重庆市重点马良教授团队在真菌毒素的降解与控制领域取得重要进展

展源 2025-03-17

●近日，重庆川渝共建特色食品重庆市重点马良教授科研团队在真菌毒素的降解与控制领域取得重要进展。课题组在国际期刊《Chemical Engineering Journal》发表了题为“Design of carbon nitride photo-catalysts based on defect engineering and metal doping for enhanced visible-light-driven activity of mycotoxins degradation”的研究论文，西南大学食品科学学院马良教授为论文的通讯作者，博士后谭红霞为论文的第一作者。

成果介绍

粮食安全是关系我国国民经济发展、社会稳定和国家自立的全局性重大战略问题，而真菌毒素污染给粮食安全带来严峻的挑战。AFB1, DON, ZEN等真菌毒素污染范围广、发生率高，严重威胁食品安全和人体健康，因此发展高效、环保的真菌毒素脱除技术对食品安全和农业经济具有重要意义。近年来，光催化技术因其成本低廉、反应操作简单、对环境友好等技术优势，为果蔬保鲜、粮食储藏、抗菌消毒及食品新型包装材料等方面提供了新的思路。

图1.催化剂的合成路线示意图

为了绿色环保、高效的控制真菌毒素污染，本文设计了一种新的改性策略，通过在尿素水溶液和NaCl/KCl混合金属盐产生的盐雾环境中接枝2-氨基吡啶（2-AP）对石墨氮化碳（CN）纳米材料改性，合成了具有优异光催化性能的CN-NaK-AP纳米材料，并评价了光催化剂对真菌毒素（AFB1、ZEN和DON）的光催化降解性能。通过自由基捕获实验和密度泛化计算，明确了真菌毒素光催化降解过程中主要的活性自由基以及真菌毒素的活性位点。同时结合LC-MS/MS检测和毒理学分析，合理预测真菌毒素及其降解产物的毒性。

图2. (A)光致发光光谱；(B)时间分辨荧光光谱；(C) 瞬态光电流响应曲线；(D)光照下的电化学阻抗；(E) UV-vis DRS光谱；(F)不同催化剂的估计带隙曲线；(G) XPS价带谱；(H)催化剂的能带结构示意图

CN-NaK-AP催化剂在可见光下对AFB1、ZEN和DON的降解速率常数分别是原始CN催化剂的5.5、30.7和35.3倍，对AFB1, ZEN和DON的降解率分别为94.5% (45 min)，97.6% (15 min)和81.3% (60 min)。CN-NaK-AP对真菌毒素的光催化降解性能的增强主要来自于更好的电荷分离效率、增强的可见光吸收、更窄的带隙、更高的光电流响应以及更优异的能带结构。•OH和h+是降解AFB1和ZEN的主要活性基团，而•O₂^-、h⁺和•OH是降解DON的主要活性基团。本文还提出了AFB1的9种降解产物、ZEN的6种降解产物、DON的4种降解产物及其可能的降解途径，这些降解产物的毒性明显低于母体毒素AFB1、ZEN和DON。本研究通过构建多缺陷协同调控体系，成功突破了石墨相氮化碳材料在可见光吸收范围受限和光生载流子复合速率高的固有缺陷。该策略通过精准调控电子能带结构（带隙收窄至2.4 eV）和构建电子传输通道（迁移效率提升3.8倍），实现了太阳光利用率（提升至68%）与载流子分离效率（提升至91%）的协同优化,为高效光催化材料建立了普适性设计范式‌。

此外，本研究还具备“高效-低成本-易操作”三位一体优势，所开发的改性策略仅需尿素、混合盐及2-AP等廉价原料，通过一步盐雾辅助热聚合即可实现材料性能的显著提升，克服了传统光催化剂制备工艺复杂、成本高昂的缺陷，为规模化应用奠定了基础。该研究成果不仅可为食品加工设备表面光催化抗菌涂层开发‌、冷链运输环境可见光响应抑霉系统构建等提供技术支撑，还通过非热杀菌机制减少化学防腐剂依赖‌，推动食品工业向低能耗、低污染、高安全性的绿色生产模式转型升级‌。

该工作得到国家自然科学基金联合基金项目（U22A20551）；重庆市技术创新与应用发展专项重点项目（CSTB2023TIAD-KPX0066, CSTB2024TIAD-KPX0106）的资助。