Микотоксины в пищевых системах: механизмы деградации для обеспечения эффективности нетепловых воздействий обеззараживания
Стратегия научно-технологического развития Российской Федерации на ближайшее десятилетие в совокупности больших вызовов включает потребность в обеспечении продовольственной безопасности и продовольственной независимости России, конкурентоспособности отечественной сельскохозяйственной продукции на мировых рынках продовольствия, снижение технологических рисков в агропромышленном комплексе на фоне глобального продовольственного кризиса (Указ Президента Российской Федерации от 28 февраля 2024 года № 145 «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации»).
Согласно Доктрине продовольственной безопасности Российской Федерации, ключевой целью развития сельского хозяйства является создание высокопроизводительного сектора, базирующегося на основе современных технологий и обеспеченного научными разработками. Достижение поставленных целей требует тщательного изучения имеющегося научно-технологического задела, его применимости в реальном секторе АПК.
Среди факторов, сопутствующих снижению качества продовольственного сырья, возникновению рисков потери безопасности, можно выделить изменение климата и влияние возникающих последствий его изменения, в частности накопления вторичных высокотоксичных метаболитов токсигенных плесеней. В этом ключе возрастает роль научного развития в области создания технологий обеззараживания продукции растениеводства за счет использования высокоэффективных методов деконтаминации и получения, таким образом, безопасных сырьевых ресурсов, пригодных для переработки в пищевых целях.
Ключевым фактором эффективного поиска воздействующих факторов для технологий обеззараживания является системный подход, включающий в себя понимание структуры и свойств отдельных механизмов, возможных механизмов их деградации, оценку степени токсичности продуктов распада, установление роли каждого из режимных составляющих этого воздействия на эффективность процессов деградации.
Цели исследования — сбор, анализ и систематизация научных данных в области основных видов загрязнителей продовольственного сырья из класса микотоксинов, их потенциальной опасности, раскрытие возможных механизмов деградации микотоксинов при воздействии нетепловых факторов.
Материалы и методы исследования
Аналитический анализ научных публикаций по теме исследования выполнен по методике К. Околи для статей на английском и русском языках. Были использованы две реферативные базы данных — «Научная электронная библиотека eLibrary.Ru» и Sciencedirect.
Период обзора — 2020–2025 гг.
Запросы осуществляли по ключевым словам: микотоксин(ы, ов), методы обеззараживания (деградации) (от) микотоксинов, механизмы деградации (разрушения) микотоксинов.
Следует отметить, что количество научных публикаций в базе данных Sciencedirect, найденных по каждому из поисковых запросов, существенно превышает количество научных публикаций в реферативной базе eLibrary. На поисковый запрос «механизмы деградации (разрушения) микотоксинов» публикаций по типу научных статей в базе еLlibrary найдено не было.
Результаты и обсуждение / Results and discussion
- Общее представление о микотоксинах и их токсичности
Данные ФАО ВОЗ показывают, что примерно 14% всех производимых продуктов питания теряются до момента их поступления конечному потребителю по причине загрязнения ксенобиотиками. Плесневая микрофлора и вырабатываемые вторичные метаболиты (микотоксины) являются причиной потери до 30% продукции растениеводства вследствие ее высокой токсичности. Усугубить ситуацию может наблюдаемое в последние годы изменение климата, которое создает условия для увеличения количества зерновых культур, пораженных опасными микромицетами, и, как следствие, возникновения и распространения продуцируемых микотоксинов.
Микотоксины — термин, который используется для обозначения широкого круга вредных веществ, вырабатываемых плесневыми грибами. Это большое разнообразие естественных вторичных метаболитов, продуцируемых такими нитчатыми грибами, как Aspergillus, Fusarium, Penicillium и Claviceps.
Микотоксины являются наиболее токсичными химическими веществами, содержащимися в продуктах питания и кормах, представляющими наибольшую угрозу для здоровья человека и животных. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации (ФАО) ООН, микотоксины можно обнаружить примерно в 25% мирового урожая сельскохозяйственных культур. Эти токсины сохраняются в продуктах питания даже после термических методов обработки благодаря их химической стабильности и устойчивости к разложению.
Таким образом, микотоксины представляют собой глобальную проблему из-за их широкого распространения и выраженной токсичности.
К основным распространенным микотоксинам относятся известные формы: афлатоксины, дезоксиниваленол, зеараленон, охратоксин А, фумонизины, ниваленол, энниатин, Т-2, НТ-2 и патулин. Следует отметить, что молекулярное строение и свойства этих соединений в значительной степени различны. Обобщенная характеристика наиболее распространенных видов микотоксинов представлена в таблице 1.
Помимо известных, сегодня выделяют группу новых форм микотоксинов (молекулярная структура некоторых из них представлена на рис. 1).
Многочисленные исследования показали, что микотоксины могут вызывать хроническую или острую токсичность у животных и людей, включая кишечную токсичность, гепатотоксичность, нефротоксичность, эстрогенные свойства, канцерогенность, нейротоксичность, иммунотоксичность, тератогенность и мутагенность.
В этом ключе существенно возрастает актуальность поиска методов детоксикации продовольственного сырья и продуктов питания от загрязнения микотоксинами.
2. Современные подходы к детоксикации микотоксинов
Возможность эффективной детоксикации микотоксинов зараженного продовольственного сырья в процессе его переработки имеет колоссальное значение для обеспечения безопасности пищевых продуктов.
Среди известных на сегодняшний день методов можно выделить: группу физических методов, таких как микроволновое излучение, обработка высоким давлением и импульсным светом; группу химических методов, таких как использование окислителей, антибиотиков и органических кислот; группу биологических методов, таких как использование ферментных препаратов и растительных экстрактов.
Поскольку химические и биологические методы детоксикации микотоксинов в большинстве своем оказывают существенное влияние на органолептические свойства готовых продуктов и их пищевую ценность, то их использование в пищевых производствах нежелательно, а иногда просто не разрешено. В этих условиях физические методы детоксикации микотоксинов являются наиболее предпочтительными для пищевой отрасли.
Важной мерой по снижению загрязнения микотоксинами в пищевой промышленности остается термическая обработка. С помощью тепловых технологий можно достичь более низких уровней микотоксинов, тем самым обеспечивая ее безопасность. Обратная сторона термической обработки — потеря пищевой ценности продовольственных ресурсов и существенное изменение органолептических свойств готовой продукции.
В отличие от термических методов, преимущество нетермических технологий обусловлено их способностью обеспечивать эффекты детоксикации при относительно низких температурах во время обработки, снижая значительные изменения качества пищевых продуктов, которые могут вызывать высокие температуры.
Сводный анализ нетермических методов детоксикации представлен в таблице 2.
В последнее время из всех физических методов именно атмосферная холодная плазма привлекает всё большое внимание тем, что проявляет эффективность в отношении инактивации как плесневых грибов, продуцирующих микотоксины, препятствуя их дальнейшему биосинтезу, так и разрушая сами микотоксины, которые уже накопились.
Нетепловые эффекты атмосферной холодной плазмы являются перспективной новой технологией для промышленного применения, но требуют дополнительного исследования в части установления механизмов разрушающего воздействия на микотоксины.
- Холодная плазма: общая характеристика и сущность воздействия
Технологии обработки сырья ионизирующими и неионизирующими излучениями высокой эффективности применяются в пищевой промышленности в большей части для инактивации патогенных микроорганизмов.
Плазма, которую часто определяют как четвертое состояние вещества, образуется при столкновении нейтральных атомов и ионизации, что приводит к образованию электронов, положительно заряженных ионов, свободных радикалов и нейтральных частиц. Доказано, что плазма индуцируется с помощью нескольких газов — от окружающего воздуха (атмосферной плазмы), кислорода и азота до благородных газов, таких как гелий, аргон и их комбинации. Плазма может быть получена с использованием нескольких конфигураций оборудования, включая реакторы с коронным разрядом, плазменной струей, скользящим дуговым разрядом и диэлектрическим барьерным разрядом.
В частности, атмосферная холодная плазма — это ионизированный газ, богатый ионами, электронами, ультрафиолетовым излучением, свободными радикалами, активными формами кислорода и азота и другими химическими активными веществами, которые и формируют нетермическое обеззараживание пищевых продуктов от токсигенных плесеней и продуцируемых ими микотоксинов.
Ключевыми наиболее привлекательными аспектами холодного плазменного воздействия являются:
(1) применение относительно низкого напряжения,
(2) высокоэффективное производство реакционноспособных веществ,
(3) высокая плотность микроразрядов,
(4) работа в окружающем воздухе без необходимости примеси благородных газов.
- Гипотезы о механизмах дезинтегрирующего действия атмосферной холодной плазмы на микотоксины (на примере афлатоксина В1)
Первое сообщение о пригодности холодной плазмы для разрушения микотоксинов было опубликовано Park et al. (2007), где афлатоксин В1 и дезоксиниваленол на стеклянной подложке полностью разлагались под действием атмосферного аргонового микроволнового разряда плазмы менее чем за 5 сек.
Холодная плазма представляет собой ионизированный мощным электрическим полем газ (чаще всего аргон или воздух) с температурой 20–40 ºС. Некоторые исследования подтверждают, что холодная плазма эффективна для разрушения микотоксинов, в частности зеараленона и дезоксиниваленола. L. Ten Bosch с соавт. изучил действие холодной плазмы на основе воздуха при атмосферном давлении и установил, что под ее воздействием происходит деградация многих микотоксинов, в том числе зеараленона, дезоксиниваленола, фумонизина B1, T-2 токсина.
Исследователям под руководством X. Wang удалось добиться полной деградации микотоксинов, продуцируемых грибами Alternaria, в результате обработки холодной плазмой на основе воздуха в течение 5 мин.
В настоящее время в литературе представлено достаточно большое количество подтверждений эффективности холодной плазмы в отношении деградации микотоксинов. Эффективность разрушения описывается в среднем диапазоном значений 65–100%.
Ключевыми факторами, определяющими конечную эффективность процесса детоксикации, являются вид плазменного воздействия, режимы обработки и структура самого микотоксина (рис. 2).
Несмотря на понимание роли отдельных факторов воздействия холодной плазмы на микотоксины, малоизученной остается область механизмов разрушающего действия холодной плазмы. В литературе представлено крайне мало исследований, раскрывающих пути деградации микотоксинов, оценку токсичности продуктов разрушения микотоксинов. Это информационное поле исследований представляет огромный интерес, поскольку установление механизмов деградации крайне необходимо для прорыва в методах обеззараживания продовольственного сырья и продуктов питания с применением холодной плазмы.
В открытой литературе представлено крайне незначительное количество исследований, описывающих механизмы дезинтегрирующего действия холодной плазмы на микотоксины, преимущественно в форме гипотез.
Так, согласно Wang et al. и Hojnik et al., у которых были сформированы различные предположения о пути деградации афлотоксина В1, ключевая роль в этом процессе всё же разрыву двойной связи C8 = C9 на фурановом кольце и образованию продуктов, менее токсичных, чем афлатоксин В1 (рис. 3).
Поскольку основной причиной деградации афлатоксина В1 было участие O•, H• и OH•, то основная гипотеза механизма разрушающего действия базируется на ключевой роли в этом процессе свободных радикалов, а меньшая токсичность продуктов деградации указывает на то, что за токсичность афлатоксина В1 ответственно именно фурановое кольцо.
Вместе с тем Wang et al. предположили, что продукт распада афлатоксина В1 образуется в результате расщепления фуранового кольца, тогда как Hojnik et al. описывают возможное выделение водорода из связи C-H в C8 = C9 с образованием нестабильного 8,9-диальдегидного как промежуточного соединения с дальнейшей перестройкой электронов и формированием двойной связи между С6 и С10, в результате чего образуется стабильный ароматический альдегид в кислой среде. Таким образом, пути деградации могут быть неодинаковыми даже для одних и тех же продуктов деградации.
В целом деградация микотоксинов при обеззараживании нетепловыми технологиями с применением холодной плазмы в первую очередь зависит от синергизма реакционноспособных веществ, таких как OH, H2O2, УФ и О3. Однако для более детального понимания механизмов деградации микотоксинов под действием холодной плазмы необходимо дальнейшее проведение системных, масштабных исследований для формирования доказательной базы применимости для реального сектора АПК.
Выводы
Микотоксины в пищевых системах — это угроза для потенциальных потребителей, риски воздействия которых имеют эффекты проявления в длительном периоде. Установление механизмов деградации для обеспечения эффективности нетепловых воздействий обеззараживания позволит сформировать новые технологические решения, применимые в агропромышленном комплексе на разных этапах технологической цепочки в целях сохранения продовольственных ресурсов.
Возможности применения холодной плазмы для детоксикации микотоксинов в пищевых системах привлекают всё большее внимание благодаря весомым перспективам внедрения этого метода обеззараживания в реальные технологические процессы. Несмотря на то что в предварительных исследованиях были получены впечатляющие результаты, использование холодной плазмы, как и понимание механизмов ее влияния на микотоксины, всё еще находится в зачаточном состоянии. Поэтому существует множество задач, которые требуют скорейшего решения.
Учитывая, что холодная плазма, безусловно, является новинкой в области элиминации пищевых микотоксинов, технология в промышленных условиях пока не масштабирована. Большинство опубликованных до настоящего времени исследований по деградации микотоксинов холодной плазмой были основаны на лабораторных плазменных устройствах.
В промышленной установке следует учитывать несколько ключевых факторов, определяющих эффективность разложения микотоксинов, таких как время обработки, расстояние до объекта обработки, мощность разряда, влажность газа, вид и строение пищевой матрицы, структуру самих микотоксинов.
Таким образом, задача будущих исследований — установление действительно ключевых факторов для лучшей адаптации режимов детоксикации пищевых продуктов при различных условиях. Кроме того, дополнительно требуется дальнейшее изучение механизма деградации отдельных микотоксинов при обработке холодной плазмой.
Об авторах
Ирина Валерьевна Калинина; доктор технических наук, доцент, профессор кафедры пищевых и биотехнологий
https://orcid.org/0000-0002-6246-9870; kalininaiv@susu.ru
Ирина Юрьевна Потороко; доктор технических наук, профессор, директор Высшей медико-биологической школы
https://orcid.org/0000-0002-3059-8061; potorokoii@susu.ru
Алёна Александровна Руськина; старший преподаватель кафедры пищевых и биотехнологий
https://orcid.org/0000-0002-2451-9339; ruskinaaa@susu.ru
Южно-Уральский государственный университет, пр-т Ленина, 76, Челябинск, 454080, Россия
УДК 664.664.9
DOI: 10.32634/0869-8155-2025-390-01-121-129
