糧食中嘔吐毒素的物理消減方法研究進(jìn)展

尚加英 鄭學(xué)玲 趙 波 卞 科 李利民

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院1，鄭州 450052) (中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所2，北京 100089)

嘔吐毒素，又稱脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(Deoxynivalenol，DON)，化學(xué)名為3α,7α,15-三羥基草鐮孢菌-9-烯-8-酮，屬單端孢霉烯族化合物，是某些鐮刀菌的次級代謝產(chǎn)物。由于它可以引起豬的嘔吐而得名，對人體有一定危害作用，歐盟分類標(biāo)準(zhǔn)為三級致癌物。DON常出現(xiàn)在玉米(穗腐病)小麥和大麥(赤霉病)上。這類毒素化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，在加工、儲存及烹調(diào)過程中不容易被破壞，因此，會對人類健康造成很大威脅。在全球范圍內(nèi)，糧食中的DON嚴(yán)重威脅著人類和動物的健康，因此，人們越來越關(guān)注因DON導(dǎo)致的食品安全問題。

糧食中的DON從作物生長期間就已開始積累，因此，在隨后的收獲、儲藏階段對嘔吐毒素的控制主要體現(xiàn)在毒素的降解和預(yù)防管理方面。目前糧食中DON的降解方法主要有物理方法、化學(xué)方法和生物方法等。其中物理方法主要有谷物加工法、吸附劑吸附法、射線輻照法和熱處理法等。相對于化學(xué)方法和生物方法，物理方法的成本低，處理過程中會產(chǎn)生新的有害物質(zhì)且不會引入新的污染物，因此，有助于減少糧食和飼料中的DON。主要從谷物加工過程、吸附劑吸附、射線輻照以及熱處理等幾種物理消減方法進(jìn)行綜述，以期為下一步開發(fā)更加簡便、高效的脫毒方法提供參考。

1 糧食中DON的發(fā)生原因和危害

1.1 DON產(chǎn)生原因

DON主要是由禾谷鐮刀菌侵染谷物后所產(chǎn)生的一種具有生物活性的次生級代謝物，是谷物及其加工產(chǎn)品中廣泛存在的一種真菌毒素，主要侵染小麥、大麥、燕麥、黑麥和玉米等谷物，在大米和高粱中也有少量發(fā)現(xiàn)。DON的侵染、產(chǎn)生和積累主要與作物的生長種植環(huán)境如溫度、濕度、通風(fēng)和日照等因素密切相關(guān)[1]。我國糧食受DON污染較為普遍，其中華南、華中和華北地區(qū)的污染程度比較嚴(yán)重。另外，谷物中DON的含量還與鐮刀菌的敏感性和殺菌劑的使用等有關(guān)。DON可以通過空氣或土壤傳播，因此，在世界各地尤其是靠近赤道的高溫高濕地區(qū)均有普遍發(fā)生。

糧食中DON的生長和毒素產(chǎn)生階段主要發(fā)生在作物生長或儲藏過程中，食物鏈中DON的產(chǎn)生、控制點(diǎn)及傳遞流程見圖1。禾谷鐮刀菌生長的最適宜溫度為25 ℃，最適宜濕度為0.88，因此，在田間寒冷和潮濕的環(huán)境中，或者由于運(yùn)輸或存放過程中谷物的水分含量過高，可能會導(dǎo)致收獲前和儲藏期間DON的產(chǎn)生。DON對高溫和碾磨制粉工藝具有很高的抵抗力，因此，它的強(qiáng)侵染性和穩(wěn)定性使其很容易進(jìn)入食物鏈。根據(jù)DON發(fā)生的主要原因，可以通過幾個重要控制點(diǎn)減少真菌對谷物的侵染以及嘔吐毒素的產(chǎn)生，如選擇和培育具有常規(guī)育種或生物技術(shù)的抗病品種、良好農(nóng)業(yè)操作規(guī)范(Good Agricultural Practices GAP)、栽培期間的化學(xué)和生物控制以及在貯藏期間適當(dāng)?shù)墓芾淼取?/p>

圖1 食物鏈中DON的產(chǎn)生及傳遞流程圖

1.2 DON的危害性及限量規(guī)定

DON經(jīng)食物鏈進(jìn)入人體和動物體內(nèi)后會引起嘔吐、腹瀉和反應(yīng)遲鈍等中毒癥狀，嚴(yán)重時甚至可能損害造血系統(tǒng)而導(dǎo)致死亡。研究發(fā)現(xiàn)，DON可能與人類食管癌、IgA腎病有關(guān)[2]。在動物實(shí)驗(yàn)中，DON可引起嘔吐、拒食和致畸性[3]。盡管國際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)對人類致癌性的評估將DON歸入第3組(未歸類為對人類的致癌性)，但由于其毒性作用，已在人類中觀察到伴有嘔吐的胃腸炎以及其他潛在慢性疾病的發(fā)生[4]。DON在動物和人的淋巴細(xì)胞中也具有免疫抑制作用，有明顯胚胎毒性和一定致畸作用，可能有遺傳毒性，但無致癌、致突變作用[5,6]。

由于DON的毒性和廣泛性，近年來受到人們的廣泛關(guān)注。目前，全世界有 37個國家針對食品或谷物中的DON已有相關(guān)限量標(biāo)準(zhǔn)。我國國標(biāo)中規(guī)定了谷物及谷物制品中(包括玉米、玉米面、大麥、小麥、麥片和小麥粉) DON 的限量標(biāo)準(zhǔn)為1 000 μg/kg；美國FDA(食品藥品管理局)規(guī)定食用小麥最終產(chǎn)品中的DON的安全標(biāo)準(zhǔn)是1 000 μg/kg，而歐盟制定的谷物粉及玉米粉中DON限量標(biāo)準(zhǔn)為最大限量為750 μg/kg。

2 糧食中嘔吐毒素的污染現(xiàn)狀

DON對糧食作物的污染較普遍，平均發(fā)病率為59%，從亞洲的50%到非洲的76%，但在歐洲和亞洲的發(fā)病率往往較高[1]。DON污染谷物是造成我國居民胃癌和食道癌等惡性腫瘤的高發(fā)區(qū)的主要原因之一。在世界范圍內(nèi)，DON對小麥和小麥加工產(chǎn)品的污染程度相對較高，我國檢測到小麥中DON的最高濃度為41.157 μg/ kg。對我國27個省份的玉米和小麥樣品的檢測結(jié)果表明，玉米樣品中陽性率 85.7%，DON最大檢出值12.448 mg/kg，平均值1.491 mg/kg；小麥樣品中陽性率 92.9%，DON 最大檢出值10.481 mg/kg，平均值 1.288 mg/kg[7]。2010—2015年連續(xù)調(diào)查了江蘇省小麥的毒素污染水平，發(fā)現(xiàn)DON檢出率最高，常年檢出率在50%～100%之間[8]。Ghareeb等[9]研究表明，小麥儲藏多年后其籽粒中 DON 的毒性仍然很強(qiáng)。

由于DON主要積累并位于谷物的麩皮部分附近，因此在碾磨過程中進(jìn)行分餾后，面粉中的DON含量往往會降低。通常，收獲的谷物會在面粉加工過程中轉(zhuǎn)化為面粉和其他餾分(胚芽和麩皮餾分)或進(jìn)一步進(jìn)行食品加工供人類食用。DON對加工谷物產(chǎn)品的污染水平明顯低于未加工谷物中的污染水平，這表明在收獲后的處理和加工過程中可以控制和/或減少DON的含量。但是，谷物加工食品的全球平均發(fā)病率為56%，這表明DON與其他霉菌毒素一樣，一旦進(jìn)入食物鏈就可能無法完全清除。

3 糧食中嘔吐毒素的物理消減方法

目前國內(nèi)外降解糧食中DON 成分的要方法主有物理脫毒法、化學(xué)脫毒法和生物脫毒法等。脫毒是通過物理、化學(xué)或生物手段去除(分離)或滅活(降解)原料或產(chǎn)品中存在的毒素。一個成功的脫毒方法應(yīng)該是經(jīng)濟(jì)的、簡單的、快速的，不應(yīng)該對任何動物造成任何健康危害或破壞物質(zhì)的原有的營養(yǎng)成分。

物理消減方法是相對傳統(tǒng)的一種方法，但也是目前應(yīng)用廣泛且被極力推崇的一種方法，尤其是谷物加工過程中漂洗碾磨降解法，與化學(xué)和熱處理法相比，這種方法處理過程中沒有新物質(zhì)產(chǎn)生且有助于減少糧食和飼料中現(xiàn)有的真菌和嘔吐毒素?，F(xiàn)有的物理消減方法包括：谷物加工法、吸附劑吸附、射線輻照和熱處理等方法。其中清洗、篩選、色選、研磨、煮沸、焙燒、輻照、擠壓、微波加熱和一些烹飪方法等是已被報道的降解DON的常用物理方法。物理消減方法降解糧食及其后續(xù)制品中的DON的研究見表1。

表1 物理消減法脫除糧食中DON的研究效果

3.1 谷物加工法

谷物加工是降解糧食及其加工制品中DON的物理消減方法之一。谷物產(chǎn)品如小麥粉、玉米粉等所含的嘔吐毒素主要是在原料小麥或玉米的生長與儲存中產(chǎn)生的，在生產(chǎn)加工成面粉或玉米粉的過程中不能夠完全去除。因而加工后的產(chǎn)品中含有大量的嘔吐毒素，需要通過一定的方法進(jìn)行有效的消減。主要從兩方面著手：一方面，需要針對源頭進(jìn)行消除；另一方面，需要針對已經(jīng)加工的產(chǎn)品本身或在后續(xù)深加工制作中進(jìn)行消減。

3.1.1 谷物清理

谷物清理的目的是清除混入谷物中的各種雜質(zhì)，其中包括干癟粒、病變粒及易碎的赤霉病粒等。常用的谷物清理方法包括去雜去石、風(fēng)選、色選、比重分選、漂洗、浸泡。分選(主要包括色差分選和比重分選)是根據(jù)物料色澤、比重、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等不同，通過改變儀器參數(shù)將染病物料從正常物料中分選出來，它不僅可以使谷物入庫過程中經(jīng)過比重復(fù)式清選機(jī)達(dá)到入倉標(biāo)準(zhǔn)，還是谷物加工過程中除去雜質(zhì)和污染物的關(guān)鍵程序。其中色選是小麥加工中有效控制DON的重要環(huán)節(jié)，通過色選機(jī)能夠把病變的受污染的小麥剔除，從而有效控制小麥中DON含量。篩理和色選處理均能在一定程度上降低玉米嘔吐毒素含量，其含量平降幅分別為16.20%和25.15%[24]。由于受污染糧食顆粒的密度特性，將顆粒浸入水中并丟棄漂浮部分通?？梢匀コ欢康膰I吐毒素，并且這種漂浮技術(shù)連同相關(guān)設(shè)備可以消除高達(dá)76.7%的嘔吐毒素[25]。Abbas等[26]認(rèn)為通過清洗，可以將被污染的小麥和大麥中DON降低5.5%～19.0%。

谷物清理不僅是谷物加工前的一道重要工序，而且也是糧食入庫前必不可少的一項(xiàng)工作。通過高效率的去雜和分選，可以使糧食中的雜質(zhì)、霉變粒、干癟粒等大部分去除，以減少后續(xù)加工產(chǎn)品中的污染物，確保糧食長時間儲存的安全系數(shù)。

3.1.2 谷物碾磨

谷物碾磨是將谷物研磨、物料分級的過程，該過程中的堿性溶液潤麥、分層碾磨和制粉等，可使最終小麥粉產(chǎn)品中的DON含量比原料小麥中有明顯降低。有關(guān)研究表明，谷物中嘔吐毒素主要長存在于糧食籽粒表面，集中于靠近籽粒皮層的部分，從外到里呈遞減分布[27]。因此，碾磨可以去除大量的嘔吐毒素。從小麥到小麥粉，可能會去除79%～90%的DON和23%～39%的DON-3-G[28]。通過剝皮制粉可以去除霉變小麥中 的DON，霉變小麥經(jīng)碾米機(jī)碾去 6%和11%的外皮后，再磨成粉，DON 減少了 53.3%和 88.9%，其去毒效果優(yōu)于普通小麥制粉工藝[29]。王華等[30]研究了制粉對小麥中DON的遷移作用，結(jié)果表明，小麥中的DON主要分布在皮層，小麥粉中DON含量明顯低于全麥粉，篩理對于降低小麥粉中毒素的作用較明顯，水洗對于降低麩皮中DON含量的作用較明顯，因此，在一定含量范圍內(nèi)DON超標(biāo)的小麥經(jīng)過制粉而得到達(dá)標(biāo)小麥粉是可行的。

研磨過程是將谷物皮層和內(nèi)部物質(zhì)分離分級的一道工序，其結(jié)果是將谷物中的DON重新分配到不同的研磨分級組分中，雖然最終產(chǎn)品中的DON濃度會明顯降低，但麩皮及其他副產(chǎn)物中的DON仍然不能從根本上去除，而這些副產(chǎn)物通常用于動物飼料產(chǎn)品，因此，DON的危害仍然存在，應(yīng)檢測這些副產(chǎn)物中的DON含量。

3.1.3 面制品加工

研究表明，通過高溫蒸煮、面包烘焙、煎炸或者使用堿水和面都能不同程度降低面制品中DON的含量。有研究結(jié)果表明熱加工過程會使DON 的含量降低[31-32]，并且毒素降低的水平與加工所用的基質(zhì)、加工時間、加工溫度、面包體積及毒素是自然發(fā)生還是人為污染有關(guān)。Vidal等[32]研究了DON、和DON-3G在熱加工過程中的熱穩(wěn)定性，結(jié)果表明，160、180、200 ℃的焙烤溫度使DON 的濃度顯著降低(P<0.05)，在一定溫度下，加熱 40 min 后 DON 的降低 比例為 29%(140 ℃)～81%(200 ℃)。在超過169 ℃的油浴中煎炸可使小麥粉中DON毒素含量降低 21%～28%[33]。Zhang等[34]指出饅頭加工過程的和面與蒸制環(huán)節(jié)能使DON含量增加約1倍，而DON-3G的含量降低了約50%，并指出可能是由于一些隱蔽型毒素在加工過程中可能轉(zhuǎn)化成 DON。在面條煮制過程，DON部分地由面條中轉(zhuǎn)移到面湯中，所發(fā)生轉(zhuǎn)移的DON含量與面條蒸制時間呈現(xiàn)正相關(guān)性[32]。有研究指出加堿(碳酸鈉添加量為1.0%)面條的干燥及煮制過程均對毒素 DON 具有較好的去除效果，其歸因于熱處理與堿的作用使毒素發(fā)生降解[35]。

3.2 吸附劑吸附法

3.3 射線輻照法

輻照技術(shù)能高效消除感染谷物的微生物和其他潛在的病原體。輻照可以與分子發(fā)生反應(yīng)，誘導(dǎo)一系列物理、化學(xué)和生物反應(yīng)，被認(rèn)為是一種很有前途的嘔吐毒素脫毒方法。目前常用的射線輻照包括紫外線、Co-60γ射線、電子束等。輻照劑量和時間直接影響輻照的脫毒效果。DON對紫外線敏感，高劑量紫外線更能促進(jìn)DON的減少，照射劑量越大，DON的減少也越明顯。Yu 等[39]采用1 200 μW/cm2紫外線(UV)和12.00%的水分處理DON污染的小麥粉1 h后，DON降解率可達(dá)40.32%。Herzallah等[40]的研究表明，與微波和暴曬相比，γ-射線輻照對降低雞飼料中的真菌毒素效率要高得多，而且增加每次處理的暴露時間顯示出更好的脫毒效果。Kottapalli等[41]利用電子束放射對受鐮刀菌侵染的大麥籽粒進(jìn)行處理后明顯降低了DON的含量。輻射的水解作用更容易在水溶液條件下發(fā)生，水解后自由基似乎使毒素有所減少。O’Neill等[42]觀察到，干玉米籽粒中的DON及其衍生物3-A-DON即使在50 kGy(Gy是吸收輻射的SI單位)的γ-輻照下也顯示出很高的穩(wěn)定性，而在水溶液中5 kGy足以使這些毒素急劇減少。李萌萌等[43]指出Co-60γ 射線輻照對 DON 降解效果顯著，劑量為 10 kGy 時即可使 0.5 μg/mL DON 溶液的降解率達(dá)到90%以上。馮敏等[44]研究結(jié)果表明，輻照可使散裝大米中 DON的降解率接近90%。李克等[45]研究表明，劑量為0 kGy的電子束輻照玉米可使1 μg/mL DON 降解率可達(dá) 89.31%。輻照技術(shù)成本高，同時還可能會引起作物樣品負(fù)面的營養(yǎng)變化，這些缺點(diǎn)可能會限制其推廣。

3.4 熱處理

熱處理對 DON 的降解作用則主要是依靠高溫對 DON 分子結(jié)構(gòu)的破壞。目前常用的熱處理方式包括：干熱處理、過熱蒸汽處理、擠壓處理等。

干熱處理在飼料生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，通過使沙門氏菌等微生物失活或改變谷粒的理化性質(zhì)來提高飼料質(zhì)量。此外，谷類和豆科植物中的抗?fàn)I養(yǎng)因子種子可以通過熱處理顯著失活。Yumbe-Guevara 等[46]研究結(jié)果表明，在一定條件下DON的脫毒效果與溫度和加工時間呈正比。也有研究表明，堿性條件能促進(jìn) DON 的熱降解，在堿性(pH 值為 9)條件下溫度為121 ℃加熱 60 min 后DON 濃度降低[47]。

過熱蒸汽具有安全性高、熱效率高、無污染等優(yōu)點(diǎn)，可以作為小麥加工中降解DON 的有效方法。Pronyk 等[48]采用過熱蒸汽經(jīng)過185 ℃處理6 min可使小麥中嘔吐毒素DON毒素含量降低52%。過熱蒸汽處理可以有效降解赤霉病小麥中的DON，在蒸汽溫度、處理時間和蒸汽流速一定的條件下，DON的降解率最高可達(dá)79.8%[49]。

擠壓處理是在短時間內(nèi)將高速剪切和過熱蒸氣結(jié)合在一起作用于物料的過程。擠壓膨化是降低DON的效果明顯的方法，其可以降低小麥籽粒中DON的濃度，降低率取決于水分、壓縮、溫度、pH值等物理化學(xué)參數(shù)。擠壓膨化處理過的樣品會發(fā)生若干物理和化學(xué)轉(zhuǎn)變，包括淀粉糊化、蛋白質(zhì)變性和微生物數(shù)量減少，擠壓蒸煮降解DON的效果取決于擠出機(jī)的類型、螺桿的類型、模具結(jié)構(gòu)、初始霉菌毒素濃度、筒體溫度、螺桿速度、原料的水分含量和添加劑的使用等[50]，擠壓蒸煮對不同初始污染水平樣品中的DON含量降低有明顯效果[51]。Scudamore等[52]研究結(jié)果顯示，擠壓全麥粉的 DON 降解率最高僅為 23.4 %，這可能與擠壓原料、擠壓機(jī)參數(shù)設(shè)置及DON 檢測方法不同有關(guān)。

熱處理可以殺滅糧食中的微生物并降低真菌毒素含量，但所需熱處理溫度通常較高，可能對小麥品質(zhì)產(chǎn)生不利影響，如抑制酶的活性進(jìn)而影響谷物的營養(yǎng)品質(zhì)和加工品質(zhì)。另一方面，熱處理可以使毒素轉(zhuǎn)變?yōu)檠苌?，如隱蔽的毒素，因此不能實(shí)現(xiàn)真正的“脫毒”。

4 結(jié)論與展望

綜述了近年來糧食中DON的物理消減方法研究進(jìn)展，重點(diǎn)圍繞谷物加工、吸附劑吸附、射線輻照和熱處理等方法脫除糧食中的DON進(jìn)行介紹。各種消減方法之間既有區(qū)別又存在一定的聯(lián)系。在不考慮成本的情況下，幾種方法相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)對糧食進(jìn)行最大程度的脫毒處理。物理消減方法脫除糧食中的DON具有一定優(yōu)勢，是目前脫除糧食中DON的首選方法，但也存在一定的局限性。研磨過程只是將DON重新分配到不同的研磨分級組分中而不能從根本上去除毒素。吸附劑吸附應(yīng)用受限，目前歐盟還不允許使用吸附劑來解決飼料中毒素污染的問題。輻射可以明顯降低DON含量，但大家對其安全性持懷疑性。同時，吸附法和輻照法在處理糧堆中的真菌毒素時其有效作用范圍很小，無法大規(guī)模推廣應(yīng)用。熱處理法脫除毒素效果也是有限的，不同熱處理方法的成本差異很大，這可能會影響其在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。

目前，還沒有一種單獨(dú)的脫毒方法能無條件地有效消除糧食中的DON污染。因此，未來，一方面，應(yīng)加強(qiáng)化學(xué)藥劑與微生物藥劑的篩選與研發(fā)，評價其對鐮刀菌毒素的防控與降解效果；另一方面，應(yīng)加大對鐮刀菌毒素的風(fēng)險評估與防控研究，擴(kuò)大監(jiān)測程序，以正確地了解產(chǎn)毒真菌和嘔吐毒素污染的變化動態(tài)，以及監(jiān)測人類在現(xiàn)實(shí)中的暴露水平，同時以預(yù)防為主，采取合理手段進(jìn)行脫毒。今后，糧食中DON物理消減方法將向以下幾個方向發(fā)展：

1)更加集成化、自動化，以滿足大型糧庫和加工行業(yè)規(guī)?；摮舅氐男枨螅?/p>

2)易操作、成本低、無污染、無殘留，實(shí)現(xiàn)低成本、環(huán)保高效脫除毒素；

3)研發(fā)物理方法降解DON的關(guān)鍵技術(shù)，提出分類利用被毒素污染谷物的技術(shù)途徑與理論依據(jù)；

4)根據(jù)檢測毒素含量，選擇適宜的脫毒方法，達(dá)到最大程度的脫毒。同時，在脫毒技術(shù)的不斷更新和發(fā)展的情況下，可以將這些物理脫毒方法與新型脫毒技術(shù)相結(jié)合，以取得更高更徹底地毒素脫除效果。