《食品科学》：河南工业大学卞科教授等：玉米赤霉烯酮及其衍生物的毒性和转化研究进展

  真菌毒素是由曲霉、青霉、镰刀菌、链格孢霉等真菌产生的一类次级代谢产物，可对人体和动物的健康造成危害，甚至导致死亡。玉米赤霉烯酮（ZEN）作为谷物中常见的真菌毒素，污染范围较广、毒性较大。 目前研究共发现了30多种ZEN衍生物，一些ZEN衍生物如 α -玉米赤霉烯醇（ α -ZEL）比ZEN毒性更强。

  河南工业大学粮油食品学院的何雨朔、李萌萌、卞科*等 介绍了ZEN衍生物的主要种类，重点论述了ZEN及其衍生物的毒性和代谢转化途径，以期为谷物中ZEN及其衍生物的监管和降解提供参考。

  大部分ZEN衍生物是由生物代谢转化产生的。α-ZEL和β-玉米赤霉烯醇（β-ZEL）可由动物、真菌和植物产生，动物和真菌可将ZEN还原为α-玉米赤霉醇（α-ZAL）和β-玉米赤霉醇（β-ZAL），在植物和真菌中常见硫酸化玉米赤霉烯酮（ZEN-14-Sulf）和玉米赤霉烯酮-14-O-β-葡萄糖苷（ZEN-14-β-Glc）。ZEN及其主要衍生物的结构见图1。

  许多ZEN衍生物与ZEN共同出现在谷物类产品中，由于缺乏ZEN衍生物标准品和校准物，ZEN衍生物的数据不足，导致检测到ZEN及其衍生物含量低于总量。研究表明，在食品和饲料中检测到的ZEN-14-Glc、ZEN-14-Sulf、α-ZEL、β-ZEL及其共轭物α-ZEL-14-Glc、β-ZEL-14-Glc的含量分别比ZEN高50%、40%、40%、30%、20%和10%。

  ZEN及其衍生物的毒性大多数来源于于其直接毒性和间接毒性。直接毒性是由ZEN及其衍生物本身造成的，间接毒性主要由ZEN衍生物重新转化成ZEN后产生。

  ZEN及其衍生物的生殖毒性指其扰乱生殖系统排卵、产生等生理功能，影响生殖细胞分化及胚胎细胞发育，危害动物和人体繁殖能力的特性。ZEN及其衍生物的结构与内源性雌激素类似，故易与ER结合，进而影响雌激素发挥其生物效应。α-ZEL和β-ZEL主要是通过参与雌激素负反馈调节影响雌激素的生物合成，由此产生生殖毒性；α-ZEL和β-ZEL会干扰睾酮和雌二醇等雌激素的作用。α-ZEL的生殖毒性明显高于ZEN。对比ZEN、ZEN顺式异构体和ZEN-14-Sulf的生殖毒性，发现ZEN反式异构体到顺式异构体的异构化没有显著改变其雌激素活性，但ZEN芳香基部分的羟基化和磺化会导致其生殖毒性明显降低。在雌激素受体报告基因实验中，5 种ZEN葡萄糖醛酸共轭物均表现出很微弱的雌激素活性，且其雌激素活性均低于ZEN、α-ZEL、β-ZEL，因此导致其毒性易被忽视。

  ZEN及其衍生物的基因毒性指其破坏细胞内DNA等遗传物质、导致突变甚至癌症的特性。ZEN及其衍生物如α-ZEL和β-ZEL的基因毒性与其激活ER相关，ER调节许多转录因子的活动，并影响许多相关生化途径成分的表达。高剂量ZEN可损伤小鼠编码卵母细胞成熟促进因子的DNA，也会使γ-H2A.X磷酸化蛋白表达下降，同时干扰DNA的损伤修复。ZEN衍生物的基因毒性与ZEN相似，都会造成基因突变和DNA损伤。α-ZAL和ZAN的代谢物已被证明可诱发人体肝脏的氧化性DNA损伤和甲基化，表明其具有潜在的基因毒性。

  ZEN及其衍生物的免疫毒性指其抑制生物体的免疫反应、引发氧化应激反应的特性。ZEN及其衍生物的免疫抑制活性会导致人体对病原体的免疫反应和异物引起的炎症反应减弱，对健康产生极不利的影响。炎症和氧化应激是ZEN衍生物产生免疫毒性的主要机制。

  ZEN及其衍生物的细胞毒性指其诱导细胞氧化应激、细胞凋亡和细胞周期停止及损害细胞正常生理活动的特性。ZEN可通过内质网应激途径导致鸡胚成纤维细胞凋亡。ZEN可通过内质网应激通路调控促进体外培养的山羊子宫内膜基质细胞凋亡。ZEN可影响小鼠T淋巴细胞的正常氧化还原及生理功能。与ZEN及其他ZEN衍生物相比，β-ZEL在HepG2细胞、Caco-2细胞、小鼠巨噬细胞RAW264.7、人神经母细胞瘤细胞SH-SY5Y中的细胞毒性较高。在RAW264.7细胞中，β-ZEL显示的细胞毒性明显高于α-ZEL，二者都可以引起细胞凋亡（表1）。

  在食品、动物饲料和其他副产品中ZEN及其衍生物常共同出现，其联合毒性指其同时作用于生物体时可能会发生交互作用，产生协同、拮抗或加和效应。将HepG2细胞暴露于ZEN、α-ZEL、β-ZEL 72 h后进行中性红实验，根据结果得出HepG2细胞寿命明显缩短，α-ZEL和β-ZEL、ZEN和α-ZEL、ZEN和β-ZEL具有联合毒性作用；且ZEN和α-ZEL、ZEN和β-ZEL两两混合对抑制促炎性细胞因子的表达有协同作用，并随着毒素浓度的升高而增加。ZEN及其衍生物对细胞核受体如雌激素、雄激素、甲状腺激素受体-β亚型（THRβ）和过氧化物酶体增殖物激活受体（PPAR）的内分泌活性影响实验根据结果得出，ZEN、α-ZEL、β-ZEL显示出较强的协同雌激素毒性。HepG2细胞实验也表明ZEN及其衍生物共同存在会产生协同作用导致联合毒性。

  ZEN的大多数共轭反应都可降低其毒性，ZEN衍生物的雌激素活性与其结构上的大环内酯有关，而ZEN衍生物向顺式的转化则降低了其柔韧性，不利于其与ER结合，故α-ZEL和β-ZEL之间的生殖毒性差别巨大。对15-羟基玉米赤霉烯酮（15-OHZEN）的毒性研究表明，C15位置的羟基化会导致ZEN的雌激素活性明显降低，证明ZEN结构上的羟基对其毒性影响较大。ZEN与其他化合物结合反应（如葡萄糖醛酸化、葡萄糖苷化和磺化）也会导致其毒性降低，是因为结合反应抑制了ZEN与ER的结合。有研究表明ZEN被转化为葡萄糖醛酸共轭物ZEN-14-O-GlcA、α-ZEL14-OGlcA、β-ZEL-7-O-GlcA、β-ZEL-14-O-GlcA、β-ZEL-16-OGlcA后雌激素活性降低。ZEN-14-Sulf和ZEN-14-Glc由于C14位置的酚羟基被阻断，故其雌激素活性也降低。

  直接法可分为体外实验模拟和体内实验直接测定两种，主要是通过观察ZEN及其衍生物在动物、人体、细胞、肝微粒体中的代谢及生物体对毒素的反应，以细胞或生物体生理指标的变化得出毒性数据。

  ZEN衍生物毒性测定的间接方法主要有计算机模拟法和相对效能因子法（RPFs）。计算机模拟作为近年来的新兴方法，可模拟预测化合物的毒性，并用于破译毒素分子和配体之间的结合机制，研究毒素分子结构与毒性关系；已被用于评估乙酰化ZEN、硫磺化ZEN、异构化ZEN的毒性。利用计算机模拟进行分子对接技术，通过受体的特征及受体与药物分子之间的相互作用方式来预测其结合模式和亲合力，已被用于预测ZEN衍生物的代谢转化、生物活性和潜在毒性。在直接法和间接法的结合实验中，对ZEN-14-Glc的计算机模拟结果为其难以与ER结合，而进一步的体外实验结果证实了该预测。

  RPFs是一种假定各种化合物之间为剂量相加，并且在所有剂量水平下每种化合物的效能比保持不变的方法。该方法可为包括ZEN衍生物在内的真菌毒素及衍生物在食品中的限量标准提供基于健康的指导值，并根据真菌毒素的毒性来评估食品中其衍生物的毒性，但该方法对毒性的预测不够准确，需要更加多关于ZEN及其衍生物的毒物动力学和毒性的研究数据。

  虽然ZEN的耐热性使其能够在大多数食品和饲料工艺流程中化学结构保持不变，但在食品工艺流程中ZEN也会与大分子成分如多糖、蛋白质或脂质反应转化为其衍生物；ZEN衍生物也可能重新分解为ZEN，但目前相关支撑数据较少，有待进一步实验研究。

  真菌可感染谷物等植物而产生ZEN及其衍生物，常见的ZEN衍生物有ZEN-14-Sulf和ZEN-14-Glc。镰刀菌以及真菌属 Rhizopus 、 Aspergillus 、 Trichoderma 可将ZEN代谢转化成ZEN-14-Sulf玉米茎和水稻基质上存在的镰刀菌还可产生 α -ZEL、 β -ZEL、 α -ZAL、 β -ZAL。ZEN可被毛霉菌属的真菌有效地转化为ZEN-14G。酵母菌也能够转化ZEN 。部分酵母菌株也具有代谢ZEN的能力，ZEN、 α -ZEL、 β -ZEL可被白色念珠菌、汉森纳菌、皮氏菌和酵母菌还原。粉红螺旋聚孢霉菌能代谢消除ZEN内酯环上的酯键以此来降低其雌激素活性。曲霉菌和根霉菌的菌株可诱导ZEN糖基化为ZEN-14-Glc。

  由于ZEN衍生物可在哺乳动物的消化道中被水解，在生物体内ZEN能够最终靠肠道微生物菌群发生结构变化，这些变化导致了各种ZEN代谢物的产生，因此就需要在体内进行毒物动力学调查以评估潜在的健康风险。目前已报道了一些对人类和动物如猪、大鼠和鸡进行的毒物动力学研究。

  体外实验中瘤胃微生物可大量代谢转化ZEN。ZEN-14-Glc、 α -ZEL-14-Glc、 β -ZEL-14Glc难以被人工消化液如唾液、胃液、十二指肠液、胆汁或植物酶 β -葡萄糖苷酶水解。结肠菌群能够将ZEN-14-Glc和ZEN-14-Sulf在30 min内水解为ZEN；粪便微生物群可在4 h内水解几乎所有的ZEN-14-Glc、 α -ZEL-14-Glc、 β -ZEL-14-Glc。大鼠、鸡、猪、山羊、牛以及人体肝脏微粒体的体外代谢实验表明，大部分ZEN-14-Glc可被代谢为ZEN、 α -ZEL-14Glc、 β -ZEL-14Glc、 α -ZEL、ZEN-16-GlcA、ZEN-14-GlcA，但不一样的物种间转化率有差异。牛的血浆、全血和血清白蛋白、胎牛血清可将ZEN-14-Glc水解为ZEN或将其转化为 α -ZEL和 β -ZEL，研究推断可能是某种具有酶活性的蛋白质负责水解。ZEN-14-Glc、 α -ZEL-14-Glc、 β -ZEL-14-Glc在体外模拟胃肠道消化液中稳定，但能被肠道微生物群有效降解。体外实验中，ZEN衍生物在哺乳动物细胞中的吸收和水解取决于其浓度、细胞类型和细胞培养条件。因体外模型无法模拟动物体内重要的生理和结构特征，如消化道内的酶与微生物菌群的组成、组织和器官之间的血液循环以及肠肝再循环等，故要进一步进行体内实验来验证体外实验结果。ZEN及其衍生物的体外转化研究见表2。

  ZEN在单胃动物和人类的胃肠道中被转化为 α -ZEL和 β -ZEL以及 α -ZAL和 β -ZAL，然后通过两条途径进行生物转化。第一条途径基于羟基化作用，ZEN在羟类固醇脱氢酶的催化下形成 α -ZEL和 β -ZEL。 α -ZEL对ER有更大的亲和力，因此比ZEN毒性更强； β -ZEL对ER的亲和力较低，因此毒性很小。第二条途径依赖于尿苷-5’二磷酸葡萄糖醛酸转移酶催化的ZEN及其衍生物与葡萄糖醛酸共轭。对人类尿液样本的分析表明，ZEN的主要代谢物是ZEN-GlcA和 α -ZAL-GlcA。向大鼠体内注射ZEN-14-Glc，55 min后约16%～19%的ZEN-14-Glc被水解为游离的ZEN，表明葡萄糖苷在上消化道中被部分水解。在大鼠体内，ZEN-14-Glc主要被水解为ZEN，被水解后的ZEN被还原为 α -ZEL和 β -ZEL或被羟基化为4-OH-ZEN、5-OH-ZEN、6-OH-ZEN；ZEN-14-Glc还可以直接转化为其葡萄糖醛酸形式，如ZEN-14G-16-GlcA和 α -ZEL-14G-16-GlcA。仔猪通过灌胃摄入ZEN-14-Glc 48 h后在其尿液和粪便中的ZEN总生物回收率达（48±7）%。ZEN-14-Glc易水解为游离形式，但在没有移植门静脉导管的情况下，大鼠和猪的体内实验无法确定水解部位；向猪的静脉注射 α -ZEL和 β -ZEL后，二者向ZEN的转化率很低；但ZEN-14-Glc向ZEN的转化率较高，可达约20%。一项体内实验根据结果得出，人体结肠的微生物可迅速将ZEN-14-Glc和ZEN-14-Sulf水解为ZEN，其对肠道上皮细胞有潜在毒性风险。这一些数据表明ZEN衍生物对ZEN的总体毒性有贡献，因此有必要将这些衍生物和ZEN一起纳入毒性风险评估中，但ZEN转化的研究数据仍然不足。ZEN衍生物的最大毒性风险为其在肠道微生物的作用下重新转化为ZEN，且不应忽视ZEN及其衍生物的累积影响，因为其联合毒性往往高于单种毒素的毒性。ZEN及其衍生物的体内转化研究见表3。

  植物体内的ZEN转化主要经历3 个阶段：第一阶段是转化或激活，第二阶段是溶解或共轭，第三阶段为隔离。在第二阶段代谢中，尿苷二磷酸糖基转移酶（UGTs）将ZEN与葡萄糖共轭是植物的主要解毒机制之一。最近有研究发现大麦的UGT编码基因 HvUGT14077 对ZEN、 α -ZEL和 β -ZEL具有高催化活性，其还可催化ZEN C14和C16的 O -葡糖基化。植物中最常见的ZEN衍生物是ZEN-14-Glc、 α -ZEL、 β -ZEL及ZEN葡萄糖苷。对小麦细胞的悬浮培养物进行实验，根据结果得出ZEN植物糖基化的反应产物还包括ZEN-16-Glc和ZEN丙二酰葡萄糖苷。草本植物鼠耳芥可将ZEN代谢为ZEN-14-Sulf，但鲜有研究报道在谷物中观察到这种情况。ZEN感染作物植物后，植物酶如酯酶、酰胺酶和细胞色素P-450酶将活性基团引入ZEN导致其结构发生转化，ZEN会在植物酶作用下与更多的极性物质如糖、氨基酸和硫酸盐共轭，葡萄糖基转移酶将一个葡萄糖分子附着在ZEN上以增加其水溶性。ZEN共轭衍生物在植物细胞的特定细胞器如液泡和叶绿体或细胞质外空间如细胞壁中被隔离，因此无法对植物产生有害影响，但会在植物中残留，被动物或人体摄入后对其健康造成危害。

  ZEN及其衍生物在食品存的情况很常见，因此应加强对其联合毒性机制的研究。此外，还需要更加多毒性代谢动力学和体内实验毒性的数据来提高毒性评估系统的准确性。应利用从体外实验中获得的毒理学数据着重于分析毒素的生物利用率、降解率、吸收速率等。体内研究表明ZEN衍生物可通过酶转化为游离形式，近年来针对ZEN衍生物的体外毒性实验大多是在胃、肠和肝脏的细胞系中进行，因此未来的体外毒性研究应更多使用代表内脏的细胞系，而非以往研究使用的细胞如癌细胞系。

  大多数被动物和植物代谢转化而成的ZEN衍生物为结合物，相比ZEN毒性更低，但可在动物和人体内通过肠道微生物菌群的转化或组织器官的代谢重新转化为ZEN或其他有毒产物；植物来源的ZEN衍生物同样分布广泛，但对其研究较少，植物通过增加ZEN溶解度将其转化为毒性或活性较低的ZEN衍生物，从而排出植物体或将其隔离。大多数ZEN衍生物毒性各不相同，其毒性与其结构和化学性质紧密关联，因此有必要进行进一步的研究以充分阐明其生理和毒理学作用，其研究结果可指导相关法规标准的制定，对食品中毒素污染的综合管理也有重要意义。

  2020年获河南工业大学粮食工程本科学士学位，2021年考入河南工业大学粮油食品学院食品科学与工程专业，研究方向为谷物加工理论与技术。

  博士生导师， 国际谷物科技协会（ICC）院士，中原学者，国务院政府特殊津贴专家。 主要是做 谷物加工、粮食品质与质量安全控制、粮食储藏、谷物资源转化利用等方向的研究。 主持完成国家自然基金、国家公益性行业（农业）科研专项以及省部级项目20余项； 获国家科学技术进步一、二等奖各1 项，省部级一等奖4项； 发表论文200余篇； 出版著作9 部； 授权发明专利22件。 目前在研国家自然科学基金联合基金（重点项目）1 项、国家重点研发计划专项项目1 项、国家现代农业（小麦）产业技术体系建设专项1 项，以及其他省部级科研项目、企业横向合作项目3 项。