利用疏水性膨润土对赭曲霉毒素A的吸附与解毒

《Toxicon》：Adsorption and detoxification of ochratoxin A using hydrophobic bentonite clay

OTA污染防控；有机黏土吸附；热力学参数；水螅生态模型；饲料脱毒策略

　　

约翰逊·O·奥拉德勒 | 蒂莫西·D·菲利普斯

德克萨斯A&M大学兽医学院和生物医学科学学院兽医生理学与药理学系，美国德克萨斯州大学城，邮编77843

摘要

黄曲霉毒素A（OTA）等霉菌毒素是由真菌产生的有害化学物质，它们经常污染饲料成分，这种污染可能导致严重的经济损失、疾病甚至死亡。鉴于OTA的持久性，本研究旨在利用有机粘土提供有效且可能可扩展的策略来减轻OTA的急性毒性。该研究探讨了四种有机粘土复合材料在活性结合表面上的OTA吸附行为，这些复合材料是通过用不同量的疏水性季铵化合物（QAC）修饰钠基膨润土表面制备的。这种修饰有助于固定和稳定QAC。研究评估了这些粘土对OTA的关键热力学参数、动力学特性及结合亲和力，包括吉布斯自由能（ΔG）、吸附容量、焓变（ΔH）等。此外，还使用敏感的生态毒理学模型评估了这些有机粘土的保护作用。在胃酸pH值（pH 2）下，有机粘土的OTA吸附容量介于0.34至0.51 mol kg^-1之间，而原始膨润土的吸附容量为0.20 mol kg^-1。在肠道pH值（pH 6）下，有机粘土的吸附能力高于原始膨润土，表明用QAC修饰原始膨润土对其OTA吸附性能的改善起到了关键作用。热力学参数表明，该结合反应是放热的，并且在热力学上是有利的，ΔG值介于-23.40至-28.07 kJ mol^-1之间，ΔH值范围为-13.76 kJ mol^-1至-24.31 kJ mol^-1。重要的是，有机粘土处理可将水螅对OTA的致死率降低95%至100%。这些发现证明了有机粘土与OTA相互作用可以防止OTA的毒性。基于这些结果，有必要进一步研究以验证这些有机粘土在黄曲霉毒素中毒急性爆发期间的短期应用效果和有效性。

引言

联合国粮食及农业组织（FAO）报告称，每年至少有25%的农作物受到霉菌毒素的污染，且农业产量呈下降趋势（Eskola等人，2019年）。在全球范围内，霉菌毒素污染可能导致农业和工业部门数十亿美元的经济损失（Tianpei等人，2011年）。已经发现并鉴定出许多会降低动物饲料（及人类食品）质量和安全性的霉菌毒素。其中，由镰刀菌、青霉菌和曲霉菌属产生的有毒霉菌毒素受到了特别关注（Chilaka等人，2022年；Zhang等人，2024年；Porosnicu等人，2022年）。黄曲霉毒素A（OTA）约有20种有毒同系物，其中OTA是最受研究的，已知由曲霉菌和青霉菌属产生（Alsalabi等人，2023年；Barborakova等人，2023年；Chuaysrinule等人，2024年）。

黄曲霉毒素A（OTA）的特点是含有一个通过酰胺键与苯丙氨酸连接的二氢异香豆素结构（图S1）。其IUPAC命名法为L-苯丙氨酸-N-[(5-氯-3,4-二氢-8-羟基-3-甲基-1-氧-1H-2-苯并吡喃-7-基)羰基]-(R)-异香豆素。除了动物饲料外，许多食品如香料、干果、巧克力、咖啡、谷物、葡萄酒和啤酒也经常受到OTA的污染（Benites等人，2017年；Echodu等人，2019年；Wajih ul Hassan等人，2020年；Torovic等人，2020年；Costa da Silva等人，2021年）。OTA与多种健康问题有关，包括肾毒性、免疫毒性、基因毒性、致癌性、神经毒性和肝毒性（Bondy等人，2021年；Stoev等人，2022年；Wieckowska等人，2022年；Hassan等人，2022年；Obafemi等人，2023年；Perugino等人，2024年；Oladele等人，2024年）。重要的是，OTA已被确认为人类致癌物（2B类），并且据报道会对动物和人类的肾脏产生不良影响。

已经开发出多种解毒策略来减轻OTA的毒性，但基于吸附剂的毒素去除技术显示出显著的优势。虽然提出了多种化学方法，包括碱化和氧化；但这些方法可能伴有明显的毒性和潜在的环境问题（Ding等人，2023年）。同样，热处理方法能耗较高，即使在高达250°C的温度下也常常无法完全分解OTA（Ding等人，2023年）。此外，基于辐射的解毒方法受到高度反应性自由基的限制，这些自由基会破坏维生素和蛋白质等必需营养素（WHO，1999年；Di Stefano等人，2014年）。然而，应用先进的合成吸附剂和生物吸附剂可以提供可重复使用、高效的解决方案，避免有害化学残留物的积累（Belajová等人，2006年；Solis-Cruz等人，2017年）。

由于OTA的化学稳定性和中等程度的亲脂性（log P 4.74），在黄曲霉毒素中毒爆发期间有效解毒和/或去除OTA一直受到限制。然而，一种有前景的策略是使用含有膨润土和QAC（季铵化合物）的饲料添加剂来减少OTA的暴露。粘土材料（包括有机粘土）由于其层状结构、有利的电荷特性和高表面积，成为OTA的有效吸附剂（Phillips，1999年；Quintela等人，2012年；Oladele等人，2024年）。此外，基于粘土的吸附剂被归类为GRAS（普遍认为安全），应用范围广泛，可回收且成本低廉（Oladele等人，2024年）。我们团队的最新进展包括合成了富含叶绿素和叶绿素的绿色有机粘土，这些有机粘土已被证明可以结合OTA（Oladele等人，2024年）。本研究延续了我们关于有机粘土的研究，探讨了四种经过疏水性季铵化合物改性的钠基粘土的OTA结合和解毒能力。这些方法包括：(a) 建立等温吸附模型以研究有机粘土活性结合表面的OTA结合行为；(b) 研究OTA在这些有机粘土上的吸附动力学和热力学特性；(c) 使用水螅（Hydra vulgaris）作为活体生态毒理学模型系统来评估有机粘土的解毒效果。

部分内容片段

粘土和化学物质

四种有机粘土复合材料和原始粘土均来自Bentonite Performance Minerals LLC（德克萨斯州休斯顿）。所使用的钠基膨润土来自怀俄明州，其阳离子交换容量约为75 cmol kg^-1，外表面面积约为70 m² g^-1，总表面积高达850 m² g^-1。这些粘土的通用化学式为(Na,Ca)_0.3(Al,Mg)₂Si₄O₁₀(OH)₂·nH₂O。这四种有机粘土是通过将粘土与疏水性季铵化合物混合制成的。

pH 2条件下有机粘土活性结合表面上的OTA等温吸附

图1 A和B分别展示了pH 2条件下有机粘土活性结合位点以及模拟胃液（SGF）中OTA的等温吸附行为（37°C）。OTA的吸附行为可以用Langmuir模型很好地描述，相关系数范围为0.90至0.96（表2）。这表明吸附过程是饱和的，结合亲和力（Kd）介于1.06 x 10⁵至1.95 x 10⁵之间。原始粘土的吸附容量（Qmax）为...

讨论

基础钠基蒙脱石粘土和四种疏水性季铵修饰膨润土粘土在活性结合位点上对OTA的吸附行为显示出显著的差异，表现为有机粘土的Q_max和K_d值高于原始粘土。有机粘土与OTA的结合亲和力、容量、热力学特性及动力学表明，它们在胃中会强烈结合并保持结合状态。

结论

总体而言，本研究结果表明，四种市售有机粘土复合材料能够显著结合OTA，其结合能力高于原始钠基膨润土粘土。这支持了将这些有机粘土作为有效OTA吸附剂的使用。有机粘土表面吸附亲脂性OTA的机制是含有疏水性基团的亲脂性结合位点之间的强相互作用。不同性能之间的差异...

作者贡献声明

蒂莫西·D·菲利普斯：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、方法论设计、资金获取、概念构思。 约翰逊·O·奥拉德勒：撰写——初稿撰写、可视化设计、方法论研究、数据分析、数据整理

未引用的参考文献

Adegbeye等人，2020年；Bondy等人，2021年；Cruz-Guzmán等人，2004年；Gong和Shiny，2020年；Hassan等人，2022年；Obafemi等人，2023年；Perugino等人，2024年；Poro?nicu等人，2022年；Stoev，2022年；Wajih ul Hassan等人，2020年；Wi?ckowska等人，2023年；世界卫生组织，1999年。

数据可用性

数据可根据要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究。

伦理声明

由于本研究中未使用动物，因此不适用此声明。

利益冲突声明

? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：蒂莫西·D·菲利普斯表示获得了国家环境卫生科学研究所的财政支持。如果还有其他作者，他们也声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究。

致谢

本研究部分得到了国家环境卫生科学研究所 [P42 ES027704]和美国农业部 [Hatch 6215]的支持。