Доклад: Микотоксины

Микотоксины (от греч. mukes — гриб и toxicon — яд) — это вторич­ные метаболиты микроскопических плесневых грибов, обладающие вы­раженными токсическими свойствами. Они не являются эссенциальны-ми для роста и развития продуцирующих их микроорганизмов.

В настоящее время из кормов и продуктов питания выделено около 250 видов плесневых грибов, большинство из которых продуцирует вы­сокотоксичные метаболиты, в том числе около 120 микотоксинов. Пред­полагают, что с биологической точки зрения микотоксины выполняют в обмене веществ микроскопических грибов функции, направленные на выживание и конкурентоспособность в различных экологических нишах.

С гигиенических позиций — это особо опасные токсические веще­ства, загрязняющие корма и пищевые продукты. Высокая опасность ми­котоксинов выражается в том, что они обладают токсическим эффектом в чрезвычайно малых количествах и способны весьма интенсивно диф­фундировать в глубь продукта.

В настоящее время еще не сформирована единая классификация и но­менклатура микотоксинов. В одних случаях в основу группового деления микотоксинов положена их химическая структура, в других — характер действия, в третьих — видовая принадлежность грибов-продуцентов.

Афлатоксины. Афлатоксины представляют собой одну из наиболее опасных групп микотоксинов, обладающих сильными канцерогенными свойствами.

Структура и продуценты афлатоксинов. В настоящее время семейство афлатоксинов включает четыре основных представите­ля (афлатоксины Вр В2, G,, G2) и еще более 10 соединений, являющихся производными или метаболитами основной группы (М1, М2, В2а, G2a, GM1, P1, Q1 и другие).

По своей химической структуре афлатоксины являются фурокумари-нами. Это видно из приведенных ниже структурных формул.

Продуцентами афлатоксинов являются некоторые штаммы 2 видов микроскопических грибов: Aspergillus flavus (Link.) и Aspergillus parasiticus (Speare).

Физико-химические свойства афлатоксинов. Аф-латоксины обладают способностью сильно флуоресцировать при воздей­ствии длинноволнового ультрафиолетового излучения. Афлатоксины В1 и В2 обладают сине-голубой флуоресценцией, G1 и G2 — зеленой флуо­ресценцией, М1 и М2 — сине-фиолетовой. Это свойство лежит в основе практически всех физико-химических методов их обнаружения и коли­чественного определения.

Афлатоксины слаборастворимы в воде (10-20 мкг/мл), нераствори­мы в неполярных растворителях, но легко растворяются в растворителях средней полярности, таких как хлороформ, метанол и др. В химически чистом виде они относительно нестабильны и чувствительны к действию воздуха и света, особенно к ультрафиолетовому облучению. Растворы афлатоксинов стабильны в хлороформе и бензоле в течение нескольких лет при хранении в темноте и на холоде.

Следует обратить особое внимание на то, что афлатоксины практи­чески не разрушаются в процессе обычной кулинарной и технологиче­ской обработки загрязненных пищевых продуктов.

Факторы, влияющие на токсинообразование. Про­дуценты афлатоксинов — микроскопические грибы рода Aspergillus мо­гут достаточно хорошо развиваться и образовывать токсины на различ­ных естественных субстратах (продовольственное сырье, пищевые про­дукты, корма), причем не только в странах с тропическим и субтропи­ческим климатом, как полагали ранее, но практически повсеместно, за исключением, быть может, наиболее холодных районов Северной Евро­пы и Канады.

Оптимальной температурой для образования токсинов является тем­пература 27—30°С, хотя синтез афлатоксинов возможен и при более низ­кой (12-13°С) или при более высокой (40-42°С) температуре. Напри­мер, в условиях производственного хранения зерна максимальное обра­зование афлатоксинов происходит при температуре 35—45°С, что значи-

тельно превышает температурный оптимум, установленный в лаборатор­ных условиях.

Другим критическим фактором, определяющим рост микроскопи­ческих грибов и синтез афлатоксинов, является влажность субстрата и атмосферного воздуха. Максимальный синтез токсинов наблюдается обычно при влажности выше 18% для субстратов, богатых крахмалом (пшеница, ячмень, рожь, овес, рис, кукуруза, сорго), и выше 9-10% — для субстратов с высоким содержанием липидов (арахис, подсолнеч­ник, семена хлопчатника, различные виды орехов). При относитель­ной влажности атмосферного воздуха ниже 85% синтез афлатоксинов прекращается.

Биологическое действие афлатоксинов. Действие аф­латоксинов на организм животных и человека может быть охарактеризо­вано с двух позиций. Во-первых, с точки зрения острого токсического действия и, во-вторых, с точки зрения оценки опасности отдаленных по­следствий. Острое токсическое действие афлатоксинов связано с тем, что они являются одними из наиболее сильных гепатропных ядов, органом-мишенью которых является печень. Отдаленные последствия действия афлатоксинов проявляются в виде канцерогенного, мутагенного и тера­тогенного эффектов.

Механизм действия афлатоксинов. Афлатоксины или их активные метаболиты действуют практически на все компоненты клет­ки. Афлатоксины нарушают проницаемость плазматических мембран. В ядрах они связываются с ДНК, ингибируют репликацию ДНК, ингиби-руют активность ДНК-зависимой-РНК-полимеразы — фермента, осу­ществляющего синтез матричной РНК, и тем самым подавляют процесс транскрипции. В митохондриях афлатоксины вызывают повышение про­ницаемости мембран, блокируют синтез митохондриальных ДНК и бел­ка, нарушают функционирование системы транспорта электронов, вы­зывая тем самым энергетический голод клетки. В эндоплазматическом ретикулуме под воздействием афлатоксинов наблюдаются патологиче­ские изменения: ингибируется белковый синтез, нарушается регуляция синтеза триглициридов, фосфолипидов и холестерина. Афлатоксины ока­зывают прямое действие на лизосомы, что приводит к повреждению их мембран и высвобождению активных гидролитических ферментов, ко­торые, в свою очередь, расщепляют клеточные компоненты.

Все вышеперечисленные нарушения приводят к так называемому метаболистическому хаосу и гибели клетки.

Одним из важных доказательств реальной опасности афлатоксинов для здоровья человека явилось установление корреляции между часто­той и уровнем загрязнения пищевых продуктов афлатоксинами и часто­той первичного рака печени среди населения.

Загрязнение пищевых продуктов афлатоксинами. Как уже отмечалось, продуценты афлатоксинов встречаются повсемест­но и этим объясняются значительные масштабы загрязнения кормов и пищевых продуктов и их существенная роль в создании реальной опас­ности для здоровья человека.

Частота обнаружения и уровень загрязнения афлатоксинами в зна­чительной степени зависят от географических и сезонных факторов, а также от условий выращивания, уборки и хранения сельскохозяйствен­ной продукции.

В природных условиях чаще и в наибольших количествах афлаток-сины обнаруживаются в арахисе, кукурузе, семенах хлопчатника. Кро­ме того, в значительных количествах они могут накапливаться в раз­личных орехах, семенах масличных культур, пшенице, ячмене, зернах какао и кофе.

В кормах, предназначенных для сельскохозяйственных животных, аф-латоксины также обнаруживаются достаточно часто и в значительных ко­личествах. Во многих странах с этим связано и обнаружение афлатокси­нов в продуктах животного происхождения. Например, в молоке и тка­нях сельскохозяйственных животных, получавших корма, загрязненные микотоксинами, обнаружен афлатоксин М1. Причем афлатоксин М1 об­наружен как в цельном, так и в сухом молоке, и даже в молочных продук­тах, подвергшихся технологической обработке (пастеризация, стерили­зация, приготовление творога, йогурта, сыров и т. п.).

Детоксикация загрязненных пищевых продуктов и кормов. Установление высокой токсичности и канцерогенное™ афлатоксинов и обнаружение их в значительных количествах в основ­ных пищевых продуктах во всем мире привело к необходимости разра­ботки эффективных методов детоксикации сырья, пищевых продуктов и кормов.

В настоящее время с этой целью применяют комплекс мероприятий, которые можно разделить на механические, физические и химические методы детоксикации афлатоксинов. Механические методы детоксика­ции связаны с отделением загрязненного сырья (материала) вручную или с помощью электронно-колориметрических сортировщиков. Физиче­ские методы основаны на достаточно жесткой термической обработке материала (например, автоклавирование), а также связаны с ультрафио­летовым облучением и озонированием. Химический метод предполагает обработку материала сильными окислителями. К сожалению, каждый из названных методов имеет свои существенные недостатки: применение механических и физических методов не дает высокого эффекта, а хими­ческие методы приводят к разрушению не только афлатоксинов, но и по­лезных нутриентов и, кроме этого, нарушают их всасывание.

Согласно данным ВОЗ, человек при благоприятной гигиенической ситуации потребляет с суточным рационом до 0,19 мкг афлатоксинов. В России приняты следующие санитарно-гигиенические нормативы по афлатоксинам: ПДК афлатоксина В1 для всех пищевых продуктов, кро­ме молока, составляет — 5 мкг/кг, для молока и молочных продуктов — 1 мкг/кг (для афлатоксина М1 — 0,5 мкг/кг). Допустимая суточная доза (ДСД) — 0,005-0,01 мкг/кг массы тела.

Охратоксины. Охратоксины — соединения высокой токсичности, с ярко выраженным тератогенным эффектом.

Структура и проду­центы охратоксинов. Ох­ратоксины А, В, С представляют собой группу близких по структу­ре соединений, являющихся изо-кумаринами, связанными с L-фе-нилаланином пептидной связью.

В зависимости от природы ра­дикалов R' и R" образуются охра­токсины различных типов:

Продуцентами охратоксинов являются микроскопические грибы рода Aspergillus и Penicillium. Основными продуцентами являются A. ochraceus и P. viridicatum. Многочисленными исследованиями показано, что при­родным загрязнителем чаще всего является охратоксин А, в редких слу­чаях охратоксин В.

Физико-химические свойства. Охратоксин А — бесцвет­ное кристаллическое вещество, слабо растворимое в воде, умеренно растворимое в полярных органических растворителях (метанол), а так­же в водном растворе гидрокарбоната натрия. В химически чистом виде он нестабилен и очень чувствителен к воздействию света и воздуха, однако в растворе этанола может сохраняться без изменений в тече­ние длительного времени. В ультрафиолетовом свете обладает зеленой флуоресценцией. Охратоксин В — кристаллическое вещество, аналог охратоксина А, не содержащий атом хлора. Он примерно в 50 раз ме­нее токсичен, чем охратоксин А. В ультрафиолетом свете обладает го­лубой флуоресценцией. Охратоксин С — аморфное вещество, этиловый эфир охратоксина А, близок к нему по токсичности, но в качестве при-

родного загрязнителя пищевых продуктов и кормов не обнаружен. В уль­трафиолетовом свете обладает бледно-зеленой флуоресценцией.

Биологическое действие. Охратоксины входят в группу ми-котоксинов, преимущественно поражающих почки. При остром токси­козе, вызванном охратоксинами, патологические изменения выявляют­ся и в печени, и в лимфоидной ткани, и в желудочно-кишечном тракте. В настоящее время уже доказано, что охратоксин А обладает сильным тератогенным действием. Вопрос о канцерогенности охратоксинов для человека остается нерешенным.

Механизм действия охратоксинов. Биохимические, молекулярные, клеточные механизмы действия охратоксинов изучены недостаточно. В исследованиях in vitro показано, что они активно свя­зываются с различными белками: альбуминами сыворотки крови, тром­бином, альдолазой, каталазой, аргиназой, карбоксипептидазой А. Не­которые моменты подтверждены и в исследованиях in vivo. Результаты изучения влияния охратоксинов на синтез макромолекул свидетельству­ют о том, что охратоксин А ингибирует синтез белка и матричной РНК (токсин действует как конкурентный ингибитор), но не действует на синтез ДНК.

Загрязнение пищевых продуктов. Основными расти­тельными субстратами, в которых обнаруживаются охратоксины, явля­ются зерновые культуры и среди них, в первую очередь, кукуруза, пше­ница, ячмень. С сожалением приходится констатировать тот факт, что уровень загрязнения кормового зерна и комбикормов выше среднего во многих странах (Канада, Польша, Югославия, Австрия), в связи с чем охратоксин А был обнаружен в животноводческой продукции (ветчина, бекон, колбасы). С практической точки зрения весьма важно, что охра­токсины являются стабильными соединениями. Так, например, при дли­тельном прогревании пшеницы, загрязненной охратоксином А, его со­держание снижалось лишь на 32% (при температуре 250—300°С).

Все вышеперечисленное не оставляет сомнения в том, что охраток­сины создают реальную опасность для здоровья человека.

Трихотеценовые микотоксины.В настоящее время известно более 40 трихотеценовых микотоксинов (ТТМТ), вторичных метаболитов различ­ных представителей микроскопических грибов рода Fusarium.

Структура и продуценты ТТМТ. По своей структуре ТТМТ относятся к сесквитерпенам. Они содержат основное ядро из трех колец, названное трихотеканом. В зависимости от структуры трихотеце-нового ядра эти микотоксины подразделяются на 4 группы: А, В, С, Д. Структура различных типов трихотеценовых микотоксинонов очень сложна и имеет свои характерные особенности, что наглядно демонст­рируют приведенные ниже структурные формулы ТТМТ.

В качестве природных загрязнителей пищевых продуктов и кормов к настоящему времени выявлены только четыре: Т-2 токсин и диацеток-сискирпенол, относящиеся к типу А, а также ниваленол и дезоксинива-ленол, относящиеся к типу В. Природа радикалов у этих четырех при­родных загрязнителей такова:

Продуцентами ТТМТ типа А и В, обладающих высокой токсично­стью, являются многие грибы рода Fusarium. Микроскопические грибы этого рода являются возбудителями так называемых гнилей корней, стеб­лей, листьев, семян, плодов, клубней и сеянцев сельскохозяйственных растений. Таким образом, поражаются корма и пищевые продукты, и как следствие наблюдается возникновение алиментарных токсикозов у жи­вотных и человека.

Физико-химические свойства. ТТМТ — это бесцветные кристаллические, химически стабильные соединения, плохо раствори­мые в воде. ТТМТ типа А растворимы в умеренно полярных растворите­лях (ацетон), типа В — в более полярных растворителях (этанол, метанол и др.). Эти токсины, за исключением некоторых, не обладают флюорес­ценцией. В связи с этим, для их обнаружения, после разделения методом тонкослойной хроматографии, используют различные способы (напри­мер, нагревание до 100— 150°С после обработки спиртовым раствором серной кислоты) с целью получения окрашенных или флуоресцирующих производных.

Биологическое действие ТТМТ. Алиментарные токсико­зы, вызванные потреблением в пищу пищевых продуктов и кормов, по­раженных микроскопическими грибами, продуцирующими ТТМТ, мож­но отнести к наиболее распространенным микотоксикозам человека и сельскохозяйственных животных. Первые сведения о такого рода забо­леваниях появились более ста лет тому назад.

Хорошо известен токсикоз «пьяного хлеба» — заболевание человека и животных, причиной которого послужило употребление зерновых про­дуктов (главным образом хлеба), приготовленных из зерна, пораженно­го грибами Fusarium graminearum (F. roseum). Кроме того, описан целый ряд тяжелых токсикозов, таких как акабаби-токсикоз (вызывается крас­ной плесенью и связан с поражением зерна грибами F. nivale и F. graminea­rum); алиментарная токсическая алейкия — АТА (токсикоз, связанный с употреблением в пищу продуктов из зерновых культур, перезимовавших в поле под снегом и пораженных микроскопическими грибами F. sporotri-chiella) и многие другие, приводящие к серьезному нарушению здоровья людей и протекающие по типу эпидемий, т. е. характеризующиеся опре­деленной очаговостью, сезонностью, неравномерностью вспышек в раз­ные годы и употреблением продуктов из зерна, пораженного микроско­пическими грибами.

Механизм действия ТТМТ. Многочисленными исследова­ниями in vitro и in vivo было показано, что ТТМТ являются ингибитора­ми синтеза белков и нуклеиновых кислот, кроме этого, вызывают нару­шения стабильности лизосомных мембран и активацию ферментов ли-зосом, что в конечном счете приводит к гибели клетки.

Загрязнение пищевых продуктов. Как отмечалось выше, в качестве природных загрязнителей пищевых продуктов и кормов обна­ружены лишь четыре из более чем четырех десятков трихотеценовых ми-котоксинов. Чаще всего они обнаруживаются в зерне кукурузы, пшени­цы и ячменя. Микотоксины этой группы отличаются повсеместным рас­пространением, причем в большей степени это касается многих стран Европы, Северной Америки, в меньшей — Индии, Японии, Южной Аме­рики. Необходимо отметить, что часто в одном и том же продукте обна­руживают два или более микотоксинов.

Зеараленон и его производные. Зеараленон и его производные также продуцируются микроскопическими грибами рода Fusarium. Он впер­вые был выделен из заплесневелой кукурузы.

Структура и продуцен­ты зеараленона. По своей структуре зеараленон является лак-тоном резорциловой кислоты. При­родный зеараленон имеет транс­конфигурацию, его структурная формула имеет следующий вид (см. схему).

Основными продуцентами зеараленона являются Fusarium graminea­rum и F. roseum.

Физико-химические свойства. Зеараленон — белое кри­сталлическое вещество, плохо растворимое в воде, но хорошо раствори­мое в этаноле, ацетоне, метаноле, бензоле. Имеет три максимума погло­щения в ультрафиолете (236 нм, 274 нм, 316 нм) и обладает сине-зеле­ной флуоресценцией.

Биологическое действие. Зеараленон обладает выраженными гормоноподобными (экстрогенными) свойствами, что отличает его от других микотоксинов. Кроме этого, в опытах на различных лаборатор­ных животных было доказано тератогенное действие зеараленона, хотя он и не обладает острым (летальным) токсическим эффектом даже при введении его животным в очень больших дозах. Сведения о влиянии зеа­раленона на организм человека отсутствуют, но, учитывая его высокую экстрогенную активность, нельзя полностью исключить негативное воз­действие зеараленона на организм человека.

Загрязнение пищевых продуктов. Основным природным субстратом, в котором наиболее часто обнаруживается зеараленон, яв­ляется кукуруза. Поражение кукурузы микроскопическими грибами рода Fusarium — продуцентами зеараленона — происходит как в поле, на кор­ню, так и при ее хранении. Высока частота обнаружения зеараленона в комбикормах, а также в пшенице и ячмене, овсе. Среди пищевых про-

дуктов этот токсин был обнаружен в кукурузной муке, хлопьях и куку­рузном пиве.

С практической точки зрения интересными представляются данные по влиянию переработки зерна кукурузы на степень загрязнения зеара-леноном. В крупке и муке грубого помола, без удаления отрубей, в муке, полученной при сухом помоле кукурузы, содержание зеараленона состав­ляло примерно 20% от его количества в цельном зерне. При влажном по­моле загрязненной кукурузы токсин концентрировался во фракции клей­ковины, где его концентрация была выше, чем в отрубях и зародыше; во фракции крахмала токсин не выявлялся.

Тепловая обработка в нейтральной или кислой среде не разрушает зе-араленон, но в щелочной среде при 100°С за 60 мин разрушается около 50% токсина. К разрушению зеараленона приводит и обработка загряз­ненной кукурузы 0,03% раствором персульфата аммония или 0,01% ра­створом пероксида водорода.

Патулин и некоторые другиемикотоксины. Микотоксины, продуциру­емые микроскопическими грибами рода Penicillium, распространены по­всеместно и представляют реальную опасность для здоровья человека. Патулин особо опасный микотоксин, обладающий канцерогенными и мутагенными свойствами.

Структура и продуценты патулина. По своей химической структуре патулин представляет 4-гид-роксифуропиран. Он имеет один максимум поглощения в ультрафиолетовой области при 276 нм.

Основными продуцентами патулина являются микро­скопические грибы Penicillium patulum и Penicillium expansu. Но и другие виды этого рода микроскопических грибов, а также Byssochlamys fulva и В. nivea способны син­тезировать патулин. Максимальное токсинообразование отмечается при температуре 21—30°С.

Биологическое действие. Биологическое действие пату­лина проявляется как в виде острых токсикозов, так и в виде ярко вы­раженных канцерогенных и мутагенных эффектов. Биохимические ме­ханизмы действия патулина изучены недостаточно. Предполагают, что патулин блокирует синтез ДНК, РНК и белков, причем блокирование инициации транскрипции осуществляется за счет ингибирования ДНК-зависимой-РНК-полимеразы. Кроме этого, микотоксин актив­но взаимодействует с SH-группами белков и подавляет активность тиоловых ферментов.

Загрязнение пищевых продуктов. Продуценты пату­лина поражают в основном фрукты и некоторые овощи, вызывая их гниение. Патулин обнаружен в яблоках, грушах, абрикосах, перси-

ках, вишне, винограде, бананах, клубнике, голубике, бруснике, об­лепихе, айве, томатах. Наиболее часто патулином поражаются ябло­ки, где содержание токсина может доходить до 17,5 мг/кг. Интерес­но, что патулин концентрируется в основном в подгнившей части яблока, в отличие от томатов, где он распределяется равномерно по всей ткани.

Патулин в высоких концентрациях обнаруживается и в продуктах пе­реработки фруктов и овощей: соках, компотах, пюре и джемах. Особен­но часто его находят в яблочном соке (0,02-0,4 мг/л). Содержание пату­лина в других видах соков: грушевом, айвовом, виноградном, сливовом, манго — колеблется от 0,005 до 4,5 мг/л. Интересным представляется тот факт, что цитрусовые и некоторые овощные культуры, такие как карто­фель, лук, редис, редька, баклажаны, цветная капуста, тыква и хрен об­ладают естественной устойчивостью к заражению грибами-продуцента­ми патулина.

Среди микотоксинов, продуцируемых микроскопическими грибами рода Penicillium и представляющих серьезную опасность для здоровья че­ловека, необходимо выделить лютеоскирин, циклохлоротин, цитреови-ридин и цитринин.

Лютеоскирин (продуцент Penicillium islandicum) — желтое кристалли­ческое вещество, выделен из долго хранившегося риса, а также пшени­цы, сои, арахиса, бобовых и некоторых видов перца. Механизм токси­ческого действия связан с ингибированием ферментов дыхательной цепи (печени, почках, миокарде), а также в подавлении процессов окислитель­ного фосфорилирования.

Циклохлоротин (продуцент Penicillium islandicum) — белое кристал­лическое вещество, циклический пептид, содержащий хлор. Биохими­ческие механизмы токсического действия направлены на нарушение уг­леводного и белкового обмена и связаны с ингибированием целого ряда ферментов. Кроме этого, токсическое действие циклохлоротина прояв­ляется в нарушении регуляции проницаемости биологических мембран и процессов окислительного фосфорилирования.

Цитреовиридин (продуцент Penicillium citreo-viride) — желтое крис­таллическое вещество, выделен из пожелтевшего риса. Обладает нейро-токсическими свойствами.

Цитринин (продуцент Penicillium citrinum) — кристаллическое ве­щество желтого цвета, выделен из пожелтевшего риса. Цитринин часто обнаруживается в различных зерновых культурах: пшенице, ячмене, овсе, ржи, а также в кукурузе и арахисе. Кроме этого, незначительные количества цитринина были найдены в хлебобулочных изделиях, мяс­ных продуктах и фруктах. Обладает выраженными нефротоксически-ми свойствами.