探讨赤霉病、呕吐毒素对小麦产业链的影响

曹 辉 ，李 亮 ，司开宁 ，张平孝 *，肖 锋

（1.陕西省粮油科学研究设计院，西安710082；2.陕西西瑞集团有限公司，陕西 兴平 713100；3.中央储备粮西安直属库有限公司，西安 710016）

小麦是我国三大粮食作物之一，其每年种植面积和产量仅次于玉米和稻谷。以小麦为原料加工而成的面制食品和以稻谷为原料加工而成的米制食品是我国居民消耗的基本热量和营养来源，需求量巨大，每年有上亿吨小麦被加工成面粉，同时产生数千万吨的副产物。副产物中富含淀粉、蛋白质和矿物质等，因而也是养殖业所需饲料的重要原料，通过饲养畜禽转化成为肉蛋奶，最终回到人们的餐桌。小麦产业链一头连接着农民收入，一头联系着千家万户的食品安全、营养健康，中间贯穿着育种、种植、农业机械、收储流通、研磨制粉、检验检测、食品加工等众多产业环节，横跨农业、商业、机械制造、食品及养殖等多个行业。如果将小麦产业链看作一个巨大的工厂，则毫无疑问，分布于全国各地的麦田就是第一生产车间，产出的小麦数量和质量对整个产业链影响深远，必须高度重视。小麦赤霉病是发生于小麦种植期间的多种病害之一，分布范围广、影响面积大，不仅造成小麦减产，品质下降，更为严重的是伴随赤霉病而来的小麦呕吐毒素含量异常增高；呕吐毒素化学性质稳定，一般的加工方法难以去除，如果控制不好会沿着以小麦为基础的食物链传导，带来较大的食品安全风险。分析探讨赤霉病，呕吐毒素对小麦产业链的影响，对提高产业链上各环节科技水平、充分利用小麦资源、保证食品安全都具有重要的现实意义。

1 小麦赤霉病和呕吐毒素

1.1 小麦赤霉病

农业种植部门对小麦赤霉病的研究较为充分，对赤霉病致病微生物，发生流行条件、防治方法都有确定的结论。赤霉病可由禾谷镰刀菌、燕麦镰刀菌、黄色镰刀菌等多种镰刀菌引起。在我国引起小麦赤霉病的优势菌种为禾谷镰刀菌，其产生的毒素主要为脱氧雪腐镰刀菌稀醇，即俗称的“呕吐毒素”。改革开放以前，赤霉病多局限于我国长江流域麦区和东北春麦区，20世纪80年代后，小麦赤霉病发病区域逐渐向北方麦区扩展，特别是近十几年来，受到气候变暖，秸秆还田，小麦玉米轮作、联合收割机跨麦区作业等因素的影响，我国小麦赤霉病的发生范围快速扩大，河南、河北、山东、甘肃、宁夏、山西、陕西及青海等小麦产区都有发生。虽然小麦生长的各阶段都可能被赤霉菌感染，但农业部门的研究发现：小麦抽穗扬花期最容易感染赤霉病，一方面小麦的这个生理阶段抵抗力弱；另一方面，这一时期的气温气湿条件容易与赤霉病菌的生长发育所需要的温度、湿度条件相吻合。赤霉病菌丝体生长最适温度22～28℃、相对湿度80%～100%，如果小麦生长的田块病原菌含量较高（以前曾发生过赤霉病），遇上温暖、连阴雨天气则易造成赤霉病流行，形成灾害。

1.2 呕吐毒素

禾谷镰刀菌侵染小麦后会分泌多种毒素，其中“呕吐毒素”伴随赤霉病的发生在小麦籽粒中检出率最高、含量最大，对人类和动物健康构成的威胁最严重，因而备受关注；最早发现因动物食用受其污染的食物导致呕吐而得此名。呕吐毒素化学名为脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）,分子式C12H20O6,无色针状结晶、溶于水和极性有机溶剂、熔点151～153℃、沸点543.9℃。毒理学研究表明，呕吐毒素可引起急性中毒、慢性中毒、具有细胞毒性、免疫毒性、胚胎毒性及致畸性，虽然呕吐毒素的致癌性没有直接证据，但流行病学调查发现，在胃癌、食管癌高发地区，小麦和玉米中呕吐毒素的检出率、检出量都远远高于这两种癌症的低发地区[1]。随着对呕吐毒素研究的深入，世界上很多国家都对小麦及其制品中呕吐毒素限量制定了法规。表1为部分国家（地区）呕吐毒素限量指标[2]。

表1 部分国家（地区）呕吐毒素限量指标

从表1看，中国对于呕吐毒素的限量标准要比欧美发达国家更严格，这与我国居民的膳食结构有关。小麦及其制品在我国居民食物结构中占有更大比重，更严格的限量标准是为了控制呕吐毒素摄入总量，保护居民身体健康。我国于2017年9月公布并实施呕吐毒素限量标准（GB 2761-2017），在此之前只规定赤霉病麦粒超过4%的小麦不能供人畜食用（GB 1351-2008）。 新标准（GB 2761-2017）实施之后，呕吐毒素限量成为制粉企业和粮食收储流通单位在原粮收购中严格控制的指标，许多看似正常的小麦因呕吐毒素含量超标而被拒绝收购，据媒体报道，呕吐毒素限量标准实施后，江苏、安徽、河南等地常有种粮农民的小麦因毒素超标被拒绝收购，这会对小麦产业链的一些环节产生影响。一方面拒绝收购会严重挫伤农民种粮积极性，加大种粮风险；另一方面，毒素超标小麦可能会通过非正常途径流入食物链，带来食品安全隐患。需要注意的是，虽然小麦赤霉病是造成呕吐毒素异常升高的原因，但二者并非简单的数值对应关系，镰刀菌在侵染小麦时，呕吐毒素的分泌量受许多因素的影响，与小麦品种、抗病性、地域、气候、侵染时间及程度等有关。GB1351-2008中对不完善粒（包含：破损粒、虫蚀粒、病斑粒、生芽粒、生霉粒）虽有规定，且生霉粒（含赤霉病粒）与DON含量有一定关联性，但仅凭感官检验或收购经验估计呕吐毒素含量存在较大风险。图1是某制粉企业2020年4月～6月收购小麦时对353个送检样本中霉变粒含量与DON超标率 （≥1 000 μg/kg）的统计图，从图中可以看出，随着霉变粒含量的增加，DON超标的比率大大增加，提示霉变粒含量与DON含量有趋势性关联。表2是某制粉企业的部分检测记录，即使在霉变粒含量较低的样本中（≤1%），DON含量超标甚至超出检测限 （≥1 500 μg/kg）的情况也时有发生，且无规律可循。

图1 DON超标率与小麦霉变粒含量的关系

表2 某制粉企业小麦检测结果（摘要）

2 呕吐毒素的控制

2.1 种植环节控制呕吐毒素

小麦产业链的源头是小麦的种植，从源头上控制呕吐毒素事半功倍。赤霉病致病菌在适宜条件下大量生长繁殖是导致小麦呕吐毒素异常增高的根本原因，农业种植部门一直非常重视赤霉病的防治工作，也取得了一定效果。目前采用的防控技术主要有：①因地制宜选用抗病品种，但某些品种难以兼顾高产优质，且由于气候土壤等条件差异其抗病能力表现也不一致；②适时播种，避开扬花期遭遇连续阴雨天气；③加强田间管理，科学施肥，降低田间湿度；④深耕灭茬、清除病残体，减少田间病原体数量；⑤加强天气预测预报，掌握扬花期阴雨天气情况，及时防控；⑥化学防治。因化学防治最容易实施，目前仍是防治的最主要手段。在小麦扬花期间喷施多种抗菌农药来预防或降低赤霉病的发生，但连续多年的用药已经使得致病菌产生了耐药性，化学防治效果有下降趋势。采用高浓度的有益菌及其提取物可有效抑制赤霉菌的生长降低其危害且无农药残留，安全性好，符合绿色环保的发展趋势，这是目前许多生物、农药公司重点研究开发的课题，具有较好的市场前景。

在育种方面，小麦的抗赤霉病育种在世界范围内都是研究重点和难题，虽然取得了一些成绩，但尚未取得突破性进展。许多在黄淮麦区主栽的优质高产中筋、强筋小麦品种如：新麦26、济麦44、存麦8号、周麦 32、周麦 30、郑麦 3596、淮麦 30、郑麦 379、隆平518等对赤霉病高度或中度敏感。目前我国选育出具有高抗赤霉病的小麦品种较少，著名的有苏麦3号、望水白等，特别适合在赤霉病高发区种植以获得稳定的产量。近年来，随着细胞遗传学、分子遗传学、分子生物学技术的发展，应用生物工程技术进行选育高抗赤霉病品种有望成为重要途径和手段，应用生物工程技术可以快速有效地转移和组合抗赤霉病基因、可以快速得到新的抗原，有效培育抗病优良品种[3]。

2.2 小麦收储流通环节

小麦的各个生长阶段都可以被禾谷镰刀菌侵染，引起苗腐、杆腐、穗腐症状（赤霉病即是严重的穗腐症状）。小麦成熟后，因为有颖壳和种皮的保护，病菌要侵染小麦籽粒已经不容易。在小麦收获期间，如遇到多雨天气，带菌量多的田块会有大量的病菌孢子和菌丝体附着在麦穗、麦秆表面上。随着收获的进行，带菌麦穗、麦秸秆与小麦籽粒混合进入临时仓库，如果没有及时晾晒或烘干，这些轻杂上的病菌随水气迁移到小麦籽粒表面，孢子萌发，菌丝体生长并产生呕吐毒素，这也是引起小麦籽粒呕吐毒素升高的重要原因[4]。图2所示为小麦从种植到加工各阶段呕吐毒素含量的变化情况，可以看出，缓慢干燥使麦粒长时间处于高水分环境中为致病菌的生长并分泌呕吐毒素提供了条件。我国的小麦种植，虽然实现了机械化收割，但收获后的麦粒从种粮农户的田间地头到现代化储备库仍需一段时间，有的还要经过中间商临时储存，大多数农户和中间商缺乏烘干设备和控温控湿的仓储条件，自然晾晒受农村劳动力缺乏和天气等因素的制约也难以实现。更重要的是，大多数种粮农户和中间商对呕吐毒素还缺乏认知，既无检测手段也不知如何减少呕吐毒素，一旦收获的小麦因毒素含量超标被拒绝收购，往往受到很大的经济损失。鉴于这种情况，一些适合种粮农户和收购现场使用的快速检测设备、清理筛选设备、小型可移动粮食烘干设备、输送设备，具备通风设施的小型仓储设备具有较好的市场前景，值得开发和推广。图3所示为河南某机械公司与河南工业大学合作开发的用于粮食收购现场的移动组合式清选机，该设备清选除杂分离效果明显，操作简单、处理量较大，成品小麦洁净度高，可将感染赤霉病小麦籽粒与健康麦粒初步分离，在2016年河南周口赤霉病发生地区的小麦收购中取得良好效果[5]。

图2 呕吐毒素含量在小麦产业链上的变化

图3 一种复式清选机结构示意图

自新标准GB 2761-2017发布实施后，众多粮库和面粉厂对呕吐毒素快速检测技术需求强烈，市场潜力巨大。用于精确检测呕吐毒素含量的高效液相色谱法（HPLC）、气相色谱法（GC）和液相（气相）质谱连用（HPLC/GC-MS），因仪器昂贵、操作复杂、成本高及耗时较长等因素并不适合基层收储单位使用。目前，适用基层粮库和面粉厂粮食收购现场快速检测呕吐毒素的方法主要有酶联免疫法 （ELIS）、胶体金层析法和荧光定量免疫层析法等，胶体金层析法因分辨率低，难以精确定量等原因有被淘汰的趋势。ELIS及其改进的分析方法((如免疫层析法）在我国逐步得到推广。目前呕吐毒素快速检测市场上，进口、国产仪器品牌及其耗材都有充足的供应。如图4（国产）、图5（进口），其检测的准确度大体相当，主要的竞争集中在检测成本和检测时间方面，快速准确，操作简单、成本低廉的产品将成为市场主导。具有发展前景的真菌毒素快速检测技术还有蛋白质芯片技术、免疫生物传感器技术等。光电检测技术具有快速、简单、低成本等优势，也是未来发展的方向。河南工业大学电气工程学院的学者应用光电转换技术设计了一款精度高，检测速度快的真菌毒素检测系统，为真菌毒素的检测提供了新途径[6]。南京农业大学工学院的研究团队，利用近红外光谱对赤霉病小麦籽粒的呕吐毒素含量进行了分析测定，初步的研究表明：基于近红外高光谱技术结合先进的算法——区间组合优化结合连续投影算法（ICO-SPA）进行小麦赤霉病籽粒呕吐毒素定量检测是可行的[7]。

图4 国产检测仪器

图5 进口检测仪器

近红外光谱检测技术在我国小麦及面粉品质检测中已经得到较为普遍的使用，以法国肖邦、瑞典波通的近红外光谱分析仪占据主导地位，国产的近红外分析仪因缺乏技术创新而难以获得市场青睐。但目前进口的近红外光谱分析仪还不能够对真菌毒素特别是小麦加工收储单位非常关注的呕吐毒素进行检测，这也为国产分析仪器的创新发展留下了巨大空间。

2.3 小麦加工环节

我国绝大多数小麦都用于制粉，制粉企业和粮食储备库将原料小麦中DON含量严格控制在国家标准以内（1 000 μg/kg）,而对于 DON 超标的小麦往往拒绝收购 （个别制粉企业仅仅少量收购并搭配DON含量低的优质小麦使用）。DON超标的小麦并非没有利用价值，而是受到制粉企业现有技术在去除DON能力方面不足的制约和出于经济效益及食品安全风险的考虑，不论是面粉厂或储备库都没有专门针对DON的降解加工工艺。许多制粉企业的生产实践表明，小麦的研磨过程并不能降解DON，只是随着面粉在制品重新分配。只要将经过清理及润麦后的入磨小麦呕吐毒素含量控制在1 000 μg/kg以下则可以保证面粉产品的食用卫生安全。以DON含量1 000 μg/kg的入磨小麦为例，经研磨后各在制品中DON含量大致如下：F0(25%出率）450 μg/kg，F1(30%出率）600 μg/kg，F2(10%出率)700 μg/kg，F3(10%出率)950 μg/kg，麸皮（25%出率）1 800 μg/kg[8]，而来自安徽宿州东方面粉有限公司的测定数据表明，DON 750 μg/kg的入磨小麦，制粉后：F2 DON 含量 550 μg/kg、F3 DON 含量 600 μg/kg[9]。 DON 在小麦籽粒中的分布呈现一定规律，皮层和糊粉层含量较高，胚乳含量较低，由表皮到糊粉层到胚乳中心呈逐步递减分布。因此，在工业化制粉工艺中小麦的清理工段可有效的去除部分DON。侯芮等[10]着重研究了清理和制粉工艺去除污染小麦中真菌毒素的效果，模拟工业化制粉的清理工艺：毛麦—磁选—振动筛1—垂直吸风—比重去石 1—比重去石 2—磁选—打麦 1—振动筛 2—润麦—磁选—比重去石3—打麦2—擦皮除菌—振动筛3—色选—磁选—净麦。其中，擦皮处理后小麦DON从1.39 mg/kg降到1.30 mg/kg，色选后DON从 1.27 mg/kg降到 1.18 mg/kg。整个清理工艺，DON累计降低24.36%。为了提高处理感染赤霉病小麦的加工技术水平，高效利用小麦资源，河南工业大学黄乾坤[11]对小麦入磨前处理工艺进行了系统的研究，取得了很多加工赤霉病超标小麦的重要工艺参数，对制粉企业具有非常实用的参考价值。实验以企业常用的河北苹乐TQSFB40比重分级去石机为主要设备，以DON削减率为指标，确定最佳工艺参数为：喂料速度1.93～4.0 t/h，振动频率 40 Hz，筛体横向倾角 3.9°、纵向倾角6.3°，吸风量9 500～11000 m3/h。在这样的工艺条件下，DON削减率可达到58%左右；小麦色选机已经成为现代制粉企业必备设备，在净麦入磨前进一步清除异色杂质具有不可替代的作用。为了提高小麦色选机降低呕吐毒素的效率，作者以安科R3W-180色选机为实验机型，以两种不同程度感染赤霉病的小麦 （DON含量分别为2.17 mg/kg、0.868 mg/kg)为研究对象，以DON最大削减率为指标，研究了色选机主要工艺参数对DON削减率的影响，结果表明：色选机通道进料比为20%，分选精度为70%时，DON削减率最高。DON含量2.17 mg/kg的超标小麦，经最佳工艺参数一次分选，可降低到标准以内（1.0 mg/kg）。许多研究表明，臭氧对DON等多种真菌毒素具有良好的降解效果，而且臭氧容易制备，成本低廉，适合工业化生产，因此，作者通过实验室试验对臭氧引入小麦制粉的前处理工艺进行了尝试，取得了一定效果，为今后工业化臭氧处理DON超标小麦积累了经验。经一系列清理除杂后的小麦（光麦段），在润麦16 h后进行臭氧处理可以取得最佳效果，臭氧浓度维持 80 mg/L，处理时间8 h，可以将DON降解34.1%。虽然在实验室取得较好效果，但是臭氧处理工艺进入工厂实用化阶段仍有一段距离，主要问题有：①臭氧在使用浓度下对人体具有危害，环境空气中臭氧0.3 mg/L的浓度就会人体的眼、鼻、喉产生刺激，大于3 mg/L时，会出现头疼及呼吸困难症状。现有润麦仓等设备很难保证通入的臭氧气体不会逸散到车间的空气中；②臭氧具有很强的氧化性，溶解于润麦水的臭氧会随着小麦进入磨粉机等后续设备及管路中，会对后续设备带来严重的腐蚀，大大缩短设备使用寿命。张昆[12]研究了电子束辐照对赤霉病小麦DON降解的效果，降解效果主要受被照射小麦初始DON含量和照射剂量的影响，初始DON含量越低，照射剂量越大，效果越好。DON含量1.18 mg/kg的小麦样品，经20 kGY剂量电子束照射后降解率34.75%，DON含量8.8 mg/kg的小麦样品经同等剂量电子束照射后，降解率24.57%。经电子束照射后的小麦制成面粉后，其面粉品质下降较大，以面粉稳定时间为例，郑麦7698照射前面粉稳定时间6 min 53 s，20kGY电子束照射后，稳定时间降为41 s。虽然蛋白质含量没有明显变化，但对蛋白质分子结构破坏较大，二硫键断裂，用于形成面筋网络结构、提供面团弹性的高分子量麦谷蛋白被降解。还有一些研究显示[13]，食品被一定剂量电子束照射后会产生异味，虽然电子束辐照技术较为成熟，并在其它领域（如食品、农产品保鲜）得到应用、相关成套设备也有供应，但种种因素在小麦加工领域尚难以实现。2007年，韩国与日本的学者发表于Surface&Coatings Technology杂志上的一篇文章，揭示出低温等离子技术在降解呕吐毒素方面的工业化应用前景[14]：研究团队采用自制的微波诱导氩气等离子发生装置，在大气压条件下，用装置产生的等离子体处理了黄曲霉毒素B1、呕吐毒素（DON）和镰刀菌烯醇（NIV）三种真菌毒素，通过高效液相]色谱（HPLC）检测结果显示只需5秒钟即可将毒素完全降解。常压低温等离子杀菌技术是本世纪2000年以后逐渐兴起的高效、绿色杀菌技术，具有处理温度低、作用时间短、无污染、无残留等特点，可以最大程度保留食品原有的色、香、味、形等。对于小麦加工行业，应用等离子技术不仅可以杀灭麦粒表面的各种微生物（细菌、真菌、虫卵），而且可以快速降解各种真菌毒素，一举多得。图6为一种实验室常压等离子处理装置[15]，其结构原理并不复杂，然而将等离子技术应用于小麦加工制粉方面的探索试验未见报道。随着食品工业的发展和人们对饮食安全要求的提高，国内一些大型食品加工企业对食品用小麦粉的安全指标要求越来越高 （如对微生物指标提出了明确要求）从而衍生出低菌小麦粉的概念，这代表着小麦制粉的一种发展趋势和未来食品工业的市场需求[16]。国产小麦由于初始带菌量高，润麦时间较长，现有加工技术局限等原因难以生产出低菌化要求的小麦粉，虽然在实验室采用臭氧水润麦处理工艺取得了较好效果，但大规模生产应用仍面临许多实际问题难以解决。如果能将等离子技术引入制粉工艺，在第二次润麦前进行一次等离子除菌及真菌毒素降解，或许能为企业产品质量提升、行业技术进步开辟崭新的途径。

图6 实验室常压等离子处理装置

3 呕吐毒素含量过高小麦及副产物的综合利用

在我国，受气候、地理等因素的影响，某些年份某些地区赤霉病发生较为严重，呕吐毒素超标的小麦产量较大，如何充分利用消化这部分小麦仍是小麦产业链上的重要课题。谷朊粉（小麦活性蛋白）是小麦深加工的重要产品，是许多食品生产的重要功能性配料，应用广泛，附加值高。副产物小麦淀粉或淀粉浆是发酵工业用于制啤酒糖浆、酒精、味精、多种有机酸及氨基酸的基础原料，销路广泛[17]。在谷朊粉生产过程中，呕吐毒素会溶解于分离淀粉与蛋白质的工艺用水中而被大量去除。很多测试数据表明，谷朊粉和副产物淀粉中的呕吐毒素含量极低，对食物链安全没有影响，而工艺用水排放后，其中的呕吐毒素在自然环境中逐渐降解不会持续增加造成污染。小麦制粉企业对DON超标小麦加工利用能力有限，且制粉副产物麸皮及次粉中富集DON影响销路。对此，国家粮食局科学研究院的科研团队经过多年研究，分离筛选出可以高效降解DON等真菌毒素的优良菌种及其酶制剂，并完善了麸皮固态发酵降解DON工艺技术，补上了小麦加工产业链上的重要环节[18]。采用固态发酵技术，可以低成本、少投资、高效率降解麸皮中的DON，同时还可改善麸皮的营养品质，提高麸皮饲用价值。经实际检测，麸皮DON含量从5 542 μg/kg降解到200 μg/kg，同时益生菌大量增加、蛋白质含量从13.5%增加到15%。

4 总结

呕吐毒素限量标准（GB 2761-2017）的颁布实施，对小麦产业链的各环节都会产生深远的影响，有利于小麦育种、种植、收储、加工及检测等环节新技术的研究与推广，为产业链上各行业技术进步打开了空间。新标准提出新要求也产生了新机遇，对于有活力的研发单位来说，挑战与机遇并存，难关与商机同在，客户的难题就是研发单位的课题，针对行业新需求，研发推广新技术、新装备、新仪器，推动产业技术升级同时也获得丰厚回报。