镰刀菌毒素：自然最危险的食品污染物

镰刀菌毒素（fusarium toxin）是由一些镰刀菌属（fusarium）在玉米和其他谷物上产生的毒素，人和动物的某些疾病与食用了含有大量这些毒素的谷物和谷物制品有关。产生镰刀菌毒素的菌种主要有串珠镰刀菌（F.moniliforme）、分芽镰刀菌（F.proliferatum）和哈格美镰刀菌（F.hygamai）。根据联合国粮农组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）联合召开的第三次食品添加剂和污染物会议，镰刀菌毒素同黄曲霉毒素一样被认为是自然发生的最危险的食品污染物。

镰刀菌在自然界广泛分布，侵染多种作物，有多种镰刀菌能产生对人畜健康威胁极大的镰刀菌毒素，现已发现有十几种，主要有伏马菌素（Fumonisin）、玉米赤霉烯酮（zearalenone, ZEN）、单端孢霉烯族化合物（trichothecene）和丁烯酸内酯（butenolide）等。

1.伏马菌素

伏马菌素（Fumonisin）是由串珠镰刀菌产生的水溶性代谢产物，是一类由不同的多氢醇和丙三羧酸组成的结构类似的双酯化合物，见图5-5。1988年，Gelderblon等首次从串珠镰刀菌培养液中分离出伏马菌素。伏马菌素的分布比黄曲霉毒素更广泛，含量也远远高于黄曲霉毒素，对人和动物危害极大。该毒素大多存在于玉米及其制品中，含量一般超过1 mg/kg，在玉米、面条、调味品、高粱、啤酒中亦有低量存在。

目前，已经确定的伏马菌素有11种衍生物，分别为FA1、FA2、FB1、FB2、FB3、FB4、FC1、FC2、FC3、FC4和FP1。不同的伏马菌素衍生物的R基不同，见表5-3。FB1是天然污染的玉米或真菌培养物中的主要组分，纯品为白色针状结晶，其次是FB2，其他几种毒素含量较少。例如在高压灭菌的玉米上接种串珠镰刀菌，培养后检测FB1的含量为960～2350 mg/kg，而FB2则为120～320 mg/kg。

伏马菌素和其他毒素不同点在于，一是分子中没有环状结构和基团，二是具有水溶性。该毒素对热的稳定性较高，不易被蒸煮破坏。例如将含毒培养物煮沸30 min，然后在60℃干燥24 h，培养物中的FB1的含量没有降低现象；含毒素5 mg/kg的玉米制品在204℃下焙烤30 min，毒素含量也没有显著变化；将含毒玉米面包在232℃下焙烤20 min，毒素含量可显著下降。

图5-5　伏马菌素的化学结构示意图

表5-3　不同伏马菌素衍生物的R基

最早发现伏马菌素的毒性是因为该毒素能引起马属动物患脑白质软化病（leukoenoephalomalacia, LEM），是一种马的神经失调疾病。例如每天以0.125 mg/kg体重剂量对马进行皮下注射FB1，大约7天后马开始发疯、发狂，冲撞栏杆而死，解剖发现马的大脑呈现白质软化症状；马口服剂量1.25～4.0 mg/kg体重，25天后产生LEM症状。另外，每天伏马毒素的摄取量在0.4 mg/kg体重以上均可引发猪的肺水肿，还可造成猪生殖系统的紊乱，如早产、流产、死胎和发情周期异常等；以50 mg/kg体重饲养小鼠，18～26个月后，发现肝肿瘤患病率急剧上升。另外，食道癌发病率与伏马毒素污染呈正相关，进一步的动物试验也得到了相同的结果。

流行病学调查表明，食用含伏马菌素的玉米可能是引起食道癌的主要原因。研究表明，在南非、美国、伊朗和我国某些食道癌高发病率地区，玉米中伏马菌素含量明显高于低发病率地区，例如南非东南部的特兰斯凯地区是食道癌高发区，经检测，该地区玉米样品中伏马菌素的含量高达53750μg/kg。我国食道癌高发区河南省林州市也有相同的现象。因此，伏马菌素与人类的食道癌的诱发具有较强的相关性，但伏马毒素引发食道癌的机理还不清楚，需进一步确证和研究。

串珠镰刀菌等镰刀菌属为兼性寄生型，可感染未成熟的谷物，是玉米等谷物中的微生物类群之一。当玉米等谷物收获后，如不及时干燥处理，镰刀菌继续生长繁殖，造成谷物严重霉变，产生大量的伏马菌素。玉米中伏马菌素含量也受贮存条件的影响，如收获的玉米在贮存期间水分在18%～23%时，最适宜产伏马菌素的串珠镰刀菌的生产和繁殖，导致玉米中伏马菌素含量的增加（表5-4）。研究表明，串珠镰刀菌产生伏马菌素的最适生长温度25℃，最适水分活度为0.925以上，最高产毒时间为7周；另外，产毒菌株在25～30℃、pH 3.0～9.5的培养条件下生长良好。

表5-4　一些国家玉米样品中的伏马菌素含量

摘自：Modern Food Microbiology.Sixth Edition J.M.Jay（2000）。

2.玉米赤霉烯酮

玉米赤霉烯酮（zearalenone, ZEN）是一种二羟基苯甲酸内酯类植物雌激素化合物，1962年首次从污染禾谷镰刀菌的发霉玉米中分离出的代谢产物，1966年定名为玉米赤霉烯酮，又称F-2毒素。研究发现，玉米赤霉烯酮是由镰刀菌属的若干菌种产生的有毒代谢产物，产毒菌主要有禾谷镰刀菌、砖红镰刀菌、燕麦镰刀菌、三线镰刀菌、黄色镰刀菌、囊球镰刀菌、半裸镰刀菌、木贼镰刀菌、尖孢镰刀菌、粉红镰刀菌等，其主要污染玉米、大麦、小麦、高粱、大米和小米，在啤酒、大豆及其制品也可检出，以玉米最普遍。镰刀菌在玉米上繁殖一般需要22%～25%的湿度。在湿度45%、温度24～27℃培养7天；或12～14℃培养4～6周，玉米赤霉烯酮的产量最高，可达到2909 mg/kg，通过对玉米的调查，玉米赤霉烯酮的检出率为100%，由此可见，玉米赤霉烯酮是饲料污染最严重的真菌毒素之一。

玉米赤霉烯酮（图5-6）为白色晶体，分子式为C18H22O5，相对分子质量为318，熔点为164～165℃，不溶于水，可溶于碱性溶液、乙醚、苯及甲醇、乙醇等，其甲醇溶液在紫外线下呈明亮的绿蓝色荧光。玉米赤霉烯酮受热可失去活性，在125℃、pH 7.0时60 min有23%分解失活，在150℃时有34%～68%失活，在175℃时有92%分解失活。当温度达到225℃时，30 min内则全部分解失活。

图5-6　玉米赤霉烯酮化学结构示意图

玉米赤霉烯酮中毒是指动物采食了被玉米赤霉烯酮污染的饲料而引起的以会阴部潮红和水肿等为特征的一种中毒性疾病。各种动物均可发生，主要见于猪，是人畜共患病。玉米赤霉烯酮是一种低毒性的毒素，对小鼠的LD50为2～10 g/kg体重。玉米赤霉烯酮对动物的毒性因种类不同而有差异。例如饲料中含玉米赤霉烯酮25 mg/kg，可引起猪和牛不孕症，32 mg/kg导致母猪流产；含玉米赤霉烯酮面粉制成的各种面食，如毒素未被破坏，食入后可引起人的食物中毒。

玉米赤霉烯酮具有雌激素作用，主要作用于生殖系统，可使家畜、家禽和实验小鼠产生雌性激素亢进症。妊娠期的动物（包括人）食用含玉米赤霉烯酮的食物可引起流产、死胎和畸胎。食用含赤霉病麦面粉制作的各种面食也可引起中枢神经系统的中毒症状，如恶心、发冷、头痛、神智抑郁和共济失调等。

3.单端孢霉烯族化合物

单端孢霉烯族化合物（trichothecene）是一组主要由镰刀菌的某些菌种所产生的生物活性和化学结构相似的有毒代谢产物，具有蓓半萜环结构，已从真菌培养物和植物中分离到148种，大多数是多种镰刀菌的代谢产物。单端孢霉烯族化合物为无色结晶，非常稳定，难溶于水，溶于极性溶剂，加热不会被破坏。天然污染谷物和饲料的单端孢霉烯族化合物主要是T-2毒素（T-2 toxin）、脱氧雪腐镰刀菌烯醇（deoxynivalenol,DON）、二醋酸藨草镰刀菌烯醇（diacetoxyscirpenol,DAS）和雪腐镰刀菌烯醇（nivalenol,NIV）等。

由于产生单端孢霉烯族化合物的镰刀菌在农作物中分布广泛，因此该类毒素是对人畜健康危害较大的重要真菌毒素。例如苏联西伯利亚阿穆尔地区发生的食物中毒性白细胞缺乏症（alimentavytoxic alewkia,ATA）就是镰刀菌引起的严重谷物中毒事件；我国长江流域经常流行的麦类赤霉病引起的人畜中毒等也是其引起的中毒事件。我国粮食和饲料中常见的单端孢霉烯族化合物是脱氧雪腐镰刀菌烯醇。表5-5为一些国家粮食中污染单端孢霉烯族化合物的情况。

表5-5　一些国家粮食和饲料中单端孢霉烯族化合物的自然污染情况

T-2毒素于1968年首次从三线镰刀菌的代谢产物中分离，已发现产生T-2毒素的镰刀菌有三线镰刀菌、拟枝孢镰刀菌、梨孢镰刀菌、黄色镰刀菌、粉红镰刀菌、木贼镰刀菌、茄病镰刀菌、禾谷镰刀菌、砖红镰刀菌等，其中以前三种为主要产毒菌。T-2毒素主要污染大麦、小麦、燕麦、玉米和饲料。镰刀菌产生T-2毒素的能力与环境有关，如温度、湿度和pH对镰刀菌的产毒具有较大的影响，低温、高水分能促进其产生毒素，碱性环境、高温、低水分可以明显抑制毒素的产生。研究表明，T-2毒素污染谷物和饲料的含量一般在0.05～0.5 mg/kg。(www.xing528.com)

T-2毒素（图5-7）为白色针状结晶，分子式为C24H34O9，相对分子质量为466.22，熔点为151～152℃，难溶于水，易溶于极性有机溶剂，性质稳定，加热不被破坏。

图5-7　T-2毒素化学结构示意图

T-2毒素中毒是指动物食用了被T-2毒素污染的饲料而引起的以呕吐、腹泻、血便为特征的中毒性疾病，各种动物和人均可发生。T-2毒素对动物的毒性与动物种类、年龄、毒素纯度、摄入途径和持续时间密切相关。例如7周龄的猪饲料中T-2毒素为1.0 mg/kg可引起其采食量减少、体重下降等，若为2～3 mg/kg时可导致猪红细胞、白细胞等降低，达到16 mg/kg时导致食欲废绝。

T-2毒素进入肠道可以形成各种不同的代谢产物，主要是HT-2毒素，通常这两种毒素在真菌污染的谷物上同时存在，T-2毒素主要损伤细胞分裂旺盛的组织器官，对心、肝、脾及外周血淋巴细胞均有一定的损伤，其次T-2毒素是免疫抑制剂，能影响动物免疫形态，降低机体的免疫应答能力，此外还具有一定的致畸和致癌性。T-2毒素中毒主要发生于猪、家禽和牛等，主要症状表现为采食量减少，甚至拒食，呕吐、腹泻、皮肤坏死、口腔黏膜损伤、胃肠道出血和坏死等。目前无特效解毒药物。

脱氧雪腐镰刀菌烯醇又称呕吐毒素（vomitoxin），主要由禾谷镰刀菌、粉红镰刀菌、尖孢镰刀菌、串珠镰刀菌、拟枝孢镰刀菌、砖红镰刀菌、雪腐镰刀菌等产生。1970年首先从日本香川县感染赤霉病的大麦中分离到的。1973年从美国俄亥俄州西北部导致母猪拒食和呕吐的被禾谷镰刀菌污染的玉米中分离得到该毒素。脱氧雪腐镰刀菌烯醇是污染小麦、大麦、燕麦和玉米等粮食（饲料）及其制品的最广泛、最常见的真菌毒素，在谷物和饲料中污染含量为0.05～40 mg/kg，并且与雪腐镰刀菌烯醇、玉米赤霉烯酮存在联合污染。

脱氧雪腐镰刀菌烯醇为无色针状结晶（图5-8），分子式为C15H20O6，相对分子质量为296，熔点为151～153℃，易溶于水、乙醇等溶剂中，性质稳定，具有较强的热抵抗力，加热110℃以上才能被破坏，121℃高压加热25 min仅有少量破坏。

脱氧雪腐镰刀菌烯醇中毒是动物采食被这种毒素污染的饲料而引起的以食欲废绝、呕吐为特征的中毒性疾病，各种动物均可发生，其中猪、狗、猫敏感，家禽、牛和羊具有一定的耐受性。脱氧雪腐镰刀菌烯醇的毒性与动物种类、年龄、性别、感染毒途径和持续时间有关，雄性动物比雌性动物敏感。例如猪对脱氧雪腐镰刀菌烯醇最敏感，饲料中含0.6～2 mg/kg可降低饲料消耗和增殖，3～6 mg/kg可引起食道上皮损伤，超过12 mg/kg可导致完全拒食；牛有较强的耐受性，牛饲料中12 mg/kg未发现中毒作用，14.5 mg/kg可导致奶牛腹泻。

图5-8　脱氧雪腐镰刀菌烯醇化学结构示意图

脱氧雪腐镰刀菌烯醇进入消化道后能刺激黏膜，出现广泛性的炎症、坏死和溃烂，导致食欲下降、呕吐、腹泻，甚至引起肠黏膜出血；具有很强的细胞毒性，对原核细胞、真核细胞、肿瘤细胞等均有明显的毒性作用；既是免疫抑制剂，又是免疫促进剂，在体内可抑制对病原菌的免疫应答，同时又可诱发自身免疫反应，其作用与剂量有关；具有致突变、致畸、致癌作用。防止饲料和饲料原料发霉是预防的关键。

二醋酸藨草镰刀菌烯醇主要由藨草镰刀菌、木贼镰刀菌、三线镰刀菌和接骨木镰刀菌产生。在谷物和饲料中污染含量为0.05～0.5 mg/kg。化学结构式为一种螺环氧化物，分子式为C19H26O7。

二醋酸藨草镰刀菌烯醇中毒是指动物采食了被其污染的饲料而引起的以黏膜和皮肤损伤为特征的中毒性疾病，主要临床特征是黏膜溃疡、皮肤坏死和消化道刺激症状。各种动物均可发生，主要见于家禽、牛、猪等。二醋酸藨草镰刀菌烯醇与T-2毒素属同类，但毒性比T-2毒素强，对大白鼠的LD50为7.3 mg/kg（经口）或0.75 mg/kg（腹腔），对小鼠的LD50为23 mg/kg（腹腔）或12 mg/kg（静脉）。

二醋酸藨草镰刀菌烯醇与T-2毒素的化学结构和生物活性非常相似（图5-9）。体外研究表明，二醋酸藨草镰刀菌烯醇对培养的人和哺乳动物的各种细胞系具有很强的毒性，可抑制DNA和蛋白质的合成，对人和动物的毒性作用相同，主要包括呕吐、腹泻、低血压、骨髓抑制等。

图5-9　二醋酸藨草镰刀菌烯醇化学结构示意图

雪腐镰刀菌烯醇是一种全球性的谷物污染物，主要由镰刀孢霉属的雪腐镰刀菌、黄色镰刀菌、禾谷镰刀菌、梨孢镰刀菌、木贼镰刀菌等产生，也是小麦赤霉病的天然毒素之一。雪腐镰刀菌烯醇在谷物和饲料中污染含量为0.05～40 mg/kg。

雪腐镰刀菌烯醇是一种倍半萜烯类结晶状化合物（图5-10），相对分子质量为312，熔点为222～223℃，易溶于水、乙醇、甲醇、氯仿和二氯甲烷等溶剂，不溶于正己烷和正戊烷，性质较稳定，pH 1～10相对稳定，一般的烹煮加工和发酵方法无法破坏该毒素，但在220℃时加热10 min能被分解。

图5-10　雪腐镰刀菌烯醇化学结构示意图

雪腐镰刀菌烯醇中毒是由于动物采食了被该毒素污染的饲料而引起的以呕吐、腹泻、出血、神经机能紊乱和心脏功能障碍为特征的中毒性疾病，各种动物均可发生，主要见于猪和家禽。雪腐镰刀菌烯醇属剧毒或中等毒性，急性毒性较脱氧雪腐镰刀菌烯醇和T-2毒素强，一次大剂量给予大鼠60 mg/kg对消化道产生破坏作用，对小白鼠的LD50为4.0 mg/kg（腹腔）。

雪腐镰刀菌烯醇的毒性是作用于增生迅速和处于分裂状态的细胞，所引起的损害类似于辐射损伤，对细胞的最低致损量为0.2μg/mL，特别是对培养早期的软骨细胞具有致命的损伤。雪腐镰刀菌烯醇还具有免疫毒性，可引起胸腺细胞的凋亡。调查发现，在食品中雪腐镰刀菌烯醇毒素含量高的地区，发生食道癌的几率明显高于其他地区。另外，雪腐镰刀菌烯醇具有致癌和胚胎毒性，可能是一种潜在的致癌物质，可引起鼠的恶性肿瘤。

4.丁烯酸内酯

丁烯酸内酯（butenolide）是三线镰刀菌、木贼镰刀菌、雪腐镰刀菌、拟枝孢镰刀菌和梨孢镰刀菌等镰刀菌产生的真菌毒素。

丁烯酸内酯为无色液体，分子式为C4H4O2，相对分子质量为84.07，沸点107～109℃，熔点5℃。易溶于水，微溶于二氯甲烷和氯仿，不溶于四氯化碳，在碱性水溶液中极易水解，水解的产物为顺式甲酰丙烯酸和乙酰胺。其化学结构见图5-11。

图5-11　丁烯酸内酯化学结构示意图

近年来，由于它可能与我国地方性大骨节病和克山病病因有关而引起了重视。丁烯酸内酯具有收缩末端血管的作用，因此牛饲喂含有丁烯酸内酯的牧草则会导致烂蹄病和引起耳尖和尾尖干性坏死，我国已有关于这种病的报道。丁烯酸内酯具有明显的细胞毒性，有研究表明丁烯酸内酯200 mg/kg以上剂量的时候能够抑制心肌细胞跨膜电活动，并对钙离子通道具有阻滞作用，对心肌细胞产生毒性损伤。丁烯酸内酯还是烟草烟雾复合物中的成分之一，某些食物中同样也存在丁烯酸内酯毒素，哈尔滨医科大学大骨节病研究室曾报道，在黑龙江和陕西的大骨节病区所产的玉米中发现有丁烯酸内酯存在。