粮油加工副产物中真菌毒素消减技术研究进展

李笑樱 印 铁 仉 磊 姜德铭 张云鹏 刘晓萌 邹球龙 张晓琳

(中粮营养健康研究院；营养健康与食品安全北京市重点实验室；老年营养食品研究北京市工程实验室，北京 102209)

1 概述

真菌毒素是真菌在适宜温湿度条件下产生的具有生物活性的次级代谢产物，在粮食及饲料卫生学领域又称为霉菌毒素[1]。目前已知的真菌毒素有300多种，其中污染范围较广的主要有黄曲霉毒素(AF)、玉米赤霉烯酮(ZEN)、脱氧雪腐镰刀菌烯醇(DON)、伏马毒素(FB)等。据联合国粮食及农业组织 (FAO)估算，全世界每年约有25%的谷物受真菌毒素污染，约2%的农产品因霉变而失去营养和经济价值，给农业带来严重的经济损失[2]。

水稻、小麦、玉米、大豆是我国主要的粮油原料，通过对原料进行深加工和精加工，从而提升粮油附加值。粮油原料在加工过程中产生的副产物，主要有玉米加工副产物[玉米酒精糟(DDG)、干酒糟及其可溶物(DDGS)、喷浆玉米皮]、麸皮、胚芽、麸质、豆渣等，其中饲料是这些粮油副产物的主要利用途径。但粮油原料若污染真菌毒素不仅难以在工业生产中被破坏分解，浓缩干燥深加工和精加工过程还会将真菌毒素随清液或湿糟富集在副产物中[3]。

黄俊恒等[4]2018年从19个省市收集442份饲料及饲料原料，检测了其中的黄曲霉毒素 B1、玉米赤霉烯酮和呕吐毒素 3 种真菌毒素含量。结果显示，饼粕类样品受黄曲霉毒素B1污染严重，其次为 DDGS(谷物干酒精槽)，各类样品受玉米赤霉烯酮污染程度较轻，小麦、麸皮、DDGS受呕吐毒素污染较为严重。2019年1月—6月，王国强等[5]对来自不同省份的321份饲料及饲料原料样品进行了 AFB1、ZEN、DON、FB和 T-2 毒素的检测。检测结果发现，高达91.36%的饲料及原料受到 2 种及以上真菌毒素污染。麸皮、饲料样品真菌毒素污染严重，尤以 DON 污染最严重。

被真菌毒素污染的饲料适口性变差，造成动物采食量的下降，严重影响生长性能；真菌毒素还会引起动物繁殖功能紊乱，造成繁殖性能降低；降低机体免疫细胞活性，导致免疫抑制；还可抑制蛋白质和酶的合成，破坏组织细胞结构，损害动物的肝肾、肠道、神经等器官和组织[6-8]。饲料中的真菌毒素还会通过食物链残留在动物产品(如肉蛋奶)中，长期食用危害人体健康[9]。

2 限量标准

我国《食品卫生标准(GB 2761—2017)》对玉米、小麦、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标准[10]。我国《饲料卫生标准》(GB 13078—2017)[11]对饲料及原料各真菌毒素的最大允许量都制定了严格的限制标准。新标准细化了不同饲料原料及产品中的毒素限量，不仅针对使用环节，更为原料管控提供法律依据。如对于玉米深加工副产物相关产品，标准考虑实际加工过程中的浓缩效应，将玉米皮、喷浆玉米皮、玉米浆干粉、玉米酒糟类产品项中ZEN限量扩大至玉米原料的3倍(≤1.5 mg/kg)。 增加植物性饲料原料DON限量标准，提高了标准的可行性[3]。

3 脱毒方法

实际生产中，粮油加工副产物中真菌毒素的含量常高于国家限量标准，因此长期以来开展了许多针对粮油副产物脱霉技术的研究，目前常用的脱毒方法有物理脱毒法、化学脱毒法、脱霉剂脱毒法。

物理脱毒方法主要包括筛分法、热处理、辐照法和提取法等。如物理筛分法作为对原料的第一道把关，处理方法简单、成本低、效果明显。因此，多应用于收粮环节。化学法去除毒素的原理是利用化学试剂与毒素分子在特定条件下发生化学反应，通过去除毒素分子上的某个官能团或者化学键，或在毒素分子上增加某个官能团，来去除或者降低毒素分子的生物毒性。研究较多的化学试剂包括臭氧、氨、亚硫酸以及双氧水等。

但在实际生产中，物理法和化学法的脱毒能力都存在一定的不足，不仅成本高、能耗高、对物料的性质(如水分、状态、组成成分)要求高，而且很难实现同时去除多种毒素。如物理筛分法，筛分后的霉变籽粒需进行二次处理，并且现有很多设备无法筛分出许多表面正常但已被真菌毒素污染的籽粒；辐照法的降解产物复杂、且设备安全性存在争议；氨化法只能去除黄曲霉毒素等[12]。

相比前两种方法，脱霉剂脱毒法只需通过饲料中脱霉剂的添加，就可实现同时降解多种毒素，不仅处理条件温和，而且更安全有效，因此是最有可能在畜禽饲料中实现真菌毒素脱除的方法。目前，畜禽饲料使用最多的脱霉剂脱毒法是在饲料中添加真菌毒素脱霉剂。饲料中脱霉剂的种类包括吸附剂和降解菌/酶[13]。

3.1 吸附剂脱毒

目前用于真菌毒素吸附的物质主要有硅铝酸盐类、活性炭和有机物类。硅铝酸盐类吸附剂含有Al2O3和SiO2，包括蒙脱土、膨润土、高岭土、斑脱土、沸石、海泡石、硅藻土、三硅酸镁等。市面上较多使用水合铝硅酸钠钙(HSCAS)，这种吸附剂可大量吸附AFB1，其结合机制为HSCAS具有非常大的比表面积，且层间存在永久性负电荷，AFB1中的β-羰基与HSCAS中的Al3+形成稳定的金属螯合物。活性炭是由木屑、蔗渣、谷壳、硬果壳等碳化后再经过化学或物理活化处理而成的一类吸附剂。其特点包括具有多孔结构，比表面积大，吸附容量大；性能稳定，适合不同温度和酸碱条件；吸附速度快，价格相对低廉等优点，但这种吸附属于非特异性吸附，吸附力不具备针对性，易造成营养物质的流失。有机物类吸附剂包括酵母细胞壁、甘露聚糖、壳聚糖、果胶、消胆胺、聚乙烯吡咯烷酮、交联聚维酮等。其中酵母细胞壁使用较为广泛，这种吸附剂的作用原理为细胞壁上含有很多多糖吸附中心，利用氢键、离子键、疏水作用进行非特异性吸附，另外饲料中添加酵母细胞壁也有一定活化和增强畜禽免疫系统的作用[13-15]。

3.2 改性吸附剂脱毒

实验研究和实际应用中改性吸附材料以改性硅铝酸盐类吸附剂、改性甘露聚糖和改性果胶等为主。

有研究表明，钙基膨润土能够降低天冬氨酸氨基转移酶、碱性磷酸酶和γ-谷氨酰转移酶，从而降低AFB1对动物生长的影响。表面活性剂能够改变沸石表面的疏水性，增强沸石对AFB1、ZEN、OTA的吸附能力。天然沸石改性可用十八烷基二甲基苄基氯化铵、双十八烷基二甲基氯化铵、表面活性剂氯化十六烷吡啶和苯扎氯铵。蒙脱土改性可用苯扎氯铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基氯化铵、季铵盐及金属离子和非离子表面活性剂辛基酚聚氧乙烯醚等。

甘露聚糖可用乙酸酐和酯化进行改性。对甘露聚糖进行酯化后，能够增强其对真菌毒素的吸附效果。将甘露聚糖负载在膨润土上，制备新的脱毒剂，能够有效提高甘露聚糖对真菌毒素的吸附效果和稳定性。果胶经低甲基酰胺化改性后，使其具有更高的凝胶强度，能够有效捕获DON[16-18]。

3.3 降解菌/酶脱毒

真菌毒素降解菌/酶具有特异性(专一性)、不可逆性、降解产物毒性较低等特点，其对真菌毒素降解机制是目前研究的热点。DON的化学结构为12，13-环氧-3α，7 α，15-三羟基单端孢霉-9-烯-8-酮，其生物降解菌/酶的脱毒位点位于C12，C13环氧基团、C3位羟基和C16。ZEN的化学结构为酚的二羟基苯酸内酯，其生物降解菌/酶脱毒机制为水解内酯环和氧化作用。FB化学结构为多氢醇和两个丙三羧酸组成的双酯化合物，其生物降解菌/酶脱毒机制为脱羧、脱氨和脱酯作用[19-22]。

降解菌法一种途径为通过筛选出可以代谢真菌毒素的微生物，将其加入到饲料中，动物在采食后，在动物肠道活化，对特定真菌毒素进行代谢降解，以产生无毒的代谢物排出体外。另一种途径为微生物发酵饲料，主要是在霉变饲料中接种一定量的微生物使其在适宜的条件下发酵，真菌毒素在发酵过程中被代谢分解为无毒的产物。Binder等[23]从牛瘤胃的富集培养物中分离到一株可转化DON和其他单端孢霉烯族毒素的厌氧优杆菌属细菌(Eubacterium BBSH797)，并确定其降解DON 的代谢产物为DOM-1，经过动物实验验证，该BBSH797能够在家禽的消化道内把单端孢霉烯族类的真菌毒素生物转化为无毒的代谢产物。Lei 等[20]从72个自然界样品及1 088株实验室保藏菌株中，筛选出1株能够高效降解ZEN的枯草芽孢杆菌ANSB01G，其在液体培养基中对ZEN的降解率为88.65%, 并且该菌能够降解自然霉变玉米、DDGS和猪全价配合饲料中84.58%、66.34%以及83.04%的ZEN。利用该菌株发酵生产的真菌毒素生物降解剂对青年母猪玉米赤霉烯酮中毒症有较好的缓解作用。

酶降解法主要是用特定真菌毒素的降解酶来降解饲料中的真菌毒素。但由于酶对温度比较敏感，在饲料高温制粒的过程中容易失活，同时真菌毒素种类多，所需降解酶系复杂，对酶生产技术要求高，目前酶降解法应用较少。Takahashi-Ando等[24]研究了粉红粘帚菌Gliocladium roseum IFO7063降解ZEN的机制及产物结构，确定了关键作用酶为内酯水解酶(ZHD101)，并将ZHD101编码基因在分裂酵母、大肠杆菌和酿酒酵母中实现了活性表达。Heinl等[25]在细菌 Sphingopyxis sp.MTA144中找到了两个水解FB1的关键基因，一个基因编码脱羧酶，另一个编码转氨酶。

3.4 复合型脱毒剂脱毒

由于单一脱毒法只能对某些特定的真菌毒素进行脱毒，且存在脱毒效率低等问题，人们尝试将多种脱毒方法与脱毒剂进行配合使用的复合脱毒法。比如在饲料中添加防霉剂(丙酸钙)、铝硅酸盐(蒙脱土)、真菌毒素降解酶、降解菌、免疫增强剂(酵母细胞壁)等，通过将这些原料进行合理的复配及工艺处理，可以达到高效、广谱、稳定的脱毒效果。因此，目前市场上及实际生产中应用比较多的脱毒剂为复合型脱毒剂。

4 真菌毒素吸附剂、降解菌/酶评估方法(体外和体内评估)

农业部目录中没有“真菌毒素吸附剂”这个条款，官方也没有此类原料标准和评估方法。对真菌毒素吸附剂和生物降解剂的评估方法，企业普遍采用标准品直接加入法，该法优点在于易于操作，但往往脱离实际情况，吸附效果被放大，数据不可靠；且未明确说明毒素是如何转移，并不能反应实际应用中的效果。另一种方法为仿生吸附分离评估法，其优点在于接近真实环境，明确了真菌毒素转移的过程。但这种方法适用于矿物质做载体的产品，分离出的吸附剂与真菌毒素形成的物质，按常规提取方法检测不到毒素，必须经过处理才能进行检测，分离方法困难，回收率较低。

吸附剂的体内评估结果表明，当畜禽采食到黄曲霉毒素污染的饲料时，饲料中添加蒙脱土、活性炭、葡聚糖、膨润土、沸石对黄曲霉毒素有较好的吸附效果，可缓解毒素对畜禽的负面影响；当畜禽采食到玉米赤霉烯酮污染的饲料时，饲料中添加活性炭、膨润土、沸石对玉米赤霉烯酮有较好的吸附效果，可缓解毒素对畜禽的负面影响；另外，消胆胺对伏马毒素有较好的吸附效果；葡聚糖对镰刀菌毒素有较好的吸附效果；葡聚糖、膨润土在黄曲霉毒素与镰刀菌毒素共存时有较好的吸附效果[26，27]。降解菌的体内评估结果表明，BBSH797能够在家禽的消化道内把单端孢霉烯族类的真菌毒素通过生物转化方式降解为无毒的代谢产物。枯草芽孢杆菌ANSB01G发酵生产的真菌毒素生物降解剂对青年母猪玉米赤霉烯酮中毒症状有较好的缓解作用。

5 总结与展望

通过对国内外21家知名脱霉菌/酶公司产品进行的调研，发现实际生产中多为主要针对黄曲霉毒素的硅铝酸盐类吸附剂，这类吸附剂以蒙脱土为主，对粮油副产物中黄曲霉毒素吸附效果较好且很少吸附其他营养成分，解吸附性弱。针对呕吐毒素、玉米赤霉烯酮这两种污染较严重的真菌毒素，市面上现有吸附剂对其吸附效果较差。现有的脱毒菌/酶制剂主要成分多以呕吐毒素、玉米赤霉烯酮降解菌为主，菌株的生物安全性需评估，同时脱霉菌剂的实际应用效果也往往受到饲料、动物消化系统等环境的影响。所以粮油副产物用作饲料后，对其中如呕吐毒素、玉米赤霉烯酮等污染较严重的真菌毒素的生物降解菌/酶和新型吸附剂(如纳米级材料、石墨烯、改性材料)脱除技术的开发将是未来发展的方向，这将有助于粮油副产物的充分利用，节约我国粮油资源，同时减少其因堆积而造成的环境污染等一系列问题[28-30]。