植物源食品发酵与农药残留交互作用研究进展

王许蜜, 徐玲英, 杨孔谈, 吴欢琪, 王祥云*, 潘道东

(1.宁波大学 食品与药学学院, 浙江 宁波 315800; 2.农业农村部农药残留检测重点实验室浙江省农业科学院农产品质量与安全营养研究所, 浙江 杭州 310021)

植物源发酵食品是人类巧妙地利用有益微生物菌群对植物进行再加工和再创造的一种食品类型[1], 如泡菜、酱油、食醋、果醋、豆豉、腐乳、黄酒、啤酒、葡萄酒、普洱茶等。这些食品中因富含多种维生素、矿物质和膳食纤维等营养素而被大众喜爱[2]。随着植物源发酵食品需要量的不断增加, 食品的质量安全及风味品质越来越受到人们重视。农作物作为主要原料在栽培过程中易受病虫害侵袭, 所以化学农药在保证其产量与质量方面起到了关键作用。但由于农药不合理施用导致的农残超标问题频频发生, 进而给发酵食品的质量和安全造成了不可忽视的影响。欧盟在2018 年食品农药残留检测的报告中显示: 茄子中检出了氧乐果, 甜椒中残留毒死蜱与三唑酮[3]。2015—2019 年对葡萄检测的结果指出, 1 664 批次国内葡萄样品中有1 408 批次检出了农药残留, 检出超标的农药有氯氟氰菊酯、氯氰菊酯、甲氨基阿维菌素苯甲酸盐和苯醚甲环唑等[4]。2014 年, 在进口的转基因大豆中检测出3.908 mg·kg-1的草甘膦和3.364 mg·kg-1的氨甲基膦酸[5]。2019—2020 年从湖南不同地区采集的1 220 批次茶叶中有592 批次检出农药残留, 其中5 批次茶叶农药残留超标[6]。

食品在发酵过程中涉及的微生物对原料中的农药残留行为及降解方式会产生显著影响。Islam等[7]研究表明, 毒死蜱可被从泡菜中分离出来的短乳杆菌降解。除含量改变外有些农药在微生物的作用下生成了比母体毒性更大的代谢物。如黄瓜在发酵过程中毒死蜱的含量有所减少但其代谢物3,5, 6-三氯-2-吡啶酚 (TCP) 残留量增多, 且TCP的毒性更大[8]。同样, 农药也会对发酵过程中的微生物产生一定的负面影响, 从而影响发酵食品的品质和风味。当百菌清的浓度高于0.03 g·L-1时,能显著抑制酿酒酵母的生长和酒精发酵效率, 当百菌清浓度低于0.01 g·L-1时, 发酵过程才能顺利进行[9]。

本文以植物源食品发酵过程为主线, 对食品发酵过程与农药残留间的相互影响进行总结, 包括微生物在发酵过程中对农药降解和代谢行为的影响,以及农药残留对食品感官品质和理化性状的干扰,旨在为今后植物性发酵食品中农药残留的相关研究提供参考, 同时为农作物在栽培过程中农药的规范使用提供理论依据。

1 发酵食品中微生物对农药残留降解代谢的影响

发酵食品中的微生物大致分为3 大类, 即细菌、酵母菌、霉菌[10]。其中, 细菌包括乳酸菌、醋酸菌、芽孢杆菌、糖多孢菌和葡萄球菌等, 几乎存在于所有的发酵食品中。酵母菌主要包括酿酒酵母、毕赤酵母、假丝酵母和德巴利酵母等, 是酒精发酵和甘油发酵的主要微生物, 这些微生物在发酵面团、发酵酒、发酵醋等食品中不可或缺。与上述微生物相比, 霉菌中的根霉、毛霉和曲霉等则基本存在于酱油、醋、豆酱和豆豉等调味品中[11]。它们不仅能够改善食品的口味, 提高食品的营养价值还可能降解食品中残留的农药, 保证了食品安全。

1.1 细菌

参与发酵蔬菜制作酸泡菜的微生物有乳酸菌、酵母菌、醋酸菌以及霉菌, 但乳酸菌是优势菌[12]。酸泡菜中常见的乳酸菌有植物乳杆菌、肠膜明串珠菌和短乳杆菌, 这些细菌在无氧条件下能够发酵多种糖类产生乳酸及少量乙醇、乙酸、二氧化碳等,增添了泡菜的风味[13]。蔬菜经过发酵后其农药残留往往有所减少, 这是因为微生物对其具有降解作用。迟涛等[14]在酸菜的低温发酵实验中发现, 经过高温灭菌处理的酸菜中久效磷和氧乐果的降解半衰期为111.8 周和123.8 周, 接种了3 株植物乳杆菌的酸菜中久效磷和氧乐果的降解半衰期为26.8 ～37.3 周。另外, 含有天然菌株的酸菜中久效磷和氧乐果的降解半衰期分别为29.0 周和30.9 周, 这表明, 植物乳杆菌具有促进久效磷和氧乐果降解的作用, 同时天然菌株也具有相同的作用。为更加直观地了解乳酸菌对有机磷农药毒死蜱的降解情况,Maden 等[15]从发酵黑橄榄的盐水中分离出的植物乳杆菌 LB-1 和LB-2 在MS 培养基中进行体外实验, 菌株LB-1 和LB-2 在MS 培养基中对毒死蜱和溴氰菊酯的降解率在3 d 后分别达到96%、90%和24%、53%。申 文 熹 等[16]研 究 了α-666、β-666、ppDDE、ppDDD 等4 种有机氯农药在酸菜中的降解情况, 发现在发酵15 d 后4 种有机氯农药已完全降解。赵越[17]发现, 手性农药多效唑在黄瓜和白菜腌制过程中都存在对映体转化的情况, 并且S对映体转化成R 对映体的速率较快; 手性农药多效唑在黄瓜腌制过程中不存在选择性降解行为, 而在白菜腌制过程中存在选择性降解, S 对映体比R对映体降解快。

1.2 酵母菌

酵母菌作为兼性厌氧菌, 对农药具有潜在的降解作用。Han 等[18-19]研究了高粱在发酵过程中对多种农药残留量的影响发现, 在3 个添加水平条件下, 酿酒酵母对甲基毒死蜱降解率分别为14.8%、18.8%和19.0%。单治国等[20]研究发现, 普洱茶接种微生物固态发酵实验中接种酿酒酵母处理的联苯菊酯残留降解率为36.79%, 显著优于传统发酵、黑曲霉、产黄青霉处理。Lu 等[21]在酱油酿造过程中发现, 当用米曲霉作为发酵剂时, 禾草灵没有表现出立体选择性行为, 但是在鲁氏酵母作为发酵剂时, S-禾草灵降解比 R-禾草灵快。An 等[22]研究发现, 在葡萄发酵过程中乙酰甲胺磷降解了58.9%, 但其有毒代谢物甲胺磷的量是原来的2倍。有报道称酵母菌不仅能生物降解农药还能对某些农药进行吸附达到减少农药残留的目的[23]。Zhang 等[24]发现了酿酒酵母对拟除虫菊酯类农药具有很好的吸附作用, 并证实了发酵苹果汁中氯氰菊酯被酵母菌吸附。

1.3 霉菌

相较于细菌和酵母菌, 对霉菌的研究则明显较少。Zhou 等[25]研究了豆腐发酵过程中四种有机磷农药降解情况, 发现4 种有机磷农药含量在豆腐发酵过程中呈现出明显的加速下降趋势, 对照组中有机磷农药的降解率是56.0%～86.1%, 而接种毛霉发酵的毛豆腐中有机磷农药最终的降解率达到了79.7%～99.5%。Lu 等[26]研究了甲基敌草胺及其代谢物敌草胺在酱油酿造过程中的立体选择性行为, 发现了酱油发酵中的米曲霉对甲基敌草胺和敌草胺的对映异构体表现出了不一致的降解能力。

2 农药残留对食品发酵的影响

2.1 农药残留对发酵过程微生物的影响

农作物在种植过程中喷施农药会对其表面的天然菌群产生较大影响, 一般情况下会降低菌群多样性和丰富度, 使其优势菌群发生变化[27]。同样发酵过程中残留的农药也会对体系中人工添加的菌种产生影响, 如郭璐瑶[28]进行了苯醚甲环唑、戊唑醇、吡唑醚菌酯、嘧菌酯以及噻虫嗪5 种农药对酿酒酵母菌胁迫的影响实验, 结果显示: 苯醚甲环唑、戊唑醇对酵母菌的抑制作用是相对较强的, 且随着农药浓度的增高抑制作用增强; 吡唑醚菌酯、嘧菌酯抑制相对较弱或无作用; 噻虫嗪对酿酒酵母菌无明显生长毒性。农药对发酵微生物的影响不仅受农药种类的影响, 还受其浓度的影响。在小麦酿造实验中, 当毒死蜱浓度为5 倍最大残留限量(MRL) 浓度时对酵母在培养基中的生长抑制为53%, 在两个最高剂量 (15 倍MRL 浓度, 20 倍MRL 浓度) 下达到了88.3%和90.1%[29]。农药的浓度达到一定水平后可能会延缓甚至中止发酵过程。添加百菌清的浓度越大, 对酒精发酵的抑制作用就会越加明显, 发酵时间就越长, 当其剂量达到0.2 g·kg-1时即可出现葡萄醪发酵停止现象, 即便再次向容器中添加酵母也不能完成发酵[30]。另外, 少数农药会通过刺激微生物的生命活动从而促进发酵过程, 如多效唑刺激了毕赤酵母的生长, 增加了其生 物 量[31]。Cabras 等[32-34]在灭菌丹对葡萄酒发酵的影响实验中发现, 随着发酵过程的进行,灭菌丹被降解为邻苯二甲酰亚胺, 在一定程度上提高了酵母的发酵速率。

大量文献表明, 微生物与农药之间存在相互选择影响, 因此, 在种植农作物过程中应根据不同作物的发酵需求合理选择农药以及用量, 既保证食品安全又能保证食品品质。

2.2 农药残留对发酵酒类品质的影响

植物性发酵食品虽然众多, 但对农药残留影响发酵食品品质的研究目前主要集中在啤酒以及各种果酒上。酒的品质一般包括两方面, 感官品质和理化性状, 前者包括香气、滋味及颜色等, 后者主要涉及酒精度、总糖含量、残糖含量、挥发酸含量等指标。在酒的酿造过程中, 农药主要通过抑制微生物的活性来干扰发酵进程, 改变微量成分以及代谢物含量, 导致发酵酒的品质下降[35-37]。

2.2.1 农药对醇类物质的影响

醇类化合物是葡萄酒酵母发酵的主要产物, 除乙醇之外, 葡萄酒中还有丙醇、丁醇、丁二醇、糠醇等, 对葡萄酒风味构成具有重要意义[38]。农药残留对葡萄酒中醇浓度有较大影响, 如在葡萄酒发酵过程中丙森锌、戊唑醇、吡唑醚菌酯、苯霜灵残留改变了酵母和氨基酸的生物合成过程, 从而导致了葡萄酒中香叶醇和萜烯含量降低, 并且丙森锌还降低了对香气强度影响更大的异丁醇、正丁醇含量[39-41]。烯酰吗啉、嘧菌胺分别降低了8%和10%的乙醇含量, 增加了异戊醇含量从而导致酒品质下降[42]; 环酰菌胺氟喹唑、苯氧喹啉、肟菌酯、噁唑菌酮增加了正己醇含量, 从而产生令人反感的气味, 使葡萄酒的品质下降[43]。

2.2.2 农药对酚类物质的影响

酚类物质是酒中重要的品质贡献及功能性物质, 一直以来都是酒研究的重点。酚类物质不仅可以影响酒的气味、颜色、口感等品质指标, 还具有抗氧化的功能[44]。农药残留易改变多酚物质含量,如经过喹氧灵处理过的葡萄发酵后酚类化合物显著高于对照组; 肟菌酯处理的葡萄酒总酚含量 (包括二苯代乙烯类) 明显低于对照组; 经甲基醚菌酯、噁唑菌酮和氟喹唑处理过的葡萄酒发酵后总酚含量微有下降[45]。Navarro 等[46]发现, 在啤酒发酵的初期, 含有丙环唑、腈菌唑、杀螟硫磷和氟乐灵残留物的样品在发酵后总多酚含量都存在显著差异。

2.2.3 农药对酯类物质的影响

香气是评判酒品质的一项重要指标, 葡萄酒中的香气由800 余种挥发性物质组成[47], 已有研究表明, 酯类化合物具有较低的阈值和浓郁的水果香味, 其浓度的变化对葡萄酒香气的浓郁度和持久性具有重要影响[48]。农药残留会影响酵母菌等微生物的代谢, 影响酯类物质的产生, 对酒的品质产生不利影响。如García 等[43]在2004 年研究杀菌剂残留物 (嘧菌酯、咯菌腈和嘧霉胺) 对接种了不同酿酒酵母菌株的airen 白葡萄酒的芳香成分的影响时, 发现己酸乙酯、辛酸乙酯和癸酸乙酯的总含量有所下降, 导致葡萄酒的香味不够纯正。Noguerol-Pato 等[40]研究了戊唑醇残留对曼西亚红葡萄酒香气的影响发现, 戊唑醇残留减少了柚子、热带果蔬类香气, 增加了曼西亚红葡萄酒的葡萄香、发酵香和花香, 破坏了原有香气成分组成与比例, 并且经苹果酸-乳酸发酵后生成过多的乳酸乙酯, 从而降低葡萄酒的品质。

2.2.4 农药对理化性状的影响

无论是白酒还是葡萄酒其理化性状如酒精度、挥发性酸、总糖都易受到农药残留的影响。残留的农药通过影响发酵微生物的生长及代谢活动而改变其含量, 最终导致了品质变化。在含有烯唑醇、氟环唑、环丙唑醇、戊唑醇和粉唑醇的样品中, 发酵结束时的酒精含量明显低于对照组。此外, 在处理过的啤酒中发现更高量的残余糖 (主要是麦芽糖和麦芽三糖)、更低的颜色强度和更高的色度[46]。邢世均等[49]研究了3 种杀菌剂对葡萄酒色泽的影响, 发现在甲霜灵和嘧菌酯的作用下, 葡萄酒花色苷含量显著降低, 导致成品酒色素比例发生改变;甲基硫菌灵能显著改变葡萄酒的色调、色度以及花色苷含量等指标, 从而影响葡萄酒色泽。李记明等[30]研究了农药残留对葡萄酒理化指标的影响发现, 增加发酵醪中百菌清的浓度, 葡萄酒的酒精度降低, 挥发酸、总酸升高, 残糖升高和干浸出物含量相应增加; 添加三唑酮使葡萄酒干浸出物含量显著降低; 添加杀螟硫磷, 葡萄酒酒精度降低, 残糖、总酸和挥发酸略升高; 添加氧化乐果, 葡萄酒中干浸出物有所降低。

2.3 农药残留对植物源发酵食品品质影响

农药残留不仅能影响发酵酒的品质, 同样对植物源发酵食品品质也具有一定的影响。早在1998—1999 年Welkner 等[50]研究了农药混合物对发酵黄瓜品质的影响发现, 与对照组比, 处理组的黄瓜颜色更绿, 硬度更低且空腔更多。Manthey等[51]研究了收获前施用除草剂对小麦发酵面包制作品质的影响, 结果显示, 除草剂处理对面包体积、面包对称性和面包屑颗粒以及质地没有明显影响, Darwent 等[52]也观察到了类似的结果, 报道中讲述面包质量不受收获前施用草甘膦的影响。Randazzo 等[53]在橄榄发酵过程中发现, 未处理的橄榄苦苷浓度缓慢下降, 在发酵过程结束时达到最低值, 经过高岭土和含铜农药处理的橄榄苦苷浓度在整个发酵过程中增加, 此外, 咸味、苦味、酸度、硬度和纤维性方面的值均高于相应的未处理样品。

3 总结与展望

农药的使用可以保证食物生产过程中的产量和品质, 但同时也带来了农药残留风险。当前微生物降解农药的安全性相对较高, 国内外学者对农药微生物降解的研究也日益增多, 许多能降解农药的微生物菌株如细菌、真菌等已陆续得到分离与鉴定,但是对发酵过程作用于农药降解的研究还比较少,其中, 对农药影响发酵食品品质的研究更多局限于葡萄酒和啤酒中。然而, 发酵食品因具有多种有益人体健康的优点而受到越来越多人的追捧, 所以在未来的研究中要不断深入探索农药在食物发酵过程中的降解和代谢规律, 以及农药残留对发酵食品品质的影响, 以充分确保发酵食品生产安全。