臭氧对食品中真菌毒素的降解效果及影响因素研究进展

刘芳，李萌萌，卞科

(河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州，450001)

真菌毒素是产毒真菌在适宜的环境条件下产生的次级有毒代谢产物，是一种常见的天然真菌污染物，绝大部分具有毒性，多存在于谷物、果蔬、豆类、坚果及其制品中，常见的真菌毒素包括黄曲霉毒素(aflatoxin，AF)、呕吐毒素(deoxynivalenol，DON)、赭曲霉毒素(ochratoxin，OTA)、玉米赤霉烯酮(zearalenone，ZEA)和伏马毒素(fumonisin，FUM)等，这些毒素不仅会给人和动物的健康带来巨大威胁，而且会给食品加工业带来严重的经济损失[1]。

随着消费者对健康饮食和食品安全重视程度不断升高，真菌毒素的降解研究日趋重要[2]。食品中真菌毒素的消减可分为预防和降解2个途径，预防即在谷物收获前进行，通常使用杀真菌剂和生物防治剂来进行杀菌，或者在谷物中植入外源性基因以增强谷物的抗逆性[3]。在预防过程中，可能会受到多种因素的影响，例如谷物的品种选择、播种日期、培育技术以及贮藏方法等都会导致谷物中真菌毒素分布的差异[3]。真菌毒素的降解方法目前研究的主要有物理消减、化学降解和生物降解三大类，其中物理消减主要包括吸附、挤压蒸煮、热处理、辐照等方法；化学降解一般是使用化学剂脱毒，如碳酸钠、石灰水、氯气、氨气以及臭氧等气体或水溶液；生物降解可通过微生物代谢、发酵、添加酶制剂等方法来实现对真菌毒素的降解[4]。本文重点综述了臭氧这一化学方法对食品中真菌毒素的降解研究，分析了影响臭氧降解真菌毒素的主要因素，以期为臭氧在真菌毒素降解中的应用提供理论参考。

1 臭氧对食品中真菌毒素的降解研究进展

臭氧具有极强的氧化性、高效杀菌性，它能破坏真菌毒素结构中的双键，用来灭活产毒真菌和降解真菌毒素，且使用后可自行分解为氧气，无污染残留，因此，臭氧是降解食品中真菌毒素的一种有效的化学手段[5]。目前，臭氧作为新的非热杀菌技术得到了越来越广泛的应用，现代臭氧发生器产生的臭氧浓度高，能耗低，不产生金属粉尘，这些优点使得臭氧在降解毒素的应用中日趋广泛，世界卫生组织、粮食与农业组织、美国食品和药物管理局认为臭氧在食品工业中是一种安全有效的化学物质[6]。

1.1 臭氧降解谷物中的真菌毒素

1.1.1 臭氧降解小麦中的真菌毒素

小麦中的DON是由镰刀菌产生的次级代谢产物，是小麦中检出率最高、危害最严重的真菌毒素之一。DON可以与核糖体结合，抑制蛋白质、RNA和DNA的合成，并诱导细胞凋亡，当人和动物摄入DON时，会产生呕吐、腹泻、厌食、恶心、神经紊乱等中毒反应[7]。臭氧气体可使小麦中的镰刀菌失活，同时降低小麦中DON的含量[8]。当用臭氧处理DON污染的高中低3个浓度的天然小麦时，在处理质量浓度为60 mg/L、处理时间为90 min的情况下，DON的降解率均能达到50% 左右，且臭氧对DON污染程度较低的小麦降解效果较好[9]。处理质量浓度为8 mg/L的气态臭氧，可在15 s内显著降解2 μg/mL DON水溶液，其降解率达到95.68%[10]；当DON标准溶液暴露于14.50 mg/L的臭氧20 min后，未在标液中检测到DON[11]。由此可知，臭氧不仅可以降解DON标准液，也可以降解小麦中的DON，但臭氧对DON标品的降解效果要显著高于小麦，说明小麦组分对臭氧降解DON有一定影响。臭氧对DON的降解效果主要体现在：在降解过程中DON的毒性降低，这是因为DON结构中的双键被臭氧破坏，因此DON的活性会受到影响，故其产物的毒性相对较弱[12]。

经臭氧处理后的面粉中的蛋白质、淀粉、氨基酸含量、脂肪酸值、羰基和羧基含量保持不变，具有较低的延展性，但具有较高的韧性和白度[13]；使用臭氧处理过的小麦粉制成的面包产品更耐咀嚼，且弹性和硬度变大，使得面包具有更大的比容和更白的面包屑[14]；臭氧还可以用于延长冷冻面条的货架期，抑制贮藏过程中微生物的生长[15]；在馒头制作过程中，臭氧会降低小麦的α-淀粉酶活性，从而使面筋含量、弹性和硬度增加，使得馒头具有较好的色泽、结构和风味[16]。由此可见，臭氧不仅能降低小麦粉中的真菌毒素的含量，而且能够改善面制品的品质。

1.1.2 臭氧降解玉米中的真菌毒素

玉米是我国重要的食品和饲料原料，在收获、加工和贮藏过程中，可能会受到真菌毒素的污染，其中较为常见的污染物为OTA和AFB1。OTA会造成动物肾脏和肝脏的损害，有致畸和致癌的作用。AFB1具有强烈的“三致能力”，且对人和动物肝脏有严重的损害作用，可致急性肝炎、肝癌甚至死亡[17]。臭氧处理能有效降解80 μg/L OTA 标准品，并且臭氧处理浓度越大所需的处理时间越短，臭氧也能有效降解污染玉米中的OTA，采用60 mg/L臭氧处理10 h后，能将玉米中的OTA(80 μg/kg)降低到国家粮食卫生标准规定(5 μg/kg)以下[18]。

1.1.3 臭氧降解稻谷中的真菌毒素

稻谷是我国南方主要的食物来源和储备粮品种，而在南方夏收时高温、高湿的气候下，使得高水分稻谷往往因不能及时干燥处理而发生霉变，并产生以AF为主的真菌毒素[20]。有研究表明，经质量浓度为95 mg/L的臭氧处理25 min时，稻谷中的AFB1的降解率随着其初始含量的增加，呈现先上升后下降的趋势，可将AFB1初始含量为68.42 μg/kg的稻谷降解到国家限量标准(10 μg/kg)，降解率最高可达88.1%[21]。臭氧对稻谷中AFB1的降解效果受到臭氧浓度、处理时间以及稻谷处理量等因素的影响，在一定范围内，AFB1的降解率与臭氧处理浓度和处理时间成正比，与稻谷量的大小成反比，原因可能是稻谷量增大，臭氧的穿透性减弱，导致毒素降解效果下降[22]。

臭氧处理还可以使稻谷水分含量下降，特别是高温时下降幅度更大，微生物由于缺乏水分，生长繁殖受到抑制[23]。总而言之，臭氧处理可以有效降解稻谷中AFB1的含量，并且能够明显降低稻谷中微生物的含量以及细菌和霉菌总数，进而提高稻谷的食用安全及品质。

在控制疫病传播上，产地检疫和引种检疫是非常重要的。对于引种的羊首先要进行隔离饲养，切忌直接放入羊群，在引种羊免疫力达到要求后方可合养，同时可以适当使用兽药，从而更好的保障养殖安全。

1.2 臭氧降解果蔬中的真菌毒素

果蔬的含水量高，营养丰富，所以在贮藏和加工过程中极易遭受病原真菌的侵染而腐烂变质，同时这些真菌在果蔬的腐烂部位及其周围健康组织中也积累了大量真菌毒素。目前从新鲜果蔬及其产品中检测到的真菌毒素种类主要有AF、DON、OTA、FUM、展青霉素(patulin，PAT)、链格孢霉素(altenuene, ALT)等[24]，其中PAT是引起梨、苹果发生霉心病的主要病原菌。臭氧能够降低苹果汁中PAT的含量，其原因是臭氧攻击了PAT中的羟基，使得PAT降解为2个分子物质被破坏，因此通入臭氧气体可以作为工业上消除PAT的有效手段[25]。臭氧还可以通过抑制柑橘和柠檬这2种水果中的青霉病菌分生孢子的萌发率，进而抑制这2种水果中OTA的生成[26]。臭氧水可以抑制青菜、生菜、黄瓜、番茄这几种蔬菜中真菌毒素的合成，并且臭氧水具有增强番茄的抗氧化活性和降解果蔬农残等作用[27]。

综上可知，臭氧不但可以利用强氧化作用破坏果蔬中真菌毒素的结构，起到降解毒素的效果，而且能够对果蔬中的微生物产生抑制作用，在一定程度上抑制孢子萌发和菌丝生长，进一步抑制了真菌毒素的产生和积累，从而确保果蔬的微生物安全和营养价值[28]。

1.3 臭氧降解干果中的真菌毒素

真菌毒素的发生不仅存在于谷物和果蔬这两大食品中，在其他食品中也很常见，干果、调味品也是容易被真菌毒素污染的高危食品。有人对榛子和开心果中AF的降解进行了研究，结果表明，臭氧处理可以有效降解榛子和开心果中的AF，与其他AF相比，AFB1对臭氧更敏感，开心果在臭氧质量浓度为9.0 mg/L的条件下处理7 h后，可使AFB1和总AF的含量分别降低23%和24%[29]。臭氧还可以显著降解花生中AFB1的含量，且随着处理时间的增加，降解效果越好，在臭氧质量浓度为50 mg/L、流速为5 L/min的条件下处理40 h时，最高降解率可达到90.1%，经臭氧处理后，AFB1的分子结构遭到破坏，毒性降低[30]。

1.4 臭氧降解调味品中的真菌毒素

在调味品方面，有研究用臭氧处理含水率为12.6%、AFB1含量为20 μg/kg的红辣椒，以此来研究臭氧对红辣椒中AF的降解效果。实验结果表明，经质量浓度为66 mg/L的臭氧处理60 min后，红辣椒中的AFB1含量显著降低，且降解率超过80%，并且总体上没有发现明显的颜色和质量变化[31]。臭氧还能对青花椒起到保鲜和杀菌作用[32]，对食用糖起到脱色作用[33]；臭氧在食品工业中的潜在应用包括对食品包装材料和食品接触面的净化，以及减少不良代谢物的存在，如异味或污染物[34]。由此可见，臭氧已经广泛应用于食品安全和生产加工等领域。

2 影响臭氧对真菌毒素降解效果的因素

2.1 样品的形态

有研究对臭氧处理后的小麦籽粒和全麦粉中DON的降解率进行了对比，结果表明，在相同条件下，全麦粉中DON的降解率高于籽粒，在臭氧质量浓度为60 mg/L的条件下处理120 min，小麦籽粒降解率为17.1%，全麦粉为26.4%，出现这种现象可能是由于全麦粉与臭氧的接触面积更大，DON能更彻底地和臭氧发生反应[35]。而在臭氧降解花生和花生粉中的AFB1时，花生籽粒的降解率高于花生粉，其原因可能是花生籽粒表面更易接触到臭氧，而花生粉在处理过程中容易形成结块，所以籽粒的降解效果较好[36]。同理，开心果果仁在9.0 mg/L的臭氧中暴露420 min后，可使其中的AFB1和黄曲霉毒素总量分别降低23%和24%，而在相同的条件下，开心果粉的AFB1和黄曲霉毒素总量只能降低5%[37]。这些研究表明，同一种样品的不同形态下，臭氧对真菌毒素的降解效果存在差异。

2.2 水分含量

在臭氧处理DON的过程中，水分含量是影响样品中DON降解效果的重要因素，它与DON的降解率呈正相关。有研究发现，润麦后水分含量为16%的小麦籽粒经过臭氧处理后，DON的降解率比同条件下臭氧处理原始水分含量为11.3%的小麦籽粒高17%左右，水分含量为20.10%的小麦粉的降解率高于水分含量分别为16.29%和11.79%的小麦粉[35]；臭氧在干燥状态下半衰期为2.5 h，在潮湿状态下为15 min，臭氧的干法(只有气态臭氧)和湿法(通过水鼓泡产生的臭氧水)可以迅速分解小麦、玉米和水稻中的AFB1，在相同的处理条件下，湿法比干法更有效，原因可能是臭氧气体与水发生了反应。湿法虽然可以更有效的降低谷物中真菌毒素的含量，但是会增加粮食的水分含量，不利于后续的干燥与贮藏，因此气态臭氧在食品中的应用更为广泛[38]。

2.3 样品感染方式

粮食在生产过程中的感染方式可分为天然感染和人工感染，其中天然感染是粮食种子的自然感染，人工感染是在不含有真菌毒素的种子中接种特定的真菌毒素。有研究结果表明，臭氧处理人工感染种子中的真菌毒素的降解率高于天然感染的种子，其原因可能是人工感染种子中的真菌毒素仅存在于产品表面，毒素在产品中的分布不均匀，而自然污染种子中的毒素可能存在于整个产品中，包括子叶内部[29]。

2.4 臭氧处理浓度和处理时间

有文献研究了在不同臭氧浓度和不同处理时间下臭氧对红辣椒中的AFB1的降解效果，发现在臭氧质量浓度分别为16、33 mg/L的条件下处理60 min后，红辣椒中AFB1的降低率分别为62.5% 和81.2%；将红辣椒在臭氧质量浓度为66 mg/L下分别处理30、60 min后，AFB1的降解率分别为87.5% 和93.7%[31]。由此可见，臭氧对真菌毒素的降解率随着臭氧处理浓度和处理时间的增加而升高，且在合理范围内增加臭氧处理浓度和处理时间时，产品的品质不会发生显著改变。

2.5 温度和pH

臭氧是一种不稳定的气体，温度对于臭氧降解真菌毒素有一定的影响。有研究指出，随着温度(<50 ℃)的不断升高，臭氧对花生中AFB1的降解率不断提高，在温度>50 ℃时，降解率开始下降[36]。所以在臭氧处理食品中真菌毒素时，温度控制在室温即可，这样也可以减少升温产生的经济成本。

在臭氧降解真菌毒素的过程中，臭氧发生氧化反应时对pH值比较敏感，当pH值为4～6时，小麦中的DON易被降解；在pH值为7～8时，臭氧降解率与C8位的氧化状态相关，氧化状态越低，毒素越容易被降解；当pH值为9时，则很少或基本不发生臭氧对真菌毒素的降解[40]。由上述可知，在臭氧降解真菌毒素的过程中，只有找到合适的温度和pH，才能使降解更加高效的进行。

3 结论

臭氧作为一种强氧化剂，可降低食品中真菌毒素的含量，无论是在谷物还是在水果蔬菜中，它都对食品中真菌毒素的降解起着重要的作用。臭氧对不同食品中不同类型的真菌毒素降解效果均不同，且降解率随着臭氧与样品的接触面积、样品水分含量以及臭氧处理浓度和处理时间的增大而升高。所以在处理过程中应尽量保证样品与臭氧充分接触，可采用适当搅拌的方法来防止粉状样品的结块；在选择臭氧的处理条件时，可适当提高臭氧的处理浓度和时间，同时也应该考虑高浓度的臭氧对食品的风味、品质以及营养价值等方面带来的负面影响。此外，臭氧的强氧化性可能会对人体健康造成威胁，因此在实验过程中要保证实验的安全性，应尽量在宽敞通风的环境中进行臭氧降解实验。

尽管臭氧技术具有巨大的潜力，但该技术尚未在食品工业中得到广泛应用，低渗透、短半衰期、残留气味和安全问题是臭氧在商业规模上应用的一些限制因素，因此需要更多的研究来解决这些问题，以期为工业提供安全、经济、有效的臭氧氧化技术。尽管臭氧氧化技术在应用过程中存在种种挑战，但它在农业和食品工业中的应用前景良好，臭氧技术有潜力成为一种降解真菌毒素的新技术。