全 文 :·综述与专论· 2014年第12期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
随着人们生活水平的提高,食品安全问题日益
受到重视。谷物食品是人类日常维持生命的基本物
质,尤其在东方膳食体系中占据重要位置。全球大
约 25% 的粮食作物受到霉菌毒素的污染(FAO),
如黄曲霉和赭曲霉等。赭曲霉毒素 A(Ochratoxin
A,OTA)是由曲霉属(Aspergillus spp.)和青霉属
(Penicillium spp.)等霉菌产生的次级代谢产物,属
于聚酮类化合物,主要存在于谷物及其副产品中[1]。
OTA 具有强烈的肾脏毒性和肝脏毒性,并有致畸、
致突变和致癌作用,对动物和人体健康有很大的潜
在危害,研究 OTA 的脱毒对人类健康至关重要[2]。
近年来,国内外有关 OTA 脱毒的研究很多。
OTA 的脱毒方法主要有化学脱毒、物理吸附和生物
脱毒,且目前比较成熟的技术主要为化学脱毒和物
收稿日期 :2014-04-13
基金项目 :国家高技术研究发展计划(“863”计划)(2012AA101609-7),教育部(2011JS119)
作者简介 :贾欣,女,硕士研究生,研究方向 :微生物脱毒与食品安全 ;E-mail :jx610425@163.com
通讯作者 :梁志宏,女,博士,副教授,研究方向 :微生物与食品安全 ;E-mail :lzh01@cau.edu.cn
赭曲霉毒素 A 的微生物脱毒研究进展
贾欣 徐诗涵 梁志宏 黄昆仑
(中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083)
摘 要 : 赭曲霉毒素 A(Ochratoxin A,OTA)是一类聚酮化合物,是由曲霉属(Aspergillus spp.)和青霉属(Penicillium
spp.)等霉菌产生的次级代谢产物,具有强烈毒性。近年来,国内外已有大量关于 OTA 生物脱毒的研究,主要是 OTA 脱毒功能菌
株的筛选,包括细菌、霉菌和酵母菌等。此外,对不同微生物脱毒机理的探索也是研究热点。对上述两方面的研究进展进行归纳
和讨论。
关键词 : 生物脱毒 赭曲霉毒素 A 细菌 真菌 肠道微生物
DOI :10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2014.12.003
Bio-detoxification of Ochratoxin A by Microorganism
Jia Xin Xu Shihan Liang Zhihong Huang Kunlun
(College of Food Science and Nutrition Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083)
Abstract: Ochratoxin A(OTA)is a class of polyketides, which are secondary metabolites produced by Aspergillus spp. and Penicillium
spp., having a strong toxicity. In recent years, there are a large number of domestic and international researches on OTA biological detoxification,
mainly on screening strains of OTA detoxification, including bacteria, molds and yeasts and so on . In addition, exploring different microbial
detoxification mechanism is also a research hotspot. In this paper, these two aspects of progress were summarized and discussed.
Key words: Bio-detoxification Ochratoxin A Bacterial Fungi Intestinal microbial
理吸附。但化学脱毒和物理吸附因存在副作用、费
用较高、影响食品的风味和营养等原因不利于推广
应用[3]。生物脱毒越来越引起人们的关注。生物脱
毒是利用微生物作用去除毒素毒性,副作用小,环
境友好,是一种非常理想的脱毒方法,现成为世界
各国竞相研究的热点[4]。本文主要从近年来对细菌、
真菌及其他一些不明确的 OTA 脱毒微生物的筛选和
脱毒机理等方面,对 OTA 生物脱毒的研究进行综述。
特别是肠道微生物对 OTA 的脱除,因其能在动物肠
道发挥作用,减少体内 OTA 对机体的危害,因而具
有更大的研究价值和应用前景。
1 细菌脱除 OTA 及其机理探究
目 前, 关 于 细 菌 脱 毒 的 研 究 主 要 在 乳 杆 菌
(Lactobacillus spp.)、芽孢杆菌(Bacillus spp.)、短杆
2014年第12期 19贾欣等:赭曲霉毒素 A的微生物脱毒研究进展
菌(Brevibacterium spp.) 和 不 动 杆 菌(Acinetobacter
spp.)等类群中。脱除作用的主要表现是对 OTA 的
吸附和降解,包括利用 OTA 作为生长繁殖的物质
基础。
1.1 乳杆菌(Lactobacillus spp.)脱除OTA及其机
理研究
Böhm 等[5]对益生菌的 OTA 脱毒能力研究表明,
对 OTA 有脱毒能力的菌种主要是乳杆菌。其中 2 株
L-保加利亚乳杆菌(L. bulgaricus)的脱毒率分别为
94% 和 28.5%,L-瑞 士 乳 杆 菌(L. helveticus) 达 到
72%。由乳酸菌发酵生产的酸奶能减少 OTA 的含量。
嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus)、德氏乳杆
菌(L. delbrueckii)、保加利亚菌(Bulgaria bacteria)
及双歧杆菌(Bifidobacterium)所发酵的酸奶中都未
检出 OTA,但也没有降解产物的产生。Fuchs 等[6]
研究了乳杆菌对 OTA 的脱除,证实一株嗜酸乳杆菌
(L. acidophilus)对 OTA 有高效吸附能力,吸附率大
于 95%,且 L. acidophilus 对 OTA 的吸附受毒素的浓
度、pH 值、细胞密度和菌株生长等影响。用人的派
生肝癌细胞株 HepG2 进行微核试验表明,该菌株能
大幅度减少 OTA。Del Prete 等[7]将 15 种与酒相关
的 Lactobacillus spp. 培养在含有 OTA 的液体合成培
养基中,在菌株生长期间 OTA 减少了 8%-28%,而
OTA 减少量的 31%-57% 在细胞沉淀中得到恢复,
该类菌株对 OTA 的确具有吸附脱毒作用。
1.2 芽孢杆菌脱除OTA及其机理研究
近年来越来越多关于芽孢杆菌脱毒能力的研究,
证明了芽孢杆菌具有 OTA 脱毒能力。Ptechkongkaew
等[8]对泰国纳豆中芽孢杆菌进行研究,表明地衣芽
孢杆菌(B. licheniformis)具有强 OTA 降解能力,48
h 可以将 81% 的 OTA 降解为 OTα。李之佳[9]研究
了 Bacillus spp. 对 OTA 的降解作用,表明 2 种芽孢
杆 菌 ——Bacillus sp. YB139 和 Bacillus sp. YB140 的
OTA 降解率分别为 48.2 % 和 43.4 %,2 种菌的活菌
均能有效降解 OTA,而高温灭活菌无脱毒能力,表
明这些菌株的脱毒机理为生物降解。
本实验室中,师磊等[10]进行了非致病枯草芽
孢杆菌(B. subtilis)对 OTA 的生物控制和脱毒的研
究。结果表明,Bacillus spp. 能抑制赭曲霉(Aspergillus
ochraceus)和炭黑曲霉(Aspergillus carbonarius)的
生长,活菌和高温灭活菌(121℃,20 min)均能吸
附 OTA。此外,OTA 能够被 B. subtilis 菌液上清降解。
1.3 其他细菌脱除OTA及其机理研究
Wegst 和 Lingens[11] 研 究 了 不 动 苯 基 杆 菌
(Phenylobacterium immobile) 对 OTA 的 脱 毒 能 力,
通过薄层色谱和高效液相色谱(HPLC)技术,分离
纯化出 4 种降解产物,且其毒性远小于 OTA。梁晓
翠[12]、 李 之 佳[9] 对 不 动 杆 菌(Acinetobacter spp.)
对 OTA 的脱毒的研究表明 Acinetobacter spp. 具有较
强的脱毒能力,24 h 内脱毒率达到 80% 以上,高效
液相色谱检测出降解产物 OTα,但灭活的菌无脱毒
能力,表明 Acinetobacter spp. 脱毒机理为生物降解。
同时对 Acinetobacter spp. 的脱毒特性及降解酶的性
质研究表明,其降解 OTA 的时间曲线符合酶促反应
的特征,降解速率随体系中 OTA 浓度的下降而逐渐
减小 ;菌体浓度越大,脱毒能力越强。金属离子螯
合剂 EDTA 能抑制降解酶的活性,而羧肽酶抑制剂
不能抑制它的活性,说明降解酶是一种与羧肽酶 A
(Carboxypeptidase A,CPA)性质不同的金属酶。此外,
Rodriguez 等[13] 对 短 杆 菌(Brevibacterium spp.) 脱
除 OTA 的能力和机理进行研究,证实 Brevibacterium
spp. 具有降解 OTA 的能力(图 1)。在含高浓度 OTA(40
μg/L) 的 BSM培 养 基 上 培 养 不 同 的 Brevibacterium
spp.,所有培养基上清液中 OTA 完全消失且在菌和
菌的清洗液中没有检测到 OTA。2 种 Brevibacterium
spp. 能够完全降解高浓度(40 mg/L)的 OTA 生成
OTα 和 L-苯基丙氨酸,且 L-苯基丙氨酸不会进一
步被短杆菌转化,表明 Brevibacterium spp. 具有一种
酶,可能是 CPA,能水解 OTA 的酰胺键。对上清的
HPLC 分析表明 L-苯基丙氨酸的浓度符合假设的理
论浓度。这些结果表明,OTA 的酰胺键能够被 CPA
酶促水解,产生 L-苯基丙氨酸和 OTα,且没有其他
有毒降解产物产生。María 等[14]在 2011 年申请了
关于 Brevibacterium spp. 将 OTA 降解为 OTα 的专利,
证明短杆菌属具有降解 OTA 的能力,降解产物为
OTα,且将 OTA 作为唯一碳源。
此 外, 有 关 根 瘤 菌(Rhizobium) 对 OTA 的
脱毒研究 [15] 表明,Rhizobium 具有降解 OTA 的能
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第12期20
力,降解率可达 25.1%,且降解与酶有关 ;溶纤维
丁酸弧菌(Butyrivibrio fibrisolvens)在某种程度上能
对 OTA 进行脱毒,乙酸钙不动杆菌(Acinetobacter
calcoaceticus)和苯基不动杆菌(Phenyl acinetobacter)
可在液体培养基中将 OTA 降解为的 OTα[16]。
综上所述,在对细菌 OTA 脱除能力的研究中,
有关 Lactobacillus spp. 对 OTA 的作用机理目前还存
有争议,有人认为是 Lactobacillus spp. 产生某种酶而
引起某些代谢变化所导致的降解作用[6],也有人认
为是细胞吸附作用,但吸附的化学和分子机理仍不
清楚[7]。而 Bacillus spp. 对 OTA 的脱毒作用的认识,
目前多倾向于将其归为降解作用,Ptechkongkaew[8]
认为是 CPA 对 OTA 的水解作用使 OTA 脱毒,李之
佳[9]同样认为是酶的作用,但提出是不同与羧肽
酶的一种金属酶,师磊等[10]却未在菌液中检测到
OTA 的降解产物,对于其脱毒机理有待于进一步深
入研究。对上述具有脱除 OTA 能力的细菌进行归纳
总结,见表 1。
2 真菌脱除 OTA 及其机理探究
关于真菌对 OTA 生物脱毒的研究较细菌透彻,
主要集中在酵母和霉菌上,未见食用菌脱除 OTA 的
报道。Varga 等[17]对产虾青素的红发夫酵母(Phaffia
yeast)进行了 OTA 的脱毒研究。在 20℃下孵育 15
d 后,P. yeast 可以降解 90% 以上的 OTA,降解产物
为 OTα,且这种转变可能与 CPA 有关。此外,活菌
和高温灭活菌能吸附大部分的 OTA。但 Cecchini 等[18]
对白酒和红酒中酵母的脱毒研究表明酵母没有降解
OTA 的能力。试验未检测到降解产物,在发酵过程
中 OTA 的脱除可能是吸附作用,并且 OTA 可能不
可恢复地吸附细胞表面。这种说法在其他试验中得
到证明。如 Csutorás 等[19]用高浓度毒素在不同酒发
酵过程中 OTA 浓度变化的研究,结果表明酿酒酵母
(Saccharomyces cerevisiae)能吸附 90% OTA,且减少
率与酒的种类有关,但差别不显著 ;Marco 等[20]通
过监测酒在发酵过程中 OTA 浓度的变化,同样得出
Saccharomyces cerevisiae(Zymaflor VL3 和 VIN7) 可
以降低酒中 OTA 的浓度,吸附率在 57%-79% 之间。
Gil-Serna 等[21]对汉氏德巴利氏酵母(Debaryomyces
hansenii)CYC1244 对 OTA 的脱毒机理进行了研究。
首先他们确定 D. hansenii CYC1244 可以抑制 OTA 产
毒霉菌的生长和 OTA 的生物合成,从而提出 3 种脱
毒机理 :其一是影响 OTA 的生物合成 ;其二是 OTA
被吸附在酵母细胞壁或吸附进入酵母细胞内 ;其三
是 D. hansenii CYC1244 降 解 OTA。 研 究 表 明,D.
hansenii CYC 1244 影响 OTA 的基因表达水平,当产
毒霉菌与 D. hansenii CYC1244 共培养时 OTA 明显减
少。进一步研究表明,OTA 被 D. hansenii CYC1244
O
O
N
H
Cl
Ochratoxin A L-β-phenylalanine Ochratoxin α
CH3
NH2 CH3
Cl
+
H2O
O
O
O
OO HO
HO
OH
OH
OH
图 1 OTA 的降解反应
表 1 脱除 OTA 的细菌及作用机理
菌种 机理
Lactobacillus spp. L.bulgaricus 降解作用[6]
吸附作用[7]
L. helveticus
Streptococcus thermopHilus
L. delbrueckii
Bulgaria bacteria
Bifidobacterium
L.acidopHilus
Bacillus spp. B. licheniformis 降解作用(以利
用 OTA 生长繁殖
为主)[8-10]
Bacillus sp. YB139
Bacillus sp. YB140
B. subtilis
Brevibacterium spp. Brevibacterium spp. 降解作用[11-16]
Acinetobacter spp. PHenylobacterium immobile
Acinetobacter sp.
其他 Rhizobium
Butyrivibrio fibrisolvens
Acinetobacter calcoaceticus
PHenyl acinetobacter
2014年第12期 21贾欣等:赭曲霉毒素 A的微生物脱毒研究进展
细胞壁吸附更可能导致 OTA 减少,且 pH 值是影响
OTA 吸附的最大因素,在 pH 为 3 时吸附率最大(>
98%);而 pH 为 5 和 7 时, 吸 附 率 分 别 为 63% 和
65%,这表明低 pH 能提高 D. hansenii CYC1244 对毒
素的吸附。D. hansenii CYC 1244 对 OTA 无降解作用,
且与孵育时间无关。即确定 D. hansenii CYC 1244 对
OTA 的作用主要为前两种机制,而 OTA 被吸入细胞
内或被降解则没有理论依据。
综上所述,酵母对 OTA 的脱毒机理涉及到影响
OTA 的合成、降解和吸附,不同的种对 OTA 的作用
不同,但大都倾向于是一种吸附作用[18-21]。
Bejaoui 等[22] 研 究 了 黑 曲 霉 菌(Aspergillus
niger) 对 OTA 的 脱 毒 能 力。 几 乎 所 有 A.niger 脱
除 OTA 的能力在某些情况下均可达到 98%-99%,
A.niger 能将 OTA 水解为 OTα,在相同和不同种群
间观察到的差异取决于培养基的种类。试验表明,
A.niger 是对 OTA 降解能力最大的菌种,5 d 内降解
率为 99%。Bejaoui 等[23] 通过 A. niger 活菌和高温
灭活菌的分生孢子对 OTA 的脱毒试验表明,A. niger
的分生孢子对 OTA 的生物脱除是一个二级现象。第
一阶段 OTA 全部被 A. niger 的分生孢子吸附,且高
温灭活的孢子也有这种能力,最后未产生 OTA 的降
解产物。第二阶段,OTA 的降解只与有活性的分生
孢子有关。在含有 A. niger 菌丝的培养基中培养一
段时间后,可检测到 OTα,说明 OTA 发生了降解。
而 Stander 等[24]对 A. niger 中的 OTA 降解酶进行筛
选得到一种粗脂肪酶能降解 OTA,可能是粗脂肪酶
中的蛋白酶和酰胺酶起了降解作用,将 OTA 降解为
OTα。研究表明 CPA 能水解 OTA 及其类似物,形成
苯丙氨酸[25]。
有关 A. niger 对 OTA 的生物脱毒普遍认为是酶
的作用,但在实际应用中缺乏更多的研究。如脱毒
是否对原料物性有影响,若采用 A. niger 菌体进行脱
毒应用,其产生的黑色色素是否会影响食品的正常
颜色和风味等,这些问题都有待进一步的研究。
还 有 涉 及 其 他 真 菌 对 OTA 脱 毒 的 研 究, 如
Engelhardt[26]对白腐真菌(White rot fungus)的研究
表明,属于 White rot fungus 的粗皮侧耳菌(Pleurotus
ostreatus)对 OTA 有降解能力。在固体发酵培养基上,
能将 OTA 水解为 OTα,降解率为 77.3%;de Felice 等[27]
对 出 芽 短 梗 霉 菌(Aureobasidium pullulans)、Varga
等[15]对根霉菌(Rhizopus bacteria)的脱毒研究表明,
出芽短梗霉菌和根霉均有 OTA 脱毒作用,但都没有
涉及到脱毒机理的研究。对以上具有 OTA 脱除能力
的真菌及其作用机理进行归纳总结,见表 2。
表 2 脱除 OTA 的真菌及作用机理
菌种 机理
Yeast Phaffia yeast 吸附作用[18-21]
Saccharomyces cerevisiae
Debaryomyces hansenii
Aspergillus spp. A.niger 降解作用(有可能与羧肽
酶和脂酶有关)[22-25]
White Rot Fungus Pleurotus ostreatus 降解作用[15,26,27]
Aureobasidium pullulans
Rhizopus bacteria R. stolonifer
R. oryzae
3 脱除 OTA 的肠道微生物
很多实验涉及到肠胃道微生物对 OTA 的脱毒能
力研究,得到具有 OTA 降解能力的肠道菌群,这为
筛选适用于粮食中的 OTA 脱毒菌种提供丰富资源,
并且由于其本身对肠道环境的适应性,对生物肠道
无危害性,更为其在粮食中的应用奠定了基础。
Varga 等[16]对动物体内曲霉属真菌的脱毒研究
表明,反刍动物瘤胃中的微生物可以降解 OTA,人
类胃肠道中也有菌种可以降解 OTA。Upadhayaa 等[28]
对猪的肠道微生物进行了分离、筛选和鉴定,研究
其对 OTA 的降解能力。研究表明猪的肠道菌群中分
离出的一种厌氧菌对 OTA 有很强的降解能力。在
体外固体发酵培养基上,该菌 24 h 后能完全降解
OTA。Madhyastha 等[29]对鼠肠道微生物的研究表明
鼠肠道微生物可以将 OTA 水解为毒性较小的 OTα,
且大肠和盲肠是 OTA 水解的主要场所。Mobashar
等[30]研究了瘤胃中的微生物种群对 OTA 降解能力
和饮食对 OTA 降解的影响,结果表明瘤胃微生物和
饮食都会影响 OTA 的降解。瘤胃微生物中主要是细
菌有较高的降解 OTA 的能力,一些原生生物似乎也
有一定的降解能力,而饮食对原生生物的数量有一
个二次效应,从而影响到 OTA 的降解。Camel 等[31]
对人肠道微生物对 OTA 的降解能力的研究表明,在
含 OTA 的培养基中培养人肠道微生物,OTA 的平均
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第12期22
降解率为 47% 和 34%。分离纯化得到 3 种降解产物,
分别为 OTα,OTB 和 OP-OTA(开环 OTA)(图 2)。
OTα 和 OTB 的毒性均小于 OTA,但 OP-OTA 的毒性
却大于 OTA。有很多研究已证实 OTα 为 OTA 的一
种降解产物,然而对于 OTB 和 OP-OTA 的报道少之
又少。这项研究启示人们去研究 OTA 的降解途径并
O
O O
O
O O
O
O
O
O
Cl
OOH
OHNH
COOH
Hydrolysis
Dechlorination
Ring-opcning
COOH
NH
OH
HO
Cl
OTα
OTA OTB
Cl
CH3
CH3
H
CH3
CH3
OH
H
OH
OH
OH
N
H
O
图 2 人的肠道微生物对 OTA 的降解
阻断 OTA 转变为 OP-OTA 的途径。
4 展望
粮食与饲料的真菌毒素污染问题是全球性的难
题,目前利用微生物和微生物酶脱除真菌毒素与物
理、化学方法脱毒相比,具有材料容易获得和扩培,
环境友好,易于应用等优势,具有很好的应用前景。
生物脱除 OTA 的各种微生物中,细菌以其数量庞大,
代谢途径多样可能成为未来首选。该领域前期研究
获得能够降解 OTA 的细菌种类也远远高于酵母菌和
霉菌。目前对微生物脱除 OTA 的机理研究主要集中
在微生物产生的蛋白类肽类和蛋白酶对 OTA 的作
用,已有研究结果证实蛋白酶能将 OTA 转化为毒性
很小的 OTα,从而达到脱毒的目的。但目前大多数
对 OTA 的脱毒研究局限于脱毒菌种的分离与筛选,
而对脱毒菌株 OTA 降解酶研究得很少,在已有研究
的基础上,进一步利用一定的现代分离技术,从脱
毒菌株中获得高纯度的 OTA 降解酶,分析其蛋白结
构及作用机制 ;找出降解酶对应的编码基因,利用
基因工程手段进行高效表达,并利用酶工程手段提
高酶的稳定性,制成酶制剂 ;或通过基因工程手段
获得更高降解效率、可用于实际脱毒的高效菌株,
这些将成为未来研究的热点。
参 考 文 献
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(责任编辑 狄艳红)