通过耦合超声-氯化工艺增强大豆籽粒中黄曲霉毒素的去除效果：效率与机理

《Food Chemistry》：Enhanced removal of aflatoxins from soybean kernels by the coupled ultrasound-chlorination process: efficiency and mechanisms

超声波耦合氯化法可有效去除大豆中的黄曲霉毒素，10分钟内降解率达80.4%-91.3%，优于单一处理，且保持大豆质量。

　　

袁爱国|于海涛|刘书科|杨乐翔

邵阳大学体育学院，湖南邵阳422000

摘要

大豆中的黄曲霉毒素污染问题十分棘手，因为这些毒素会渗入密集的豆粒结构中。本研究开发了一种结合超声波和氯化处理（US/Cl）的方法，用于去除大豆籽粒中的四种黄曲霉毒素。在10分钟内，US/Cl处理方法的去除率达到了80.4–91.3%，优于单独使用氯化法（45.3–57.2%）或单独使用超声波（38.4–40.2%）。协同效应从处理开始后的2分钟时的0.1%增加到10分钟时的15.0–19.8%，表明作用机制从最初的脱附阶段转变为后期的自由基氧化阶段。通过质量平衡分析确认，在US/Cl处理下AFB1毒素发生了化学降解：10分钟后有83.4%的毒素被分解，其中8.7%残留在豆粒中，7.9%留在水中。Box–Behnken响应面方法确定了最佳操作条件，并显示出极佳的拟合度（R2 = 0.9968）。研究过程中鉴定出的中间产物表明，毒素首先经历了羟基化、氯化反应，随后进一步氧化。该处理方法有效保持了大豆的质量，其傅里叶变换红外光谱（FTIR）未出现明显变化，颜色变化仅为ΔE = 1.86。总体而言，US/Cl为大豆籽粒提供了一种快速且能保持质量的去污方法。

引言

黄曲霉毒素是由黄曲霉和寄生曲霉产生的强效霉菌毒素，其中黄曲霉毒素B1（AFB1）被认为是最具致癌性的天然化合物之一。油籽和豆类的黄曲霉毒素污染一直是食品安全领域的长期挑战，尤其是在收获前、储存和加工过程中（Ali等人，2023年）。由于黄曲霉毒素化学性质稳定、疏水性强，并且能够与复杂的植物组织结合或扩散，因此有效的去污方法需要既能接触这些毒素的内部储存库，又能将其转化为危害较小的物质，同时不降低食品质量或产生新的风险（Karlovsky等人，2016年；Massarolo等人，2021年）。

传统的去污方法如湿法筛选、清洗、热处理和单一氧化剂仅能部分去除毒素或受豆粒结构限制。清洗和搅拌主要能清除表面残留物，但可能将毒素转移到处理液中而非将其彻底分解。热处理可以减少毒素含量，但存在品质损失的风险，并且受完整豆粒内部物质传输限制。单一的物理或化学处理方法在遇到密集组织时往往效果不佳（Sipos等人，2021年）。臭氧能有效降低玉米中的黄曲霉毒素含量（Kinyoro & Kaale，2025年），但其效果受溶液pH值影响，过度使用可能损害脂质或感官品质。电解水也能降低花生中的黄曲霉毒素，但效果受溶液成分影响（Zhang等人，2012年）。脉冲光处理对油饼中的黄曲霉毒素有一定效果，但颗粒结构会影响处理均匀性（Ji等人，2025年）。冷等离子体是一种新兴的有效方法，适用于多种坚果，但效果受功率和暴露时间影响，大规模应用需控制表面与内部的能量分布（Das等人，2025年）。单独使用超声波可通过减小边界层厚度和促进微流增强物质传输，加速脱附过程，但常导致毒素重新分布而非被氧化。在固体中，超声波主要起传输辅助作用，反应时间较短（Azam等人，2020年；Azam等人，2021年）。这些研究表明，单一处理方法在高强度下会损害品质，或在完整豆粒中受扩散限制，因此需要结合传输强化和原位自由基生成的混合策略（Yang等人，2024年）。

耦合高级氧化工艺（AOPs）通过结合传输强化和原位自由基生成来克服扩散限制（Lin等人，2012年）。超声波通过空化作用产生微流和破坏边界层来增强物质传输，而在含氯介质中，游离氯的形态和pH值影响氧化强度和反应活性（Cai等人，2019年；Chemat等人，2011年）。超声处理可激活水和游离氯生成羟基自由基（HO•）和活性氯物种（如Cl•、Cl2•–），在水系统中，超声波-氯化（US/Cl）联合处理的效果优于单一工艺（Hamdaoui等人，2022年；Hamdaoui等人，2022年；Yang等人，2022年）。空化效果还与频率和功率有关，这会影响物理释放和自由基氧化之间的平衡（Kanthale等人，2008年）。这些发现表明，US/Cl可以在新暴露的微界面形成化学清除区，可能将原本受扩散限制的去除过程转变为以快速氧化为主的过程。然而，关于US/Cl去除完整豆粒中黄曲霉毒素的系统证据尚有限，同时缺乏区分真实降解和物理位移的时序协同分析和质量平衡研究。从实际应用角度看，未来工作应关注大规模应用和控制潜在的氯化副产物，同时保持豆粒品质（Fan & Sokorai，2015年）。因此，本研究的目的是通过结合超声波增强传输和氯衍生自由基，克服密集豆粒中的扩散限制，从而在新暴露的微界面促进氧化反应。

本研究旨在开发并机制化评估一种快速、保持质量的去污方法，使用超声波-氯化（US/Cl）联合工艺去除完整大豆籽粒中的黄曲霉毒素。具体目标包括：（i）量化US/Cl处理对黄曲霉毒素的去除效果，并与水洗、单独使用超声波和单独使用氯化处理进行对比；（ii）通过豆粒和处理液相的质量平衡分析，确定去除效果是否反映真正的化学降解；（iii）利用时序协同效应因子量化超声波和氯化之间的相互作用；（iv）通过单因素评估和Box–Behnken响应面优化确定最佳操作条件；（v）基于鉴定出的中间产物提出降解路径；（vi）评估该处理方法对大豆品质的影响。本研究的新颖之处在于结合了时序协同分析、基于质量平衡的降解与位移区分、多变量优化、中间产物鉴定和品质评估，为US/Cl在完整大豆籽粒中的应用提供了理论支持。

材料

大豆籽粒购自中国邵阳的本地供应商，为最新收获的品种，储存条件为4°C、避光保存直至使用。黄曲霉毒素标准品AFB1、AFB2、AFG1和AFG2（纯度≥98%）从上海Aladdin有限公司购买，储存条件为-20°C的乙腈溶液。HPLC级乙腈、甲醇和甲酸同样来自上海Aladdin有限公司。超纯水由Milli-Q系统制备。其他化学品的纯度至少达到...

不同处理方法下的黄曲霉毒素去除效果

本研究采用了四种处理方法：水洗（WW）、单独使用超声波（US）、单独使用氯化（Cl）以及超声波-氯化（US/Cl）联合处理，以去除大豆籽粒中的黄曲霉毒素。结果表明，US/Cl处理在所有测量时间点均表现出最强的去污效果（图1）。处理开始后不久就可见显著效果：2分钟内，US/Cl去除了48.2%的AFB1、47.2%的AFB2、45.0%的AFG1和42.2%的AFG2，远高于其他单一处理方法。随着接触时间的延长，US/Cl的处理优势更加明显...

结论

研究表明，结合超声波和游离氯可以有效快速地去除完整大豆籽粒中的黄曲霉毒素，同时保持其品质。在选定条件下，超声波-氯化联合处理在10分钟内去除了91.3%的黄曲霉毒素B1、90.8%的黄曲霉毒素B2、86.8%的黄曲霉毒素G1和80.4%的黄曲霉毒素G2，优于单独使用氯化（45.3–57.2%）、单独使用超声波（38.4–40.2%）或水洗（19.3–24.9%）。协同效应...

作者贡献声明

袁爱国：验证、监督、资源管理、项目统筹、数据分析、概念构思。于海涛：初稿撰写、可视化设计、方法选择、数据整理、概念构建。刘书科：初稿撰写、方法设计、数据分析、数据整理、概念构思。杨乐翔：审稿与编辑、资金争取、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了湖南省教育厅（资助编号：24A0534）、邵阳大学（编号：CX2025SY024）以及湖南省高等学校科技创新研究团队资助计划（编号：Xiangjiaotong [2023] NO. 233）的财政支持。