استراتژی های اصلاحی برای کنترل مایکوتوکسین ها در خوراک

Invited review : remediation strategies for Mycotoxin control in feed

مایکوتوکسین ها متابولیت های ثانویه گونه های مختلف قارچ هستند که می توانند باعث ایجاد سمیت مزمن یا حاد در حیوانات شوند. بیش از 500 نوع مایکوتوکسین شناسایی شده است اما عمده آنهایی که در خوراک اهمیت دارد از پنج جنس قارچی آسپرژیلوس ، فوزاروم ، پنیسیلیوم ، کلاویمیپس و آلترناریا تولید می شوند. آفلاتوکسین B1، دئوکسی نیوالنول ، زرالنون و فومنسین B1 مایکوتوکسین های شاخص در آلوده کنندگی خوراک از جمله ذرت ، جو ، گندم بادام زمینی ، نخود ، آجیل ، ارزن ، علوفه و محصولات جانبی آنها هستند. میزان سمیت مایکوتوکسین به ساختار شیمیایی آن وابسته است. سمی ترین آفلاتوکسین شناخته شده آفلاتوکسین  B1است که از قارچ آسپرژیلوس تولید می شود و در گروه سرطان زا ها قرار دارد که در بسیاری از گونه های حیوانی ویژگی های جهش زا ، سرطان زا ، خود ایمنی و درگیر کردن کبدی را نشان می دهد. زرالنون ، دئوکسی نیوالنول و فومنسین B1 عمدتا توسط قارچ فوزادیوم تولید می شود. دئوکسی نیوالنول یک تریکوتوکسین نوع B است که می تواند مهار سنتز اسیدهای نوکلئیک و پروتئین ها ، بی اشتهایی و استفراغ را القا کند و عملکرد روده و ایمنی را در حیوان به خطر بیندازد. زرالنون ساختاری مشابه با استروژن دارد در نتیجه با بتا استرادیول بر سر جایگاه های گیرنده رقابت می کند و در نتیجه منجر به اختلالات تولید مثلی در دام می شود. مایکوتوکسین ها اثرات منفی معنی داری بر سلامت حیوان ، عملکرد ، کیفیت محصول و ایمنی محصول دارد و این امر باعث انجام تحقیقات بسیاری در این زمینه شده است . به طور کلی رویکردهای فیزیکی ، شیمیایی ، بیولوژیکی و تغذیه ای به عنوان استراتژی های اصلی برای سم زدایی مایکو توکسین ها در صنعت خوراک توسعه داده شده است .

استراتژی های کاهش مایکوتوکسین ها

 روش های فیزیکی :

روش های فیزیکی برای کاهش آلودگی های مایکوتوکسین ها شامل جدا سازی (سورت کردن) ، شستشو ، استخراج با حلال ، حرارت دادن ، تابش و جذب است .

جداسازی و تفکیک :

مایکوتوکسین ها به طور یکنواخت در دانه ها توزیع نمی شوند و عمدتا در قسمت های کپک زده و شکسته دیده می شوند. در این میان وزن مخصوص غلات آلوده به مایکوتوکسین نسبتا کمتر از غلات معمولی است این ویژگی امکان جداسازی خوراک آلوده به مایکوتوکسین ها را با استفاده از الک ، جداسازی گرانشی ، جداسازی فوتوالکتریک و تکنیک های پردازش تصویر را فراهم می کند . محققین گزارش کرده اند که شناور سازی در آب و پوست گیری به تنهایی  می توانند 51 و 53 درصد از توکسین و فومنزین ها را از ذرت سفید پوسته دار حذف کنند . با این حال نشان داده شد که این تکنیک ها پر هزینه و زمان بر هستند و فقط در مقیاس های کوچک قابل اجرا است .

شستشو در آب یا استخراج با حلال :

با توجه به اینکه مایکوتوکسین ها خواص محلول در آب یا چربی را دارند می توان آنها را با شستشو با آب یا یک حلال دیگر ضدعفونی کرد . شناور کردن در آب می تواند تریکوتسن ، زرالنون و فومنسین را به ترتیب 69-64% ، 62-61% ، 73-74% از دانه ها حذف کند .شناور کردن در آب و نمک 30-10% ، ساکارز 60% یا 1/0 مول بر لیتر کربنات سدیم می تواند سرعت حذف فومنسین ها را از ذرت و گندم افزایش دهد. بیشتر از حلال های متانول ، اتانول ، هگزان ، استونیتریل ، ایزوپروپانول و استون آبی برای استخراج مایکوتوکسین ها استفاده می شود . با وجود اینکه مقدار زیادی از مایکوتوکسین ها با این روش حذف می شود اما از معایب آن می توان به از دست دادن مواد مغذی و دفع عصاره ها و خشک کردن دوباره دانه ها اشاره کرد .

گرما :

سال هاست که از روش حرارت برای حذف مایکوتوکسین ها استفاده می شود . کارایی این روش به ساختار شیمیایی ، غلظت مایکوتوکسین ها ، دما ، مدت زمان ، رطوبت ، pH و غلظت یونی در طی عملیات حرارتی بستگی دارد . دمای تجزیه زرالنون ، دئوکسی نیوالنول ، آفلاتوکسین B1 ، فومنسین B1 ، به ترتیب 220،175،237 و 150 است که این یکی از مشکلات برای حذف آنها است . عملیات پخت با فشار 1/0 مگاپاسگال در دمای 160 درجه به مدت 20 دقیقه می تواند 77 تا 88% از آفلاتوکسین B1 در برنج را پاکسازی کند. همچنین حرارت دادن بادام زمینی با فشار 1/0 مگاپاسگال در 20 دقیقه و با دمای 120 درجه می تواند 95 درصد آفلاتوکسین B1 را تجزیه کند.  با توجه به اینکه میزان انرژی بالایی که این روش لازم دارد و همچنین احتمال ایجاد واکنش میلارد ناشی از دمای بالا در این روش محدودیت در استفاده از این روش بوجود آمده است .

تابش :

تابش ممکن است یک روش علمی برای حذف مایکوتوکسین ها در مقیاس صنعتی باشد. اثر تابش بر مواد غذایی می تواند باعث القای فیزیکی ، شیمیایی و اثرات بیولوژیک که باعث کاهش یا حذف مایکوتوکسین ها شود. به طور کلی آفلاتوکسین B1 را می توان به ترتیب به مقدار43-87.3 ، 65.7-71.5 ، 22-100% و 7/90% به ترتیب توسط روش های پرتو گاما ، پرتو الکترونیکی ، اشعه ماورای بنفش و مایکروویو کاهش داد. اگرچه روش تابشی را می توان به عنوان یک رویکرد بالقوه و امیدوارکننده برای ضدعفونی مایکوتوکسین ها در نظر گرفت اما بایستی مسائلی همچون جهش زایی که میکروارگانیسم های مضر را تولید می کند و ارزش تغذیه ای مواد غذایی را کاهش می دهد را نیز در نظر گرفت .

جاذب ها :

بایندرها با مایکوتوکسین ها کمپلکسی ایجاد می کنند که باعث عبور مایکوتوکسین ها از دستگاه گوارش شده و مانع ورود آنها به خون و سایر اندام ها می شود. در دهه های گذشته جاذب های مختلفی با منشاء های مختلف مورد استفاده قرار گرفته است. هر جاذب باید شرایط زیر را داشته باشد : 1- ظرفیت جذب بالا داشته باشد 2- به مواد مغذی متصل نشود 3- ثبات بالایی داشته باشد و 4- خوش طعم باشد. مواد معدنی آلومینوسیلیکات به عنوان بزرگترین کلاس جاذب های مایکوتوکسینی شناخته شده اند و پرکاربردترین مورد در دفع مایکوتوکسین ها در پرورش دام و طیور هستند . این جاذب ها شامل : بنتونت ، مونت موریلونیت ، زئولیت ، سدیم هیدراته کلسیم آلومینیوم سیلیکات ، کائولن ، ایلیت و …. می شود. کاربرد هر کدام از جاذب ها به ساختار شیمیایی آنها و نوع مایکوتوکسین وابسته است . همچنین کارایی هر کدام از جاذب ها به مساحت سطح ، توزیع بار، اندازه منافذ ، قطبیت و شکل مایکوتوکسین ها وابسته است. مطالعات متعددی در خصوص اثرات زئولیت ، بنتونیت سدیم انجام شده که نشان داده است که باقی مانده آفلاتوکسین B1 را در کبد به میزان 41تا 87 درصد کاهش و آفلاتوکسین B1 را نیز به صورت عددی در گوشت و تخم مرغ کاهش می دهد. در مطالعه ای دیگر در خوک های تغذیه شده با 11/1 میلی گرم بر کیلو گرم زرالنون استفاده از 1 درصد مایفانیت اصلاح شده به میزان 55 درصد زرالنون را در کبد کاهش داد. بنتونیت ها به عنوان جاذب بسیار امیدوار کننده هستند زیرا کارایی بالایی در جذب مایکوتوکسین ها دارند ، سازگار با محیط زیست هستند و مقرون به صرفه هستند.

جاذب های نسل دوم با منشا دیواره سلولی میکرو ارگانیسم ها توسعه بسیاری داشته اند.  گلوکومانان یک جاذب رایج است که توسط میکروب های روده جذب نمی شود و باکتری های بیماری زا را جذب و دفع می کند و مایکوتوکسین ها را می توان توسط گلوکومانان استری شده دفع و جذب کرد. در مطالعاتی ثابت شده است که گلوکومانان استری شده باعث جلوگیری از پیامدهای نامطلوب ناشی از مایکوتوکسین ها بر عملکرد ، ایمنی ، شاخص های خونی و شیمیایی جوجه ها می شود .

زغال فعال به عنوان یک جاذب عمومی دارای سطح وسیع و قابلیت جذب در محیط های مرطوب است . زغال چوب فعال توانایی کاهش دئوکسی نیوالنول ، زرالنون و آفلاتوکسین را به دلیل ساختار  متخلخل خود در مطالعات زیادی نشان داده است. در مطالعه ای افزودن 1/0% کربن فعال به خوراک حاوی 10 میلی گرم بر کیلوگرم AFB1 توانست اثرات مضر آن را جوجه های گوشتی کاهش دهد. اوانتاجیاتو  نشان داد که با افزودن 2/0% کربن فعال به جیره به میزان 5 تا 32 درصد از زرالنون موجود در روده کوچک کاهش می یابد .

در واقع کارایی دقیق جاذب های میکروبی بدین گونه است که باکتری ها ، مایکوتوکسین ها را جذب کرده و یک کمپلکس تشکیل می دهند. سپس همراه با سموم دفع می شوند و در نتیجه خطر را کاهش می دهند . باکتری های اسید لاکتیک و مخمر بیشترین جاذب میکروبی هستند. لاکتوباسیلوس کازئی به طور قابل توجهی با مایکو توکسین ها باند ایجاد کرده و مانع جذب آنها توسط روده می شود. زنگ و همکاران گزارش کردند که لاکتوباسیلوس پلانتریوم دارای ظرفیت جذب قوی بر روی آفلاتوکسین B1 است و نرخ جذب آن به 8/56 درصد است. لاکتوباسیلوس پلاتناروم B7 و لاکتوباسیلوس پنتوللوس 8X به ترتیب می توانند 9/52 و 58 درصد فومینسین B1 را حذف کنند. در مطالعه ای که هالتونن و همکاران انجام دادند اثر جذب چندین باکتری اسید لاکتیک را روی آفلاتوکسین مقایسه کردند و نتایج نشان داد که ترکیب چند باکتری تولید کننده اسید لاکتیک موثر تر از یک سویه است و اثرات سینرژیستی دارد .

روش های شیمیایی :

روش های شیمیایی می توانند ساختار مایکوتوکسین را تخریب کنند . تخریب مایکوتوکسین ها به روش شیمیایی معمولا با استفاده از روش های قلیایی و ازون صورت می گیرد .

روش های قلیایی :

روش های قلیایی شامل آمونیوم ، سدیم هیدروکسید ، پتاسیم هیدروکسید ، کربنات سدیم و … که برای تخریب مایکوتوکسین های مختلف در خوراک استفاده می شود. ساختار حلقه لاکتون آفلاتوکسین B1 را می توان با روش هیدرولیز پایه باز کرد تا نمک کومارین سدیم تولید کند و سپس با شستشو با آب از بین برود. استفاده از آمونیاک و نمک های هیدروکسید روش های رایجی هستند که برای حذف آفلاتوکسینB1 از مواد خوراکی مورد استفاده قرار می گیر و نرخ حذف آن بیش از 95 درصد است. کربنات سدیم و نمک های هیدروکسید می توانند دئوکسی نیوالنول را به ترتیب به میزان 9/83 و 100 درصد در خوراک حذف کنند . اگرچه روش های گفته شده در بالا می توانند 100 درصد مایکوتوکسین ها را از بین ببرند اما احتمال این نیز وجود دارد که با شکستن مایکوتوکسین ها به اشکال دیگری تبدیل شوند و یا پوشش دار شده و عوارض جانبی برای محیط زیست داشته باشند.

استفاده از اوزون :

استفاده از اوزون روشی برای سم زدایی است که بسیار موثر بوده و ساختار مولکولی مایکوتوکسین ها را تغییر می دهد . اکسید کننده هایی که در این روش مورد استفاده قرار می گیرند شامل پراکسید هیدروژن ، هیپوکلریت سدیم و کلسیم ، کلر و سایر اکسید کننده ها می باشد. مطالعات نشان داده است که زیرالنون، دئوکسی نیوالنون ، آفلاتوکسینB1 و فومسنینB1 به طور موثر توسط اوزون تخریب می شوند. محققین گزارش کردند که غلظت اوزون ، شکل و زمان قرار گرفتن در معرض آن می تواند اثر معنی داری بر کاهش آفلاتوکسین S و دئوکسی نیوالنول داشته باشد. آفلاتوکسین را می توان به میزان 92 تا 95 درصد در ذرت ، 78-91 درصد در کنجاله پنبه دانه یا بادام زمینی با استفاده از اوزون کاهش داد. همچنین دئوکسی نیوالنول را می توان 70-90 درصد در ذرت و 20-80 درصد در گندم توسط اوزون کاهش داد. میزان زرالنون را می توان با استفاده از 1000 میلی گرم در لیتر اوزون به مدت 180 دقیقه به مقدار 7/90 درصد کاهش داد. اگرچه اوزون می تواند غلظت مایکو توکسین ها را کاهش دهد اما می تواند سبب تغییر در ساختار شیمیایی و فیزیکی خوراک شود مانند تغییر در ساختار نشاسته ، اکسیداسیون لیپید ، دناتوره شدن پروتئین ، تغییر در رنگ و ساختار شود. همچنین ممکن است اوزون اثرات مضری بر سلامت حیوانات داشته باشد .

روش های بیولوژیکی ( زیستی )

اگرجه بسیاری از استراتژی های ضد میکروبی برای کاهش مایکوتوکسین ها در مواد خوراکی پیشنهاد شده است، روش های بسیار کمی وجود دارد که همه ی شرایط ایمنی زیستی ، مقرون به صرفه بودن ، اتصال در شرایط صنعتی ، الزامات کاربرد علمی را برآورد کند. بنابراین به عنوان یک استراژی امیدوار کننده، تجزیه زیستی مایکوتوکسین ها توسط میکروارگانیسم ها یا آنزیم ها توجه محققین را به خود جلب کرده است.

میکروارگانیسم هایی با توانایی سم زدایی :

میکروارگانیسم هایی که فعالیت سم زدایی دارند روش های سم زدایی آنها مبتنی بر بیولوژیک به طور کارآمد و سازگار با محیط شناخته می شود. غربالگری و جداسازی میکروارگانیسم هایی که قابلیت اتصال به مایکوتوکسین و حذف آنها را دارند یک استراتژی محبوب می باشد. قارچ های مختلفی کشف شده است که توانایی سم زدایی AFB1 را دارند . سویه های قارچی همانند ساکارومایسز سرویزیه می توانند تا 69 درصد آفلاتوکسین B1 را کاهش دهد. به طور مشابه برخی از مطالعات نشان دادند که سویه های مختلف آسپرژیلوس از جمله A.neger FSLO و A.neger RAFLO6 توانایی تجزیه آفلاتوکسین B1 را به مقدار 6/88 و 7/98 نشان دادند. باسیلوس ها دسته بسیار مهمی از باکتری ها هستند که توانایی تخریب آفلاتوکسین B1 را دارند. در مطالعه ای که فرزانه و همکاران انجام داده اند نشان دادند که باسیلوس سابتیلیس توانست 4/78 تا 95 درصد آفلاتوکسین B1 را در مغز پسته کاهش دهد. علاوه بر این باسیلوس سابتیلیس جدا شده از روده ماهی توانست در مدت 72 ساعت 5/81 درصد آفلاتوکسین را تجزیه کند . برخی از میکروارگانیسم ها شناسایی شده اند که توانایی تجزیه فومونیزین ها را دارند. Styriak و همکاران دو سویه مخمر حفظ شده را از آزمایشگاه غربالگری کردند که توانایی بالایی در تجزیه فومونیزین را در محیط کشت داشتند. ساکارومایسز سرویزیه IS1 می تواند فومونیزین را به مقدار 45 درصد تخریب کند. از طرفی دیگر ساکارومایسز سرویزیه SC82 می تواند مخلوط B1 و B2 را تجزیه کند.

در مطالعه ای دیگر گزارش شد که نرخ تخریب فومونیزینB1 توس کنسرسیوم باکتری SAA579 ، 100 درصد است.

استفاده از آنزیم های کاتابولیزور :

اگرچه برخی از میکروارگانیسم های میکروبی در تجزیه بیولوژیکی سموم مایکوتوکسین بسیار فعال هستند برخی از آنها ممکن است متابولیت های مضر تولید کنند که برای دستگاه گوارش ضرر داشته باشد و در آنجا بماند. بنابراین غربالگری آنزیم ها از این میکروارگانیسم ها ممکن است راه حل امیدوار کننده ای برای حل این مشکل باشد. اخیرا تحقیقات زیادی بر روی جداسازی آنزیم ها جهت تجزیه آفلاتوکسن B1 ، دئوکسی نیوالنول ، زرالنول و فومنسین B1 صورت گرفته است ، آنزیم های قارچی شناخته شده که توانایی تجزیه آفلاتوکسین B1 را دارند شامل لاکازواکسیدازها هستند. در مطالعه ای که انجام شد نشان داده شد که آفلاتوکسین دئوکسی زایم نو ترکیب توانست آفلاتوکسین B1 را سم زدایی کند و اثرات جهش زایی آن را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. 1/5 U/ml منگنز پراکسیداز می تواند تا 90 درصد آفلاتوکسین B1 را پس از 48 ساعت واکنش تجزیه کند. پراکسید همانند مگنز پراکسیداز ولیگنین پراکسیداز پتانسیل قابل توجهی در تخریب دئوکسی نیوالنول دارند. لاکتازها اکسیدازهای حاوی مس هستند که پتانسیل بالایی در تخریب زرالنول های پایدار در برابر حرارت دارد. یک آنزیم نو ترکیب با دو ژن منفرد به نام های لاکتونوهیدرولاز اختصاصی زرالنول و کربوکسی پپتیداز توانست که زرالنون را در مدت 2 ساعت در pH بهینه (7) و در دمای 35 درجه به طور کامل به محصولی غیر سمی تجزیه کند. فومونیزین کربوکسی استراز می تواند فومونیزین B1 را تجزیه کند.

استراتژی های تغذیه ای :

به خوبی پذیرفته شده است که هیچ یک از استراتژی های فیزیکی ، شیمیایی یا بیولوژیکی نمی توانند به طور کامل سموم مایکوتوکسین را در خوراک از بین ببرند ، با توجه به اینکه حتما مصرف بسیار کم مایکوتوکسین ها سمیت مزمن دارند و می توانند باعث کاهش عملکرد و سرکوب سیستم ایمنی در حیوانات شوند شوند بنابراین توسعه ی استراتژی های تغذیه ای برای کمک به کاهش مایکوتوکسیکوزها مهم است.  هر ماده مغذی که بتواند عملکرد طبیعی یکی از سیستم های آنزیمی سم زدایی را بهبود دهد می تواند به عنوان استراتژی تغذیه ای در نظر گرفت. گلوکامات ماکسیتین و گلایسین می توانند به عنوان بسترهایی برای سنتز گلوکاتیون استفاده شوند و با تشکیل گلوکاتیون پراکسیداز در سم زدایی شرکت کنند. از سویی دیگر مایکوتوکسین ها می توانند باعث کاهش جذب مواد مغذی شوند، بنابراین افزودن مواد مغذی حیاتی یکی از راه های کاهش اثرات مضر مایکوتوکسین ها است. سلینیوم ، برخی از ویتامین ها از جمله E,C,A نشانگرهای اولیه آنها دارای خواص آنتی اکسیدانی هستند که به عنوان جاذب آنیون سوپراکسید ها هستند. به همین دلیل این مواد می توانند به عنوان عوامل محافظتی در برابر اثرات سمی مایکوتوکسین ها عمل کنند. سلینوم یک عنصر کمیاب ضروری برای انسان و حیوانات است زیرا نقش مهمی در دفاع آنتی اکسیدانی ، ضد سرطان و ایمنی و سم زدایی دارد. ویتامین های E.A.C می توانند به عنوان آنتی اکسیدان برای محافظت از طحال و غشای سلولی مغز در برابر سمیت دئوکسی نیوالنول و در برابر آسیب DNA در کبد ناشی از دئوکسی نیوالنول استفاده شوند. محقیقن گزارش کردند استفاده از ویتامین B1 باعث کاهش اثرات سمی فومونیزین در جوجه های گوشتی می شود. گروس و همکاران گزارش کردند که رتینول ، آسکوربیک اسید و آلفاتوکوفرول باعث کاهش ترکیب های مضری که باعث جهش در DNA می شوند را در کلیه و کبد موش های در معرض اکراتوکسین A و زیرالنول تا 90 درصد کاهش بدهند. کاروتنوئیدها آنتی اکسیدان هایی عالی با خواص ضد جهش زایی و ضد سرطانی هستند که می توانند آسیب های DNA کبدی ناشی از آفلاتوکسین B1 را در موش مهار کنند. سیلیمارین یک عامل ضد هپاتوتوکسیک است که در برابر اثرات منفی آفلاتوکسین B1 بر جوجه های گوشتی محافظت می کند.کورکومین سمیت آفلاتوکسین B1 را از طریق آنزیم CYP450کاهش می دهد و فعالیت ATPASE  را در جوجه ها تقویت می کند. کوررکومین به طور قابل توجهی آپوپتوزا در سلول های در معرض دئوکسی نیووالنول را کاهش دهد. مطالعات نشان داده است که هیدروکسی تولوئن بوتیله، یک آنتی اکسیدان غذایی در پستانداران، اثرات سمی آفلاتوکسینB1 را با القای فعالیت گلوتاتیون سولفوترانسفراز و مهار فعالیت سیتوکروم p45 کاهش می دهد. مکمل اسید گلوتامیک ، آرژنین و آسپارتات و لیزین در رژیم غذایی اثرات مثبتی بر بهبود بیماری احشایی ناشی از دئوکسی نیوالنول و افزایش توانایی آنتی اکسیدانی و بهبود شاخص های فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی خون خوک های پروار داشت.

نتیجه گیری :

وجود مایکوتوکسین ها در خوراک یک نگرانی بزرگ و یک مشکل اجتناب ناپذیر در صنعت خوراک در سراسر جهان است . مایکوتوکسین ها همچنین سلامت انسان را از طریق چرخه زنجیره غذایی به خطر می اندازد . این پژوهش جهت بررسی استراتژی های مختلف جهت کاهش مایکوتوکسین ها از طریق فیزیکی( جداسازی ، شستشو ، گرم کردن ، تابش و جذب ) ، تیمارهای شیمیایی ( باز ها و عوامل اکسید کننده ) ، روش های سم زدای بیولوژیکی ( میکروارگانیسم ها و آنزیم ها ) استراتژی های تغذیه ای خلاصه می شود. هرکدام از این روش ها را می توان به طور عملی انجام داد که مزایا و معایب خاص خود را دارند. با این حال با افزایش آگاهی در مورد حفاظت از محیط زیست و همچنین ایمنی خوراک و مواد غذایی ، انتظارات رو به رشدی جهت فناری های سبز و نوآورانه که برای کنترل آلودگی مایکوتوکسین وجود دارد.