秦菲, 汪洋, 趙祎,, 陳明生, 范文佳, 郭寶元,*, 王松雪

1. 北京聯(lián)合大學(xué)生物化學(xué)工程學(xué)院,北京 100023

2. 國家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院,北京 100037

3. 湖北以勒科技有限公司,武漢 430070

脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(deoxynivalenol, DON),化學(xué)名為3α,7α,15-三羥基-12,13-環(huán)氧單端孢霉-9-烯-8-酮,CASRN 為51481-10-8,又稱嘔吐毒素(vomitoxin),結(jié)構(gòu)如圖1 所示,是禾谷鐮刀菌(Fusarium graminearum)和黃色鐮刀菌(Fusarium culmorum)等真菌侵染谷物及其制品產(chǎn)生的有毒代謝產(chǎn)物[1-2]。DON 能引發(fā)人和禽畜拒食、嘔吐、生長延遲、生殖紊亂等癥狀,對(duì)人畜造成傷害[3]。 在我國,DON 在小麥和玉米中檢出陽性率和污染水平均較高[1-2],小麥和玉米中DON 的檢出率基本呈現(xiàn)由南向北逐漸增高之勢。 DON 污染水平一般在 0.3 ~ 1 mg·kg-1,部分甚至超過 5 mg·kg-1[1-2]。 為避免 DON通過飼料污染禽畜產(chǎn)品,糧食和飼料的DON 脫除非常重要。

圖1 脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(DON)的結(jié)構(gòu)及其在生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)化過程注:DOM-1 表示脫環(huán)氧雪腐鐮刀菌烯醇;3-keto-DON 表示3-酮基脫氧雪腐鐮刀菌烯醇;3-epi-DON 表示3-異構(gòu)化脫氧雪腐鐮刀菌烯醇。Fig.1 The deoxynivalenol (DON) structure and the metabolites in organismsNote: DOM-1 is de-epoxy-deoxynivalenol;3-keto-DON is 3-keto-deoxynivalenol;3-epi-DON is 3-epi-deoxynivalenol.

昆蟲是世界上最繁盛的動(dòng)物類群之一[3-5]。 由于真菌毒素廣泛存在于各種糧食中,很多植食性昆蟲也不可避免地通過取食暴露于真菌毒素污染。 近年來,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)昆蟲可以通過一系列的生理過程,將其攝入的真菌毒素代謝或排出體外[6-12]。 黃粉蟲(Tenebrio molitorlarvae)、黑水牤(Hermetia illucenslarvae)和黑菌蟲(Alphitobius diaperinusPanzer)等昆蟲能夠代謝50% ~80%攝入的玉米赤霉烯酮、黃曲霉素和 DON 等真菌毒素[6]。 van Broekhoven 等[7]發(fā)現(xiàn)部分DON 及3-乙?；撗跹└牭毒┐?3-ADON)和15-乙酰基脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(15-ADON)能夠被代謝和排出黃粉蟲體外,24 h 后蟲體內(nèi)即檢測不到DON 殘留。 黃粉蟲對(duì)DON 的代謝率高達(dá)80% ~96%,同時(shí),腸道中也檢測到DON 的環(huán)氧開環(huán)代謝產(chǎn)物脫環(huán)氧雪腐鐮刀菌烯醇(DOM-1)[6-12],由此可見黃粉蟲腸道微生物中存在著DON 降解菌。

黃粉蟲(Tenebrio molitor)是非常具有代表性的一種食用昆蟲品種,屬于鞘翅目(Coleoptera),擬步甲科(Tenebrionidae),粉甲屬(Lepidoptera)。 目前,DON在昆蟲體內(nèi)代謝和毒理學(xué)研究鮮有報(bào)道。 本研究探究了DON 超標(biāo)的飼料對(duì)黃粉蟲的影響,同時(shí)將考察DON 在黃粉蟲體內(nèi)的代謝規(guī)律。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 試劑和生物材料

脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(DON)和13C 標(biāo)記的DON穩(wěn)定同位素標(biāo)準(zhǔn)溶液(100 mg·L-1)購自Romer 公司(美國)。 甲醇、乙腈、乙酸銨、甲酸和乙酸均為HPLC 級(jí),購自默克公司(美國)。 實(shí)驗(yàn)用水為Milli-Q 超純水。

實(shí)驗(yàn)用黃粉蟲(Tenebrio molitorlarvae)購自北京本地花鳥魚菜市場。 在實(shí)驗(yàn)室人工氣候箱中(25℃,濕度60%)馴化1 周后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 馴養(yǎng)采用的飼料為小麥粉,由2020年黃淮海地區(qū)生產(chǎn)的小麥加工制成。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

四極桿/靜電場軌道阱高分辨質(zhì)譜儀(Q-Exactive,賽默飛世爾科技公司,美國);快速液相色譜儀(UltiMate 3000,賽默飛世爾科技公司,美國)用于小麥 粉、 黃 粉 蟲 體 內(nèi) 和 糞 便 中 DON、 3AcDON、15AcDON 及其代謝產(chǎn)物的分析。

液相色譜條件:Waters 公司CORTECSTM UPLC C18柱(100 mm×2.1 mm,1.6 μm),柱溫為 40 ℃,進(jìn)樣量 2 μL。 流動(dòng)相:A 為甲醇,B 為含 1%(體積分?jǐn)?shù))的甲酸和1 mmol·L-1乙酸銨的水溶液,流速0.3 mL·min-1。 梯度洗脫條件:0 ~2 min,90% B;2~3 min,90% ~80% B;3 ~4 min,80% ~79% B;4~5 min,79% ~74% B;5 ~7 min,74% B;7 ~7.5 min,74% ~40% B;7.5 ~10.5 min,40% B;10.5 ~13.5 min,40% B;13.5 ~14.5 min,40% ~5% B;14.5~17 min,5% B;17 ~18 min,5% ~90% B;18 ~21 min,90% B。

質(zhì)譜條件:加熱電噴霧離子源(HEST)溫度為300 ℃;毛細(xì)管電壓為3.2 kV;離子傳輸管溫度為320 ℃。 Full scan/ddms2 掃描模式:采集范圍為200~800 Da,正離子采集;一級(jí)質(zhì)譜分辨率為70 000 FWHM,二級(jí)質(zhì)譜分辨率為17 500 FWHM,碰撞池能量(NCE)為35 eV。

1.3 DON 加標(biāo)小麥粉飼料的制備

我國國家標(biāo)準(zhǔn)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中真菌毒素限量》(GB 2761—2017)[13]規(guī)定,谷物及谷物制品中DON 的限定量為1 mg·kg-1,需通過 UPLCMS/MS 技術(shù)對(duì)小麥粉原樣進(jìn)行多毒素檢測。 為考察黃粉蟲對(duì)低(low dosage, LD)、中(medium dosage,MD)、高(high dosage, HD)3 種劑量 DON 污染的小麥粉飼料的耐受情況,需人工摻毒制備中濃度、高濃度污染的小麥粉飼料,相關(guān)方法如下:分別準(zhǔn)確稱取0.815 mg 和1.63 mg DON 毒素標(biāo)準(zhǔn)品,加入2 mL水渦旋振蕩至完全溶解,分別將DON 水溶液與5.0 g 飼料混勻,然后再與10.0 g 飼料混勻,以此方式逐漸加入飼料混勻,最后將490 g 飼料全部混勻,分別制成5 mg·kg-1中劑量組和8 mg·kg-1高劑量組的摻毒飼料,未經(jīng)人工添加DON 的小麥粉作為低劑量對(duì)照組。

混勻后采用四分法取樣,對(duì)人工摻毒飼料中DON 的濃度進(jìn)行檢測,以評(píng)價(jià)摻毒的均一性。

1.4 DON 暴露實(shí)驗(yàn)

馴養(yǎng)后的黃粉蟲禁食48 h,在溫度(25±1) ℃、濕度60%的條件下進(jìn)行DON 暴露。 在250 mL 燒杯中放入30.0 g 黃粉蟲(約270 條),每3 d 投喂黃粉蟲質(zhì)量10%的低、中、高3個(gè)濃度(分別定義為LD、MD、HD)的DON 染毒小麥粉,每組設(shè)置2個(gè)平行。實(shí)驗(yàn)期間,每3 d 測定黃粉蟲體質(zhì)量、收集糞便并稱量,剔除死亡黃粉蟲,記錄黃粉蟲及其糞便質(zhì)量、死亡黃粉蟲的數(shù)量,暴露時(shí)間為14 d。 最后一次喂食后,在 0、1、2、4、8、12、24 和 48 h 分別取黃粉蟲 3.0 g,于-80 ℃保存。 將收集的黃粉蟲糞便在研缽中研磨成顆粒均勻的粉末置于-80 ℃冰箱中保存。

1.5 樣品前處理

小麥粉樣品:準(zhǔn)確稱取小麥粉5.00 g 樣品,加入20 mL 乙腈-水-乙酸(體積比為 70 ∶29 ∶1)提取液,用渦旋混合器混勻1 min,置于渦旋振蕩器上提取20 min,然后以 7 000 r·min-1離心 5 min,準(zhǔn)確移取0.5 mL 上清液加入0.5 mL 去離子水,渦旋混勻,然后用冷凍離心機(jī)以 4 ℃、12 000 r·min-1離心 10 min,取上清液,過 0.2 μm 有機(jī)濾膜,取 180 μL 過濾液加入20 μL 內(nèi)標(biāo)液,混勻上機(jī)。

黃粉蟲樣品:將黃粉蟲在50 ℃烘箱中烘干至恒重,在研缽中研磨成顆粒均勻的粉末。 稱取0.5000 g 加入乙腈-水-乙酸(體積比為 70 ∶29 ∶1)提取液 2 mL。 并用渦旋混合器混勻,置于渦旋振蕩器上提取20 min,置于超聲機(jī)中超聲15 min;然后以12 000 r·min-1離心10 min,準(zhǔn)確移取0.5 mL 上清液和0.5 mL 去離子水,渦旋混勻,然后用冷凍離心機(jī)以4℃、12 000 r·min-1離心20 min,用針頭取下層液體,用0.2 μm 有機(jī)濾膜過濾,取180 μL 過濾液加入20 μL 內(nèi)標(biāo)液,混勻上機(jī)。

黃粉蟲糞便:稱取0.5000 g 加入乙腈-水-乙酸(體積比為 70 ∶29 ∶1)提取液 2 mL。 用渦旋混合器混勻1 min,置于渦旋振蕩器上提取20 min,然后以7 000 r·min-1離心5 min,精確移取0.5 mL 上清液加入0.5 mL 去離子水,渦旋混勻,然后用冷凍離心機(jī)以 4 ℃、12 000 r·min-1離心 10 min,取上清液過 0.2 μm 有機(jī)濾膜,取 180 μL 過濾液加入 20 μL 內(nèi)標(biāo)液,混勻上機(jī)。

2 結(jié)果與討論(Results and discussion)

2.1 小麥粉中的DON

實(shí)際環(huán)境中,黃粉蟲接觸DON 途徑主要是膳食暴露。 本研究以DON 染毒小麥粉作為黃粉蟲飼料,分析黃粉蟲攝入染毒小麥粉后,DON 在黃粉蟲體內(nèi)和排泄物中的DON 殘留和代謝產(chǎn)物。 將黃淮海地區(qū)2020年生產(chǎn)的小麥制粉,測得其DON 殘留為0.25 mg·kg-1,低于食品安全標(biāo)準(zhǔn)GB 2761—2017中DON 的限量1 mg·kg-1。 以該小麥粉作為暴露的對(duì)照組,定義為LD 組,再通過向此小麥粉中加入DON 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)溶液,以制備DON 污染水平比較高的飼料。 通過液相色譜質(zhì)譜檢測,獲得2個(gè)不同DON 污染水平的小麥粉飼料樣品,分別為5.51 mg·kg-1(MD)和8.83 mg·kg-1(HD)。 后續(xù)黃粉蟲的 DON暴露將以此3個(gè)樣品為飼料。

2.2 黃粉蟲的DON 暴露

以LD、MD 和 HD 3 組不同 DON 濃度的小麥粉為飼料飼喂黃粉蟲,經(jīng)過3 d 的喂食,觀測到染毒小麥粉已全部轉(zhuǎn)化為黃粉蟲糞便。 在此期間,黃粉蟲將全部染毒飼料嚙食干凈,并未有剩余的小麥飼料,說明黃粉蟲并未對(duì)染毒小麥粉有厭食的情況。

對(duì)黃粉蟲進(jìn)行14 d 的暴露實(shí)驗(yàn),觀測黃粉蟲的體質(zhì)量變化和死亡情況,由表1 可知,LD 組幼蟲存活率(85%)＞HD 組幼蟲存活率(83%)＞MD 組幼蟲存活率(78%)。t檢驗(yàn)結(jié)果表明不同劑量組之間存活率無顯著差異(P＞0.05)。 黃粉蟲進(jìn)食高濃度 DON污染的小麥粉并不影響其存活率,通過外推法粗略估計(jì)DON 對(duì)黃粉蟲的半數(shù)致死濃度(LC50)＞5 000 mg·kg-1,表明DON 對(duì)黃粉蟲為低毒或無毒。

表1 DON 暴露對(duì)黃粉蟲生長的影響Table 1 Effect of DON on the development of Tenebrio molitor L.

經(jīng)過14 d 暴露實(shí)驗(yàn),LD 組黃粉蟲體質(zhì)量增加4.97 mg;MD 量組體質(zhì)量增加1.28 mg;HD 組體質(zhì)量增加5.37 mg。 通過t檢驗(yàn)表明3個(gè)實(shí)驗(yàn)組中黃粉蟲的增重并無顯著性差異(P＞0.05=0.407)。 黃粉蟲在喂養(yǎng)第5 天時(shí),各組均出現(xiàn)了化蛹的情況,通過t檢驗(yàn)表明3個(gè)實(shí)驗(yàn)組的化蛹情況,同樣無顯著性差異(P＞0.05)。

2.3 黃粉蟲體內(nèi)DON 殘留

在不同的時(shí)間點(diǎn)對(duì)染毒后的黃粉蟲取樣,檢測其體內(nèi)DON 濃度。 如圖2(a)所示,DON 濃度整體為下降趨勢,黃粉蟲在進(jìn)食含DON 的小麥粉前2 h體內(nèi)毒素呈現(xiàn)上升趨勢,2 h 時(shí)DON 濃度在體內(nèi)達(dá)到最高值,之后明顯下降;在8 h 后DON 開始緩慢下降;24 h 時(shí)毒素完全降解。 隨著黃粉蟲開始取食,其體內(nèi)的DON 逐漸上升。 黃粉蟲體內(nèi)酶和腸道微生物參與DON 的代謝過程[10]。 DON 在黃粉蟲體內(nèi)的消除過程還包括其排便過程。 在MD 和HD 組中,2 h 后黃粉蟲體內(nèi)的DON 濃度達(dá)到峰值,而在LD 組中,DON 達(dá)到峰值需要的時(shí)間則會(huì)比較晚(8 h)。 這說明高濃度的DON 更容易激活黃粉蟲體內(nèi)的代謝通路和腸道微生物對(duì)DON 的代謝活性。 在MD 和HD 組中,DON 濃度在黃粉蟲體內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái),說明DON 的攝入和代謝形成了一個(gè)平衡態(tài)。 隨后,隨著DON 污染的飼料經(jīng)排泄排出體外和代謝水平升高,黃粉蟲體內(nèi)DON 濃度會(huì)明顯下降,在24 h 后黃粉蟲體內(nèi)沒有DON 毒素殘留。

圖2 黃粉蟲體內(nèi)DON 濃度變化注:(a)DON 在黃粉蟲體內(nèi)濃度;(b)DON 在黃粉蟲體內(nèi)的生物累積因子。Fig.2 The DON concentration in Tenebrio molitor L.Note: (a) DON concentration in Tenebrio molitor L.; (b) Bioconcentration factors of DON in Tenebrio molitor L..

生物累積因子(bioaccumulation factor, BAF)反映了污染物在動(dòng)物體內(nèi)累積效應(yīng)。

式中:Cfeed是飼料中的DON 濃度,CTM為黃粉蟲體內(nèi)的DON 濃度。

當(dāng)BAF＞1 表示污染物在生物體內(nèi)有生物累積作用,BAF＜1 表示無生物累積作用。 生物累積因子用黃粉蟲體內(nèi)DON 的濃度與飼料中DON 的比值來表示(式1)。 黃粉蟲體內(nèi)的生物累積因子變化趨勢見圖2(b),結(jié)果表明DON 進(jìn)入黃粉蟲體內(nèi),容易通過代謝和排泄排出體外,無生物累積效應(yīng)。

2.4 DON 在黃粉蟲體內(nèi)的排泄

采用排泄率(excretion rate, ER)來表征通過糞便排出的DON,采用代謝率(metabolization rate, MR)來表征DON 在黃粉蟲體內(nèi)通過體內(nèi)酶和腸道微生物代謝的比例。

式中:Mfeed為投喂飼料的總量,Cfeed為飼料中DON的濃度,Mfeces為產(chǎn)生糞便的總量,Cfeces為糞便中DON 的濃度。

黃粉蟲糞便中DON 的檢測結(jié)果如表2 所示,在糞便樣品中均未檢測到DON 衍生物。 進(jìn)食污染飼料的黃粉蟲糞便中的DON 濃度低于污染小麥粉飼料 DON 的濃度。 LD 組黃粉蟲糞便中未檢出DON。 MD 組的糞便的 DON 濃度為 0.16 mg·kg-1,DON 排泄率為9%;HD 組糞便 DON 濃度為0.47 mg·kg-1,DON 排泄率為 17%。 由此可以推斷,DON 在黃粉蟲體內(nèi)的轉(zhuǎn)化途徑,主要是降解。 黃粉蟲進(jìn)食DON 污染的小麥粉飼料后,小部分通過糞便代謝排出,24 h 后體內(nèi)沒有DON 殘留,說明大部分DON 在黃粉蟲體內(nèi)通過腸道微生物和體內(nèi)酶降解。

表2 黃粉蟲糞便中DON 濃度Table 2 DON in feces of Tenebrio molitor L. (mg·kg-1)