燒杯中進行超聲波處理，在超聲時間為15 min、振幅為50%條件下，脈沖占空比分別設(shè)定為20%(1∶4)、25%(1∶3)、33.3%(1∶2)、50%(1∶1)、66.7%(2∶1)、75%(3∶1)、80%(4∶1)、100%(連續(xù)超聲)。以脈沖占空比20%為例說明，以10 s為一個處理周期，每10 s對DON純品先進行2 s超聲處理，剩余8 s不進行超聲處理，重復該操作直至處理時間結(jié)束，其他脈沖占空比設(shè)置與此類似。其余步驟同上。

1.3.3 超聲波降解赤霉病小麥中DON

取小麥樣品放入盛有一定蒸餾水的超聲波專用杯中，將超聲探頭置于液面中心位置，每次伸入液面高度保持一致，且使探頭不觸碰到小麥。超聲波處理過程中可控制和調(diào)節(jié)的參數(shù)包括：超聲時間、超聲振幅和脈沖占空比。

1.3.3.1 超聲時間對小麥中DON降解效果的影響

將25 g經(jīng)清理除雜的小麥樣品置于400 mL燒杯中，加入75 mL超純水后進行超聲波處理，在連續(xù)超聲、振幅為50%條件下，超聲時間分別設(shè)定為3、6、9、12、15 min。處理后，將小麥籽粒放入40 ℃烘箱中烘干，4 ℃下儲存?zhèn)溆谩φ战M未經(jīng)任何處理。烘干后小麥水分含量測定參照GB/T 5009.3—2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》。

1.3.3.2 超聲振幅對小麥中DON降解效果的影響

將25 g經(jīng)清理除雜的小麥樣品置于400 mL燒杯中，加入75 mL超純水后進行超聲波處理，在連續(xù)超聲、處理時間為15 min條件下，超聲振幅分別設(shè)定為30%、40%、50%、60%、70%。對照組僅用超純水浸泡，未經(jīng)超聲處理。其余步驟同上。

1.3.3.3 脈沖占空比對純品溶液中DON降解效果的影響

將25 g經(jīng)清理除雜的小麥樣品置于400 mL燒杯中，加入75 mL超純水后進行超聲波處理，在處理總時間為15 min、振幅為50%條件下，脈沖占空比分別設(shè)定為20%(1∶4)、25%(1∶3)、33.3%(1∶2)、50%(1∶1)、66.7%(2∶1)、75%(3∶1)、80%(4∶1)、100%(連續(xù)超聲)。對照組僅用超純水浸泡，未經(jīng)超聲處理。其余步驟同上。

1.3.4 DON的測定

DON的提取、凈化與檢測參照Liu等[19]的方法，分別檢測純品溶液和小麥籽粒中DON含量。

DON降解率的計算：DON降解率=(1-CA/C0)×100%

式中：CA為經(jīng)超聲波處理后的純品DON濃度/mg/kg或經(jīng)超聲波處理后小麥樣品DON的濃度/mg/kg；C0為純品DON濃度/(mg/kg)或?qū)φ战M小麥樣品中DON的濃度/mg/kg。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

每個實驗指標重復測定3次，測定的數(shù)據(jù)通過Excel 2010處理，并用SPSS 20進行顯著性(P<0.05)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 DON標準曲線的繪制

由圖1可知，DON標準溶液在0.1～10 μg/mL濃度范圍內(nèi)，DON質(zhì)量濃度與色譜峰面積呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，方程表達式為y=1.92×104x-7.62×102，相關(guān)系數(shù)R2為0.999 9，表明該標準曲線能夠?qū)Υ郎y樣品中DON含量進行準確定量。

圖1DON溶液標準曲線

2.2 超聲波處理對DON純品溶液降解效果的影響

2.2.1 超聲時間對DON純品溶液降解效果的影響

對初始濃度約為1 μg/mL的DON純品溶液進行超聲波處理，每個樣品設(shè)置3個平行。將經(jīng)過超聲波處理后的DON純品溶液用高效液相色譜進行檢測，根據(jù)色譜峰面積計算出不同處理時間下DON的含量，結(jié)果見表1。

表1 超聲時間對DON純品溶液降解效果的影響

注：CK代表DON純品溶液未經(jīng)任何處理，余同。

如表1所示，在超聲波振幅為50%、脈沖占空比為100%的條件下，隨著處理時間的延長，純品中DON含量逐漸降低，降解率呈升高趨勢。當超聲時間為21 min時，DON含量降至0.669 μg/mL，降解率可達33.35%。而且，當超聲時間為18 min時DON降解率約為32.25%，與超聲時間21 min時純品中DON的降解率無顯著差異(P>0.05)，降解效果基本一致。

2.2.2 超聲振幅對DON純品溶液降解效果的影響

對初始濃度約為1 μg/mL的DON純品溶液進行超聲波處理，每個樣品設(shè)置三個平行。將經(jīng)過超聲波處理后的DON純品溶液用高效液相色譜進行檢測，根據(jù)色譜峰面積計算出不同超聲振幅下DON的含量，結(jié)果見表2。

表2 超聲振幅對DON純品溶液降解效果的影響

如表2所示，在處理時間為15 min、脈沖占空比為100%的條件下，隨著超聲振幅的增大，DON含量逐漸降低，降解率逐漸升高。當超聲振幅為70%時，DON含量降至0.747 μg/mL，降解率最高，可達25.52%。

2.2.3 脈沖占空比對DON純品溶液降解效果的影響

脈沖占空比是指高電平在一個超聲波脈沖周期中所占的比例，其對DON純品降解效果如表3所示。在處理時間為15 min、超聲振幅為50%的條件下，隨著脈沖占空比的增加，純品中DON含量變化先降低后增加的趨勢，并在脈沖占空比為66.7%，純品中DON含量最低，降解率最高為26.70%，降解效果最好。

當脈沖占空比在67.7%～80%范圍內(nèi)時，脈沖超聲對純品中DON降解率均較高，但相互之間無顯著差異。當脈沖占空比在20%～50%范圍內(nèi)，脈沖超聲對純品中DON降解效果相對較差，且與脈沖占空比為100%(連續(xù)超聲)時對純品中DON降解率無顯著差異(P>0.05)。這可能是因為連續(xù)超聲易發(fā)生空化泡的聚集，而空化泡聚集會引起超聲波的散射和抑制超聲波的傳播，導致超聲波的活性區(qū)域減少。脈沖超聲由于存在間歇時間，不僅會減弱空化泡的聚集，而且會有殘存的空化泡核留存，有利于下一個超聲波周期的空化泡的形成，同時有研究還發(fā)現(xiàn)脈沖超聲發(fā)生和結(jié)束的瞬間易產(chǎn)生超聲波化學反應(yīng)的活性因子[20]。當然這種增強效應(yīng)需要脈沖超聲有適當?shù)拈g歇時間，當脈沖超聲間歇時間過長時，前一個周期的空化泡在下一個周期的超聲波發(fā)生時已全部衰減完畢，導致增強效應(yīng)會大大減弱。

表3 脈沖占空比對DON純品溶液降解效果的影響

2.3 超聲波處理對小麥中DON降解效果的影響

2.3.1 超聲時間對小麥中DON降解效果的影響

由表4可以看出，在超聲波振幅為50%、脈沖占空比為100%條件下，隨著處理時間的延長，小麥中DON含量顯著降低，小麥和水中總的DON含量同樣降低，但隨超聲時間延長水中的DON含量增多，表明超聲處理可以促進小麥籽粒中DON的溶出。隨超聲時間的延長，小麥中DON降解率和實際降解率均呈升高趨勢，這是因為超聲波處理時間延長會導致空化泡數(shù)量增多，空化泡崩潰產(chǎn)生的高溫高壓和強氧化性自由基有利于DON的降解。此外，延長超聲處理時間，會促使溶液溫度升高，進而導致水的蒸汽壓升高，表面張力和粘滯系數(shù)降低，有利于空化泡的產(chǎn)生，從而提高DON的削減率[21]。當處理時間為15 min時，小麥中DON降解率為35.28%，而實際DON降解率僅為21.95%，表明小麥中DON降解是超聲波和水共同作用的結(jié)果。

表4 超聲時間對小麥中DON降解效果的影響

注：CK代表未經(jīng)任何處理的小麥，DON含量均換算成14%水分含量計算，總共DON含量為小麥中和水中DON含量總和，實際降解率為原始DON含量與總共DON含量的差值除以原始DON含量的百分比。

2.3.2 超聲振幅對小麥中DON降解效果的影響

由表5可知，在超聲時間15 min、脈沖占空比為100%下，振幅不同對小麥中DON的降解效果顯著不同(P<0.05)。經(jīng)超聲波處理后，小麥中DON含量顯著降低，溶于水中的DON含量顯著升高；隨超聲振幅的增大，小麥中DON降解率和實際降解率均呈升高趨勢，這可能與超聲波振幅與空化泡崩潰產(chǎn)生的溫度和壓力有關(guān)，振幅增大，導致空化泡更為劇烈地崩潰，從而產(chǎn)生更高的溫度和壓力，同時也增大了羥基等自由基的濃度，使DON削減率提高[22]。

當超聲振幅為30%～50%時，小麥中DON的實際降解率顯著增加(P<0.05)；但隨著振幅繼續(xù)增加至70%，小麥中DON的實際降解率無顯著變化(P>0.05)。這可能是因為在較大超聲振幅作用下，空化泡在負壓相內(nèi)增長過大，導致在正壓相內(nèi)來不及被壓縮至崩潰而形成聲屏蔽，使系統(tǒng)中可利用的聲場能量降低[23]；同時振幅過大，大量被激活的空化泡對超聲波產(chǎn)生了較強的散射衰減，使DON降解率不再增加[17]。

表5 超聲振幅對小麥中DON降解效果的影響

注：CK代表未經(jīng)任何處理的小麥，DON含量均換算成14%水分含量計算，總共DON含量為小麥中和水中DON含量總和，實際降解率為原始DON含量與總共DON含量的差值除以原始DON含量的百分比。

2.3.3 脈沖占空比對小麥中DON降解效果的影響

如圖6所示，在總處理時間為15 min，超聲振幅為50%條件下，脈沖占空比不同對小麥中DON的降解有明顯不同的效果(P<0.05)。經(jīng)超聲波處理后，小麥中DON含量顯著降低，溶于水中的DON含量顯著升高，隨著脈沖占空比增大，小麥中DON降解率和實際降解率均升高，并在脈沖占空比大于80%后降解率趨于穩(wěn)定。

在脈沖占空比為20%～68%處理過程中，小麥中DON降解率和實際降解率均顯著低于脈沖占空比為100%(連續(xù)超聲)時DON的降解率(P<0.05)，這可能是因為總處理時間一定條件下，脈沖占空比越小，超聲時間所占比例越小，生成的空化泡數(shù)量也相應(yīng)減少。脈沖占空比為80%時，小麥中DON的降解率與脈沖占空比為100%(連續(xù)超聲)時DON的降解率無顯著性差異(P>0.05)。這可能是因為一方面，脈沖超聲由于存在間歇時間，不僅會減弱空化泡的聚集，而且會有殘存的空化泡核留存，有利于下一個超聲波周期的空化泡的形成，同時有研究還發(fā)現(xiàn)脈沖超聲發(fā)生和結(jié)束的瞬間易產(chǎn)生超聲波化學反應(yīng)的活性因子；另一方面，脈沖超聲的超聲時間低于連續(xù)超聲，兩個方面結(jié)合使DON降解率無明顯變化。

表6 脈沖占空比對小麥中DON降解效果的影響

注：CK代表未經(jīng)任何處理的小麥，DON含量均換算成14%水分含量計算，總共DON含量為小麥中和水中DON含量總和，實際降解率為原始DON含量與總共DON含量的差值除以原始DON含量的百分比。

3 結(jié)論

本研究討論了超聲時間、超聲振幅和脈沖占空比對DON純品和赤霉病小麥籽粒中DON的降解效果。結(jié)果表明，超聲時間、超聲振幅、脈沖占空比是影響超聲波降解赤霉病小麥中DON的關(guān)鍵因素；延長超聲時間、增大超聲振幅，純品DON降解率呈升高趨勢；提高脈沖占空比，純品DON降解率呈先升高后降低趨勢；在相同實驗條件下，超聲時間延長、超聲振幅增大、脈沖占空比升高都會促進赤霉病小麥中DON的降解。當對赤霉病小麥籽粒進行超聲波處理時，發(fā)現(xiàn)小麥中DON的降解率大大高于其實際降解率；隨著超聲處理強度的加大，水中DON含量增加，表明超聲處理可以促進小麥籽粒中DON的溶出。

綜合考慮其經(jīng)濟效益，當超聲時間為18 min、振幅為50%、脈沖占空比為100%(連續(xù)超聲)時，純品DON降解率最高(32.25%)。當超聲時間為15 min、振幅為60%、連續(xù)超聲時，赤霉病小麥籽粒中DON降解率高達37.59%，表明超聲波處理對純品DON和赤霉病小麥籽粒均有較好的降解效果。因此，超聲波處理對DON有較好的降解效果，可以作為一種降解DON的有效方法。