《食品科學》：河南工業大學辛穎副教授等：玉米赤霉烯酮生物降解及其脫毒機制研究進展

世界各地的谷物及農副產品中都能檢測到真菌毒素的存在，我國是世界上真菌毒素污染最嚴重的國家之一。其中，玉米赤霉烯酮（ZEN）是我國以小麥和玉米為主的谷物及其制品中的主要污染毒素，且污染程度隨著地理環境不同而有明顯差異。

ZEN又名F-2毒素，是一類主要由鐮刀菌產生的非甾體雌激素類真菌毒素，最早從有赤霉病的玉米中分離得到。ZEN的分子式為C18H22O5，結構如圖1所示，具有內酯結構，相對分子質量為318，熔點為165 ℃，具有熱穩定性，120 ℃加熱4 h不降解。常見ZEN衍生物為

ZEN污染不僅會對人和動物造成危害，還會造成巨大的經濟損失。目前，主要ZEN降解方法是物理和化學技術。生物降解法綠色、高效且脫毒靶向性強，逐漸成為研究熱點。

河南工業大學糧油食品學院的李凱龍，劉昆侖，辛 穎*等綜述了ZEN毒性及其危害、ZEN降解菌株與降解酶及現代生物技術在ZEN脫除中的應用，重點分析ZEN生物降解產物類型及其脫毒機制，并展望ZEN生物脫毒的潛在應用方向，為ZEN生物脫毒研究提供理論依據。

1 ZEN毒性及其作用機制

ZEN具有雌激素效應，其結構特殊性會對人和家畜帶來極大危害，攝入后會嚴重干擾正常的生殖機能，同時給養殖業帶來巨大的經濟損失，因此，不少學者對ZEN毒性及其作用機制進行了深入研究。

1.1 生殖毒性

ZEN與內源性雌激素結構相似，因此，ZEN及其衍生物能與雌激素競爭性結合雌激素受體，從而激活雌激素反應元件，發生一系列雌激素效應。不少研究表明，ZEN會導致畜禽類動物產生雌激素過多癥和其他生殖異常癥狀。在這些動物中，豬的敏感性遠高于其他動物，并且雌性對ZEN的敏感性高于雄性。Yousef等研究顯示，ZEN對水牛精子和卵母細胞減數分裂進程產生了不利影響，卵裂率、桑葚胚率和胚泡率顯著降低。

1.2 細胞毒性

ZEN在人和動物體內過量積蓄會引起激素紊亂，從而誘導細胞自噬和凋亡。其主要通過影響細胞代謝和合成，進而影響相應蛋白的合成，使細胞完整性發生改變。Bai Jun等在ZEN對妊娠早期豬繁殖的毒性作用及其機制研究中發現，使用0～80 mmol/L ZEN處理滋養層外胚層（pTr）細胞12 h或24 h，可降低pTr細胞中大多數磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B（AKT）信號通路蛋白的磷酸化，包括AKT、哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）復合物1和4E-結合蛋白1，并且可激活其他信號蛋白如P70核糖體蛋白S6激酶、S6、細胞外信號調節激酶1/2（ERK1/2）、c-Jun氨基端激酶1/2和P38絲裂原活化蛋白激酶，進而抑制細胞增殖，誘發細胞凋亡。Pan Peipei等通過對雌性大鼠強制飼喂ZEN，使雌性大鼠的子宮內生長受限，這主要是ZEN通過AKT1/ERK1/2/mTOR介導的細胞自噬破壞胎盤的功能。

1.3 基因毒性

ZEN中毒癥狀還包括對DNA造成損傷，它可以造成染色體畸形、變異及基因突變，從而引發一系列問題。Li Na等采用全轉錄組序列探索ZEN對豬卵巢顆粒細胞（GCs）毒害作用的分子機制。結果顯示，暴露于低劑量的ZEN會影響豬卵巢GCs的細胞周期相關基因和蛋白質表達水平，并且改變目標miRNA和lncRNA的表達水平。Ji Yiming等研究發現，添加ZEN會引起小鼠卵母細胞G2/M期的停滯，采用DNA損傷標志物γ-H2A.X對卵母細胞進行染色發現，暴露于高劑量ZEN的卵母細胞幾乎沒有熒光信號。此外，γ-H2A.X與檢查點激酶（CHK）2蛋白水平明顯下降，CHK1蛋白水平明顯增加，表明高劑量ZEN會導致DNA損傷。

1.4 免疫毒性

最近研究表明，ZEN還具有免疫毒性。ZEN除了可以抑制T細胞激活，對紅細胞和淋巴細胞數量產生影響，還可調節細胞因子和抗體的產生。Cai Guodong等評估ZEN對T細胞影響時發現，ZEN會引起T細胞表面和內部超微結構損傷，抑制由CCL19或CCL21介導的T細胞趨向性，破壞T細胞亞型平衡。Wu Fengyang等評估ZEN對青春期前母豬血清免疫球蛋白影響，結果表明，與對照組相比，ZEN處理母豬血液中免疫球蛋白水平明顯下降。Zhang Hongyun等對魚投喂不同濃度ZEN，結果表明，與對照組相比，ZEN組的酸性磷酸酶（ACP）、溶菌酶（LZ）活性、免疫球蛋白M含量均顯著降低，并且β-防御素1（β-defensin-1）、鐵調素（hepcidin）、肝臟表達的抗菌肽2A/2B（LEAP-2A/2B）和黏蛋白2（Mucin-2）等的轉錄水平降低。

2 ZEN生物降解方法

2.1 細菌對ZEN的降解

自然界的細菌種類繁多、分布范圍廣泛，且細菌代謝能力強，是發掘ZEN降解菌株的重要資源。芽孢桿菌屬是應用于ZEN降解最廣泛的細菌類別。張倩等從135 份赤霉病高發區土壤樣品中篩選到1 株降解菌株，命名為Fu2-3，經基因測序為解淀粉芽孢桿菌。該菌株表現出明顯的ZEN降解能力，6 h內對ZEN的清除率達95%以上。Xu Jianhong等通過篩選獲得1 株名為ZDS-1的液化淀粉芽孢桿菌，在30 ℃、pH 6.0～7.0條件下可有效降解1～100 mg/L范圍內的ZEN，且在ZEN質量濃度為9.56 mg/L時，3 h降解率可達97.8%，同時該菌對小麥中ZEN也有很好的降解效果。

此外，一些報道表明，其他細菌也具有很好的ZEN降解效果。何潤霞從石油污染土壤中分離出1 株紅球菌SYA13，與ZEN培養基共孵育72 h，ZEN降解率高達87.1%。通過動物實驗發現，菌株SYA13的發酵液在一定程度上可緩解ZEN對小鼠血液、肝臟、腎臟的損傷。Harkai等從124 種鏈球菌中篩選出1 株Rimosus菌株，對ZEN的降解率幾乎達100%。Tan Hui等從瘤胃內容物中分離出1 株能降解ZEN的假單胞菌菌株TH-N1，在最適條件下（37 ℃、pH 4.5、菌濃度109 CFU/mL），降解率可達79%。在含有ZEN的小麥樣品中，菌株TH-N1對ZEN的降解率超過60%，具有顯著的ZEN降解活性，可作為降解食品和飼料中ZEN的新細菌資源。

2.2 真菌對ZEN的降解

目前，已經篩選出許多具有ZEN降解能力的真菌。在這些真菌中，一些曲霉菌在產生降解ZEN生物酶的同時還會抑制其他產毒菌生長。與細菌相比，真菌培養過程復雜，不易受到污染，菌株生命力強，培養溫度較低。真菌還表現出高代謝能力，因此具有更高的應用潛力。

ZEN降解真菌多為酵母菌，且表現出高降解效率。吳暉等確定了1 株對ZEN有降解能力的菌株CLY01，結果表明，菌株CLY01在添加ZEN的培養基中發酵96 h后，培養基中的ZEN質量濃度從3.893 mg/L降為0.125 mg/L，降解率達96.79%，表明菌株CLY01具有高效ZEN降解能力。郭倩倩等發現，西藏膠紅酵母具有較好的ZEN降解作用，經24 h培養后，對ZEN的降解率達90%以上。此外，還有部分不產毒曲霉菌也具有一定的ZEN降解作用，Sun Xiulan等從發酵大豆中分離出1 株黑曲霉菌株FS10，受污染的玉米浸出液中，ZEN質量濃度為29 μg/mL，FS10菌株對其降解率為60.01%，通過動物實驗證明該菌株可以明顯減輕ZEN對小鼠肝臟和腎臟的損傷，在食品和飼料中具有很高的應用潛力。

2.3 酶對ZEN的降解

深入研究發現，對ZEN生物降解的主要物質為細菌或真菌的胞內酶或其分泌的酶，這些酶可直接作用于毒素本身，消除活菌降解可能產生的有害物質，以及活菌降解對食品的影響。

目前，國內外已有許多關于ZEN降解酶的報道。Guo Yongpeng等研究地衣芽孢桿菌孢子CotA漆酶時發現，Mn2+和Cu2+可以增強該菌株的ZEN降解能力。固定在殼聚糖微球上的CotA漆酶在80 ℃處理30 min仍具有很高的活性，游離CotA漆酶和固定化CotA漆酶對玉米粉中的ZEN降解率分別達70%和90%。除了漆酶外，過氧化物酶（POD）也是報道較多的ZEN降解酶。Guo Yongpeng等研究發現，枯草芽孢桿菌中的POD BsDyP對ZEN具有降解作用，該酶可能使ZEN與血紅素γ-邊和表面暴露的具有氧化還原活性的Tyr335殘基結合。并且，在pH 5.0～10.0范圍內，2,2’-聯氮-雙-(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)作為BsDyP氧化還原介質時，ZEN降解率可達98%以上。de Oliveira Garcia等評估商業POD對ZEN的降解作用，在pH 7、離子濃度25 mmol/L、溫度30 ℃時，向模型溶液中加入26 mmol/L H2O2和1 mmol/L K+，POD對ZEN的降解率可達64.9%。在最新研究中，Ding Shuai等發現平菇中的染料脫色POD（PoDyP4）在pH 6.0、溫度40 ℃下，可在2 h內幾乎完全降解ZEN，甚至在ZEN濃度達到1 mmol/L時，也能幾乎完全降解。該研究還發現，通過分子對接的疏水性接觸和氫鍵對ZEN-PoDyP4穩定性至關重要，這一發現表明，PoDyP4在食品和飼料領域具有很好的應用前景。

最為人所知的ZEN降解酶為ZHD101酶，由Kakeya等從粉紅螺旋聚孢霉（Clonostachys rosea）IFO 7063代謝物中純化得到。其降解機制已被確定，但是這種酶在苛刻的工業環境中易失活，不能有效降解ZEN。柴成梁等發現并確認了1 種降解酶ZHD795，該酶為ZHD101酶的同源酶，其ZEN降解活性為ZHD101的2.5 倍，具有良好的應用前景。Wang Meixing等表達并表征了1 種新鑒定的可降解ZEN的內酯水解酶，命名為ZHD518，在最適pH值和溫度條件下對ZEN表現出較高降解活性，并且該酶還可以有效降解ZEN的衍生物（表1）。

3 現代生物技術在ZEN生物降解中的應用

現代生物技術是在分子生物學基礎上發展起來的，一般包括基因工程、細胞工程、酶工程、蛋白質工程等，可做為一項潛在的ZEN生物脫毒技術（圖3）。相較于其他脫毒技術而言，現代生物技術可以發展為一種主動預防措施。

大腸桿菌作為一種常用的生物技術載體菌，在基因克隆表達方面應用廣泛。Altalhi等從惡臭假單孢菌ZEA-1菌株中鑒定出ZEN降解初始反應所涉及的酶編碼基因，并成功克隆了1 個5.5 kbp Pst1-Kpn1降解基因片段，通過基因技術在大腸桿菌中異源表達，重組大腸桿菌可在24 h完全降解ZEN，相對快速、有效。Chen Shurong等將來自Trichoderme aggressivum的內酯水解酶ZHD-P在大腸桿菌中異源表達，異源表達酶對ZEN表現出較高的降解活性（191.94 U/mg），ZHD-P還表現出較高的pH值穩定性和重復利用性。Wang Meixing等通過基因技術在大腸桿菌中重組異源表達ZHD518，該酶對ZEN表現出較高的降解活性（207.0 U/mg）。通過定點突變，將該酶N的第156位點突變為H，得到ZHD518（N156H），該突變體對α-ZOL降解活性是ZHD518的3.3 倍，具有良好的應用前景。

Poppenberger等利用基因工程酵母菌株，從模式植物擬南芥中克隆編碼尿苷二磷酸-葡萄糖基轉移酶基因，該酶可以有效滅活ZEN，通過液相色譜-串聯質譜法測得其產物主要為ZEN-4O-葡萄糖苷。Bi Ke等將1 種名為zenc的基因成功在畢赤酵母中過度表達，其編碼的ZEN內酯酶ZENC不僅可以在一定程度上抵抗金屬離子和抑制劑，還可以顯著降低3 種不同動物飼料中的ZEN濃度，有望應用于動物飼料和食品行業。

4 ZEN生物降解方式及產物分析

不同種類的微生物或產生的生物酶與ZEN的作用位點、結合方式、代謝路徑并不完全相同，因此，產生的代謝產物也不一樣（圖4）。這些微生物或生物酶通過不同的結合方式，使ZEN結構產生變化，從而使ZEN代謝產物毒性降低或完全失去毒性。

4.1 糖基化反應

糖類作為微生物的能源物質，參與微生物生長代謝的各個環節。在尿苷二磷酸葡糖醛酸轉移酶催化作用下，ZEN及其還原代謝物可以與葡萄糖醛酸（GLcA）有效結合。GLcA結合物不具有雌激素生物活性，因此可作為一種有效的ZEN降解途徑。Pan Yaoyin等評估1 株具有高度還原酶活性的念珠菌ATCC 7330，其可將ZEN轉化為毒性較低的β-ZOL。通過向培養基中加入葡萄糖可以觸發菌株的ZEN糖基化作用，從而將ZEN轉化為玉米烯酮葡萄糖苷。該反應主要發生在ZEN的C-14與C-16位點上，在細胞膜葡萄糖基轉移酶的作用下，葡萄糖與ZEN中C-14、C-16位點發生糖基化反應生成ZEN-14,16-二葡萄糖苷。核磁共振分析結果顯示，ZEN-14,16-二葡萄糖苷在體外消化條件下非常穩定。值得注意的是，ATCC 7330對β-ZOL、α-ZOL也表現出葡萄糖基轉移活性，轉移率分別為100%、76%、100%，可作為有效的解毒劑。此外，ZEN-14-GLcA、ZEN-16-GLcA等糖基化產物均不具有雌激素活性。

4.2 酶水解開環反應

ZEN的毒性主要來源于其含氧內酯環結構，因此將ZEN內酯環結構破壞是有效的解毒途徑。Zhou Jie等研究RmZHD水解酶降解ZEN的機制。降解途徑大致可分為兩步：第1步是激活Ser105的去質子化，以攻擊底物ZEN上的羰基，產生一個酰基酶的中間體，形成C1—O2共價鍵。第2步是酰基酶中間體的C1—O3鍵被裂解，His的質子與底物ZEN的O1形成一個羥基產物。Vekiru等通過液相色譜-串聯質譜法和液相色譜-二極管列陣檢測器探究解毒毛孢酵母對ZEN的解毒機制。其代謝產物被命名為ZOM-1，無雌激素生物活性。通過飛行時間質譜法和核磁共振分析發現，通過酯酶的Baeyer-Villiger氧化反應，可在底物羰基碳旁邊插入一個氧，擴大環后再開環形成內酯，開環處形成1 個羧基和1 個羥基，從而得到ZOM-1。

4.3 脫羧反應

一些微生物可將ZEN的含氧內酯環打開，形成羧基，之后進行脫羧反應，使ZEN毒性喪失，從而達到脫毒的目的。Wang Gang等通過酯酶活性測定法快速篩選出1 株短小芽孢桿菌ES-21，該菌株首先將ZEN的內酯環斷裂，隨后發生脫羧反應，生成1-(3,5-二羥基苯基)-10-羥基十一-1-烯-6-酮，降解產物可在其他代謝酶的作用下快速分解。雷元培篩選出1 株枯草芽孢桿菌ANSB01G，其降解機制為ZEN的酚羥基和谷氨酸的γ-羧基結合，脫水形成一個初級代謝產物M1，M1的毒性部位內酯環經過水解開環，生成1 個羧基和1 個醇羥基，之后經過脫羧脫水生成無毒產物M2。王楠通過貝萊斯芽孢桿菌A2降解ZEN，ZEN毒素的內酯環在貝萊斯芽孢桿菌A2的作用下裂解，脫去1 個羧基并生1 個羥基，羥基與氨基酸反應生成酯鍵，從而達到脫毒的作用。

4.4 其他降解反應

β-ZOL為ZEN的衍生物之一，也是多數微生物降解ZEN的產物。有研究表明，在動物體內，ZEN首先被代謝為β-ZOL，從而降低ZEN對動物的毒性。降解過程中，β-ZOL在結構變化上與ZEN最大的差異是發生在C-7位點上的C＝O羥基化反應，生成—OH，使毒性來源的含氧內酯環結構發生變化，從而使得毒性遠遠低于ZEN，可作為一種有效的降解途徑。不少研究表明，根霉菌及少量絲狀真菌和酵母可將ZEN降解為β-ZOL，Zloch等探究了副干酪乳桿菌對ZEN的降解作用，其主要產物為β-ZOL，其中和機制包括代謝/生物轉化和結合/生物吸附2 個過程。ZEN的羰基易被氧化，有研究報道，ZEN被霉菌降解后發生磺化反應生成亞硫酸鹽，主要為ZEN-14-S。這種硫酸鹽產物最早分離自禾谷鐮刀菌水稻培養物，也可由其他鐮刀菌和根霉產生。ZEN-14-S主要由磺基轉移酶催化，盡管ZEN的硫酸鹽結合物顯示出一定的雌激素活性，但與ZEN相比，ZEN-14-S的雌激素活性非常低，可作為一種解毒途徑。El-Sharkawy等研究報道，真菌班尼小克銀漢霉（Cunninghamella bainieri）可將ZEN中C-14和C-16位點的羥基甲基化，生成無雌激素毒性的16-甲氧基玉米赤霉烯酮和14,16-二甲氧基玉米赤霉烯酮，轉化率為80%～90%，是一種有效的解毒途徑。

5 生物降解ZEN存在的問題

總體來說，生物降解ZEN往往能表現出令人滿意的降解效率和靶向效果，是一種非常有效的脫毒方法。而且，生物降解產物的結構變化小，通常為弱毒性物質或完全無毒物質，脫毒潛力優異。但是目前生物降解ZEN仍存在一些問題。

5.1 隱蔽性毒素的存在

霉菌毒素衍生物的產生增加了食品安全的復雜性，一些隱性霉菌毒素可與大分子成分非共價結合，無法通過常規的檢測手法檢測到。這類霉菌毒素仍然保留著天然結構，仍然可以發揮其原有的毒性。Tan Hongxia等通過復合酶預處理含毒素玉米產品，經高效液相色譜、質譜、熒光檢測及超濾分析發現，玉米及其制品中存在大量隱性毒素，隱性ZEN經體外消化轉化為自由形式，仍可發揮毒性。但ZEN毒素與玉米中大分子物質結合機制不明確。此外，微生物降解ZEN時，能否將隱性毒素釋放并降解尚無明確報道，因此對生物降解ZEN還有待深入研究。

5.2 毒素降解機制有待深入研究

目前，毒素的生物降解機制并不完全明確，許多微生物降解ZEN途徑大多由推斷形成一個大致路徑，對于降解機制的具體路徑并不能完整闡明。并且由于生物代謝的復雜性，代謝往往產生許多產物，因此諸多初級代謝產物及次級代謝產物并不能準確定位。生物降解目標產物存在一定不可控性，代謝后產物毒性甚至可能高于ZEN，如α-ZEL。另外，目前降解產物在動物體內代謝路徑的研究報道相對較少。

6 結語

雖然生物法降解ZEN存在一些問題，但由于其靶向效果佳、降解效率高及污染損害小等優點，在食品應用行業仍表現出巨大的應用潛力。通過對ZEN生物降解方法和可用手段進行分類、歸納發現，酶法是ZEN生物降解中效果較好的方法，或將成為未來ZEN生物降解發展的重要趨勢。此外，ZEN生物降解機制及產物特性研究仍不深入，需進一步探究。后續研究可通過現代生物技術、計算機編輯模擬技術等不斷優化生物降解方法，探討降解機制及ZEN生物代謝路徑，為ZEN生物脫毒研究及應用提供理論指導。

引文格式：

李凱龍, 劉昆侖, 辛穎, 等. 玉米赤霉烯酮生物降解及其脫毒機制研究進展[J]. 食品科學, 2025, 46(1): 246-254. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20231020-161.

LI Kailong, LIU Kunlun, XIN Ying, et al. Research progress on zearalenone biodegradation and its detoxification mechanism[J]. Food Science, 2025, 46(1): 246-254. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20231020-161.

實習編輯：王雨婷；責任編輯：張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網

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