玉米麸质粉中玉米赤霉酮的酶促降解及其产物的代谢组学毒性评估

《Food Bioscience》：Enzymatic Degradation of Zearalenone in Corn Gluten Meal and Metabolomics-Based Toxicity Assessment of Its Products

单烯酸内酯降解：研究利用重组酶S1v1-GS-ZHD518优化玉米 gluten meal中ZEN降解条件，响应面法确定最佳参数为200 μg酶/5 g样本（40 μg/g）、40℃、60分钟、pH7.0，降解率达95.32%；Caco-2细胞模型和代谢组学显示降解产物无显著细胞毒性，且恢复多种有益肠道代谢物水平，证实酶法解毒安全性高。

　　

沈琳娜|杨洋|方金培|高松|宁晓|王刚利|孙秀兰

江南大学食品科学与技术学院，食品安全国际联合实验室，食品安全与质量控制协同创新中心，中国江苏省无锡市214122

摘要：

玉米赤霉烯酮（ZEN）是一种由镰刀菌属生物合成的具有雌激素活性的霉菌毒素，在谷物加工过程中会转移到各种副产品中并富集。因此，开发一种高效且安全的ZEN解毒方法对于控制谷物及其副产品中的ZEN污染具有重要意义。在本研究中，使用重组酶S1v1-GS-ZHD518来降解玉米面中的ZEN，并系统优化了反应条件。最佳参数确定为每5克样品200微克酶（40微克/克）、40°C、60分钟和pH 7.0。在这些条件下，ZEN的降解率为95.32%。为了进一步评估ZEN及其酶解产物的毒性，使用Caco-2细胞模型进行了体外毒性评估。实验结果表明，当浓度增加到10微克/毫升时，ZEN显著降低了Caco-2细胞的活力，而其降解产物对细胞活力没有显著抑制作用。代谢组学分析表明，ZEN暴露显著下调了多种有益于肠道健康的代谢物，包括精胺、1-磷酸葡萄糖、β-丙氨酸、甘氨酸、苯甲酸和多巴胺等。然而，降解产物大大恢复了这些代谢物的水平，从而减轻了ZEN对细胞的毒性。总之，重组酶S1v1-GS-ZHD518在降解玉米面中的ZEN方面显示出广阔的应用潜力，这对于提高玉米副产品的安全性和附加值以及促进玉米产业的可持续发展具有重要意义。

引言

据估计，全球范围内食品作物受到霉菌毒素的污染率为25%（Eskola等人，2020年）。玉米赤霉烯酮（ZEN）是由某些镰刀菌属产生的霉菌毒素，是玉米及其制品中的主要污染物（Tan等人，2021年）。ZEN及其代谢物会干扰雌激素功能，影响动物繁殖（Wu等人，2021年）。对来自100个国家（2008-2017年）的74,821种饲料成分（如玉米、小麦、大豆）的全球分析显示，ZEN的污染率为45%（Gruber-Dorninger等人，2019年）。此外，在中国的2090个饲料样本中，96.9%检测到了ZEN，平均浓度范围为48.1至326.8微克/千克；令人担忧的是，0.9-2.9%的样本超过了中国的安全限值（Zhao等人，2021年）。因此，迫切需要控制饲料中的ZEN含量。

已经采用了多种物理、化学和生物方法来减少食品和饲料中的ZEN污染。其中，生物酶降解因其有效性、特异性、温和的降解条件和对环境的友好性而越来越受欢迎（Fang等人，2025年）。基因工程和合成生物学的进步进一步促进了ZEN降解酶的大规模生产。已使用内酯酶、过氧化物酶和漆酶来降解ZEN，其中内酯水解酶是研究最广泛的酶。我们之前的研究通过将多功能肽S1v1-(AEAEAHAH)₂融合到中性ZEN降解酶ZHD518的N端，开发出了重组ZEN内酯水解酶S1v1-GS-ZHD518（Fang等人，2024年）。S1v1-GS-ZHD518主要将ZEN水解为HZEN，HZEN会自发脱羧生成DHZEN（Fang等人，2024年）。这两种代谢物在体外和体内都表现出显著降低的雌激素活性（Fruhauf等人，2019年；Gruber-Dorninger等人，2021年）。与ZHD518相比，S1v1-GS-ZHD518表现出显著提高的酶降解效率、热稳定性和储存稳定性。然而，其最佳工作条件（如pH值、温度）及其降解产物的潜在毒性需要进一步研究。

霉菌毒素的细胞毒性通常使用细胞系进行评估。Caco-2、HepG-2和CHO-K1是最常用于评估ZEN细胞毒性的细胞系（Skrzydlewski等人，2022年）。这些细胞系的敏感性顺序为Caco-2 > HepG2 > CHO-K1（Cetin & Bullerman，2005年）。尽管在霉菌毒素研究方面取得了显著进展，但大多数研究仍集中在风险评估和安全暴露水平上，对其分子机制了解不足（Mandal等人，2024年）。代谢组学结合其他组学技术和生物信息学可以超越分析物定量，揭示毒性过程中被破坏的生物途径（Johnson等人，2016年）。例如，Videmann等人（2008年）使用Caco-2细胞作为肠道屏障模型研究了ZEN的代谢和转运。结果表明，Caco-2细胞将ZEN代谢为高雌激素活性的α-玉米赤霉醇，并优先将其转运到全身循环中——这可能是其生殖毒性的关键机制。ZEN的降解产物HZEN和DHZEN如何影响Caco-2细胞的代谢途径尚不清楚。

本研究探讨了关键降解条件（重组酶剂量S1v1-GS-ZHD518、反应温度、反应时间和反应pH值）对玉米面中ZEN降解的影响。然后应用响应面法（RSM）比较了这些不同条件下的ZEN降解率，并确定了最佳降解参数。随后，使用Caco-2体外细胞毒性模型结合代谢组学，分析了暴露于ZEN及其降解产物（HZEN和DHZEN）的Caco-2细胞中的差异代谢物和改变的代谢途径，以阐明其细胞毒性机制。这些发现对于评估酶解解毒方法的安全性和有效性至关重要，最终有助于开发更安全的食品和饲料产品。

部分摘要

化学品

ZEN从中国山东青岛的Pribolab购买，并溶解在乙腈中制备成2.5毫克/毫升的储备溶液。其他试剂包括：二甲基亚砜（DMSO）、甲氧胺盐酸盐（MeOX）、1%双（三甲基硅基）三氟乙酰胺（BSTFA）和C8-C24脂肪酸甲酯标准品（FAMES，来自美国密苏里州圣路易斯的Sigma-Aldrich）；甲醇、乙腈、异丙醇、氯化钠、磷酸二氢钠、磷酸二氢钠和氯仿

单个反应参数对ZEN降解效果的影响

如图1A所示，增加重组酶剂量使ZEN的降解率从39.05%提高到96.66%，在200微克时达到最高值91.21%，并将ZEN浓度降低到0.465微克/克（低于中国国家标准GB 13078-2017）。超过200微克后，降解速率趋于平稳，表明酶已饱和。因此，选择150微克、200微克和250微克进行后续的RSM优化，最终确定200微克为最佳剂量。

温度（35-50°C）对ZEN降解的影响很小（变化<10%）（图1B）。

结论

本研究通过单因素实验和RSM系统探讨了S1v1-GS-ZHD518在玉米面中降解ZEN的最佳条件。实验结果表明，玉米面中的ZEN含量从最初的5.30 ± 0.01微克/克降低到0.21 ± 0.04微克/克，降解率为95.32%。同时，使用Caco-2细胞模型评估了降解产物的毒性效应。ZEN对多种有益于肠道健康的代谢物产生了不利影响

作者贡献声明

方金培：方法学、实验设计、数据分析、概念化。杨洋：初稿撰写、方法学、数据分析。沈琳娜：初稿撰写、资金获取、数据分析、概念化。孙秀兰：审稿与编辑、监督、资金获取。王刚利：监督。宁晓：方法学、实验设计。高松：监督、方法学

未引用的参考文献

E等人，2023年；Tan等人，2021年。

注释

作者声明没有竞争性财务利益。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的竞争性财务利益或可能影响本文工作的个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2022YFF1100703）、中央高校基本科研业务费（JUSRP222001、JUSRP123046）以及江苏省食品安全与质量控制协同创新中心的支持。