通过非热等离子体对玉米和花生中黄曲霉素B降解的机理研究：活性物种及其动力学机制

《Food Control》：Mechanistic elucidation of aflatoxin B 1 degradation in corn and peanuts via nonthermal plasma: Reactive species and kinetic insights

非热等离子体在160 kV、150 Hz下有效降解玉米和花生中的黄曲霉毒素B1，玉米降解更显著，遵循零级动力学，臭氧、过氧化氢及羟基自由基起主要作用，物理性质变化较小但玉米质地和微观结构受影响更大，表明NTP是高效环保的食品脱毒方法。

　　

穆斯塔法·穆罕默德·纳西鲁（Mustapha Muhammad Nasiru）|埃文斯·弗里姆蓬·博阿滕（Evans Frimpong Boateng）|法兹·阿尔纳达里（Fawze Alnadari）|萨努西·沙姆苏丁·纳萨拉瓦（Sanusi Shamsudeen Nassarawa）|阿卜杜拉蒂夫·泰耶·穆斯塔法（Abdullateef Taiye Mustapha）|阿卜杜拉齐兹·努胡·吉布里尔（Abdulaziz Nuhu Jibril）|金峰（Jin Feng）|宋江峰（Jiangfeng Song）|王进（Jin Wang）|闫文静（Wenjing Yan）|张建浩（Jianhao Zhang）|李春阳（Li Chunyang）

江苏省农业科学院农产品加工研究所，南京，210014，中国

摘要

玉米和花生中的黄曲霉毒素污染对人类和动物健康构成重大风险，因此有效的去污措施至关重要。非热等离子体（NTP）处理已成为降解强致癌物黄曲霉毒素B1（AFB1）的一种有前景的方法。本研究探讨了在160 kV和150 Hz条件下，使用NTP处理1–5分钟对玉米和花生中AFB1的降解效果。结果表明，NTP处理能有效降低AFB1浓度，其中玉米的降解效果更为显著。降解过程遵循零阶动力学模型，表明降解速率与AFB1浓度无关。NTP处理过程中产生的活性物质（包括臭氧、过氧化氢和羟基自由基）在降解过程中起关键作用。此外，研究还考察了NTP对作物物理化学性质的影响，发现营养成分仅有轻微变化，而玉米的变化更为明显。NTP处理还改变了两种作物的质地和微观结构，尤其是玉米的粘性和粗糙度。这项研究强调了NTP作为一种可行、高效且环保的解决方案，可用于减少食品中的黄曲霉毒素污染。

引言

黄曲霉毒素是由霉菌（主要是黄曲霉和寄生曲霉）产生的高毒性次级代谢产物（Arimboor, 2024; Kinyoro & Kaale, 2024）。这些强致癌物和诱变剂常见于花生、玉米等作物中，尤其是在温暖潮湿的环境中（Balan, Dhaulaniya, Kumar, Kumar, & Kumar, 2024; Bunny, Umar, Bhatti, & Honey, 2024）。黄曲霉毒素，尤其是黄曲霉毒素B1，因其能污染食品和动物饲料而对人类和动物健康构成严重威胁（Kinyoro & Kaale, 2024）。长期接触黄曲霉毒素与肝癌、免疫抑制和生长迟缓有关，尤其是在食品安全法规不严格的发展中国家（Balan, et al., 2024）。这些霉菌毒素的危害性在于它们可以在食物链中持续存在，即使在加工后仍会保留毒性（Arimboor, 2024）。

玉米（Zea mays）和花生（Arachis hypogaea）是全球食品工业的重要组成部分，广泛用于从零食和加工食品到动物饲料和油脂等各种产品中。玉米不仅是人类的主要食物来源，也是牲畜饲料、生物燃料和多种工业应用的关键成分（Ahmad, Han, & Kong, 2023; Jibril, et al., 2025）。另一方面，花生是蛋白质、油脂和必需营养素的重要来源，常用于直接食用（如花生酱和零食）和食品加工（Meneely, et al., 2023）。然而，这两种作物都极易受到产毒曲霉物种（特别是黄曲霉和寄生曲霉）的污染，这些霉菌在温暖潮湿的条件下会产生黄曲霉毒素（Ahmad, et al., 2023; Kinyoro & Kaale, 2024）。玉米和花生中最常见的有毒黄曲霉毒素是黄曲霉毒素B1（AFB1）、黄曲霉毒素B2（AFB2）、黄曲霉毒素G1（AFG1）和黄曲霉毒素G2（AFG2），其中AFB1是最强的致癌物，也是主要问题（Meneely, et al., 2023）。玉米和花生中的黄曲霉毒素存在严重健康风险，因为这些霉菌毒素会污染大量食品，导致质量下降、安全问题和经济损失（Sun, Dreolin, Hird, & Collette, 2023）。鉴于玉米和花生在食品工业中的广泛应用，黄曲霉毒素污染是一个威胁食品安全、消费者健康和农业产业盈利能力的重大挑战（Meneely, et al., 2023）。因此，有效的黄曲霉毒素去除方法对于确保这些重要食品来源的安全性和完整性至关重要，尤其是在全球对玉米和花生的需求持续增长的情况下（Kinyoro & Kaale, 2024）。

传统的黄曲霉毒素去除方法包括物理、化学和生物方法。物理方法如分选、密度分离和清洗依赖于去除肉眼可见的霉变或受损颗粒，但通常只能实现部分去污（30–70%的减少），且劳动密集且对内部毒素无效（Bunny, et al., 2024; Kinyoro & Kaale, 2024）。化学处理（包括氨化和臭氧化）在优化条件下可更有效地降解AFB1（最多减少90–95%）；然而，它们可能会留下有害残留物，改变感官特性，并在许多国家面临监管限制（Agriopoulou, Stamatelopoulou, & Varzakas, 2020; Oliveira, et al., 2025）。辐照（伽马射线或电子束）能有效灭活曲霉真菌并降解已形成的黄曲霉毒素（根据剂量不同，最多减少70–90%），具有无化学残留物和能穿透颗粒的优点；然而，高剂量可能导致脂质氧化、营养损失（如维生素）和异味，且需要专用设施，消费者对辐照食品的接受度通常较低（Lung, et al., 2015; Oliveira, et al., 2025）。使用磷化氢或氟化硫等气体进行熏蒸主要针对害虫，但对产黄曲霉毒素的霉菌效果有限，而氨气熏蒸虽然能降解黄曲霉毒素但会留下残留物，改变感官特性并存在安全风险（Oliveira, et al., 2025）。吸附剂（如膨润土或活性炭）添加到动物饲料中可在胃肠道中结合黄曲霉毒素，但无法解毒供人类食用的受污染作物，并可能降低营养物质的生物利用率（Vila-Donat, Marín, Sanchis, & Ramos, 2018）。利用微生物或酶进行生物解毒显示出潜力，但由于降解速率慢、菌株特异性强以及可能产生未知代谢物，大规模应用仍具挑战性（Liu, Xie, & Wei, 2022）。此外，这些方法通常成本较高，可能不适用于所有污染程度，并可能对营养质量产生负面影响（Balan, et al., 2024）。这凸显了迫切需要创新、高效、无残留且可扩展的技术，以在保证安全的同时保持食品质量。

非热等离子体（NTP），也称为冷等离子体，是一种新兴的非平衡技术，在食品去污方面显示出巨大潜力，包括降解有害霉菌毒素（如黄曲霉毒素）（Gavahian & Cullen, 2020）。NTP在接近室温的气体温度（通常30–60°C）下运行，通过生成活性氧物种（ROS）、活性氮物种（RNS）和紫外线辐射来分解毒素，而不会使食品受到热损伤（Zhao, et al., 2024）。NTP的非热特性还降低了食品的物理化学性质（如质地、风味、颜色和营养成分）受到负面影响的可能性，相比热处理方法更为优越（Nasiru, et al., 2021）。这使得NTP成为传统方法的有吸引力的替代方案，尤其是对于像玉米和花生这样的热敏感食品，因为高温会导致质量下降。此外，NTP可以直接在食品表面原位应用，为加工或包装过程中的实时现场处理提供潜在解决方案（Kinyoro & Kaale, 2024）。最小的热量产生也减少了食品物理化学性质（如质地、风味和颜色）受到负面影响的可能性（Nasiru, 2022）。因此，NTP作为一种有前景、环保且高效的方法，适用于减少黄曲霉毒素污染（Gavahian & Cullen, 2020）。

多项研究表明，冷等离子体在灭活真菌和降低黄曲霉毒素水平方面具有潜力。例如，（Lin, et al., 2022）使用新型旋转氩等离子体射流（180–200 W，3.5–5分钟）成功将黄曲霉在花生上的数量减少了4个对数级，并防止了储存过程中的AFB1产生；（Tang, Cao, & Keener, 2024）应用介电屏障放电高压大气冷等离子体（DBD-HVACP，90 kV）对接种的原始花生进行处理，实现了99.9%的黄曲霉孢子灭活和高达71.3%的AFB1降解，效果在高湿度和处理后储存条件下得到增强。Iqdiam等人（2020）报告使用大气等离子体射流将花生中的总黄曲霉毒素减少了约38%，对过氧化值和酸度的影响很小。这些以花生为主的研究突显了等离子体的有效性，但通常使用不同的放电类型（如射流与DBD），主要关注去污，跨作物的比较数据和机制/质量分析有限。

本研究的主要目的是探讨NTP在降解玉米和花生中AFB1污染方面的有效性。研究还将阐明NTP降解黄曲霉毒素的机制，重点关注活性物质在降解过程中的作用。此外，研究还将评估NTP处理对玉米和花生物理化学性质的影响。因此，这项研究将推进对非热食品去污方法的理解，并可能促进开发更安全、更有效的黄曲霉毒素管理方法。

材料

玉米和花生购自中国南京小灵伟的当地市场。AFB1来自Pribolab有限公司（青岛，中国），溶解在甲醇中制成100 mg/L的标准储备溶液，并储存在-20°C。所有化学品和溶剂均为分析级，来自经过认证的供应商。使用L9 UV-Vis分光光度计（INESA Analytical Instrument Co., Ltd., 上海，中国）。

样品制备

选择了完整的玉米和花生颗粒，并用1%的钠溶液进行消毒

NTP处理对玉米和花生中AFB1的影响

研究了使用两种应用方法（喷雾和浸泡）NTP处理降低玉米和花生中AFB1浓度的效果。在0、1、2、3、4和5分钟的时间点评估了NTP处理对减轻这些作物中黄曲霉毒素污染的潜力。在喷雾和浸泡方法中（图1a和1b），玉米和花生中的AFB1浓度随时间逐渐降低。

结论

本研究证明了NTP处理在降解玉米和花生中的AFB1方面的有效性，其中玉米的降解速率更快。AFB1的降解动力学遵循零阶模型，表明降解速率与初始毒素浓度无关。NTP处理过程中产生的活性物质（如臭氧和羟基自由基）在分解AFB1中起关键作用。虽然两种作物的物理化学性质仅受到轻微影响，

CRediT作者贡献声明

法兹·阿尔纳达里（Fawze Alnadari）：软件开发、调查、数据分析、数据管理。萨努西·沙姆苏丁·纳萨拉瓦（Sanusi Shamsudeen Nassarawa）：调查、数据分析、数据管理。阿卜杜拉蒂夫·泰耶·穆斯塔法（Abdullateef Taiye Mustapha）：资源协调、调查、数据分析、数据管理。阿卜杜拉齐兹·努胡·吉布里尔（Abdulaziz Nuhu Jibril）：可视化处理、验证、软件应用、资源协调。李春阳（Chunyang Li）：项目监督、资源管理、资金筹集。埃文斯·弗里姆蓬·博阿滕（Evans Frimpong Boateng）：写作——审稿与编辑、调查、数据分析、数据管理。

未引用的参考文献

Dohnal等人，2014；Karmakar等人，2021；Martínez等人，2023；Nasiru等人，2025；Yu等人，2021。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

数据可用性

数据可根据请求提供。

关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时，作者使用了QuillBot和Grammarly来提高语言清晰度并减少文本相似性。使用这些工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2022YFD2100503-04、2021YFD2100503-3、2022YFF1102400）、南京科技计划项目（202201021）以及江苏省优秀博士后人才资助计划（2023ZB886）的支持。