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黄曲霉毒素的传统去毒方法和生物降解研究进展

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-05-30  浏览次数:110
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    据统计,全世界每年约有25%的农作物发生霉变,而对人畜引起的危害更是难以统计。据联合国粮农组织估算,全世界由于霉菌毒素污染造成的损失,每年达数千亿美元。在霉菌毒素中,黄曲霉毒素毒性最强。黄曲霉毒素是一类主要由黄曲霉和寄生曲霉真菌产生的次级代谢产物,具有极强的毒性。寄生曲霉属中的其他一些菌株也会产生黄曲霉毒素。其中,黄曲霉毒素B1毒性最强,具有致癌、致畸,引起肝中毒的作用。黄曲霉毒素B1广泛存在于饲料原料中,例如花生粉、豆粕、棉子粕、玉米、高粱等。在各种畜禽中,对黄曲霉毒素最敏感的是家禽,其次是子猪和母猪。幼畜对黄曲霉毒素的敏感度又高于成年家畜。因此,在动物生产中,一旦日粮被黄曲霉毒素污染,轻则导致动物体增重降低,饲料转化率下降,重则诱发肿瘤和癌症,甚至死亡,从而造成严重的经济损失。因此自1960年发现黄曲霉毒素以来,科学工作者便对黄曲霉毒素的解毒进行了大量的研究。

    黄曲霉毒素传统去毒方法研究进展

    碱处理:包括氨化法和氢氧化钠法。
    氨化法适合含水量较高的青绿或青贮饲料,去毒有效率高达98%,但不适合子实、饼粕等低水分原料,而且处理后原料残留有大量氨。氢氧化钠法适用于植物油解毒,但是设备投资大、成本高,已逐渐被淘汰。
    氧化处理法
    常用氧化试剂有次氯酸钠、臭氧、过氧化氢及氯气等。此外紫外光法也是利用紫外线的强氧化作用。该方法主要问题在于处理效果不稳定,饲料中维生素等营养成分损失严重,处理成本较高。
    高温法
    破坏黄曲霉毒素需268℃以上的温度,能耗高,对饲料中的营养成分破坏大,实际应用很少。
    吸附剂脱毒
    常用吸附剂包括酵母细胞壁、硅铝酸盐等。这种方法不能解除黄曲霉毒素的毒性,且可能通过吸附作用而降低营养物质的利用率。饲料行业目前采用这种方法较多,也有许多新型的吸附剂问世,但其解毒效果还有待考察。
    微生物发酵解毒
    已经发现具有解毒作用的菌株包括乳酸菌、双歧杆菌、白腐真菌、假密环菌及黑曲霉等。研究发现,某些通常认为是安全的微生物可能在霉菌毒素存在条件下产生某些有毒代谢产物,因此需要对使用的微生物重新进行安全性评价。
    抗氧化剂的使用
    常用2,6-二叔丁基对甲酚。这种方法效果有限,不能完全消除黄曲霉毒素中毒症,而且2,6-二叔丁基对甲酚等抗氧化剂浓度均超过常规使用量的30倍以上,本身具有一定毒害作用。
    采用合格原料稀释法
    这种方法虽然能够有效减轻中毒症状和减轻其对生产性能的抑制作用,但有可能造成毒素污染范围的扩大。
    霉菌毒素的理论理想降解方法
    由于以上解毒方法存在着各种缺点,不利于实际生产应用。针对实际生产中的应用,研究者提出任何霉菌毒素去毒方法都应该满足以下几点要求:
①毒素应该被破坏或者被转化成无毒化合物。
②真菌孢子和菌丝体应被破坏,这样就不会有新的毒素产生。
③饲料应该保持它原有的营养水平和风味。
④原料的物理性状不应被明显改变。
⑤去毒加工应该经济可行。
    研究者们发现生物酶具有作用专一性的特点,生物酶解毒具有对饲料无污染,有高度的选择性,不影响饲料的营养价值,而且能够避免毒素的重新产生等优点。研究者认为酶或酶系统可以降解黄曲霉毒素并且能够保留饲料的营养成分与外观。于是近些年生物酶解毒法成了研究的热点。
    黄曲霉毒素生物降解的研究进展
    黄曲霉毒素的微生物直接降解
    许多微生物,包括细菌、放射菌、酵母菌、霉菌和藻类都能降解黄曲霉毒素。但是降解机理是物理吸附还是生物降解作用一直存在较大争议。据研究报道许多有关乳酸菌菌株的研究表明其解毒机理应该是吸附作用而非降解作用。还有研究报道了乳酸菌、醋酸菌、面包酵母菌、酿酒酵母菌、米曲霉和枯草芽孢杆菌均对黄曲霉毒素有降解作用,但由于是用发酵液进行解毒实验,所以无法确定其解毒机理是生物降解作用,还是菌体的吸附作用。
    黄曲霉毒素的微生物代谢物的酶解降解
    早在上世纪70年代末,研究者就发现了寄生曲霉能够产生降解黄曲霉毒素B1的过氧化物酶,并报道过氧化物酶的量与黄曲霉毒素B1被降解的量之间存在着直接的关系。之后研究报道黑曲霉、寄生曲霉、绿色木霉以及少数其他真菌对黄曲霉毒素B1也有很好的降解能力。然而其中一些菌株在条件改变的情况下有可能产生黄曲霉毒素B1。
    经研究者研究指出生物降解反应会通过酶解机制发生,并且这些酶的产物或副产物会与黄曲霉毒素反应。由此推测过氧化物酶正是这一种酶,因为它可以催化氢过氧化物的分解从而产生自由基,这些自由基会与黄曲霉毒素发生反应。
    黄曲霉毒素的生物酶降解作用机制在后来的研究人员的一系列工作中得到了进一步的证实。首先是国内刘大岭研究小组做了比较多的工作,并取得了显著成果。他们发现从真菌E-2中提取的粗酶液可使样品中的黄曲霉毒素B1含量减少高达80%。活性物质解毒作用的温度、pH值及作用时间特征表明,粗酶液中起解毒作用的可能是某种酶。其次,陈仪本等研究发现,用黑曲霉制备的生物制剂BDA能够降解花生油中的黄曲霉毒素,且这种活性物质的解毒作用的高效性以及对温度、水分、时间等效应都具有生物酶的重要特征,这表明降解实质是酶促反应。考虑到酶促反应必须在水的存在下发生反应,该研究小组选择了谷壳培养法将解毒酶固定化,从而在解决了酶制剂在含水量低的环境下难以作用的难题。随后,有研究报道橙色黄杆菌的粗蛋白提取物在水溶液中可以降解黄曲霉毒素B1,降解率能够达到74.5%。而用蛋白酶K将粗蛋白提取物处理后发现解毒能力降低到34.5%,这表明蛋白对黄曲霉毒素的降解机理可能是酶促反应。
    研究者从假密环菌中分离出了一种可以脱除黄曲霉毒素B1毒性的黄曲霉毒素解毒酶,克隆得到其基因序列,成功转化到毕赤酵母表达系统中,并对该酶的固定化技术进行了研究。然而以上解毒酶的理想反应条件都是中性pH值,高水分的体外反应体系,适合植物油、酱油、啤酒及牛奶等,难以在子实、饼粕等低水分饲料原料中直接应用。
    研究者从白腐真菌和褐腐真菌的代谢产物中分离出了胞外解毒酶,研究了该酶解毒反应的最佳pH值和温度,并将其纯化。报道了4株具有降解黄曲霉毒素B1活性的菌。其中红串红球菌的胞外提出物在30℃分别与黄曲霉毒素B1混合4小时后,降解率在90%以上,8小时后基本检测不到黄曲霉毒素B1残留。他们还对胞外提取物在热处理和蛋白酶K处理后进行了解毒效果测定,发现降解率降低了。因此,他们认为解毒机理是酶促反应。
    黄曲霉毒素的微生物菌体直接吸附、代谢解毒和酶解降解的联合作用
    经研究报道红串红球菌的胞外粗提液与黄曲霉毒素B1作用72小时后降解率可达66.8%。而在红串红球菌菌细胞存在的情况下,72小时后黄曲霉毒素B1只有3%~6%的残留。这是因为菌体对黄曲霉毒素具有吸附作用。
    研究者使用14C标记黄曲霉毒素B1与橙色黄杆菌反应并对放射性物质进行追踪和检测。发现无论活细胞还是死细胞均能够吸附黄曲霉毒素B1,但活细胞的吸附作用远大于死细胞的吸附作用,并且只有活细胞释放了被标记了的CO2,这表明一定量的黄曲霉毒素B1被菌体细胞所代谢。这种方法也为研究黄曲霉毒素B1在动物体内的代谢途径提供了参考。此外,他们还发现从橙色黄杆菌提出的粗蛋白物质在水溶液中可以降解74.1%的黄曲霉毒素B1,而用热处理失活的粗蛋白只能降解5.5%的黄曲霉毒素B1。用脱氧核糖核酸酶I处理粗蛋白后发现可以降解80.5%的黄曲霉毒素B1,这表明橙色黄杆菌对黄曲霉毒素的解毒并非由于与细菌DNA的非特异性结合。蛋白酶K处理后的粗蛋白可以降解34.5%的黄曲霉毒素B1,表明解毒机理有可能是酶促反应。
结语
    以上研究均证明了黄曲霉毒素是可以通过生物酶降解作用得以去除的,并且在温和的条件下生物酶的解毒不会产生其他有毒的化学物质,也不会损失或极少地损失饲料中的营养物质。虽然黄曲霉毒素的生物降解研究已经有了很大进展,但是由于酶作用条件苛刻等原因,离实际生产应用还有很长一段距离。目前,在国内外生物学方法降解黄曲霉毒素在饲料工业中的应用非常少。国内研究者陈仪本(1998年)提出应用生物学方法降解黄曲霉毒素的技术关键在于:①筛选出能产高活性黄曲霉毒素解毒物质(主要是酶)。②在原料中创造一个有利于酶促反应的含水微环境。
    因此,筛选出能够产高效降解黄曲霉毒素的酶的菌株以及通过酶工程、基因工程等手段获得解毒作用条件更宽的解毒酶是未来研究的方向。
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