Feasibility review of enzymatic degradation of deoxynivalenol in food processing and comparison to physical and chemical treatment methods

Abstract

As a result of ever-warming climate, contamination of mycotoxin-producing fungi is increasing in grains. The toxic metabolites, mycotoxins, cause severe acute and chronic health issues, yield losses, and economic impact worldwide, yet there is no viable detoxification method available. The most prevalent and relatively compact mycotoxin, deoxynivalenol (DON), causes nausea, feed refusal, and organ damage, and it withstands food processing well. Despite of good agricultural practices and fungicides, DON initiates seasonal pandemics. Detoxification of DON is therefore urgently needed. Many physical and chemical methods, such as irradiation and ammonia, has been developed to detoxify DON, but they are costly and lack selectivity, resulting in unclear degradation products and compromised food quality. In turn, certain enzymes can effectively, selectively, and eco-friendly bind and catalyze chemical degradation of mycotoxins, and they can be utilized in a variety of ways. Their potential has recently been a subject of intense studies, indicating an emerging trend. The aim of this literature review is to critically explore the most potential enzymes to degrade DON, and to evaluate their feasibility and need for research to further develop these enzymes. Some enzymes, especially bacterial oxidoreductases catalyzing DON irreversibly into non-toxic 3-epi-DON, are already as efficient as the best physical and chemical ones. They can potentially increase food safety, adequacy, and economy, and promote many SDG goals. This review also highlights several issues that must be solved before the enzymatic methods can be practicalized. For instance, co-contamination of mycotoxins in grains necessitates application of several enzymes and their cofactors, demoting the viability. Furthermore, many current enzymes cannot meet the criteria set by the EU. Thus, more research is needed in degradation mechanisms, toxicity and stability of the products, safety, required conditions, and efficiency within grain matrix for these enzymes to get EU approval. Further, efficient and systematic search for suitable enzymes could benefit from computational methods. The best processing steps to add enzymes are likely milling and possible soaking or fermentation. Lactic acid bacteria have already been noticed to degrade mycotoxins in fermentation and some feed additives have been developed, yet neither are fully reliable at present. Currently, disposal of contaminated grains is the cheapest way, so cost-effective usage of enzymes is crucial.

Alati lämpenevän ilmaston seurauksena mykotoksiineja tuottavien sienten määrä lisääntyy viljassa. Mykotoksiinit aiheuttavat vakavia akuutteja ja kroonisia terveysongelmia, sadonmenetystä sekä taloudellista tappiota maailmanlaajuisesti, eikä käyttökelpoisia hajotusmenetelmiä ole saatavilla. Yleisin ja varsin kompakti mykotoksiini, deoksinivalenoli (DON), aiheuttaa pahoinvointia, ruokahaluttomuutta ja elinvaurioita, eikä se hajoa ruoan prosessoinnissa helposti. Hyvistä maatalouskäytännöistä ja torjunta-aineista huolimatta DON aiheuttaa kausiluontoisia pandemioita. Siksi sen detoksikaatio on ensisijaisen tärkeää. Monia fysikaalisia ja kemiallisia menetelmiä on kehitetty DON:in hajottamiseksi, mutta ne ovat kalliita eivätkä selektiivisiä, mikä johtaa tuntemattomiin hajoamistuotteisiin ja ruoan laadun heikkenemiseen. Tietyt entsyymit puolestaan voivat tehokkaasti, selektiivisesti ja ympäristöystävällisesti katalysoida mykotoksiinien kemiallista hajoamista, ja niitä voidaan hyödyntää monilla eri tavoin. Viime aikoina entsyymien potentiaalia on tutkittu reilusti, osoittaen nousevaa trendiä. Tämän kirjallisuuskatsauksen tavoitteena on tutkia kriittisesti mahdollisia entsyymejä DON:in hajottamiseksi sekä arvioida niiden soveltuvuutta ja lisätutkimuksen tarvetta näiden entsyymien kehittämiseksi edelleen. Tietyt entsyymit, varsinkin bakteeriperäiset oksidoreduktaasit, jotka katalysoivat DON:in myrkyttömäksi 3-epi-DON:iksi, ovat jo yhtä tehokkaita kuin parhaat fysikaaliset ja kemialliset menetelmät. Ne voivat potentiaalisesti parantaa ruoan riittävyyttä ja taloudellisuutta sekä edistää useita kestävän kehityksen tavoitteita. Tämä katsaus tuo esille myös useita ongelmia, jotka on ratkaistava ennen entsymaattisten menetelmien käytännöllistämistä. Esimerkiksi mykotoksiinien rinnakkaiskontaminaation takia useat eri entsyymit ja niiden kofaktorit ovat tarpeen, heikentäen entsyymien kannattavuutta. Lisäksi monet nykyiset entsyymit eivät täytä EU:n asettamia kriteerejä, joten lisätutkimus hajoamismekanismeista, tuotteiden myrkyllisyydestä ja stabiilisuudesta, turvallisuudesta, vaadituista olosuhteista sekä entsyymien tehokkuudesta jyvämatriisissa on tarpeen niiden hyväksymiseksi. Laskennalliset menetelmät voivat niin ikään auttaa sopivien entsyymien tehokkaassa ja systemaattisessa etsinnässä. Parhaat prosessivaiheet entsyymien lisäämiseksi lienevät jauhatus sekä mahdollinen liuotus tai fermentaatio. Mykotoksiinien on jo havaittu hajoavan maitohappokäymisessä ja joitakin rehun lisäaineita on kehitetty, mutta kumpikaan menetelmä ei tällä hetkellä ole luotettava. Nykyisin saastuneen viljan hävittäminen on halvinta, joten entsyymien kustannustehokas käyttö on ratkaisevan tärkeää.