Zearalenone là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Tổng quan về Zearalenone

Zearalenone là một mycotoxin non-steroidal chủ yếu do nấm mốc thuộc chi Fusarium sinh tổng hợp, thường xuất hiện trên ngũ cốc như ngô, lúa mì, lúa mạch và yến mạch. Chất này có khả năng bắt chước hoạt động của estrogen trong cơ thể động vật, gây rối loạn nội tiết, ảnh hưởng đến chức năng sinh sản và phát triển của cơ quan sinh dục. Nồng độ Zearalenone trong thức ăn chăn nuôi và thực phẩm nhân loại được giám sát nghiêm ngặt do nguy cơ cao đối với sức khỏe người và động vật.

Trên lâm sàng, ngộ độc Zearalenone thể cấp tính thường biểu hiện qua hiện tượng sưng tấy, phù nề âm hộ ở heo nái, giảm tỷ lệ sinh sản và biến đổi chu kỳ kinh nguyệt. Mãn tính hơn, độc tố này còn liên quan đến nguy cơ viêm nội mạc tử cung, u xơ tử cung và ung thư vú nhờ khả năng tương tác với thụ thể estrogen α và β. Do đó, việc hiểu rõ bản chất, nguồn gốc và cơ chế tác động của Zearalenone là yêu cầu cấp thiết trong kiểm soát an toàn thực phẩm và thức ăn chăn nuôi.

Nhiều tổ chức quốc tế như WHO, FAO và EFSA đã ban hành ngưỡng tối đa cho phép Zearalenone trong ngũ cốc và sản phẩm chế biến, thường dao động từ 20 đến 100 µg/kg tùy loại sản phẩm và đối tượng sử dụng. Việc giám sát liên tục và áp dụng các biện pháp phòng ngừa, giảm thiểu nấm Fusarium phát triển là chìa khóa để duy trì chất lượng và an toàn thực phẩm trên quy mô toàn cầu.

Cấu trúc hóa học và tính chất

Zearalenone có công thức phân tử $C_{18}H_{22}O_{5}$ và khối lượng phân tử 318,37 g/mol. Phân tử bao gồm một vòng lactone kết hợp với nhóm phenolic, tạo điều kiện cho khả năng tương tác với thụ thể estrogen trong tế bào động vật. Cấu trúc không steroid nhưng phân cực nhẹ khiến Zearalenone hòa tan trong dung môi hữu cơ như methanol và acetonitrile, ít tan trong nước.

Tính chất quang phổ của Zearalenone thể hiện đỉnh hấp thụ UV khoảng 236 nm và 274 nm, cho phép phát hiện nhanh bằng sắc ký lỏng kết hợp detector UV (HPLC-UV). Độ bền nhiệt tương đối cao, không phân hủy ngay ở nhiệt độ sấy 60–80 °C, nên còn tồn tại qua công đoạn chế biến thức ăn như sấy khô hoặc ép đùn ở nhiệt độ thấp.

Một số tính chất vật lý — hóa học chính của Zearalenone:

Thông số	Giá trị	Ghi chú
Công thức phân tử	C18H22O5	Non-steroidal lactone
Khối lượng phân tử	318,37 g/mol	—
Độ hòa tan	≈300 mg/L (methanol)	Ít tan trong nước
Đỉnh UV	236, 274 nm	Phát hiện HPLC-UV
Nhiệt độ phân hủy	>200 °C	Ổn định ở nhiệt độ chế biến

Nguồn gốc và sinh tổng hợp

Quá trình sinh tổng hợp Zearalenone trong nấm Fusarium graminearum và Fusarium culmorum diễn ra qua con đường polyketide, bắt đầu từ đơn vị acetyl-CoA và malonyl-CoA. Enzym polyketide synthase (PKS) chịu trách nhiệm tổng hợp chuỗi carbon dài, sau đó qua các bước khử và cyclization hình thành vòng lactone đặc trưng.

• Bước khởi đầu: các enzym PKS kết hợp acetyl-CoA và malonyl-CoA tạo chuỗi polyketide.
• Chuỗi hóa: lặp lại bước gắn malonyl-CoA, thực hiện khử một phần mở rộng.
• Cyclization và điều biến: tạo vòng lactone và gắn nhóm hydroxyl, methyl để hình thành Zearalenone hoàn chỉnh.

Mức độ sản xuất Zearalenone phụ thuộc vào điều kiện môi trường như độ ẩm trên 20%, nhiệt độ từ 20–25 °C và độ pH khoảng 5,5–7,0. Trong điều kiện vi sinh nuôi cấy phòng thí nghiệm, nồng độ cuối cùng có thể đạt vài mg/L, trong khi trên ngũ cốc tự nhiên dao động từ vài µg/kg đến hàng trăm µg/kg.

Việc hiểu rõ con đường sinh tổng hợp giúp phát triển các biện pháp ức chế enzym PKS hoặc sử dụng vi sinh đối kháng để giảm thiểu sản xuất Zearalenone, đồng thời hỗ trợ thiết kế quy trình kiểm soát nấm mốc trong bảo quản nông sản.

Phân bố trong thực phẩm

Zearalenone chủ yếu tích tụ trên ngũ cốc và các sản phẩm chế biến từ ngũ cốc, do bản thân nấm Fusarium phát triển trên hạt khi còn ẩm ướt hoặc trong quá trình bảo quản không đúng điều kiện. Thống kê từ EFSA năm 2021 ghi nhận khoảng 30% mẫu ngô và 20% mẫu lúa mì toàn châu Âu có nồng độ Zearalenone vượt quá giới hạn tối đa cho phép.

Đối với thức ăn chăn nuôi, Zearalenone thường hiện diện trong bột ngô, cám lúa mì, bã bia và khô dầu thực vật. Việc trộn thức ăn với các chất hấp phụ như bentonite hoặc than hoạt tính giúp giảm nồng độ tự do của độc tố, nhưng không loại bỏ hoàn toàn. Tỷ lệ mẫu thức ăn gia súc bị nhiễm Zearalenone có thể lên đến 60–70% tại các vùng khí hậu ẩm ướt.

Sản phẩm	Tỷ lệ mẫu nhiễm (%)	Nồng độ trung bình (µg/kg)
Ngô	30	50–150
Lúa mì	20	20–80
Bột ngô (thức ăn gia súc)	60	100–300
Bã bia	45	70–200

Thực phẩm lên men như rượu ngô, bia có thể chứa Zearalenone chuyển hóa một phần thành α-zearalenol và β-zearalenol, vẫn giữ hoạt tính estrogen. Do đó, quy trình lên men và chưng cất cần kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo an toàn thực phẩm.

Phương pháp phát hiện và định lượng

Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) kết hợp detector UV hoặc khối phổ (MS/MS) là tiêu chuẩn vàng để phát hiện và định lượng Zearalenone trong mẫu thực phẩm và thức ăn chăn nuôi. Quá trình bao gồm chiết xuất mẫu bằng dung môi hữu cơ (methanol–water), làm sạch qua cột SPE (solid phase extraction) và phân tích trên cột đảo pha C18 với pha động gradient.

Giới hạn phát hiện (LOD) thường đạt 0,1–0,5 µg/kg, trong khi giới hạn định lượng (LOQ) khoảng 1 µg/kg. Việc sử dụng chuẩn nội (isotope-labeled Zearalenone-d₃) giúp hiệu chỉnh biến thiên trong quá trình xử lý mẫu và tăng độ chính xác khi phân tích MS/MS.

Phương pháp ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay) cung cấp giải pháp nhanh, chi phí thấp cho sàng lọc hàng loạt. Độ nhạy ELISA đạt 5–20 µg/kg, phù hợp kiểm tra sơ bộ trước khi thực hiện HPLC-MS/MS xác nhận. Các bộ kit thương mại được kiểm định bởi AOAC và EU đạt độ đặc hiệu cao, hạn chế tương tác chéo với các mycotoxin khác.

Độc tính và cơ chế tác động

Zearalenone là chất gây rối loạn nội tiết (endocrine disruptor), có khả năng gắn lên thụ thể estrogen ERα và ERβ với ái lực tương đương tới 10–20% so với estradiol tự nhiên. Sự kích thích thụ thể dẫn đến biểu hiện sai lệch gen điều khiển quá trình tăng sinh và biệt hóa tế bào biểu mô sinh dục.

Tác động cấp tính ở gia súc bao gồm giảm trọng lượng cơ thể, chướng bụng, phù nề âm hộ, kéo dài chu kỳ động dục. Đối với phụ nữ và động vật nhạy cảm, liên tục tiếp xúc liều thấp gây rối loạn chu kỳ kinh nguyệt, tăng nguy cơ u xơ tử cung và ung thư vú do kích thích tăng sinh mô đích estrogen.

Độc tính tế bào được thể hiện qua giảm khả năng sống sót của tế bào gan và thận in vitro, tăng sinh gốc tự do ROS và stress oxy hóa. Các nghiên cứu trên động vật gặm nhấm cho thấy liều nồng độ ≥50 µg/kg thể trọng/ngày kéo dài 28 ngày làm suy giảm chức năng gan (tăng ALT, AST) và giảm mật độ xương.

Chuyển hóa và đào thải

Ở động vật, Zearalenone chuyển hóa chủ yếu qua hai con đường: khử hydroxyl thành α-zearalenol (α-ZEL) và β-zearalenol (β-ZEL) nhờ enzym 3α/3β-hydroxysteroid dehydrogenase. α-ZEL có hoạt tính estrogen cao gấp 2–3 lần Zearalenone, trong khi β-ZEL yếu hơn.

Các chuyển hóa thứ cấp bao gồm liên hợp với glucuronic acid và sulfate, tạo thành glucuronide hoặc sulfate conjugates, tăng độ hòa tan, tạo điều kiện đào thải qua nước tiểu và phân. Thời gian bán thải (T_½) ở heo ước tính khoảng 6–12 giờ, phụ thuộc vào liều và trạng thái dinh dưỡng.

Bảng tóm tắt chuyển hóa chính của Zearalenone:

Sản phẩm	Enzym	Hoạt tính estrogen	Đường đào thải
α-Zearalenol	3α-HSD	Cao	Glucuronide – phân
β-Zearalenol	3β-HSD	Thấp	Glucuronide – nước tiểu
Zearalenone-glucuronide	UDP-glucuronosyltransferase	Không	Nước tiểu, phân

Ngưỡng an toàn và quy định

Ủy ban chung FAO/WHO về phụ gia thực phẩm (JECFA) đề xuất TDI (tolerable daily intake) là 0,25 µg Zearalenone/kg thể trọng/ngày. Liên minh châu Âu quy định mức tối đa trong lúa mì và ngô dùng cho người là 100 µg/kg, trong thức ăn gia súc 250 µg/kg (EFSA).

Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) không có giới hạn bắt buộc nhưng khuyến nghị dưới 1 ppm (1.000 µg/kg) trong thức ăn gia súc. Tại Canada, CFIA giới hạn Zearalenone ở mức 500 µg/kg trong thức ăn gia súc và 50 µg/kg trong ngô dành cho trẻ em.

Biện pháp giảm thiểu và xử lý

Giảm thiểu nấm Fusarium và Zearalenone bắt đầu từ giai đoạn nông vụ: sử dụng giống kháng, luân canh cây trồng, kiểm soát ẩm độ và thông gió silo. Thu hoạch và bảo quản ở độ ẩm <14% giúp hạn chế tổng hợp mycotoxin.

1. Sử dụng vi sinh vật đối kháng (Bacillus, Trichoderma) ức chế nấm Fusarium và giảm sản xuất Zearalenone.
2. Ứng dụng enzym Mycofix hoặc hấp phụ bằng bentonite, đất sét để liên kết Zearalenone trong đường tiêu hóa gia súc.
3. Giải pháp nhiệt và bức xạ UV nhằm phân hủy một phần độc tố trên bề mặt hạt trước chế biến.

Xu hướng nghiên cứu

Nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học dựa trên kháng thể đơn dòng hoặc aptamer để phát hiện Zearalenone trực tiếp trên đồng ruộng với thiết bị cầm tay, rút ngắn thời gian phân tích xuống dưới 10 phút.

Công nghệ microbiome manipulation, sử dụng vi khuẩn ruột có khả năng chuyển hóa Zearalenone thành dạng không độc, đang được thử nghiệm ở heo nái để giảm thiểu tác động nội tiết mà không ảnh hưởng đến hệ tiêu hóa.

Đánh giá nguy cơ tổng hợp mycotoxin phối hợp (co-occurrence) khi Zearalenone xuất hiện cùng T-2 toxin, fumonisin, aflatoxin, sử dụng mô hình sinh thái và thống kê đa biến để dự báo mức độ độc tính tổng hợp.

Danh mục tài liệu tham khảo

• EFSA Panel on Contaminants in the Food Chain. “Scientific Opinion on the risks for public and animal health related to the presence of zearalenone in food and feed.” EFSA Journal, 9(6):2197, 2011.
• JECFA. “Zearalenone.” In: Safety Evaluation of Certain Mycotoxins in Food. WHO Technical Report Series 1002, 2017.
• IARC Working Group. “Some naturally occurring substances: food items and constituents, heterocyclic aromatic amines and mycotoxins.” IARC Monographs, Vol. 100F, 2015.
• Varga, E., et al. “Biosynthesis of Zearalenone in Fusarium graminearum: A polyketide assembly line.” Mycotoxin Research, 2014.
• Stajnko, D., et al. “Zearalenone in food and feed: Impact, detection and mitigation.” Food Control, 2020.
• PubChem. “Zearalenone.” NCBI, 2024. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Zearalenone