糧油加工副產物中真菌毒素消減技術研究進展

李笑櫻 印 鐵 仉 磊 姜德銘 張云鵬 劉曉萌 鄒球龍 張曉琳

(中糧營養健康研究院；營養健康與食品安全北京市重點實驗室；老年營養食品研究北京市工程實驗室，北京 102209)

1 概述

真菌毒素是真菌在適宜溫濕度條件下產生的具有生物活性的次級代謝產物，在糧食及飼料衛生學領域又稱為霉菌毒素[1]。目前已知的真菌毒素有300多種，其中污染范圍較廣的主要有黃曲霉毒素(AF)、玉米赤霉烯酮(ZEN)、脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(DON)、伏馬毒素(FB)等。據聯合國糧食及農業組織 (FAO)估算，全世界每年約有25%的谷物受真菌毒素污染，約2%的農產品因霉變而失去營養和經濟價值，給農業帶來嚴重的經濟損失[2]。

水稻、小麥、玉米、大豆是我國主要的糧油原料，通過對原料進行深加工和精加工，從而提升糧油附加值。糧油原料在加工過程中產生的副產物，主要有玉米加工副產物[玉米酒精糟(DDG)、干酒糟及其可溶物(DDGS)、噴漿玉米皮]、麩皮、胚芽、麩質、豆渣等，其中飼料是這些糧油副產物的主要利用途徑。但糧油原料若污染真菌毒素不僅難以在工業生產中被破壞分解，濃縮干燥深加工和精加工過程還會將真菌毒素隨清液或濕糟富集在副產物中[3]。

黃俊恒等[4]2018年從19個省市收集442份飼料及飼料原料，檢測了其中的黃曲霉毒素 B1、玉米赤霉烯酮和嘔吐毒素 3 種真菌毒素含量。結果顯示，餅粕類樣品受黃曲霉毒素B1污染嚴重，其次為 DDGS(谷物干酒精槽)，各類樣品受玉米赤霉烯酮污染程度較輕，小麥、麩皮、DDGS受嘔吐毒素污染較為嚴重。2019年1月—6月，王國強等[5]對來自不同省份的321份飼料及飼料原料樣品進行了 AFB1、ZEN、DON、FB和 T-2 毒素的檢測。檢測結果發現，高達91.36%的飼料及原料受到 2 種及以上真菌毒素污染。麩皮、飼料樣品真菌毒素污染嚴重，尤以 DON 污染最嚴重。

被真菌毒素污染的飼料適口性變差，造成動物采食量的下降，嚴重影響生長性能；真菌毒素還會引起動物繁殖功能紊亂，造成繁殖性能降低；降低機體免疫細胞活性，導致免疫抑制；還可抑制蛋白質和酶的合成，破壞組織細胞結構，損害動物的肝腎、腸道、神經等器官和組織[6-8]。飼料中的真菌毒素還會通過食物鏈殘留在動物產品(如肉蛋奶)中，長期食用危害人體健康[9]。

2 限量標準

我國《食品衛生標準(GB 2761—2017)》對玉米、小麥、稻谷、大豆、花生及其加工制品中主要真菌毒素的限量有一定的控制標準[10]。我國《飼料衛生標準》(GB 13078—2017)[11]對飼料及原料各真菌毒素的最大允許量都制定了嚴格的限制標準。新標準細化了不同飼料原料及產品中的毒素限量，不僅針對使用環節，更為原料管控提供法律依據。如對于玉米深加工副產物相關產品，標準考慮實際加工過程中的濃縮效應，將玉米皮、噴漿玉米皮、玉米漿干粉、玉米酒糟類產品項中ZEN限量擴大至玉米原料的3倍(≤1.5 mg/kg)。 增加植物性飼料原料DON限量標準，提高了標準的可行性[3]。

3 脫毒方法

實際生產中，糧油加工副產物中真菌毒素的含量常高于國家限量標準，因此長期以來開展了許多針對糧油副產物脫霉技術的研究，目前常用的脫毒方法有物理脫毒法、化學脫毒法、脫霉劑脫毒法。

物理脫毒方法主要包括篩分法、熱處理、輻照法和提取法等。如物理篩分法作為對原料的第一道把關，處理方法簡單、成本低、效果明顯。因此，多應用于收糧環節。化學法去除毒素的原理是利用化學試劑與毒素分子在特定條件下發生化學反應，通過去除毒素分子上的某個官能團或者化學鍵，或在毒素分子上增加某個官能團，來去除或者降低毒素分子的生物毒性。研究較多的化學試劑包括臭氧、氨、亞硫酸以及雙氧水等。

但在實際生產中，物理法和化學法的脫毒能力都存在一定的不足，不僅成本高、能耗高、對物料的性質(如水分、狀態、組成成分)要求高，而且很難實現同時去除多種毒素。如物理篩分法，篩分后的霉變籽粒需進行二次處理，并且現有很多設備無法篩分出許多表面正常但已被真菌毒素污染的籽粒；輻照法的降解產物復雜、且設備安全性存在爭議；氨化法只能去除黃曲霉毒素等[12]。

相比前兩種方法，脫霉劑脫毒法只需通過飼料中脫霉劑的添加，就可實現同時降解多種毒素，不僅處理條件溫和，而且更安全有效，因此是最有可能在畜禽飼料中實現真菌毒素脫除的方法。目前，畜禽飼料使用最多的脫霉劑脫毒法是在飼料中添加真菌毒素脫霉劑。飼料中脫霉劑的種類包括吸附劑和降解菌/酶[13]。

3.1 吸附劑脫毒

目前用于真菌毒素吸附的物質主要有硅鋁酸鹽類、活性炭和有機物類。硅鋁酸鹽類吸附劑含有Al2O3和SiO2，包括蒙脫土、膨潤土、高嶺土、斑脫土、沸石、海泡石、硅藻土、三硅酸鎂等。市面上較多使用水合鋁硅酸鈉鈣(HSCAS)，這種吸附劑可大量吸附AFB1，其結合機制為HSCAS具有非常大的比表面積，且層間存在永久性負電荷，AFB1中的β-羰基與HSCAS中的Al3+形成穩定的金屬螯合物。活性炭是由木屑、蔗渣、谷殼、硬果殼等碳化后再經過化學或物理活化處理而成的一類吸附劑。其特點包括具有多孔結構，比表面積大，吸附容量大；性能穩定，適合不同溫度和酸堿條件；吸附速度快，價格相對低廉等優點，但這種吸附屬于非特異性吸附，吸附力不具備針對性，易造成營養物質的流失。有機物類吸附劑包括酵母細胞壁、甘露聚糖、殼聚糖、果膠、消膽胺、聚乙烯吡咯烷酮、交聯聚維酮等。其中酵母細胞壁使用較為廣泛，這種吸附劑的作用原理為細胞壁上含有很多多糖吸附中心，利用氫鍵、離子鍵、疏水作用進行非特異性吸附，另外飼料中添加酵母細胞壁也有一定活化和增強畜禽免疫系統的作用[13-15]。

3.2 改性吸附劑脫毒

實驗研究和實際應用中改性吸附材料以改性硅鋁酸鹽類吸附劑、改性甘露聚糖和改性果膠等為主。

有研究表明，鈣基膨潤土能夠降低天冬氨酸氨基轉移酶、堿性磷酸酶和γ-谷氨酰轉移酶，從而降低AFB1對動物生長的影響。表面活性劑能夠改變沸石表面的疏水性，增強沸石對AFB1、ZEN、OTA的吸附能力。天然沸石改性可用十八烷基二甲基芐基氯化銨、雙十八烷基二甲基氯化銨、表面活性劑氯化十六烷吡啶和苯扎氯銨。蒙脫土改性可用苯扎氯銨、十六烷基三甲基溴化銨、十八烷基三甲基氯化銨、季銨鹽及金屬離子和非離子表面活性劑辛基酚聚氧乙烯醚等。

甘露聚糖可用乙酸酐和酯化進行改性。對甘露聚糖進行酯化后，能夠增強其對真菌毒素的吸附效果。將甘露聚糖負載在膨潤土上，制備新的脫毒劑，能夠有效提高甘露聚糖對真菌毒素的吸附效果和穩定性。果膠經低甲基酰胺化改性后，使其具有更高的凝膠強度，能夠有效捕獲DON[16-18]。

3.3 降解菌/酶脫毒

真菌毒素降解菌/酶具有特異性(專一性)、不可逆性、降解產物毒性較低等特點，其對真菌毒素降解機制是目前研究的熱點。DON的化學結構為12，13-環氧-3α，7 α，15-三羥基單端孢霉-9-烯-8-酮，其生物降解菌/酶的脫毒位點位于C12，C13環氧基團、C3位羥基和C16。ZEN的化學結構為酚的二羥基苯酸內酯，其生物降解菌/酶脫毒機制為水解內酯環和氧化作用。FB化學結構為多氫醇和兩個丙三羧酸組成的雙酯化合物，其生物降解菌/酶脫毒機制為脫羧、脫氨和脫酯作用[19-22]。

降解菌法一種途徑為通過篩選出可以代謝真菌毒素的微生物，將其加入到飼料中，動物在采食后，在動物腸道活化，對特定真菌毒素進行代謝降解，以產生無毒的代謝物排出體外。另一種途徑為微生物發酵飼料，主要是在霉變飼料中接種一定量的微生物使其在適宜的條件下發酵，真菌毒素在發酵過程中被代謝分解為無毒的產物。Binder等[23]從牛瘤胃的富集培養物中分離到一株可轉化DON和其他單端孢霉烯族毒素的厭氧優桿菌屬細菌(Eubacterium BBSH797)，并確定其降解DON 的代謝產物為DOM-1，經過動物實驗驗證，該BBSH797能夠在家禽的消化道內把單端孢霉烯族類的真菌毒素生物轉化為無毒的代謝產物。Lei 等[20]從72個自然界樣品及1 088株實驗室保藏菌株中，篩選出1株能夠高效降解ZEN的枯草芽孢桿菌ANSB01G，其在液體培養基中對ZEN的降解率為88.65%, 并且該菌能夠降解自然霉變玉米、DDGS和豬全價配合飼料中84.58%、66.34%以及83.04%的ZEN。利用該菌株發酵生產的真菌毒素生物降解劑對青年母豬玉米赤霉烯酮中毒癥有較好的緩解作用。

酶降解法主要是用特定真菌毒素的降解酶來降解飼料中的真菌毒素。但由于酶對溫度比較敏感，在飼料高溫制粒的過程中容易失活，同時真菌毒素種類多，所需降解酶系復雜，對酶生產技術要求高，目前酶降解法應用較少。Takahashi-Ando等[24]研究了粉紅粘帚菌Gliocladium roseum IFO7063降解ZEN的機制及產物結構，確定了關鍵作用酶為內酯水解酶(ZHD101)，并將ZHD101編碼基因在分裂酵母、大腸桿菌和釀酒酵母中實現了活性表達。Heinl等[25]在細菌 Sphingopyxis sp.MTA144中找到了兩個水解FB1的關鍵基因，一個基因編碼脫羧酶，另一個編碼轉氨酶。

3.4 復合型脫毒劑脫毒

由于單一脫毒法只能對某些特定的真菌毒素進行脫毒，且存在脫毒效率低等問題，人們嘗試將多種脫毒方法與脫毒劑進行配合使用的復合脫毒法。比如在飼料中添加防霉劑(丙酸鈣)、鋁硅酸鹽(蒙脫土)、真菌毒素降解酶、降解菌、免疫增強劑(酵母細胞壁)等，通過將這些原料進行合理的復配及工藝處理，可以達到高效、廣譜、穩定的脫毒效果。因此，目前市場上及實際生產中應用比較多的脫毒劑為復合型脫毒劑。

4 真菌毒素吸附劑、降解菌/酶評估方法(體外和體內評估)

農業部目錄中沒有“真菌毒素吸附劑”這個條款，官方也沒有此類原料標準和評估方法。對真菌毒素吸附劑和生物降解劑的評估方法，企業普遍采用標準品直接加入法，該法優點在于易于操作，但往往脫離實際情況，吸附效果被放大，數據不可靠；且未明確說明毒素是如何轉移，并不能反應實際應用中的效果。另一種方法為仿生吸附分離評估法，其優點在于接近真實環境，明確了真菌毒素轉移的過程。但這種方法適用于礦物質做載體的產品，分離出的吸附劑與真菌毒素形成的物質，按常規提取方法檢測不到毒素，必須經過處理才能進行檢測，分離方法困難，回收率較低。

吸附劑的體內評估結果表明，當畜禽采食到黃曲霉毒素污染的飼料時，飼料中添加蒙脫土、活性炭、葡聚糖、膨潤土、沸石對黃曲霉毒素有較好的吸附效果，可緩解毒素對畜禽的負面影響；當畜禽采食到玉米赤霉烯酮污染的飼料時，飼料中添加活性炭、膨潤土、沸石對玉米赤霉烯酮有較好的吸附效果，可緩解毒素對畜禽的負面影響；另外，消膽胺對伏馬毒素有較好的吸附效果；葡聚糖對鐮刀菌毒素有較好的吸附效果；葡聚糖、膨潤土在黃曲霉毒素與鐮刀菌毒素共存時有較好的吸附效果[26，27]。降解菌的體內評估結果表明，BBSH797能夠在家禽的消化道內把單端孢霉烯族類的真菌毒素通過生物轉化方式降解為無毒的代謝產物。枯草芽孢桿菌ANSB01G發酵生產的真菌毒素生物降解劑對青年母豬玉米赤霉烯酮中毒癥狀有較好的緩解作用。

5 總結與展望

通過對國內外21家知名脫霉菌/酶公司產品進行的調研，發現實際生產中多為主要針對黃曲霉毒素的硅鋁酸鹽類吸附劑，這類吸附劑以蒙脫土為主，對糧油副產物中黃曲霉毒素吸附效果較好且很少吸附其他營養成分，解吸附性弱。針對嘔吐毒素、玉米赤霉烯酮這兩種污染較嚴重的真菌毒素，市面上現有吸附劑對其吸附效果較差。現有的脫毒菌/酶制劑主要成分多以嘔吐毒素、玉米赤霉烯酮降解菌為主，菌株的生物安全性需評估，同時脫霉菌劑的實際應用效果也往往受到飼料、動物消化系統等環境的影響。所以糧油副產物用作飼料后，對其中如嘔吐毒素、玉米赤霉烯酮等污染較嚴重的真菌毒素的生物降解菌/酶和新型吸附劑(如納米級材料、石墨烯、改性材料)脫除技術的開發將是未來發展的方向，這將有助于糧油副產物的充分利用，節約我國糧油資源，同時減少其因堆積而造成的環境污染等一系列問題[28-30]。