有机改性及热改性的蒙脱石在去除新型霉菌毒素（Alternariol和Enniatin B）过程中的层间及表面化学机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Interlayer and surface chemistry mechanisms in the removal of emerging mycotoxins – alternariol and enniatin B – by organically and thermally modified smectites

本研究考察了不同修饰层状粘土在酸性水和模拟胃液条件下对新兴霉菌毒素alternariol（AOH）和enniatin B（ENN B）的吸附性能。结果表明，C16修饰粘土对AOH吸附效率最高（>80%），LAE和CPB因空间位阻及电荷中和不足效率较低；ENN B吸附受Mg2+交换和300-500℃热处理显著促进（效率达80%），但过度煅烧（700℃）会因脱羟基和部分结晶而降低吸附。研究证实吸附效率主要取决于层间化学特性而非比表面积。

　　

Jakub Matusik | Klaudia Dziewi?tka | Aneta Matras | Dominika Borowska | Piotr Jedziniak | Ma?gorzata Gbylik-Sikorska

克拉科夫AGH大学；地质学、地球物理学与环境保护学院；矿物学、岩石学与地球化学系，Mickiewicza街30号，30-059克拉科夫，波兰

摘要

本研究探讨了不同改性蒙脱石材料在水相及模拟胃液条件下对新兴霉菌毒素——交替醇（AOH）和恩尼汀B（ENN B）的吸附性能。结果表明，霉菌毒素的去除效率受蒙脱石类型和改性策略的显著影响。有机改性的蒙脱石，尤其是十六烷基三甲基铵（C16）改性的材料，具有最佳的吸附效果，其密集的烷基链排列和层间疏水化作用促进了扩散驱动的吸附过程。相比之下，月桂酰精氨酸乙酯（LAE?）和椰胺丙基甜菜碱（CPB）改性材料由于空间位阻效应及电荷中和作用减弱，导致吸附效率降低。维生素B1改性的钠基蒙脱石由于更高的离子交换能力和改性剂与层间孔隙容量（CEC）比值而表现更优。无论是酸性水溶液还是模拟胃液环境，AOH的吸附等温线均呈现线性关系，这表明C16改性材料的吸附主要依赖于疏水作用，且胃蛋白酶的干扰有限。通过Mg²⁺离子交换和300–500°C的热处理可提高ENN B的吸附效率，这些处理方式减少了层间电荷，生成了疏水区域和路易斯酸位点，使吸附效率达到约80%。然而，过度煅烧（700°C）会导致脱羟基化和部分非晶化，从而降低吸附效果。虽然疏水作用是ENN B吸附的主要机制，但离子-偶极相互作用和氢键作用也可能起到一定作用。双组分实验揭示了AOH和ENN B对吸附剂的特异性亲和力。值得注意的是，吸附效率与比表面积无关，这突显了蒙脱石层间结构和表面化学性质的关键作用。

引言

气候变化导致的温度升高和降雨模式变化增加了全球食品安全和粮食安全风险，对公共卫生和全球贸易产生了严重影响[1]。这些变化影响了食源性病原体、害虫和疾病的分布，并与霉菌毒素产生菌的增多有关[2],[3]。霉菌毒素是由某些丝状真菌产生的有毒次级代谢产物，可在从田间到储存的整个生产链中污染食品和饲料。它们化学性质多样、稳定性高，会对人类和动物造成多种不良影响，包括肝毒性、神经毒性和致癌性[4]。早期联合国粮食及农业组织（FAO）的估计表明，每年有多达25%的全球农作物受到污染，而最新研究显示这一比例更高，尤其是在饲料中（72-79%）[5],[6]。这种广泛的污染造成了巨大的经济损失，仅黄曲霉毒素污染的玉米每年就给美国带来5210万至16.8亿美元的损失[7],[8]。 尽管像玉米赤霉烯酮（ZEN）、黄曲霉毒素（AFs）、伏马菌素（FUMs）和赭曲霉毒素A（OTA）等已知霉菌毒素已得到广泛研究和监管，但人们对新兴霉菌毒素的关注日益增加，这些毒素目前仍知之甚少且几乎未受到监管[6],[9]。例如交替醇（AOH）（C₁₄H₁₀O₅）是由Alternaria属真菌产生的代谢物，常见于食品和饲料中，包括水果、果汁饮料、蔬菜、谷物、豆类、坚果和油籽[10],[11]。一项欧洲调查显示，在300个样本中（n = 300），31%的样本含有AOH，浓度高达1840 μg/kg，而在受感染严重的番茄中检测到更高浓度[11]。另一种值得关注的新兴霉菌毒素是恩尼汀B（ENN B），主要由Fusarium属真菌产生，常存在于谷物及其制品中。ENN B是一种具有离子转运特性的环肽，能破坏细胞稳态并引发细胞毒性[12]。此外，ENN B还能干扰氧化磷酸化和线粒体体积调节，最终导致细胞凋亡[13]。由于其存在于广泛消费的产品中（如早餐谷物和婴儿配方奶粉），对婴儿和幼儿等脆弱群体构成特别威胁[14],[15],[16]。 尽管人们逐渐认识到AOH和ENN B作为新兴食品污染物的危害，但有效的固定化策略仍缺乏研究，这成为当前食品安全研究中的一个关键空白。目前，去除AOH的方法主要使用粗大豆壳过氧化物酶（SHP）作为生物催化剂，在过氧化氢存在下进行降解。研究表明，SHP在小麦粉、玉米粉、葡萄汁和苹果汁中的降解率分别为77%、84%和26%[17]。然而，SHP催化的AOH降解的最佳条件（pH 4.0–8.0、温度42-57°C、H₂O₂浓度100–500 μM）严重限制了该方法在大规模实际应用中的可行性。另一种方法是利用失活酵母细胞去除AOH，GIM 2.137菌株在24小时培养后可实现56.3%的初始AOH浓度降低[18]。β-环糊精聚合物（BBP）也被研究用于去除AOH，其在水缓冲液、红葡萄酒和番茄汁中的效果显著，但其实际应用可能受到霉菌毒素-BBP复合物稳定性的限制，这会影响处理后饮料的感官品质[19]。对于恩尼汀类（ENNs），去除研究主要集中在使用多种益生菌菌株的生物降解上，水中的降解率介于5%至99%之间[20]。然而，在食品系统中的降解效率较低，范围在1.3%至49.2%之间[20]。总体而言，针对ENNs去除的研究非常有限，系统性的物理化学方法研究在现有文献中几乎空白。

吸附是一种广泛用于去除环境污染物的方法，尤其是在大规模系统中，蒙脱石因其丰富性和低成本而受到广泛关注。蒙脱石是一种2:1层状铝硅酸盐，具有永久负电荷，这种电荷由层间阳离子平衡维持，决定了其离子交换容量和选择性等关键性质[21]。大多数研究集中在天然蒙脱石对单一霉菌毒素的吸附效果上[22]。然而，使用原始蒙脱石往往需要较高剂量，且对某些霉菌毒素的吸附效果有限。因此，人们开发了多种改性策略来提升吸附性能，如降低黄曲霉毒素B1（AFB1）的电荷密度和增强对非极性霉菌毒素的吸附能力[22],[23]。 最常用的蒙脱石改性方法是与阳离子季铵盐的插层作用。早期研究表明，用十六烷基三甲基铵（C16）和十六烷基吡啶inium（CP）改性的蒙脱石对ZEN的吸附效果最佳[24]。另有研究探讨了精氨酸、胆碱、硫胺素（维生素B1）和组氨酸等生物活性有机营养物质在去除AFB1方面的潜力[25]。月桂酰精氨酸乙酯（LAE?）是一种食品级表面活性剂，具有抗菌特性，在食品和化妆品工业中广泛应用[26]，其与蒙脱石结合可形成静电复合物，起到Pickering稳定剂的作用[27]。另一种环保型表面活性剂椰胺丙基甜菜碱（CPB）成功插入蒙脱石层间空隙，有效吸附酚类和Cu(II)[28]。此外，用CPB改性的Na-P1煤灰沸石还能高效去除水中的铀[29]。 C16是一种长疏水链（C16）的阳离子表面活性剂，带有永久电荷的季铵基团；LAE?是一种中等链长的氨基酸衍生物阳离子表面活性剂，含有胍基和酰胺/酯键；维生素B1（硫胺素）是极性水溶性分子，含有嘧啶和噻唑环及可电离的杂环氮；CPB是一种两性表面活性剂，同时具有脂肪酸链、季铵基团和羧酸基团[24],[25],[26],[27],[28],[29]。这些化合物的改性改变了蒙脱石的表面性质，调节了其疏水/亲水特性。其中，C16由于其长碳链表现出最强的疏水性，显著增强了蒙脱石的疏水性[30]。然而，C16不适合作为食品添加剂，因为它可能对生物体产生不良影响。相比之下，LAE?的插层研究表明，将其掺入蒙脱石层间可显著提高材料的疏水性，且LAE?为食品级物质，使用安全[31]。 本研究重点关注两种结构与性质不同的霉菌毒素——AOH和ENN B的去除机制。为此，我们使用了来自Clay Minerals Society数据库的3种富含蒙脱石的粘土样品。采用了简单且经济高效的改性方法，包括离子交换和热处理。为了改变蒙脱石的表面性质，不仅使用了常用的C16阳离子表面活性剂，还采用了更环保的方法，如具有抗菌特性的食品级LAE?表面活性剂、低毒性的CPB生物表面活性剂以及支持神经系统功能的维生素B1。改性材料在含有AOH和ENN的常规水溶液以及模拟动物消化系统的胃液中进行了测试，实验中加入了胃蛋白酶并考察了吸附剂剂量和pH值等关键参数。这些结果为改性蒙脱石在霉菌毒素去除方面的有效性提供了重要见解。

矿物材料与所用化学品

实验中使用的3种蒙脱石样品来自Clay Minerals Society的Source Clays Repository（美国）：SWy-2怀俄明蒙脱石（SWR）、STx-1b德克萨斯蒙脱石（STR）和SAz-2亚利桑那蒙脱石（SAR）。这些粘土样品未经进一步处理直接使用，选择依据是它们的化学成分差异（决定了离子交换容量CEC）和纹理特性差异。

原始蒙脱石与改性蒙脱石对AOH和ENN B的去除效率

结果显示，纯SWR钠基蒙脱石对AOH的去除效率较高，达到55.0±0.7%（剂量200 mg/L，图2a）。相比之下，钙基蒙脱石（STR和SAR）的去除效率较低，STR仅为15.2±2.5%，SAR则未检测到吸收。离子交换和煅烧处理略微提高了去除效率，但溶液的离子强度较高或存在ENN B时会降低去除效果（图3）。

结论

研究表明，蒙脱石基材料去除AOH和ENN B霉菌毒素的效率受其类型和改性方法的显著影响（图15）。有机改性的蒙脱石，尤其是C16改性的蒙脱石，具有最佳吸附效果，其密集的烷基链排列和层间疏水化作用促进了吸附过程。LAE?和CPB改性的蒙脱石由于空间位阻和电荷中和作用减弱，导致吸附效率降低。对于维生素B1改性的蒙脱石（SWR），...

CRediT作者贡献声明

Piotr Jedziniak：资源获取、方法设计、实验实施。 Ma?gorzata Gbylik-Sikorska：撰写、审稿与编辑、资源获取、方法设计、实验实施。 Aneta Matras：实验实施。 Dominika Borowska：实验实施。 Jakub Matusik：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、资源管理、方法设计、实验实施、资金筹集、数据分析、概念构建。 Klaudia Dziewi?tka：撰写、审稿与编辑、初稿撰写。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了克拉科夫AGH大学“卓越计划——研究型大学”项目（项目编号9793，预算501.696.7996/L34）的支持。