食品中黃曲霉毒素的新型降解技術進展

祁迪亞，陸利霞，劉元建，熊曉輝

(南京工業大學 食品與輕工學院，江蘇 南京 211800)

黃曲霉毒素(aflatoxins,AFs)是20世紀60年代初發現的主要由黃曲霉(Aspergillusflavus)寄生曲霉(Aspergillusparasiticus)產生的一類結構類似的次生代謝產物。在濕熱地區的食品和飼料中，出現黃曲霉毒素的概率最高，其主要存在于土壤、動植物和各種堅果中，特別容易污染花生、玉米、稻米、大豆和小麥等糧油產品。黃曲霉毒素是目前發現的化學致癌物中毒性最大、對人類健康危害極為突出的一類真菌毒素[1]。1993年世界衛生組織(WHO)將黃曲霉毒素劃定為一級致癌物質[2]。黃曲霉毒素的主要分子形式有B1、B2、G1、G2、M1和M2等，其中M1和M2主要存在于牛奶中；B1為毒性及致癌性最強的物質，會引起突變、致畸和肝損傷[3]。當B1攝入量較大時，可發生急性中毒，出現急性肝炎、出血性壞死、肝細胞脂肪變性和膽管增生；當B1微量且持續攝入，可造成慢性中毒，生長障礙，引起纖維性病變，致使纖維組織增生。黃曲霉毒素的致癌力也居首位，是目前已知的最強致癌物之一[4]。因此，黃曲霉毒素的降解技術成為食品安全領域的持續性熱點話題。此外，食品中黃曲霉毒素的發生率取決于幾個因素，包括食品類型、季節、地理位置、收獲后時期和管理[5]。

防止黃曲霉中毒的措施主要分為兩種：預防和降解。預防策略主要有播種前對種子的前處理以及谷物成熟后的儲藏條件控制等。降解策略主要分為3種：物理方法、化學方法和生物技術法。本文中，筆者分析了新型降解毒素策略，包括輻照技術、臭氧降解技術、電解水技術、低溫等離子體技術、光催化技術以及生物技術。

1 物理方法

1.1 輻照技術

1.1.1 伽馬射線和電子束輻照

伽馬射線在液體和固體介質中具有較好的穿透深度，然而黃曲霉毒素對伽馬射線的直接輻照有抗藥性[6]。伽馬射線是通過水或其他組分輻射分解產生自由基反應等間接作用來實現黃曲霉毒素降解的，這些自由基容易攻擊黃曲霉毒素B1(AFB1)的末端呋喃環，從而降解黃曲霉毒素，產生低活性的產物[7]。

Prado等[8]研究了伽馬射線輻照對自然污染花生中AFB1的破壞作用，發現5 kGy和10 kGy伽馬射線輻照劑量處理并沒有使AFB1含量下降，但是當輻照劑量達到15～30 kGy時，AFB1減少了49%～72%，這說明黃曲霉毒素的降解效率與射線的輻照劑量有較大相關性。Zhang等[9]研究發現伽馬射線輻照可以在10 kGy時完全清除真菌，降低大豆中黃曲霉毒素B1的含量；大豆孵育30 d后，品質性狀和生育酚含量均無明顯變化。Markov等[6]在被黃曲霉侵染的玉米中也得到了類似的結論。

電子束輻照(EBI)處理是一種先進的氧化工藝，具有無化學添加劑、無化學殘留物等優點[10]。EBI有直接或間接氧化降解復雜有機分子的潛力[11]。伽馬射線輻照和電子束輻照對食物的影響相似，但輻照的穿透性和使用方法略有不同[12]。Assuncao等[12]采用電子束輻照對不同初始濃度的AFB1在水介質中的降解進行了研究。Jubeen等[13]證明AFB1在一定濃度范圍內的降解符合一階反應動力學(R2>0.95)。EBI的優點包括加工時間短、效率高、所需熱量少、設備成本低和用量控制便捷等[14]。Ghanem等[15]研究發現伽馬射線輻照和EBI對玉米中黃曲霉毒素的降解率分別為69%和67%，EBI并不比伽馬射線對黃曲霉毒素的降解效率更高。

1.1.2 微波技術

微波技術在食品行業有著廣泛的應用，例如解凍、膨化、干燥、改性、殺菌等[16]。食品微波干燥與傳統加熱相比，干燥時間減少25%～90%，干燥速度有顯著提高[17]。但是，微波干燥本身也存在微波輻射穿透深度有限、干燥過程中成品溫度難以控制等主要缺點。

Farag等[18]利用微波對黃曲霉毒素的模型體系(將純黃曲霉毒素包覆在硅膠上)和食品體系(含有黃曲霉毒素的玉米和花生)進行了微波殺菌處理，將模型體系和食品體系在不同功率和周期的微波中處理，發現黃曲霉毒素的破壞程度受微波功率高低、微波照射時間長短以及加熱時的溫度影響；其中，模型體系中AFB1在低、中、高功率處理9 min后分別降低76%、85%和100%，且實驗表明微波溫度的升高取決于加熱時間和功率。Luter等[19]研究發現，通過微波將受黃曲霉毒素污染的花生加熱到150 ℃，黃曲霉毒素污染可以持續減少95%以上；且能獲得滿意的褐變程度，不影響蛋白質和脂肪酸含量。

1.1.3 紫外線輻射

表1 物理方法降解黃曲霉毒素總結Table 1 Summary of physical degradation of aflatoxin

2 化學技術

2.1 臭氧降解技術

臭氧(O3)又稱為超氧，是氧氣(O2)的同素異形體，在常溫下，它是一種有特殊臭味的淡藍色氣體[24]。在常溫常壓下，穩定性較差，可自行分解為O2[25]。臭氧在水處理、醫療保健、食品加工保鮮和農業等領域有著廣泛的應用[26]。食品企業、醫院及制藥企業等已經投入應用的臭氧發生技術主要有電暈放電法和電解法[27]。

2.2 電解水技術

電解水(EW)已被用作食品、設備表面和非食品接觸面微生物還原的消毒劑和清潔劑[33]。EW是由稀釋的NaCl或KCl-MgCl2溶液在隔膜分隔電極的電解池中電解產生的[34]。通過電解NaCl溶液可以得到含有HClO分子的酸性電解水，通過電解KCl-MgCl2溶液得到含K+的堿性電解水。酸性電解水中主要含有H+、次氯酸、溶解氧，其pH在1.5左右，而堿性電解水中主要含有K+、OH-并富含氧離子，其pH在13.5左右[35]。中性電解水中主要是酸性電解水與O-混合，pH 7～8。強酸性電解水和強堿性電解水都具有很好的殺菌效果，由于有效氯濃度較高，一般認為酸性電解水的殺菌效果比堿性電解水好。天然污染AFB1的花生浸泡在中性EW中10 min和酸性EW中15 min，AFB1降低90%[36]，而堿性EW浸泡則無效[37]。但是未有研究說明其對食品中營養物質是否有影響，因此還需要進一步驗證該技術對食品底物的營養價值及安全性的影響。

2.3 低溫等離子體技術

低溫等離子體利用帶電的、高活性的氣體分子來滅活食品和包裝材料上的污染微生物，是一種理想的抗菌劑，具有多種活性化學物質[38-39]。因此，低溫等離子體是一種合適的替代加工技術，也可以幫助對抗食物過敏，利于種子萌發，用于包裝材料印刷、廢水處理、改進食品功能、提取生物活性物質等方面[40]。在強大的電磁場中產生低溫等離子體誘導形成的離子(H+、H3O+、O+、H-、O-和OH-)、分子(N2、O2、O3和H2O2)、活性自由基(O·、H·、·OH和NO·)這些集體稱為活性化學物質。這些活性物質的產生促使研究人員使用低溫等離子體來降解包括黃曲霉毒素在內的各種毒素[41]。

Sakudo等[42]利用靜態感應晶閘管產生的氮氣等離子體作為脈沖電源的玻璃基板的研究，在15 min內使AFB1降低了90%。Devi等[43]研究了低溫等離子體對曲霉寄生菌和黃曲霉生長及黃曲霉毒素產生的影響，在40 W、15 min和60 W、12 min的低溫等離子體處理樣品中，AFB1含量分別降低了70%和90%以上。這些結果表明，低溫等離子體具有很強的滅活微生物的潛力，可作為食品滅菌的替代方法。低溫等離子體降解黃曲霉毒素的影響因素主要是使用的基板材料類型、處理的樣品數量以及處理時間長短等[44]。但低溫等離子體技術不僅需要更加清楚地了解其解毒機制，還需要深入研究對其處理后的食品理化性質和感官方面的影響以及毒理學方面和誘導后的安全驗證[45]。

2.4 光催化技術

二氧化鈦(TiO2)光催化技術是近幾年來迅速發展的一種高級氧化技術，它利用近紫外光照射具有光催化活性的TiO2，使其產生高活性物質，讓有機物氧化并逐步降解，最終生成CO2、水和無機鹽類[46]。該技術主要應用于分解有機物、貴金屬回收以及凈化廢水和空氣中的有機污染物等[47]。

Magzoub等[48]對蘇丹地區2種不同灌溉法種植的花生制備的花生油進行了研究，以固定在玻璃支架上的TiO2為光催化劑，以500 W高壓燈(發射紫外光為920 W/m2，可見光為2 000 W/m2)為光源，室溫照射4 min內，AFB1降解率≥99.4%，AFB2降解率≥99.2%。徐程鵬等[49]在自制的光催化反應器中，采用負載型TiO2對花生油進行降解，在煅燒溫度400 ℃、光照強度26 μmol/(m2·s)、循環速度800 mL/min條件下反應120 min，AFB1降解率可達73.02%。光催化可以有效降解花生油中的黃曲霉毒素且處理后花生油的理化特性沒有發生明顯變化，包括脂肪酸組成、過氧化值、皂化值、酸值、游離脂肪酸、碘值、水分和揮發性物質以及折射率。TiO2光催化劑還可重復使用多達10次，為花生油中黃曲霉毒素的解毒提供了一種切實可行的方法。表2對化學方法降解黃曲霉毒素進行了總結。

表2 化學方法降解黃曲霉毒素總結Table 2 Summary of chemistry degradation of aflatoxin

3 生物技術

由于消費者對化學處理的食品安全性的擔憂，利用微生物的食品解毒策略對消費人群具有無形的吸引力，所以黃曲霉毒素的生物降解技術成為具有吸引力的一個研究方向。在現有的研究當中，黃曲霉毒素的生物降解有三大類方法，包括微生物法、植物提取物法和酶法，本文介紹微生物法和酶法。

3.1 微生物法

微生物法是將細菌菌株接種到食物上，然后通過代謝或直接與AFB1結合來降解黃曲霉毒素。Ismail等[50]研究發現分枝桿菌、乳酸菌、芽孢桿菌等菌屬都能達到降解AFB1的作用。Teniola等[51]發現分枝桿菌菌株DSM 44556T降解AFB1的最高能力≥90%，而反應4～8 h后的降解率接近100%。Bueno等[52]研究發現：①植物乳桿菌、發酵乳桿菌和干酪乳桿菌均具有降解AFB1的能力，能夠有效降解25%～61%的AFB1；②AFB1降解過程快，但降解效果差，且降解產物會逆向反應變成AFB1；③干酪乳桿菌與AFB1的結合強于其他2種細菌。3種細菌和黃曲霉毒素的結合在1 min內完成，并在菌株表面與AFB1之間形成了一個可逆復合體來實現黃曲霉毒素的降解。Sangaré等[53]研究了銅綠假單胞菌N17-1在37 ℃營養肉湯培養基中培養76 h后，分別降低AFB182.8%、AFB246.8%、AFM131.9%。細菌與黃曲霉毒素的結合與實驗菌株、基質、溫度、pH、培養時間等多個因素密切相關。

3.2 酶法

酶法是利用各種生物來源的純化酶對AFB1進行降解。Alberts等[54]發現從紅葡萄球菌中提取的細胞外提取物以及從幾種真菌中提取的乳酶可以有效降解AFB1。Loi等[55]將漆酶用于AFB1和AFM1的降解，但僅有漆酶存在作用時黃曲霉毒素降解程度較低，而加入10 mmol/L氧化還原介質，在反應72 h后，AFB1的降解效率從23%提高至90%，AFM1的降解效率則提高至100%。通過對生物酶降解AFB1機制以及降解產物的結構和毒性的深入研究發現，微生物通過分泌酶破壞AFB1結構中的雙呋喃環和酮羰基，使AFB1異構化，從而改變AFB1的致癌性和毒性[56]。該研究表明微生物酶對黃曲霉毒素的降解并非作用于單一毒性位點。對于酶降解黃曲霉毒素的完整代謝途徑及相關降解酶的特性仍有待深入研究。

細菌和酵母對黃曲霉毒素降解的生物學方法有很好的前景，在這些研究中的許多降解產物沒有得到充分認識。如果不能對處理后的最終產品進行表征，就不能完全確定處理后食品的安全性。所以目前還不能對商業規模的食品采用這種做法。表3對生物學方法降解黃曲霉毒素進行了總結。

表3 生物學方法降解黃曲霉毒素總結Table 3 Summary of biological degradation of aflatoxin

4 問題與展望

黃曲霉毒素的降解是全球性食品科學研究熱點，也是食品工業正在面對的巨大挑戰。在應用這些新技術降解黃曲霉毒素的同時，了解黃曲霉毒素的解毒機制及其對食品的相關影響至關重要。經新型技術處理的食品不僅要去除黃曲霉毒素，更應保證其原有營養物質，不殘留或產生新的有害物質。雖然每一項技術都存在或多或少的缺點，但它們確實有效地保護我們避免黃曲霉毒素中毒，并減少了經濟損失。因此，黃曲霉毒素的新型降解技術具有重要的研究意義。