基于枯草芽孢杆菌K6的玉米胚芽粕中玉米赤霉酮去除策略：作用途径解析、毒性评估及实际应用

《Food Chemistry: X》：The Bacillus subtilis K6-Based Strategy for Zearalenone Removal in Corn Germ Meal: Pathway Elucidation, Toxicity Evaluation, and Practical Application

玉米胚芽粕中单烯醇酮（ZEN）的微生物降解研究。采用枯草芽孢杆菌K6，优化12 h预培养、5%（v/v）接种量、37℃、pH 6.5条件下48 h降解，效率达98.56%。HPLC-MS鉴定代谢产物W1（C23H32N2O6）和W2（C28H46N4O10），经毒理学和雌激素活性检测证实安全性。固态发酵试验验证K6在含ZEN 2.5 ppm的玉米胚芽粕中降解率达97.85%，显示工业应用潜力。

　　

李凯龙|李家豪|陈娜|辛颖|杨晨贤

河南工业大学食品科学与工程学院，郑州450001，中国

摘要

玉米胚芽粉是玉米湿法加工的副产品，极易受到玉米赤霉烯酮（ZEN）的污染，这不仅降低了其在下游应用中的价值，还对人类和牲畜的健康构成严重威胁。微生物生物降解是去除农业工业环境中ZEN的一种非常有前景的方法。本研究使用枯草芽孢杆菌 K6，在关键操作参数（包括培养时间、接种量、温度和pH值）下系统评估了其降解ZEN的效果。在优化条件下——预培养12小时、接种量5%（v/v）、温度37°C、pH 6.5、在含有2.5 ppm ZEN的培养基中培养48小时——K6菌株的降解效率达到了98.56 ± 0.32%，显示出其对不同环境条件的强大适应性。此外，HPLC–MS分析鉴定出两种主要的转化产物：W1（C₂₃H₃₂N₂O₆）和W2（C₂₈H₄₆N₄O₁₀）。结合最佳降解条件和潜在酶活性位点的数据，我们提出了枯草芽孢杆菌 K6降解ZEN的合理代谢途径。随后的计算机模拟毒性预测以及体外细胞毒性和雌激素活性测定证实，这些转化产物的毒性可忽略不计——与等摩尔浓度的原始ZEN相比，其肝毒性和雌激素活性显著降低。在使用自然污染的玉米胚芽粉进行的固态基质试验中，K6在实际发酵条件下实现了高达97.85%的ZEN降解率。本研究证明枯草芽孢杆菌 K6能有效降解ZEN，并在处理玉米加工副产品过程中表现出良好的操作稳定性，显示出进一步加工和利用玉米胚芽粉的巨大潜力。

引言

玉米胚芽粉是玉米深加工的副产品，每年产量巨大，作为动物饲料具有很高的营养价值；然而，它极易受到玉米赤霉烯酮（ZEN）的污染。研究表明，在68%的玉米青贮样本和28%的复合饲料样本中检测到了ZEN（K?í?ová等人，2016年；Marczuk等人，2012年）。ZEN是一种非甾体类雌激素性霉菌毒素，具有内酯环结构，主要由Fusarium graminearum合成。由于其在畜禽饲料中的高稳定性，即使急性摄入严重污染的青贮饲料或长期接触低水平污染饲料，也可在牛乳中检测到ZEN（Barański等人，2021年；Driehuis等人，2008年）。ZEN暴露会导致人类和牲畜的生殖毒性、基因毒性和免疫毒性（Feng等人，2022年；Lu等人，2022年；Zhang等人，2022年），急性中毒表现为神经兴奋、肌肉震颤和突然倒塌。2017年10月，IARC将其归类为3类致癌物，因此ZEN的降解已成为全球食品安全的关键问题，需要有效且稳定的解毒方法。

当前的研究证实，物理方法（如热处理、辐照）和化学方法（如臭氧、电化学处理）可以通过生成顺式ZEN异构体和氧化开环羧酸代谢物来实现ZEN的降解（Hojnik等人，2019年；Santos Alexandre等人，2018年；Yang等人，2020年；Yu等人，2023年；Zhang等人，2025年）。然而，这些非靶向方法会破坏底物的原有营养成分，降解效率较低，并且由于残留化学物质的存在而存在安全隐患（Rogowska等人，2019年；Sun等人，2016年）。生物降解因其生态效率和靶向解毒作用而受到重视。在优化条件下，Klebsiella pneumoniae GS7-1可在96小时内完全降解ZEN（Imade等人，2023年）；Aspergillus niger FS10可在48小时内降解玉米浸泡液中的60.06% ZEN（初始浓度：29 μg/mL），并显著减轻小鼠模型中的肝脏和肾脏损伤（Sun等人，2014年）；Lactobacillus plantarum、Lactobacillus paracasei和Lactobacillus acidophilus在体外显示出超过80%的去除率（Murtaza等人，2023年；Z?och等人，2020年）。

随着研究的深入，芽孢杆菌属因其环境适应性、强大的代谢途径和卓越的降解性能而成为研究焦点。枯草芽孢杆菌 Y816在7小时内完全降解了40 mg/L的ZEN（Yang等人，2021年）；枯草芽孢杆菌 ZENL09的优化发酵上清液在24小时后实现了96%的ZEN降解率（Xiang等人，2024年）；矮小芽孢杆菌 ES-21和淀粉液化芽孢杆菌 ZDS-1均表现出95.7%的ZEN降解率，其中ZDS-1对α-ZOL、β-ZOL和其他主要代谢物的去除效率超过90%（Wang等人，2017年；Xu等人，2016年）。尽管取得了进展，但芽孢杆菌介导的应用仍面临关键挑战：降解产物的安全性评估尚未完成，在饲料基质或工业环境中的降解效率显著下降。例如，枯草芽孢杆菌 ZJ-2019-1在实验条件下的ZEN降解率从86.32%下降到受污染的玉米麸质粉中的21.98%（Wu等人，2024年）。这种差异凸显了实验室环境与复杂应用场景之间的差距。因此，发现具有优异环境适应性、代谢韧性和明确降解途径的新芽孢杆菌菌株和微生物属对于将ZEN生物降解技术应用于实际场景至关重要。

本研究以枯草芽孢杆菌 K6为研究对象，探讨了各种参数对ZEN降解的影响。结合HPLC-MS技术，深入阐明了ZEN生物降解的分子机制，并评估了降解产物的安全性。该研究还在常见的饲料基质（包括玉米胚芽粉）中证明了有效的ZEN解毒效果，并建立了适用于低水分固态发酵的条件。这为提高饲料和食品安全性、增加农业副产品的价值以及支持更可持续的农业实践提供了实用的方法。

材料与试剂

枯草芽孢杆菌 K6最初由我们实验室从土壤中分离获得，并通过在不同ZEN浓度培养基中的培养进一步筛选和验证。ZEN作为HPLC级标准品从Yuanye生物技术有限公司（上海，中国）购买。ZEN储备溶液（1 mg/mL）通过溶解在100%乙腈中制备，并储存在-20°C。所有实验溶剂（包括乙腈和甲醇）均为色谱级。

种子培养准备

100 μL的枯草芽孢杆菌

不同条件对枯草芽孢杆菌 K6降解ZEN的影响

为了系统评估枯草芽孢杆菌 K6的ZEN降解能力，首先研究了培养时间对降解效率的影响（图1a）。降解率在12小时时达到最大值98.74%，随后逐渐下降至48小时时的46.78%。枯草芽孢杆菌 K6的ZEN降解能力与其生长阶段动态密切相关，这归因于微生物生长的周期性。

结论

ZEN污染对谷物基食品和饲料的安全性构成严重威胁，因此需要高效、安全且可工业化应用的解毒技术；本研究证实枯草芽孢杆菌 K6在广泛的操作条件下（0.5-2.5 mg/L ZEN，31–40 °C，pH 5.0–9.0）表现出优异的环境适应性，ZEN去除率超过92%。机制研究表明，ZEN的降解主要由细胞内酶成分介导。

作者贡献声明

杨晨贤：撰写 – 审稿与编辑。辛颖：监督、概念设计。陈娜：软件处理、数据管理。李家豪：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、方法学。李凯龙：撰写初稿、数据可视化、验证、软件处理、数据管理

未引用参考文献

Cetin和Bullerman，2005年；Cetin和Bullerman，2005年。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了河南省青年科技人才支持计划（2024年）、河南省青年骨干教师资助（2024GGJS056）、河南省科学技术协会青年精英科学家资助计划（2025HYTP057）、河南工业大学拓新团队培养计划（2024TXTD04）以及河南工业大学青年骨干教师培养计划（2021421237）的支持。