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玉米赤霉烯酮的污染状况及生物脱毒研究进展
作者:   时间:2012-10-27

 


 张建梅  陈静  汪官保  谷巍
山东宝来利来生物工程股份有限公司,271000

  摘要:玉米赤霉烯酮具强烈的生殖系统毒性,广泛污染饲料及饲料原料,严重危害畜牧养殖业。生物脱毒法由于高效率、无污染、实用性好而具有广阔的应用前景。文中主要针对玉米赤霉烯酮在畜牧中的危害及生物脱毒法的研究进展进行综述。

  玉米赤霉烯酮(Zearalenone, ZEN)在自然界中广泛存在,是污染范围最广泛的一种镰刀霉毒素,在谷物以及农副产品中都检测到ZEN的存在。由于ZEN与动物荷尔蒙(如雌二醇)结构相似,又名F-2雌性发情毒素。ZEN在人和动物体内可诱发雌激素效应综合症状,包括影响雌性哺乳动物乳房发育、外阴阴道炎、发情周期紊乱、假孕不育、流产死胎、致畸致癌等[1]。鉴于ZEN污染的广泛性和毒性,世界粮农组织和世界卫生组织制定了ZEN的每日最大耐受摄入量(Provisional Maximum Tolerable Daily Intake)为0.5μg/kg•bw•d[2]。中国《粮食卫生标准》(GB2715—2005)规定小麦和玉米中的ZEN不得超过60μg/kg。
1、近年玉米赤霉烯酮的污染状况
  ZEN可在玉米中以11. 8 mg/kg的极高浓度出现[3],而在玉米副产物DDGS中,由于在加工过程中被浓缩,DDGS中霉菌毒素的含量为玉米含量的2-3倍。ZEN在燕麦、小麦、大麦和高粱中也被广泛检出。王金勇等[4]2011年对295份小麦和212份大麦进行了调查,结果显示2011年小麦和大麦中ZEN的阳性检出率分别为28%和13%,最大值可达23 278μg/kg和800 μg/kg。
  王金勇等[5]2010 年上半年DDGS常规养分含量差异及霉菌毒素污染状况调查显示,玉米赤霉烯酮含量范围最高可达1219.9μg/kg,平均值达到329.25 μg/kg。王金勇等[6]2012调查结果显示,2011下半年中国饲料中玉米赤霉烯酮阳性检出率高于2011 年上半年的阳性检出率数值(60%),污染水平也高于上半年阳性平均值(238 g/kg),而玉米样品中玉米赤霉烯酮阳性检出率也高于2011 年上半年的阳性检出率数值。同时,王金勇[4]2011就4000多份来自全球各区域样品进行了检测,结果表明2011 年全价料中玉米赤霉烯酮的阳性检出率为58%,最大值为5791 μg/kg,参照中国与欧盟在霉菌毒素方面的规定与建议,从玉米赤霉烯酮的污染来看,26%的样品中污染水平为50 μg/kg,达到猪、禽的中等风险水平;同时41%的样品中存在多种霉菌毒素并存的情况。
  2012年上半年百奥明饲料添加剂上海有限公司共检测421份来自全国各地的饲料和原料样品。调查结果显示2012年上半年玉米赤霉烯酮在玉米、DDGS、猪料禽料及奶牛精粗料中玉米赤霉烯酮阳性检出率分别为:62.2%、85.7%、70.4%和66.7%,最高浓度分别可达到2858、2359、2630和2797μg/kg,其中平均水平可分别达到815、227、562和1014μg/kg。
  调查结果表明,2012玉米赤霉烯酮的污染水平年去往年更加严重,如何有效去除玉米赤霉烯酮的毒副作用,将其危害系数控制在最小的范围之内,减少其对畜牧生产的危害,是畜牧业目前面临的重大挑战。
2、玉米赤霉烯酮的脱毒方法
  目前针对玉米赤霉烯酮的脱毒方法主要有物理脱毒法、化学脱毒法和生物脱毒法。
  物理方法主要包括热处理和活性炭、皂土等吸附剂的吸附来清除霉菌毒素。化学法包括有机溶剂和臭氧处理等。传统的物理和化学方法虽然能部分清除真菌毒素,但有着不可避免的缺点:如工作量大、可行性差、去除毒素的同时对营养物质的破环作用、清除不彻底造成的二次污染及化学试剂的潜在危害性等,诸多因素使得物理和化学法的使用受到限制。
  20世纪60年代,科学家们开始尝试用生物学的方法去除霉菌毒素。大量研究表明微生物在吸附和降解黄曲霉毒素和玉米赤霉烯酮等真菌毒素时发挥了重要作用[3,7],并且采用微生物去除霉菌毒素的方法由于其无毒副作用、效率高、专一性强越来越受学术界的关注和畜牧业的欢迎。
2.1 微生物菌体吸附玉米赤霉烯酮
  研究表明,酵母菌细胞壁、乳酸菌细胞壁其本质是一种多孔性碳水化合物,有效成分为细胞壁的葡甘露聚糖(Glucomannan,GM)和肽聚糖,据报到乳酸菌细胞壁99%的主要成分为肽聚糖,它们通过糖苷键在空间交联成网状结构,可以有效吸附玉米赤霉烯酮等霉菌毒素[8,9]。
  BAKUTIS等发现酿酒酵母等酵母菌的细胞壁能较好地吸附清除ZEN[10]。张丽霞等[11]利用啤酒酵母β-D-葡聚糖吸附玉米赤霉烯酮,最大吸附量可达2.29 g/kg,他们进一步以酵母细胞壁为原料,合成交联-羧甲基复合变性葡聚糖,实验表明,交联羧甲基葡聚糖对ZEN的吸附量可达18.643 g/kg。我们分离到一株枯草芽孢菌B.subtilis,该芽孢菌对ZEN同样具有很好的吸附和降解效果。
由于物理法和化学法存在的弊端,目前利用酵母菌、芽孢菌和乳酸菌细胞壁,生产玉米赤霉烯酮等霉菌毒素脱毒剂的产品越来越多。
2.2 微生物降解玉米赤霉烯酮
  微生物来源的玉米赤霉烯酮等霉菌毒素降解酶主要有两种:1 采用微生物自身代谢产生的酶对霉菌毒素进行降解;2 采用基因工程的方法,将霉菌毒素降解酶基因转入工程菌中,进行大量的表达。根据微生物降解ZEN毒素的终产物类型分为转化或降解两种方式,具体归纳为以下几种:转化为α-zearalenol;转化为α-zearalenol和β-zearalenol;转化为硫酸盐;降解成二氧化碳或无荧光、无紫外吸收的物质;降解成1-(3, 5-二羟苯基)-10’-羟基-1’反式-十一碳烯-6’-酮[3]。
Kakeya等筛选到一株粉红螺旋聚孢霉,经研究发现粉红螺旋聚孢霉能将ZEN降解成无雌激素毒性的产物[12]。Cho K G等[13]2010分离鉴定出能够降解ZEN毒素的枯草芽胞杆菌,该菌株能在24h内降解99%的1mg/kg的ZEN。Samuel E T等[14,15]筛选到两株芽胞杆菌B.subtilis 168 和B.natto,在30℃厌氧培养24h能能够有效降解81%和100%的ZEN,并且降解产物不存在雌激素效应。
  程波财等[16]构建了pET22b(+)-ZEN-jjm原核表达载体,证实了ZEN-jjm能在大肠埃希菌中表达,且其表达的蛋白酶具有降解ZEN的功能。继而谭强来等[17] 用pPIC9分泌表达载体和毕赤酵母来表达降解ZEN的蛋白酶,获得了高效分泌表达玉米赤霉烯酮降解酶的毕赤酵母,他们将ZEN-jjm成功插入pPIC9中,采用SDS-PAGE检测结果表明获得1株高效表达目的蛋白的重组酵母,其分子量约29 kDa。HPLC表明其能有效地降解玉米赤霉烯酮。
2.3 基因修饰法去除玉米赤霉烯酮毒性
利用基因工程的方法,将ZEN水解酶基因转化玉米等禾谷类作物,使转基因作物直接降解污染谷物上的ZEN。Arisa等[18,19] (2005)利用egfp∷zhd101基因(gfzhd101)发展的一个转基因去毒系统,该基因编码一个与ZEN降解酶融合的增强绿色荧光蛋白。通过egfp∷zhd101转化玉米,转基因玉米株系表达完整的gfzhd101基因。并且在种子成熟期检测到转基因籽粒中ZEN的降解活性。目前转基因玉米纯合株系已经建立,并且能够稳定表达gfzhd101,对ZEN的去毒有明显的效果,转基因介导的真菌毒素脱毒已被建议作为一个可选择的解决途径[20]。
3 展望
  消除玉米赤霉烯酮毒素的方法有多种,但目前尚无完美的去毒方法。利用生物学方法特别是微生物吸附和微生物降解法去除饲料和原料中的玉米玉米赤霉烯酮,以其无污染、无残留及益生菌的功效越来越多的被研究和应用,而通过基因工程的途径,消除真菌污染和真菌毒素的危害也正在快速的研发和发展。随着饲料和原料中ZEN的副作用越来越受人们重视以及人们对食品安全的日益关注,防治ZEN的技术必将得到迅速发展,而生物脱毒法也必将受到人们的青睐。

参考文献
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