综述：谷物供应链中的真菌毒素管理：先进检测、解毒与智能包装策略

《Journal of the Science of Food and Agriculture》：Mycotoxin management in the cereal supply chain: Advanced detection, detoxification, and smart packaging strategies

　　

真菌毒素（mycotoxins）持续对谷物和其他农产品的安全与质量构成持久威胁，其对人类健康的影响日益引起全球关注。在许多情况下，传统用于控制这些毒素的做法已不再足够有效；它们可能成本高昂、难以大规模实施，并且在某些情况下会造成环境缺陷。随着谷物产品在供应链中流转，对更快速、更灵敏的检测工具、更可靠的解毒选项以及实用的采后预防措施的需求日益明确。本综述审视了基于生物技术和纳米技术（biotechnology- and nanotechnology-based approaches）的最新进展，重点强调其与传统方法相比优越的环境可持续性。具体而言，它评估了纳米颗粒辅助生物传感器（nanoparticle-assisted biosensors）和先进光谱技术如何显著提升真菌毒素监测系统的灵敏度和选择性。同时讨论了生物和纳米催化解毒方法（biological and nanocatalytic detoxification methods），这些方法提供更温和、更环保的作用方式。此外，还考虑了主动和智能包装（active and smart packaging）的进展，特别是其在储存和分销期间限制真菌生长和防止再污染的潜力。总之，这些进展表明，将高性能分析工具与新兴的生物-纳米解决方案相结合，可以支持在整个谷物供应链中实现更有效、更可持续的真菌毒素管理。? 2026 The Author(s). Journal of the Science of Food and Agriculture published by John Wiley & Sons Ltd on behalf of Society of Chemical Industry.

**引言**

真菌毒素（mycotoxins）是丝状真菌（主要属于曲霉属_Aspergillus、青霉属_Penicillium和镰刀菌属_Fusarium）产生的有毒次级代谢产物，常污染多种农产品，对食品和饲料安全构成全球性威胁。据估计，全球60–80%的谷物产品可能含有可检测水平的真菌毒素。常见污染物包括黄曲霉毒素B₁（AFB₁）、脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）、伏马菌素（FUM）和玉米赤霉烯酮（ZEN），它们可导致人类和动物肝脏及神经系统损伤、免疫抑制和致癌效应。同时，多种真菌毒素的共现（如DON、ZEN和FUM的组合）使毒理学评估和风险管控复杂化。传统控制方法（如物理分拣、热处理和化学消除）通常不够有效，且可能损害食品营养或感官特性。因此，亟需转向更可行、更具选择性和环境友好的手段。本综述首次提出一种跨越整个谷物供应链的融合方法，系统地将先进检测、生物与纳米催化解毒以及智能包装三个核心支柱结合起来。

**先进检测方法**

虽然高效液相色谱（HPLC）、气相色谱（GC）和液相色谱–串联质谱（LC–MS/MS）等色谱方法仍是定量和监管分析的金标准，但工业对快速、廉价、现场检测方法的需求推动了创新互补技术的发展。实验室层面，表面增强拉曼光谱（SERS）平台和电化学纳米传感器可提供皮克至纳克级的超高灵敏度，并能整合样品前处理方法（如QuEChERS或磁性固相萃取（SPE））以避免基质效应。样品前处理技术（如改良QuEChERS、磁性SPE和稳定同位素稀释分析（SIDA））在最小化基质干扰和提高分析可靠性方面起关键作用。将高分辨质谱（HRMS）输出与人工智能（AI）和代谢组学结合，有望检测“隐蔽/缀合”真菌毒素及其新代谢物。每种方法需报告标准化验证参数（检出限（LOD）、定量限（LOQ）、线性、回收率、重复性和实验室间测试），并附技术就绪水平（TRL）和生命周期成本（LCC）数据。

传统色谱方法：HPLC结合紫外（UV）、二极管阵列、荧光或MS检测器是常用方法；LC–MS/MS是同时筛查、鉴定和测量多种真菌毒素的流行方法。样品前处理包括SPE、多功能柱（如MycoSep^?）和免疫亲和柱，QuEChERS方法可实现复杂基质中的多分析物同时检测，常用吸附剂包括十八烷基硅烷（C₁₈）、伯仲胺（PSA）和石墨化碳黑（GCB）。

免疫测定法：酶联免疫吸附测定（ELISA）广泛用于一般筛查。其他方法包括薄层色谱（TLC）及傅里叶变换红外（FTIR）和核磁共振（NMR）光谱。

**隐蔽真菌毒素：分析与毒理学挑战**：隐蔽真菌毒素（如DON-3-葡萄糖苷和ZEN-14-葡萄糖苷）是植物为防御真菌毒素而缀合葡萄糖、硫酸或氨基酸形成的极性衍生物，无法通过常规分析检测。其分析因极性变化和结构修饰而困难，常用LC–MS/MS结合水解程序。这些缀合物可在消化或加工过程中水解释放原始毒素，恢复毒性，但尚无监管限值。

**光谱与成像技术**：近红外（NIR）、可见–近红外（Vis–NIR）、中红外（MIR）、荧光光谱、高光谱和多重光谱成像以及SERS等光谱方法具有非破坏性、快速和样品制备少的特点。SERS与QuEChERS联用可达到0.85 μg kg^?1的检出限。高光谱成像（HSI）结合机器学习（ML）：HSI与ML模型联用可检测谷物和坚果中的真菌毒素，识别独特光谱特征，近期研究显示对黄曲霉毒素B₁和FUM的检测精度高。

**分子印迹聚合物与纳米材料**：分子印迹聚合物（MIPs）可模拟抗体识别特性，用于选择性真菌毒素富集。MIPs与SPE、电化学传感器、荧光传感器及SERS等结合实现高特异性灵敏检测。基于氧化石墨烯和聚合物–金属–有机杂化体的纳米材料传感器用于信号放大和F?rster（荧光）共振能量转移（FRET）识别。纳米杂化材料如β-葡聚糖甘露脂质颗粒包裹腐植酸纳米颗粒，可有效吸附AFB₁。

**先进样品前处理方法**：磁性SPE利用磁性纳米颗粒或GCB实现快速分离。QuEChERS与超高效液相色谱–串联质谱（UHPLC–MS/MS）联用可同时测量监管和新兴真菌毒素。Wu等^[55]成功开发了针对镰刀菌酸的多克隆抗体和核酸适配体，并建立了三种高灵敏度测定法（ELISA、ELASA和ELAAA），检出限为5–50 ng g^?1，回收率87–112%。

**新兴快速便携检测技术**：微流控芯片实验室系统集样品提取、分离和检测于一体，适用于现场测试。单粒分析通过荧光成像、反射光谱和LC微筛查实现单粒水平评估，有助于识别局部污染“热点”。电子鼻（E-nose）平台利用金属氧化物半导体传感器检测挥发性有机物以指示真菌生长，AI增强的物联网（IoT）E-nose可在1秒内检测玉米中的赭曲霉毒素A，准确率>98.5%。荧光偏振免疫测定（FPIA）基于竞争结合机制和偏振光检测，快速、低试剂消耗，适合常规工作。

**可扩展性与工业整合**：微流控芯片、手持式红外光谱仪、生物传感器螺杆进料器和HSI系统具有工业应用的可扩展性。手持式光谱设备可实现运输和储存阶段快速筛查，生物传感器可直接集成到加工线上实现实时监测。

**创新解毒策略**

传统物理方法（如热处理）因真菌毒素热稳定性高而无法彻底消除污染；化学处理可能影响产品质量或产生有毒残留。因此，转向基于生物和纳米技术的方法。

**物理、化学和生物解毒方法**：物理方法包括光学分拣、碾磨、挤压、过热蒸汽和冷等离子体。化学方法包括氨化、含钠试剂、臭氧和天然植物提取物。生物解毒因其高特异性、温和条件和生态友好被视为最有前途的方法。酶促降解利用伏马菌素酯酶（FumD）、玉米赤霉烯酮-内酯酶（Zhd101p）和染料脱色过氧化物酶（BsDyP）等酶可实现多种真菌毒素的分解。微生物解毒利用乳酸杆菌、酵母或真菌。重组酶表达和酶固定化可进一步提高效率。杂交策略整合非热物理处理与生物解毒及纳米材料吸附剂，具有环境可持续性。

**生物与酶促解毒**：酶促转化研究表明，展示于纳米载体上的玉米赤霉烯酮-内酯酶在温和条件下2小时内降解超过90%的ZEN；FumD可在一小时内降解玉米中>80%的伏马菌素B。微生物生物转化如乳酸杆菌和某些曲霉菌株可将真菌毒素转化为毒性较低的化合物。

**纳米材料解毒**：纳米复合材料吸附剂如壳聚糖包覆Fe₃O₄纳米颗粒和磁性碳纳米复合材料可高效吸附真菌毒素，磁性便于体外去除。光催化降解利用如UCNP@TiO₂纳米颗粒在光照射下降解DON等毒素，产物无毒。Adelusi等^[100]优化挤压参数（温度、水分、螺杆转速和停留时间），实现谷物产品中多种真菌毒素（黄曲霉毒素、玉米赤霉烯酮、FUM、DON和赭曲霉毒素）减少>80%的同时保持营养质量。

**生态控制与储存预防**

**初级预防：田间和储存的生态控制**：影响真菌毒素的关键生态参数是水分活度（a_w）和温度。低a_w和稳定低温是防止产毒真菌生长的最佳防线。

**主动包装系统**：主动包装通过水分吸收剂和抗菌剂（如二氧化碳、乙醇、防腐剂、无机纳米颗粒和植物提取物）延缓霉菌生长。包装薄膜中掺入肉桂、茴香等植物精油及银纳米颗粒，可抑制曲霉和青霉。K?pka-Borkowska等^[109]证明气密Purdue袋通过创造富CO₂环境显著降低玉米中黄曲霉毒素水平。

**智能和智慧包装**：智能包装通过内置传感器实时监测温度、湿度等参数，包含指示剂（时间-温度、新鲜度或气体指示剂）、传感器（化学/生物传感器或可食用传感器）和数据载体（条码标签和RFID标签）。全球定位系统（GPS）可与智能包装集成实现追溯。气密包装袋如Purdue增强袋可提供不利于真菌生长的环境，显著降低黄曲霉毒素。主动与智能功能的结合形成智慧包装，不仅保护产品还指示安全状态，符合危害分析与关键控制点（HACCP）系统。

**未来展望**

**技术融合**：人工智能（AI）与代谢组学将转变真菌毒素检测，例如深度学习（DL）方法如卷积神经网络（CNN）用于成像检测，HSI结合支持向量机（SVM）实现高精度分类，以及AI增强的便携式电化学生物传感器与物联网（IoT）集成实现实时监控。生物–纳米杂化系统（如多酶级联与纳米材料结合）可同时去除多种真菌毒素。综合解决方案旨在建立无缝系统，包括作物抗性育种、便携式传感器和智能包装。

**实施挑战**：成本高、复杂性限制了新技术在发展中国家广泛采用。需要全球合作开发稳健、标准化的风险评估工具和区域管理指南。

**结论**

仅依赖传统终点控制措施已不足够。以供应链为导向的策略连接三大支柱（快速可靠检测、有效解毒、防止再污染的储存和包装解决方案）提供了更现实和可持续的前进方向。新检测平台加强早期预警和常规监测；生物和酶促解毒结合纳米吸附剂或光催化剂提供更温和、更选择性的选择；主动和智能包装提供最终保护层。然而，整合这些技术取决于成本、法规批准、新材料安全评估及人力资源提升等因素。进展需要更协调的风险评估和国际合作以减少谷物供应链中的真菌毒素负担。