李 森，葉 金，李冰杰，張玉芳

（國家糧食和物資儲備局科學(xué)研究院1，北京 100037）

（南方丘區(qū)節(jié)水研究四川省重點實驗室2，成都 610066）

（北京師范大學(xué)3，北京 100089）

黃曲霉毒素（AFs）是一組結(jié)構(gòu)類似的二呋喃香豆素衍生物，基本結(jié)構(gòu)為1 個二呋喃環(huán)和1 個氧雜萘鄰?fù)?］。在已知的20 余種黃曲霉毒素中，黃曲霉毒素B1（AFB1）、B2（AFB2）、G1（AFG1）和G2（AFG2）最為常見［2］。目前發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)黃曲霉毒素真菌有28 種，主要包括黃曲霉（Aspergillus flavus）、寄生曲霉（Aspergillus parasticus）和集峰曲霉（Aspergillus nomius）等。黃曲霉毒素具有急性毒性、肝毒性、免疫抑制、致突變、致畸和致癌等毒性作用［3］，被國際癌癥研究機構(gòu)列為1A級致癌物［4］。

黃曲霉毒素常見于主要糧油及其制品中［5］。2018—2020 年全球關(guān)于小麥、玉米、水稻、燕麥、大麥、黑麥、高粱等谷物中真菌毒素污染的報道中，小麥、玉米和水稻中AFB1的危害嚴(yán)重［6］。中國小麥、稻谷和玉米及其原糧制品以及油料作物花生中，黃曲霉毒素也較為常見［7，8］。據(jù)估計，全球至少有45億人長期接觸AFs，特別是在N40°和S40°之間的“熱區(qū)”［9］。目前全球有100 多個國家對食品中的黃曲霉毒素有限量的規(guī)定［10］。

糧油作物在種植、收獲、儲藏、運輸和加工過程中，各個環(huán)節(jié)均易受到真菌的侵染，并在適宜的條件下產(chǎn)生黃曲霉毒素。黃曲霉毒素作為食品安全的主要風(fēng)險來源之一，“早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早干預(yù)”是對其開展污染防控的重要手段。文章綜述了國內(nèi)外在黃曲霉毒素產(chǎn)生因素和相關(guān)預(yù)測模型方面的研究進展，并對同類型的研究進行了對比，不同類型的研究進行了適用情景討論。

1 黃曲霉毒素產(chǎn)生的主要影響因素

1.1 微生物因素

黃曲霉毒素是由曲霉屬真菌在特定條件下產(chǎn)生的，曲霉的種類和豐度、作物中真菌的構(gòu)成等對黃曲霉毒素的產(chǎn)生等都具有決定性作用。在黃曲霉毒素產(chǎn)毒真菌中，黃曲霉、寄生曲霉和集峰曲霉等為主要產(chǎn)毒菌，其中黃曲霉主要產(chǎn)生AFB1和AFB2，寄生曲霉和集峰曲霉主要產(chǎn)生AFB1、AFB2、AFG1和AFG2［10］。由于菌種來源不同［11］，不同真菌產(chǎn)生黃曲霉毒素的條件和特征具有一定差異，明確產(chǎn)毒真菌種類對研究環(huán)境等其他因素的影響具有重要意義。此外，黃曲霉毒素在作物中產(chǎn)生的環(huán)境是一個生物系統(tǒng)，真菌構(gòu)成非常復(fù)雜，真菌的組成對黃曲霉毒素的產(chǎn)生具有一定影響，如黏帚菌屬（Clonostachys），隱球酵母（Cryptococcus），漢納酵母屬（Hannaella）等的物種豐度與產(chǎn)黃曲霉毒素真菌的豐度呈負相關(guān)，可能抑制產(chǎn)黃曲霉毒素產(chǎn)毒真菌的生長［12］。這些真菌作為拮抗真菌可以用于生物殺菌劑的研究，通過優(yōu)化作物中的微生物系統(tǒng)開展產(chǎn)前防控，有效減少農(nóng)藥的使用。

1.2 環(huán)境因素

溫度、濕度、空氣、土壤等環(huán)境因素是影響黃曲霉毒素發(fā)生的主要因素，其中環(huán)境的溫度和濕度關(guān)注度最高，也是導(dǎo)致黃曲霉毒素發(fā)生的關(guān)鍵因素。環(huán)境溫度和濕度通過改變作物的溫度和水分活度，從而改變作物中曲霉的環(huán)境，影響黃曲霉毒素的產(chǎn)生?；趯嶒炇业南嚓P(guān)研究得到了相關(guān)溫度、濕度和水分活度的最適范圍（表1）。研究表明，產(chǎn)毒真菌生長與黃曲霉毒素產(chǎn)生的最佳條件存在差異，黃曲霉毒素產(chǎn)生最佳溫度范圍通常為25 ～36 ℃，黃曲霉生長、相關(guān)基因表達及毒素的發(fā)生在酵母瓊脂、玉米提取液等培養(yǎng)基上的最佳溫度條件為30 ～36℃［13，14］。濕度影響作用的相關(guān)研究表明水分活度和黃曲霉毒素的水平呈正比。在表1 的14 項水分活度相關(guān)研究中，11 項研究表明黃曲霉毒素產(chǎn)生、產(chǎn)毒真菌生長和相關(guān)基因表達的最適水分活度均為研究范圍的最高水分活度，12 項研究的最佳水分活度≥0.95，5 項研究的最佳水分活度為0.99。

表1 溫度、水分活度對黃曲霉毒素、產(chǎn)毒真菌生長和相關(guān)基因表達的影響

在收獲前的田間研究中，結(jié)果與實驗室研究并不一致。Wu等［8］的研究發(fā)現(xiàn)黃曲霉毒素污染程度最高發(fā)生在降水稀少、平均氣溫接近23 ℃的氣候條件下，最低氣溫約為20 ℃，最高氣溫約為29 ℃。這種現(xiàn)象可能是由于基質(zhì)不同導(dǎo)致的差異，實驗室培養(yǎng)基質(zhì)多為粉碎后的成熟籽粒，而田間作物中產(chǎn)毒真菌的生長基質(zhì)為未成熟的籽粒，兩者在淀粉、蛋白質(zhì)、籽?；钚缘确矫娲嬖诘妮^大的差異。在作物收獲前的生長過程中，由于真菌生長基質(zhì)（作物籽粒狀態(tài)）復(fù)雜多變，生長環(huán)境是動態(tài)變化的自然環(huán)境，導(dǎo)致影響作物產(chǎn)前黃曲霉毒素發(fā)生的因素和機制更加復(fù)雜，實際田間作物的觀測、檢測等研究是獲取作物收獲前黃曲霉毒素發(fā)生條件的更有效途徑。

除環(huán)境的溫度和濕度外，環(huán)境中CO2和土壤環(huán)境對作物中黃曲霉毒素的發(fā)生同樣存在影響。在作物生長過程中，大氣環(huán)境中CO2濃度的輕度升高，在協(xié)同氣溫和水分活度升高的情況下，顯著促進產(chǎn)毒真菌的生長和黃曲霉毒素的產(chǎn)生［15，16］。土壤環(huán)境對于直接接觸土壤的花生而言影響較大，研究表明輕砂質(zhì)土壤有利于黃曲霉孢子的快速傳播與增殖，特別是在生長后期遇到高溫干旱的條件，花生受黃曲霉毒素污染的風(fēng)險較高［17］。

基于環(huán)境因素的研究表明作物無論是在收獲后還是收獲前，黃曲霉毒素的污染隨著環(huán)境的改變，隨時有發(fā)生的風(fēng)險，控制環(huán)境因子對于黃曲霉毒素防控具有關(guān)鍵作用，目前的研究也為進一步建立預(yù)測模型、開展產(chǎn)前防控提供參考。

1.3 管理措施

除受環(huán)境因素影響外，各個環(huán)節(jié)管理方式的差異也會導(dǎo)致黃曲霉毒素發(fā)生的風(fēng)險不同。種植過程中，同一區(qū)域的不同農(nóng)戶種植、管理、收獲的作物黃曲霉毒素存在顯著的差異。研究表明，作物的種植時間推遲和適時收獲均能一定程度降低作物收獲時黃曲霉毒素的發(fā)生風(fēng)險［34］，這可能與作物采收時的成熟度、生長周期的長短和關(guān)鍵生長階段的氣候相關(guān)。此外，作物輪作［35］，施肥、干燥時間的推遲［36］會顯著增加水稻中黃曲霉毒素的水平。因此，在合理時間種植、收獲、干燥，并進行科學(xué)輪作、施肥可有效對黃曲霉毒素田間風(fēng)險進行防控。

作物收獲后，不適當(dāng)?shù)拇鎯Ρ徽J為是黃曲霉毒素污染持續(xù)發(fā)生的一個主要原因。作物的潔凈度，包括運輸工具的衛(wèi)生程度［36］、受污染籽粒是否分離［37］、雜質(zhì)含量和白堊粒的發(fā)生程度［38］，與儲藏過程中黃曲霉毒素的發(fā)生風(fēng)險有顯著關(guān)系。此外，作物在儲藏過程中的存在狀態(tài)也會對黃曲霉毒素的發(fā)生風(fēng)險有影響作用，如同等條件下培養(yǎng)，糙米中AFB1含量顯著高于大米［25］。因此，在儲藏過程中保持作物和環(huán)境的潔凈、在滿足標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備中運輸和倉庫中儲藏等，可以降低作物收獲后產(chǎn)生黃曲霉毒素的風(fēng)險。

2 現(xiàn)有預(yù)測模型

2.1 收獲前預(yù)測

目前作物收獲前黃曲霉毒素污染風(fēng)險預(yù)測模型，主要以玉米、花生等為主開展研究，其中玉米是關(guān)注度最高的作物。同時，模型多以溫度、濕度等環(huán)境因素作為主要輸入因子。

玉米收獲前黃曲霉毒素預(yù)測主要以長須為時間節(jié)點，基于長須時間對前后日期的溫度、濕度、降雨等因素進行統(tǒng)計并開展預(yù)測［39］，小麥中真菌毒素預(yù)測［40］在方法和因素上與玉米較為相似?；ㄉ捎谏L于土壤中，因此不同于玉米和小麥中真菌毒素預(yù)測，相關(guān)影響因素主要為土壤的溫度、濕度等，土壤濕度變化相對于空氣濕度變化波動較平穩(wěn)，有利于評估水分活度受土壤濕度的影響。但花生生長于地下，除作物開花日期，其他生長期的觀測存在一定難度，給黃曲霉毒素風(fēng)險評估帶來挑戰(zhàn)。目前稻谷收獲前黃曲霉毒素預(yù)測模型相關(guān)研究較少。在我國，稻谷是主要糧食作物之一，也是容易積累黃曲霉毒素的糧食作物之一［41］，加強相關(guān)研究對保障糧食安全具有重要意義。

此外，一些研究將其應(yīng)用評估未來氣候下黃曲霉毒素污染風(fēng)險的變化。當(dāng)前，全球氣候變化加速，極端天氣出現(xiàn)頻率增高，2021 年聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發(fā)布的氣候變化報告顯示，未來20 年，全球氣溫將上升1.2 ～1.9 ℃［42］。美國和歐洲的研究表明，未來氣候變化在增加同一地區(qū)污染風(fēng)險［9］的同時，也將污染范圍擴大或轉(zhuǎn)移［43］，未來大尺度污染風(fēng)險的預(yù)測將對今后作物產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化提供參考。

2.2 產(chǎn)后預(yù)測模型

作物中的真菌通?？梢苑譃樘镩g真菌和儲藏真菌。田間真菌主要為鐮刀菌屬，在作物收獲前或收獲后短期內(nèi)大量生長并產(chǎn)生真菌毒素，隨著作物的收獲，田間真菌逐漸失去活性；儲藏真菌主要為曲霉菌屬和青霉菌屬，在作物收獲前生長及產(chǎn)生毒素，并在作物長期儲藏過程中持續(xù)保持活性［44］。相比于脫氧雪腐鐮刀菌烯醇、玉米赤霉烯酮等由鐮刀菌產(chǎn)生的毒素，黃曲霉毒素在產(chǎn)后儲藏過程中進一步污染的風(fēng)險更大。因此，收獲后作物中黃曲霉毒素的污染風(fēng)險需要持續(xù)關(guān)注。

相較于收獲前，作物收獲后的籽粒和環(huán)境相對穩(wěn)定，風(fēng)險預(yù)測難度有所降低，預(yù)測途徑和方法也趨向于多樣化，基于實驗室預(yù)設(shè)條件開展的研究也在該階段的預(yù)測中發(fā)揮了很大作用。其中，多數(shù)研究仍以環(huán)境溫度和濕度為主要輸入因素，在探討溫度和水分活度影響（表1）的同時，建立相關(guān)預(yù)測模型［13，24，32，33］，用于指導(dǎo)產(chǎn)后作物開展風(fēng)險預(yù)測。同時，也有一些研究基于產(chǎn)毒真菌含量、真菌的生長速率、基于環(huán)境因素對呼吸率的影響［25］等開展黃曲霉毒素水平預(yù)測［45］。

3 模型建立方法

目前黃曲霉毒素風(fēng)險預(yù)測模型多為數(shù)據(jù)驅(qū)動型模型，并且以回歸模型為主，主要包括多元線性回歸、邏輯回歸、高斯回歸、分類樹、保序回歸、支持向量機、隨機森林等（表2）。在人工智能高速發(fā)展的時代，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也為數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的建立提供了更多可能，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等逐漸應(yīng)用于黃曲霉毒素風(fēng)險預(yù)測領(lǐng)域。在預(yù)測過程中，由于風(fēng)險的分類方法不同，模型建立過程中參數(shù)的設(shè)置不同，因素選擇方法不同等因素，導(dǎo)致不同模型的預(yù)測結(jié)果和準(zhǔn)確度有一定差異。在實際預(yù)測中如何開展應(yīng)用，需要結(jié)合數(shù)據(jù)的特點（值得分布情況等）和應(yīng)用的場景（不同作物等）進行具體探討。

表2 黃曲霉毒素預(yù)測中數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的種類及應(yīng)用

數(shù)據(jù)驅(qū)動型模型基于客觀數(shù)據(jù)的分析結(jié)果得到一定規(guī)律和結(jié)論，從而開展黃曲霉毒素風(fēng)險早期預(yù)測，是一種較為直接的預(yù)測方法和途徑。但為了探究黃曲霉毒素發(fā)生的原因，一些學(xué)者對其產(chǎn)生的機制進行深入探討，同時基于機制機理，建立了風(fēng)險預(yù)測機理模型。Abdel －Hadi 等［13］利用微陣列技術(shù)研究了水分活度和溫度對黃曲霉在YES 培養(yǎng)基上10個關(guān)鍵產(chǎn)毒基因表達的影響，通過建立混合關(guān)聯(lián)生長機理模型，以關(guān)聯(lián)基因表達與水活度和溫度預(yù)測AFB1污染風(fēng)險。此外，通過建立產(chǎn)毒真菌生長一級模型及真菌毒素預(yù)測二級模型開展預(yù)測也是機理模型的一類重要方法［29，30，31］。

在模型構(gòu)建中，數(shù)據(jù)驅(qū)動模型能發(fā)現(xiàn)因素間的客觀規(guī)律，但難以對產(chǎn)生原因和機制進行解釋；機理研究能準(zhǔn)確解釋共性的主要原因和規(guī)律，但不能解釋全部的因素，其他個性的問題需要數(shù)據(jù)挖掘來補充。將機理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動結(jié)合起來，綜合理論基礎(chǔ)和信息技術(shù)的優(yōu)點，是未來建模技術(shù)發(fā)展的方向。目前，在玉米產(chǎn)前黃曲霉毒素污染風(fēng)險預(yù)測中，Liu等［46］采用了綜合建模方法，將機理建模與人工智能相結(jié)合建模，彌補了歷史觀測數(shù)據(jù)中經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)不平衡和數(shù)據(jù)集不足的缺點，建立的模型預(yù)測準(zhǔn)確率達到70% ～83%。

4 總結(jié)和展望

黃曲霉毒素嚴(yán)重影響著人和動物的健康。通過開展風(fēng)險關(guān)鍵影響因素研究并進行早期預(yù)測，對作物中黃曲霉毒素污染關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行防控，是減少污染發(fā)生、保障人類健康和減少經(jīng)濟損失的重要途徑?；谖⑸铩貪穸鹊拳h(huán)境條件、田間管理措施等因素的研究，對黃曲霉毒素產(chǎn)生的原因和條件有了整體認知，為開展早期防控提供了理論依據(jù)?；谙嚓P(guān)結(jié)論建立的回歸模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)驅(qū)動模型和機理模型，對評估作物生長中黃曲霉毒素風(fēng)險以及由此產(chǎn)生的經(jīng)濟損失提供了測算依據(jù)。目前預(yù)測模型仍多以基于預(yù)設(shè)條件和參數(shù)的實驗研究為主，雖然對作物收獲后儲存、運輸過程中的條件控制具一定指導(dǎo)作用，但對于作物收獲前風(fēng)險的識別的預(yù)測能力有限。由于作物實際環(huán)境尤其是種植和收獲過程中的條件復(fù)雜且多變，與實驗室研究存在一定差異，因此基于實驗研究結(jié)果進一步開展大田作物數(shù)據(jù)收集及預(yù)測模型研究是解決收獲前早期預(yù)測的有效途徑。同時，亟需融合產(chǎn)毒真菌生長及相關(guān)基因表達等研究，深入開展機理模型開發(fā)，并結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動模型開展早起預(yù)測，充分發(fā)揮不同模型的優(yōu)勢，綜合提升我國糧食黃曲霉毒素風(fēng)險防控能力。黃曲霉毒素風(fēng)險預(yù)測研究的開展和應(yīng)用，將更好地服務(wù)于我國真菌毒素風(fēng)險預(yù)測工作，為收儲政策提前制定，優(yōu)化風(fēng)險監(jiān)測方案等提供參考，以提高我國應(yīng)對黃曲霉毒素風(fēng)險的能力。