呕吐毒素的危害及脱毒研究进展

■ 邹诗祺 宋 佳 曹清明 闫 雪 李爱科 王薇薇* 赵 晨*

（1.中南林业科技大学食品科学与工程学院，湖南长沙 410004；2.国家粮食和物资储备局科学研究院，北京 100037；3.新希望六和股份有限公司，农业农村部饲料及畜禽产品质量安全控制重点实验室，四川成都 610023）

呕吐毒素又名脱氧雪腐镰刀菌烯醇（deoxynivalenol，DON），主要来自镰刀菌属（Fusarium），被认为是谷物及谷物产品中最常出现的天然真菌毒素之一。每年由DON 引起的粮食污染可使全球经济造成巨大损失[1]。DON 的化学名称为3α,7α,15-三羟基草镰孢菌-9-烯-8 酮，主要的毒性基团分别是C-12,13 环氧基和C3-OH 基团[2]，具有耐高温、耐酸等特性[3]，简单的加工处理很难将其破坏。我国《粮食流通管理条例》（国令第740 号）中规定，超过食品安全标准限量的真菌毒素污染粮食不得作为食用用途。《食品安全国家标准 食品中真菌毒素限量》（GB 2761—2017）中规定，谷物及其制品中的DON 限量为1 000 μg/kg；《饲料卫生标准》（GB 13078—2017）中规定，植物性饲料原料中DON 限量为5 000 μg/kg。然而，DON 污染仍较为严重。周健庭等[4]对2021 年饲料原料的污染情况进行调查发现，谷物及其副产物中检测出的DON比2020 年提高了311%，且在各地区的多种饲料中均有污染，其中猪饲料污染程度最高，其次是家禽饲料。此外，张君超等[5]对2022年第一季度收集的57份粕类样品进行真菌毒素检测分析，发现DON 的检出率为45%，检出平均值为1 381.2 μg/kg，检出最大值为7 694.3 μg/kg。

因此，在我国饲料资源严重短缺的大背景下，研究DON 的脱除技术，最大限度地节约饲料粮食资源，对节粮减损和饲料资源开发具有重要意义。文章对呕吐毒素的危害及其物理、化学和生物脱除方法的研究进展进行综述，旨在为呕吐毒素脱毒技术研究和饲料资源开发提供理论参考。

1 呕吐毒素的危害

长期食用被DON 污染的饲料会导致动物厌食、体重增长减缓、营养吸收效率降低、免疫调节紊乱等[6]现象，且高剂量的DON 会导致动物免疫受损，从而休克甚至死亡。此外，不同动物对DON 的敏感程度不同，其中猪是最敏感的动物之一[7]。这是由于DON 在猪体内的代谢途径是经过上消化道吸收，再通过尿液排泄；而在家禽体内是经过空肠吸收，转化为硫酸盐——DON-S，再通过尿液和胆汁排出，因此猪对DON 的代谢能力低于家禽[8]。这些体内DON 未能被完全代谢的动物（如被人）食用，会引起恶心、腹痛、腹泻、呕吐、头痛、发热等症状[9]。在小鼠体内的研究结果也表明，DON 的残留会严重破坏免疫系统的稳定，导致其他微生物的入侵[9]。DON 在各种动物体中的残留损伤情况如表1所示。

表1 DON在动物体中的残留损伤

2 呕吐毒素的脱毒方法

粮食中DON 的产生和累积主要是在粮食生长和储存阶段。研究DON 的脱毒技术是提高粮食质量，减少粮食损失的重要方法，目前国内外对DON 的脱毒方法主要有物理、化学和生物脱毒方法[16]。

2.1 物理、化学脱毒方法

物理脱毒方法是传统的DON 脱毒法，主要通过色选、密度筛选清除粮食中明显发生病变、霉变的病粒；或者利用脱皮处理去除富集在谷物外皮的DON[17]；还可以利用吸附剂（蒙脱石、沸石粉、活性炭等[18]）与毒素相结合，形成复合体排出体外[2]；以及通过γ射线辐照、电子束辐照和紫外线照射进行辐照脱毒。这些方法都具有共同的特点，即只具备部分清除的作用。

化学脱毒方法主要是利用碱性物质或氧化还原物质破坏DON 的化学结构，使其具有毒性作用的基团不能发挥作用。如臭氧是一种常用的DON 脱毒氧化剂，会破坏DON 的C9-C10、C12、C13-环氧基上的双键，也会破坏C3、C7上的羟基，浓度为10.84 g/m3的臭氧对DON 的降解率达到98.3%[19]。但化学脱毒方法不容忽视的缺点是易残留化学试剂、降低粮食营养价值和感官品质等。

2.2 生物脱毒方法

生物脱毒方法是一种有效去除粮食及饲料中真菌毒素污染的方法，利用微生物或生物酶改变DON的毒性基团结构并将DON 转变为无毒或者低毒的产物，主要有以下3 种方式（见图1）：①破坏C-12、C-13环氧基团生成毒性较低的DON 代谢产物DOM-1，其毒性仅有DON 的1/55[20]。②作用于主要的致毒基团C3-OH。将DON 氧化成3-keto-DON 或还原形成其同分异构体3-epi-DON[21]，毒性分别是DON 的1/10、1/1 181；或通过一些产糖苷酶或乙酰转移酶的微生物转化，将DON 转化为毒性降低的D3G 或3-ADON[22]。③水解8 号氧原子形成其他降解产物，例如塔宾曲霉（Aspergillus tubingensis）NJA-1的胞内酶促使94.4%的DON 水解[23]，转化成一种分子质量比DON 大18.1 的产物，该产物的结构及毒性并未阐明。

图1 DON的转化路径

此外，部分微生物还可以通过细胞壁上的物质吸附毒素实现解毒，但无论是微生物吸附还是生物降解有毒物质，所需的反应条件都较温和，不会产生有毒的残留物和副产物，也会保留原有的维生素、矿物质等营养物质[24]，因此生物脱毒方法具有广阔的应用前景。

2.2.1 微生物对DON的脱毒

2.2.1.1 细菌的脱毒作用

目前对DON 具有脱毒作用的细菌主要有德沃斯氏菌属（Devosia）、芽孢杆菌属（Bacillus）、乳酸菌属（Lactobacillus）和诺卡氏菌属（Nocardioides）等[25]。

大部分降解DON 的德沃斯氏菌可以氧化DON 的C3 位或者形成DON 的同分异构体[25]。徐剑宏等[26]分离出的徳沃斯氏菌（Devosiasp.）DDS-1 将DON 氧化为3-keto-DON，对DON 的降解能力达到95%以上，对毒素污染的小麦饲料降解率达到75.47%。He 等[27]发现，德沃斯氏菌（Devosia mutans）17-2-E-8 能够在有氧条件、25～30 ℃的温和温度和中性pH 下将DON转化为毒性极低的同分异构体3-epi-DON。类似地，Gao 等[28]的研究表明，德沃斯氏菌（Devosiastrain）A6-243在辅助因子吡咯喹啉醌（PQQ）存在的条件下也能在48 h 内将DON 完全转化为3-epi-DON。孙晶等[29]从土壤、河流污泥和动物粪便等共133 份样品分离获得一株高效降解DON 的德沃斯氏菌（Devosia limi）D-8，在3 d 内几乎完全降解10 μg DON，降解率达98.4%，降解产物同样为3-epi-DON。

目前，已从霉变玉米、发霉秸秆、动物肠道等筛选出具有降解DON 能力的芽孢杆菌。Li 等[30]的研究发现芽孢杆菌（Bacillussp.）LS100 可使霉变玉米中的DON 完全转化为DOM-1。余祖华等[31]和徐海军等[32]分别从一些能够降解DON 的菌株中筛选出降解DON效果较好的芽孢杆菌（Bacillus cereus）菌株B.JG05 和ODS-1，降解率分别达到80.61%和96.2%。纳豆芽孢杆菌（Bacillus natto）16也被证实可通过吸附和降解实现DON 的脱除，且细胞壁悬液和粗酶液对DON 的去除率较好[33]。

乳酸菌属于革兰氏阳性细菌，绝大部分是对人体有益的，其主要对DON 起吸附作用[34]。Zhai等[35]从酸奶中分离出的副干酪乳杆菌（Lactobacillus paracasei）LHZ-1 的细胞表面与DON 结合形成复合物，实现吸附解毒，且活菌细胞与DON 的结合力比热灭活细胞更强。Oliveira等[36]和Byrne等[37]分别发现了罗伊氏乳杆菌（Lactobacillus reuteri）R29和嗜淀粉乳杆菌（Lactobacillus amylovorus）DSM20552 具有降低DON 含量的作用。此外，Qu 等[38]从人乳中分离的7株鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus）中，SHA113 能将60%的DON 降解为3-epi-DON。且活菌乳杆菌、热灭活乳杆菌及乳酸杆菌培养的上清液也被Souza 等[13]证实可以显著降低DON 对肉鸡空肠和肝脏的氧化应激损伤。由此可见，乳酸菌不仅可以减少DON 的残留，还可以降低DON给动植物带来的损伤。

类诺卡氏菌转化DON的主要途径是C3位的异构化，Ikunaga 等[39]从麦田土壤中分离得到了诺卡菌属菌株（Nocardioidessp.）WSN05-2，可将DON 作为唯一碳和能源，共同培养10 d，能完全去除1 000 μg/mL DON，与含有DON 的小麦共培养7 d 可降解90%的DON，经质谱和核磁共振分析鉴定其降解的产物为3-epi-DON。类诺卡氏菌（Nocardioidessp.）ZHH-013 被Zhang 等[40]从土壤中分离，同样具备将DON 转化为3-keto-DON和3-epi-DON的作用。

研究人员还从动物肠道等分离物中鉴定出其他降解DON 的细菌。例如，从鸡肠道中分离出的伊格尔兹氏菌（Eggerthellasp.）DII-9 可将DON 去环氧化形成DOM-1，解毒效果良好[41]。从鸡肠、鱼肠及土壤的混合菌种中分离出对DON 降解效果最佳的江都丛毛单胞菌（Comamonas jiangduensis）JC-5，在培养基中培养36 h，对DON的降解率达96.97%，在DON污染的面粉中降解率为90.66%[42]。

2.2.1.2 真菌的脱毒作用

酵母菌在食品及饲料发酵方面具有良好的潜力，且可与粮食中的DON形成复合体排出体外。Chlebicz等[43]研究发现了6 株酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）可将真菌的有毒代谢物结合到细胞壁上，在24 h内降低了22%～40%的DON。Podgorska-Kryszczuk等[44]选定的酵母分离物能够减少面包中33%的DON 含量，且不产生生物胺，可作为面包发酵剂的重要组成部分。因此，酵母菌可利用其脱除DON 的优势广泛应用于食品发酵、啤酒酿造等行业。

曲霉属广泛分布在谷物、空气、土壤和各种有机物品上，部分曲霉具有降解DON 的能力，He 等[23]从土壤中分离出的一种需氧真菌塔宾曲霉（A.tubingensis）NJA-1，发现其初酶液可以水解94.4%的DON。王开萍[45]的研究也发现，米曲霉（Aspergillus oryzae）As-W.6发酵14 d后可降解90%以上的DON。

还有一些真菌也具备降低DON 含量的作用，例如从土壤及瘤胃内容物中分离出的青霉属（Penicillium）Ma-1-4 具有较强的降解DON 能力[46]。木霉属（Trichodermastrains）Q710613、Q710251 和Q710682可通过糖基化实现DON 良好降解[47]。具有DON 脱毒能力的微生物如表2所示。

表2 降解DON的微生物

2.2.2 酶对DON的脱毒

2.2.2.1 微生物酶的脱毒作用

基于微生物酶高效、专一且酶系丰富等特点，微生物脱毒酶的发掘及分离纯化研究是未来真菌毒素脱毒的重点。

德沃斯氏菌属的DON 降解酶是微生物脱毒酶中报道较多的。前文介绍的徳沃斯氏菌D.sp.DDS-1，后又经徐剑宏等[48]的研究发现，其产生的3-AC-DON氧化酶与金属离子共同作用，可降低小麦中58.11%的DON、68.39%的3-AC-DON。此外，Carere 等[50-51]对德沃斯氏菌（D.mutans）17-2-E-8 的降解机制进行了研究，发现其对DON 异构化是分成两步进行的，首先是依赖吡咯喹啉醌（PQQ）的脱氢酶DepA将DON氧化成3-keto-DON，第二步是依赖还原型辅酶II（NADPH）的醛酮还原酶DepB 将3-keto-DON 立体异构化为3-epi-DON。随后，He等[52]也发现德沃斯氏菌（Devosia strain）D6-9 是通过一个依赖PQQ 的脱氢酶QDDH 将DON 氧化为3-keto-DON，两个依赖NADPH的醛酮还原酶AKR13B2 和AKR6D1 将3-keto-DON还原为3-epi-DON。由此可见，德沃斯氏菌的DON脱毒过程一般都需要氧化脱氢酶和还原酶的共同参与。

除此之外，其他菌属的DON 降解酶也有报道。He 等[53]从麦田中分离出的鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas）通过两个连续的反应，将DON转化为3-oxo-DON和3-epi-DON。其中，醛/酮还原酶AKR18A1 负责将DON氧化为3-oxo-DON。Zhang等[54]从海水中分离出的新型耐盐远志杆菌（Pelagibacterium halotolerans）ANSP101 作用于DON 的C3，将DON 氧化为低毒的3-keto-DON，通过基因比对从中鉴定出参与DON 氧化过程的脱氢酶DDH，进一步地，利用定点突变得到DON 降解率能力提高的突变体TDDH[55]。研究者先后从玉米原料和猪肠道中分离出了降解DON 的芽孢杆菌酶。首先，谭剑等[56]分离出的枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）NHIBC 006D，其 发 酵 液 在24 h 内 对DON 的降解率可达73.5%，且被证实是一种胞外酶发挥的降解作用；其次，曹荣耀等[57]筛选得到的贝莱斯芽孢杆菌（Bacillus velezensis）Vel-HNGD-F2，DON 降解率达到76.7%，由于其菌体悬浮液和胞内提取物对DON 的降解率显著降低，因此，此菌株主要是胞外酶起降解DON的作用。

真菌中也存在具有DON 脱毒效果的酶，其中，锰过氧化物酶（MnP）和木质素过氧化物酶（LiP）是目前研究较多的对DON具有降解作用的酶。Tso等[58]从废蘑菇底物中提取到这两种酶并对比其降解效果，将降解效果较好的LiP运用于猪胃肠道和家禽胃肠道模拟试验，结果LiP 对DON 的降解率分别为85.5% 和67.1%。何瑞[59]将来自黄孢原毛平革菌（Phanerochaete.chrysosporium）和乳白耙菌（Irpex.lacteus）CD2的锰过氧化物酶（MnP）在毕赤酵母GS115 中的外分泌表达纯化，并利用MnP 的发酵上清液对AFB1、ZEN、DON 进行了降解效果的研究和优化，得到了（52.62±1.10）%的DON 降解率。除MnP 和LiP 外，何成华等[61]从土壤中富集了一种能够生物转化DON 的真菌塔宾曲霉（Aspergillus tubingensis）H6，并对其降解酶基因eh进行了克隆表达，其降解率为73.82%～75.60%。Khatibi 等[62]从7 种镰刀菌Fusarium中克隆了TRI101或TRI201基因，通过转化酵母进行体外培养，发现TRI101/TRI201 酶都能够乙酰化DON 转化为3-乙酰脱氧雪腐镰刀菌烯醇(3-ADON)。Hao 等[63]从禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum）中克隆FgTri101 基因在拟南芥植物中表达后也可将DON 乙酰化为3-ADON。吴娱等[60]从米曲霉（A.oryzae）As-W.6中提取的脂肪酶对DON的降解率也可达70%以上。

2.2.2.2 植物酶的脱毒作用

很多研究者从植物体内发现降解DON 的酶，例如植物漆酶（TaLAC）在小麦抗产DON 的禾谷镰刀菌（Fusarium）中可以起保护细胞壁的作用，同时通过捕获DON 或解毒DON 来减少对细胞的损害[64]。从米糠中纯化的过氧化物酶通过吸附和氧化作用，可降低体系中81.7%的DON[65]。也有很多植物体中存在的UDP-葡萄糖基转移酶将DON 糖基化为D3G，例如水稻中的UGT OsUGT79 经大肠杆菌重组表达[66]和大麦的HvUGT13248基因在小麦中表达[67]都发现具备这种功能。具有DON 脱毒作用的不同酶及其降解产物如表3所示。

表3 DON脱毒酶

3 结论和展望

基于世界各地的各种谷物中DON 超标及动物体内广泛积累的现象，不难发现DON 不仅会使植物品质受到严重危害，而且动物和人体也会因为食品摄入间接受到损伤，因此DON 的脱毒研究是粮食和饲料行业的重要研究内容。目前国内外的研究表明，传统的物理、化学脱毒方法因脱毒效率低、易产生新的有害物质而限制了应用。但生物脱毒方法因其温和、高效且专一的特点而具有广泛的应用前景。

生物脱毒方法是细菌、真菌和植物通过吸附毒素或改变毒素的结构实现脱毒，主要是其中的酶在起作用。在现有的研究中，大量的DON 脱毒菌株被分离鉴定，但多数脱毒机理并未明确且对其中的DON 脱毒酶的报道有限，一定程度上限制了生物酶基因的发掘。因此，需要广泛查询基因数据库，在已报道的降解菌基础上寻找其所具备的降解酶基因，通过纯化酶、优化基因结构等方式来提高酶活性并克隆到相应受体细胞上，实现降解酶的高效表达。此外，为避免单一菌株的降解效果不理想，可通过复合菌株或者复合酶的手段来提高DON 的降解率。且针对真菌毒素脱毒酶的脱毒功能单一性，可尝试开发具有多种毒素降解功能的融合酶。值得注意的是，很多DON 降解菌株缺乏安全性的数据支撑，不能直接用于粮食或者饲料的生产，因此进一步的安全性评价是必不可少的。

综上所述，应探寻更多具有降解DON 能力的菌株并筛选出降解效果优秀的菌株和酶，发掘其降解酶基因，优化降解酶结构并开发高效的脱毒制剂，提高脱毒效率并做安全性评价以减轻DON 在粮食和饲料中的残留，仍是未来的研究趋势。