综述：纳米材料在霉菌毒素催化降解方面的进展：对纳米酶、过一硫酸盐催化剂和光催化剂的深入分析

《Food Chemistry》：Advancements in nanomaterial-enabled catalytic degradation of mycotoxins: Critical analysis of nanozymes, peroxymonosulfate catalysts, and photocatalysts

纳米材料在麦角毒素降解中的应用研究，综述了纳米酶、PMS催化剂和光催化剂三种技术体系，分析其降解机制（金属价态循环、硫酸根自由基、光生自由基）及协同催化策略，指出AFB1和DON已实现高效降解但ZEN等毒素研究不足，建议优化材料设计、加强安全评估及与传统技术融合。

　　

黄玲|雷健|农慧成|曾林涛|谭红霞

广西大学轻工与食品工程学院，中国南宁530004

摘要

霉菌毒素广泛存在于食品和饲料中，对健康构成威胁并导致经济损失。由于纳米材料具有独特的性质，在降解霉菌毒素方面显示出潜力。本文综述了纳米酶、过氧单硫酸盐（PMS）催化剂和光催化剂的研究进展，详细阐述了它们的类型、作用机制和应用效果。纳米酶通过金属价态循环和电子转移来降解霉菌毒素，同时具备高稳定性和可回收性。PMS催化剂通过激活产生硫酸根自由基来降解霉菌毒素，但尽管具有独特优势，基于金属的系统仍存在泄漏风险。光催化剂通过光诱导产生自由基来降解霉菌毒素。通过这三种代表性的高级氧化过程（AOPs），已成功高效降解了AFB₁和DON等主要霉菌毒素。然而，对于ZEN、PAT和FBs等其他霉菌毒素的降解研究有限，需要进一步发展。未来的研究还应优化材料和降解工艺，加强安全性测试和监测，并探索与传统技术的结合，以推进工业化进程并确保食品和饲料的安全。

引言

霉菌毒素污染对全球食品安全构成了严重威胁，已成为世界卫生组织（WHO）关注的重点问题。至少25%的全球谷物作物受到霉菌毒素的污染，约2%的粮食因严重污染而无法使用，导致数十亿美元的经济损失（J. Xu等人，2023年）。霉菌毒素是由霉菌产生的有毒次级代谢物，广泛存在于食物链的各个环节。它们具有肾毒性和肝毒性等多种危害，不仅威胁人类和动物的健康，还对粮食储备构成巨大挑战（Sharma & Patial，2021年）。受污染的食品无法食用，受污染的饲料会导致牲畜生长发育迟缓等问题，影响畜牧业的经济效益和可持续发展（Horky等人，2018年；Kumar等人，2021年；Shi等人，2023年）。因此，寻找高效且无害的解决方案迫在眉睫，而纳米技术为此带来了希望。

纳米材料（NMs）是指至少有一个维度在1–1000纳米范围内的材料，或基于这些尺寸单位构建的材料（Ali等人，2021年）。它们体积小、比表面积大、化学反应活性高。纳米尺度上的量子效应赋予了它们独特的性质，使其在许多领域比传统材料更具优势。传统的霉菌毒素去除方法（如物理吸附、酶促降解）在农业和食品系统中效率低下且可扩展性差（Y. Guo等人，2021年）。在农业领域，科学家们开发了多种纳米材料来解决霉菌毒素污染问题，例如纳米酶、过氧单硫酸盐（PMS）催化剂、光催化剂等（Ali等人，2021年；Cui, Li, Zhang, Qin, Hu, Wang等人，2022年）。纳米酶具有类似酶的活性，包括过氧化物酶（POD）样、氧化酶（OXD）样、过氧化氢酶（CAT）样、漆酶（LAC）样和超氧化物歧化酶（SOD）样等（Cui等人，2022年；Gomaa，2021年）。它们具有高效催化、选择性高、稳定性好、可回收、环境友好、成本低和生物相容性强的优点，在污染物降解等多个方面得到了广泛研究。光催化剂利用半导体材料的性质将光能转化为自由基以降解有机污染物，具有环保和可回收的特点。基于纳米材料的光催化剂由于量子效应优化了带隙，提高了催化性能，从而更有效地降解霉菌毒素（Horky等人，2018年；Ismail等人，2018年；Jin Mao等人，2018年）。PMS催化剂通过基于硫酸根自由基（SO?•^?）的高级氧化过程（AOPs）来降解污染物。它们的氧化还原能力比光催化剂产生的羟基自由基（•OH）和超氧阴离子自由基（•O₂^?）更强，可以更有效地降低消耗风险并减少食品浪费（Tian等人，2022年）。

现有的关于霉菌毒素降解的综述文章在研究范围和分析视角上存在明显局限。一方面，大多数研究仅关注特定催化系统（如光催化、纳米酶或基于PMS的催化）的降解能力，没有进行全面的比较分析。另一方面，从宏观角度出发，没有系统阐述AOPs在霉菌毒素降解方面的整体适用性、场景适应性及大规模应用潜力。因此，这些综述未能为该领域的技术进步提供全面的指导。

本文探讨了纳米材料在食品和饲料中对抗霉菌毒素污染的应用，重点讨论了三种关键的降解策略：光催化、纳米酶催化和基于PMS的AOPs。此外，还分析和讨论了级联催化系统（两种或更多催化系统的组合），这为食品安全修复的研究人员提供了有前景的策略。预计通过各种纳米材料的协同效应，可以为农业和食品产业的可持续发展提供创新解决方案，从而保障人类和动物的健康以及食品安全。

基于纳米酶的催化降解

尽管传统的生物酶由于高效性和特异性已被用于霉菌毒素的降解，但由于成本高、变异性大、纯化和回收困难以及储存稳定性差，其工业应用受到很大限制（R. Zhang等人，2021年）。因此，兼具模拟酶活性和固定化特性的纳米材料成为研究的重点，为霉菌毒素降解提供了新的途径。

PMS催化剂

作为关键的氧化剂，PMS在高级氧化过程（AOPs）中生成SO?•^?，这些过程被广泛用于降解有机污染物（Tian等人，2022年）。PMS催化剂具有广泛的稳定性和高氧化还原催化活性，在降解有害有机污染物（如霉菌毒素）方面具有巨大应用潜力，有望成为解决霉菌毒素污染问题的有力工具。

光催化剂

光催化利用半导体的太阳能吸收，在水中产生电子-空穴对，引发自由基的氧化还原反应，将有机污染物非选择性降解为无机物质。这一过程展示了光催化技术在环境净化方面的巨大潜力。如表S1所示，应用于霉菌毒素的光催化纳米材料包括基于金属的纳米材料和非基于金属的纳米材料。

级联催化系统

如表S2所示，以光催化、PMS催化和纳米酶催化为代表的新型AOPs发展迅速，在降解多种污染物方面表现出优异的性能（Durodola等人，2023年；Ma等人，2022年；X. Xu等人，2021年）。然而，每种单一工艺方法都有其固有的局限性：纳米酶的催化活性高度依赖于外源性H?O?的补充，无论是浓度不足还是过高都会影响效果。

结论与展望

本文全面回顾了三种新兴纳米催化系统（纳米酶、PMS催化剂和光催化剂）在霉菌毒素降解方面的最新进展和应用。纳米酶通过涉及金属价态转换和界面电子转移的氧化还原机制来降解霉菌毒素，表现出优异的结构稳定性和可回收性。然而，仍存在回收繁琐等显著挑战。

CRediT作者贡献声明

黄玲：撰写——初稿、资源获取、正式分析、数据管理。雷健：软件开发、调查。农慧成：软件开发、调查、数据管理。曾林涛：撰写——审稿与编辑、可视化处理、验证、监督、软件应用。谭红霞：撰写——审稿与编辑、监督、调查、资金获取、概念构思。

未引用的参考文献

Bai等人，2019年

Bai等人，2017年

Chen等人，2024年

Dong等人，2014年

Mao等人，2022年

Sun等人，2021年

Wang等人，2019年

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了广西大学高层次人才引进启动项目（ZX01080030524010）的支持。