霉菌毒素是在結構上差異巨大的一類小分子量化合 物,由微生物經過次生代謝過程產生,對食品與飼料的 污染十分常見,廣泛存在于各種物料、食品及飼料中。 據估計,目前已經有大約100000種霉菌已經被鑒定,其 中400種左右對人類具有潛在的毒性,這些有潛在毒性 的霉菌中又有5%左右可以產生有毒物質[1].年均氣溫較 高的國家和地區這一問題尤其嚴重,如中國正處于亞熱 帶地區,各地區的種植水平差異很大,糧食貯運條件參 差不齊,因此由霉菌毒素導致的人或動物急性、慢性中 毒較為常見。
1 霉菌毒素的危害
食品與飼料被霉菌污染后,可引起兩者的變質,還 可因霉菌產生的毒素而引起動物或人中毒。霉菌污染飼 料后可使之飼用價值降低,甚至完全失去商品價值,從 而損失巨大。飼料中的霉菌毒素還可通過食物鏈對人體 產生危害。
霉菌毒素對人及動物的危害性已經被人們所公認。 它可以引起一系列嚴重的生理和生物毒害,如致癌性(黃 曲霉毒素、褚曲霉毒素和伏馬霉素)、致突變性(黃曲霉 毒素和柄曲霉毒素)、致畸胎性(褚曲霉毒素)、致雌激 素異常(玉米赤霉烯酮)、致出血(單端孢霉烯族毒素)、 免疫毒性(黃曲霉毒素和褚曲霉毒素)、腎毒性(褚曲霉 毒素)、肝毒性(黃曲霉毒素)、皮膚毒性(單端孢霉烯 族毒素)及神經毒性(麥角堿),另外還有些具有細胞毒 性[2].
2 霉菌毒素的去除策略
從理論上來說,要防止霉菌毒素污染食品或飼料, 有四種可能的途徑:一是防止污染的發生,即使用防腐 劑或防霉劑來防止霉菌在食品或飼料中生長;二是對霉 菌毒素所污染的食品或飼料進行脫毒處理;三是防止動 物腸道對霉菌毒素的吸收(即使食品或飼料中仍有毒素 存在);四是通過促進霉菌毒素在動物體內的降解或排泄,從而使動物在吸收霉菌毒素之后也不出現中毒反應,并 且不會造成霉菌毒素在其體內的積累(這樣才能防止霉 菌毒素通過食物鏈對人類造成傷害).
一種脫毒方法是否真正有效并可以應用,應該取決 于以下幾點[3~6]:霉菌毒素轉化成一種無毒的化學物質 而失活或去除(在物理吸附法中,霉菌毒素通過與吸附劑大分子形成復合物而失活);霉菌的孢子和菌絲體被破壞,從而使新的毒素不能形成;食品或飼料中的營養價值在處理過程中應該得以保存;物料的物理特性或外觀不能發生明顯的改變;經濟上可行,即脫毒過程所帶來 的經濟上的好處應大于花費。
微生物脫毒法利用一些特定的微生物或它們產生的 酶來降解霉變飼料中的霉菌毒素,將這些微生物加入食 品原料或飼料當中,從而實現霉菌毒素的溫和降解。例 如,已經有人采用來自微生物Exophiala spinifera產生 的酶來對伏馬菌素(fumonisin)脫毒并申請了專利[7~8]. 目前這類方法正在被廣泛地研究。許多專家認為,微生 物脫毒法是一種較好的脫毒方法,它可以在一種溫和的 環境和條件下(避免高溫、強酸、強堿),達到去除霉菌 毒素的目的。這一過程中,無需帶入有毒有害的化學物質, 同時還盡可能地減少了食品和飼料中營養物質的損失[6].
3 霉菌毒素的微生物脫毒
3.1酵母發酵去除霉菌毒素
通過發酵去除谷物中的霉菌毒素的想法最早出現在 20世紀80年代。Bennet等[9]研究了使用玉米赤霉烯酮 污染的玉米發酵生產酒精,結果發現獲得的酒精中不含 有霉菌毒素。遺憾的是,發酵剩余的酒糟仍然具有玉米 赤霉烯酮的毒性。有研究發現一些微生物(包括了酵母、 霉菌及細菌)可以將玉米赤霉烯酮轉化為α-玉米赤霉 烯醇及β-玉米赤霉烯醇;但這種轉化尚不能認為是一 種脫毒過程,因為后兩者與前者一樣具有生殖毒性[10]. Sawinski-Acsadi[11]采用F-2毒素污染的玉米為底物進 行發酵,結果發現毒素量下降到初始值的十分之一。棒 曲霉毒素也可被數種酵母菌所降解[10],Moss和Long[12] 對釀酒酵母分解棒曲霉毒素的終產物進行了研究。
在某些情況下,酵母對霉菌毒素的影響可能與酵母細胞壁表面的葡甘聚糖有關。酵母或酵母的細胞壁成份 可作為霉菌毒素吸附劑使用[13~14].酵母細胞壁對毒素的 吸附能力要明顯強于酵母的全成份,這說明酵母細胞壁的特殊結構對霉菌毒素產生吸附力。細胞壁上有多糖、 蛋白質和脂類,這些物質對毒素的吸附是通過氫鍵、離 子鍵和疏水作用力等實現的。試驗結果表明,酵母細胞 壁可以吸附2.7mg/g玉米赤霉烯酮,并且這種吸附平衡 可以在10min內達到,在這一點它比鋁硅酸鹽類吸附劑 有優勢[15].
酵母發酵過程也可能對霉菌毒素有直接的降解作用。 Flesch等[16]的研究表明,在葡萄汁的乙醇發酵過程中, 單端孢菌素可以被部分轉化為毒性略大或略小的毒素, 毒素當中的一部分(大約20%)可被酵母吸收。在另一 個研究中,Scott等[17]以加入了褚曲霉毒素A和伏馬菌 素B 1 和B 2 的基質進行了8d發酵,其中使用了3種不同 的酵母菌株(均為Saccharomyces屬),結果三種毒素分 別下降了13%、28%和17%(最大值).以上結果表明, 雖然目前酵母發酵脫毒尚不能達到理想的結果,但該方 法已經顯現出了潛在的應用價值。
3.2非產毒霉菌發酵去除霉菌毒素
Park等[18]在研究一種韓國發酵豆制品時發現,這 種豆制品的天然發酵過程中有約20種不同的霉菌參與, 其中米曲霉、青霉、毛霉和根霉是其中的優勢真菌。在 發酵的前三四周(塊狀發酵階段),發酵制品中的黃曲霉 毒素B 1 及G 1 出現了明顯增加;在其后進行的鹽水浸泡 發酵階段中,黃曲霉毒素則被迅速降解。鹽水浸泡發酵 階段二個月后,黃曲霉毒素的量已經降至最初毒素量的 10~20%,而第三個月時黃曲霉毒素已經被幾乎完全降 解。這一試驗表明,在天然發酵食品的制備過程中,存 在著有效的降解霉菌毒素的微生物或生化過程。如果能 對這一過程加以深入研究,就可能找到一種有效的食品 /飼料脫毒方法。
赭曲霉毒素A(OA)可由曲霉產生[19],但一部分 非產毒曲霉(如Aspergillus niger)可以降解OA[20]. Varga等共對70株曲霉進行了研究,發現有一株 A.japonicus和兩株A.niger可以降解/部分降解赭曲 霉毒素A.在對A.niger CBS 120.49株的研究中發現, 它在液體培養基中分解OA較慢,OA可以在7d內全部 轉化為毒性較低的化合物赭曲霉毒素α,赭曲霉毒素α 的量在發酵前6d逐漸增加,但在隨后的10d培養中被 進一步降解至痕量。而在固體培養中,OA的降解速度 要快得多,OA含量可在2d內降解到初含量(500ng/ mL)的20%以下,而5d內OA就可全部轉化為赭曲霉毒素α。
Varga等[21]對根霉屬(Rhizopus)不同種的共55 個菌株進行了研究,這55個菌株中未發現可以降解黃曲 霉毒素的菌株,但有不少根霉菌株可以分解赫曲霉毒素、 玉米赤霉烯酮和棒曲霉毒素。其中可以降解赭曲霉毒素 的有R.stolonifer,R.microsporus,R.homothallicus,R. oryzae,以及四株未鑒定到種的根霉株系。在試驗中,有 一根霉株系可以在16d內將赭曲霉毒素A降解95%以上; 一株R.stolonifer則可有效地降解潮濕小麥中的赭曲霉毒 素A.
3.3 細菌降解霉菌毒素
還有許多研究發現細菌在去除霉菌毒素過程中的作 用,如黃桿菌屬的Flavobacterium aurantiacum可以去 除牛奶、植物油、玉米、花生、花生脂和花生奶中的黃 曲霉毒素[22~24].Line等[25~27]對該菌降解黃曲霉毒素 B 1 的機理進行了研究,放射性同位素14C試驗表明,有 活性的黃桿菌細胞可以快速地將黃曲霉毒素B 1 (可溶于 氯仿)轉化為水溶性的化合物。試驗6h后,活細胞試 驗組結果只有24.1%的放射性保留在氯仿層中;而無細 胞的空白試驗組則不會產生任何水溶性化合物(即放射 性全部保留在氯仿層中);滅活的黃桿菌細胞對照組則有 99.7%的放射性保留在氯仿層中,且不產生水溶性的化 合物。這一結果表明,活的和死的黃桿菌細胞均可吸收 毒素,但死細胞是通過物理吸附而去除部分黃曲霉毒素 B 1 (無水溶性化合物產生),而活細胞則可通過化學作用 方式降解黃曲霉毒素B 1 (產生水溶性的轉化物).有研究表明,黃桿菌對毒素的降解能力可能受微量金屬元素的影響[28].
丁酸弧菌屬的Butyrivibrio fibrisolvens可以降解 包括OA在內的多種霉菌毒素[29].可降解OA的細菌 還有乳酸桿菌、鏈球菌及雙岐桿菌[30]和不動桿菌屬的 Acinetobacter calcoaceticus[31].
在腸道微生物降解霉菌毒素方面,來自反芻動物如 牛和羊的瘤胃細菌可以有效地降解黃曲霉毒素、赭曲霉 毒素、玉米赤霉烯酮等毒素[32~35].有研究表明小鼠盲腸 及大腸的微生物[36]和人的腸道微生物菌群也可以部分降 解某些霉菌毒素[37].
3.4與霉菌毒素脫毒有關的酶
目前在這一方面的研究還比較少,但隨著對脫毒微 生物研究的深入,將有越來越多的微生物脫毒機理及與 此相關的酶被發現。
在玉米赤霉烯酮的脫毒研究中,Takahashi-Ando等[38]發現螺旋聚孢屬中的Clonostachys rosea可將玉米 赤霉烯酮轉化為另一種毒性較低的化合物,而其中起作用的是一種水解酶lactonohydrolase,并對該酶進行了純化和基因的克隆。Stander等[39~40]對商品酶制劑對OA 的水解能力進行了篩選,發現來自黑曲霉的酯酶對OA 有水解作用;該研究小組在后來的研究中又發現羧肽酶 可以降解OA,并對其機理進行了研究。
隨著相關研究的展開,已經有越來越多的細菌被發現與霉菌毒素的脫毒有關。更深入的研究可能會發現更高效、更易于應用的細菌或酵母。