蒸餾酒中氨基甲酸乙酯合成途徑及控制措施的研究進(jìn)展及其對(duì)中國(guó)白酒的借鑒

秦 輝 ，李 涵 ，熊燕飛 ，馬 沖 ，張 良 ，張宿義 ，楊 平 ，田殿梅

（1.瀘州老窖股份有限公司，四川瀘州646000； 2.國(guó)家固態(tài)釀造工程技術(shù)研究中心，四川瀘州646000； 3.瀘州老窖集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川瀘州646000）

氨基甲酸乙酯（Ethyl carbonate，EC）是由于食物在發(fā)酵過程中含氮化合物不完全代謝而產(chǎn)生的一種水溶性基因致癌物質(zhì)[1-2]。1943年，Anderson等[3]發(fā)現(xiàn)了氨基甲酸乙酯能夠使小鼠肺部產(chǎn)生腫瘤，開啟了對(duì)于氨基甲酸乙酯致癌性的探索之路。2007年，國(guó)際癌癥研究所（IARC）已正式將EC列為2A級(jí)致癌物質(zhì)。食品添加劑法規(guī)委員會(huì)（CCFA）研究指出[4]，酒精飲料是人類攝入EC的主要途徑。因此，近年來各國(guó)對(duì)于酒精飲料中EC的研究不斷深入。

白酒作為我國(guó)特有的蒸餾酒深受人們的喜愛，但白酒中EC對(duì)人類健康產(chǎn)生的負(fù)面影響成為了一個(gè)不可忽略的問題，亦會(huì)阻礙白酒行業(yè)的健康發(fā)展及國(guó)際化進(jìn)程[5]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于蒸餾酒中EC含量的檢測(cè)方法都有所研究，但針對(duì)EC的合成途徑與控制措施方面的研究還有所欠缺。基于此，本文主要通過分析、整理目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于蒸餾酒中EC的合成途徑與控制措施的研究結(jié)果，進(jìn)一步對(duì)于白酒釀造中氨基甲酸乙酯的合成途徑與控制措施進(jìn)行探究與延伸，以期對(duì)未來白酒生產(chǎn)過程提供理論指導(dǎo)。

1 EC的合成途徑

1.1 氰化物與乙醇反應(yīng)

氰化物與乙醇的反應(yīng)是蒸餾酒中EC的主要合成途徑。蒸餾酒中的氰化物一部分來自釀酒原料中的生氰糖苷[6]。這些生氰糖苷經(jīng)過原料粉碎時(shí)釋放出的β-葡萄糖苷酶水解或者高溫酸解后生成穩(wěn)定性較差的氰醇與D-葡萄糖，而氰醇在堿性條件或在60℃條件下加熱后，隨即分解為氰化物[7]。高粱作為白酒生產(chǎn)中的主要釀酒原料，其中含有的生氰糖苷是蜀黍氰苷[8]。研究表明，濃香型白酒釀造過程中所使用的糯高粱，其蜀黍氰苷含量最低，為4.52 mg/kg±0.05 mg/kg，其余品種中蜀黍氰苷的含量均在5.68 mg/kg±0.03 mg/kg以上，且粳高粱中蜀黍氰苷的平均含量普遍高于糯高粱[9]。

尿素受熱分解是白酒中氰化物的另一部分來源。氰化物的沸點(diǎn)很低，在白酒釀造過程中，氰化物通過蒸餾揮發(fā)成蒸汽，并在高溫條件下與乙醇作用生成EC[10-11]。

在白酒的蒸餾過程中，EC的含量呈現(xiàn)先緩慢上升，然后下降，最后又上升的趨勢(shì)。前期EC含量的上升主要是蒸汽將少部分糟醅中經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)生的EC帶入酒體所致，而后期EC含量的上升則是氰化物等前體物質(zhì)與乙醇反應(yīng)所導(dǎo)致的[5]。故白酒中的EC主要在蒸餾過程中產(chǎn)生。

1.2 尿素與乙醇反應(yīng)

氨甲?；衔锸前l(fā)酵酒中主要的EC前體物質(zhì)，其中最主要的底物是尿素。酒糟中的尿素分別來自于釀酒原料及酵母菌在發(fā)酵過程中精氨酸的代謝[12-13]。除去受熱分解為氰化物的少部分尿素外，大部分尿素在酸性條件下與乙醇反應(yīng)生成EC，高溫會(huì)加劇該反應(yīng)進(jìn)程。

反應(yīng)方程式：

有研究表明，蒸餾酒在發(fā)酵過程中EC的合成途徑與發(fā)酵酒類似，即主要是尿素與乙醇反應(yīng)生成EC。范文來等[14]對(duì)糟醅在發(fā)酵過程中尿素濃度與EC合成量進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，發(fā)酵過程中EC的變化與尿素濃度變化基本一致。Júnior等[15]對(duì)朗姆酒發(fā)酵過程中EC含量變化進(jìn)行檢測(cè)研究，結(jié)果表明，在發(fā)酵過程中EC含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而酵母菌的代謝是EC含量上升的主要原因。發(fā)酵溫度、pH值等條件也會(huì)影響EC的合成。有研究表明，發(fā)酵溫度每升高10℃，EC的生成速度會(huì)增加1倍[16]。但由于EC的沸點(diǎn)很高，蒸餾溫度很難達(dá)到其沸點(diǎn)，故發(fā)酵過程產(chǎn)生的EC只有少部分能夠進(jìn)入酒體。

此外，仇鈺瑩[5]對(duì)于濃香型白酒在貯存過程中EC的合成途徑進(jìn)行研究，結(jié)果表明，原酒在貯存初期EC含量迅速增加，最大增量占原酒中EC總量的近40%。尿素與瓜氨酸是貯存過程中導(dǎo)致EC生成的主要前體物質(zhì)。

1.3 瓜氨酸與乙醇反應(yīng)

近年來，有研究者提出瓜氨酸對(duì)EC的形成也能夠起到一定作用。在發(fā)酵后期，乳酸菌對(duì)糟醅中剩余的精氨酸進(jìn)行發(fā)酵降解生成瓜氨酸，瓜氨酸與乙醇反應(yīng)生成EC[17]。反應(yīng)方程式如下：

在蒸餾酒的生產(chǎn)過程中，由此反應(yīng)產(chǎn)生的EC含量所占比例最低。但是有研究證明，濃香型白酒主要的釀酒原料高粱中，瓜氨酸的含量較高，為82.5 mg/kg，幾乎是其余所測(cè)定釀酒原料（大米、糯米、玉米、小麥）的2倍[5]。故在濃香型白酒的釀造中，瓜氨酸與乙醇反應(yīng)生成EC的途徑是不可忽視的。

2 EC的控制措施

在蒸餾酒生產(chǎn)過程中，蒸餾、發(fā)酵、貯存過程都可以導(dǎo)致EC的產(chǎn)生[18]，故從以上3個(gè)途徑分別討論EC的抑制措施。

2.1 蒸餾過程中EC的控制措施

在蒸餾酒的生產(chǎn)中，蒸餾過程中氰化物與乙醇的反應(yīng)是EC生成的主要途徑，故控制蒸餾過程中EC的形成對(duì)于降低原酒中EC的含量非常重要。

2.1.1 蒸餾設(shè)備的改進(jìn)

銅離子在蒸餾過程中對(duì)于EC的生成有一定的催化作用。過去的生產(chǎn)中，經(jīng)常使用銅制容器作為蒸餾設(shè)備，導(dǎo)致蒸餾過程中一部分銅離子作為催化劑，加速EC的生成[19]。同時(shí)，酒類中殘存的銅離子會(huì)導(dǎo)致環(huán)境問題及食品安全問題的發(fā)生。

而隨著人們對(duì)于EC的認(rèn)識(shí)逐漸加深，現(xiàn)代工藝多采用不銹鋼容器進(jìn)行蒸餾，有效地降低了EC的生成量。

此外有研究表明，向容器內(nèi)加入陽離子交換樹脂或不溶性螯合物，使之與銅離子反應(yīng)，也可以降低EC的生成量[20]。

2.1.2 蒸餾工藝及摘酒過程的控制

在蒸餾過程中，不同的蒸餾方式、蒸餾溫度、蒸餾速度等都會(huì)影響EC的生成[21]。Bruno等[11]通過使用低溫及提高回流率等蒸餾方法，實(shí)現(xiàn)了EC含量的降低。另外，吳晨岑等[22]采用壺式、常壓及減壓蒸餾方式對(duì)濃香型原酒進(jìn)行二次蒸餾，發(fā)現(xiàn)通過二次蒸餾對(duì)原酒中的EC均可達(dá)到較好的去除效果。且經(jīng)過慢火壺式蒸餾后，EC的相對(duì)去除率最高，為92.76%。

目前，大量研究表明，一般情況下EC在酒頭和酒尾中含量較多，故在現(xiàn)代工藝中，常采用“掐頭去尾”的方式降低EC的含量。巴西甘蔗酒蒸餾過程中的EC大多存在于酒頭與酒尾中，中間部分酒樣中的EC含量較低[15，23]。但是，對(duì)于固態(tài)發(fā)酵的白酒而言，不同發(fā)酵層次的糟醅在蒸餾過程中EC含量的變化不同。張溫清等[21]對(duì)小窖芝麻香型酒不同發(fā)酵層次酒醅的餾分中EC含量的變化進(jìn)行了測(cè)定分析，結(jié)果表明，不同發(fā)酵層次酒醅的餾分中不僅EC含量不同，而且在蒸餾過程中的變化趨勢(shì)也各異。

因此，對(duì)不同蒸餾酒蒸餾工藝及摘酒過程的控制，對(duì)于降低EC含量有著重要的作用。

2.2 發(fā)酵過程中EC的控制

發(fā)酵過程是蒸餾酒，特別是白酒釀造中的重要環(huán)節(jié)，乙醇與很多香味物質(zhì)都在此過程產(chǎn)生。雖然對(duì)于蒸餾酒而言，發(fā)酵過程中產(chǎn)生的部分EC都會(huì)隨著蒸餾過程而去除，但對(duì)于發(fā)酵過程中EC的控制問題，也是不能忽視的。

此外，發(fā)酵過程中的溫度、pH值等因素對(duì)于EC的生成也有著顯著的影響。EC的生成量隨著發(fā)酵溫度、pH值的升高不斷上升[24]?？梢?，對(duì)于發(fā)酵條件的控制，對(duì)降低原酒中的EC含量是非常有益的。

2.3 貯存過程中EC的控制

貯存過程就是白酒的老熟過程。經(jīng)過貯存后，白酒的口味會(huì)更加醇和、柔順，香氣風(fēng)味也會(huì)進(jìn)一步得到改善。此過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)基本上都是自發(fā)進(jìn)行的，并沒有微生物以及其他外界因素的干預(yù)[5]。

張莊英[10]對(duì)于不同香型白酒在貯存過程中EC的3種前體物質(zhì)（氰化物、尿素、氨基酸）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，在貯存過程中不同香型白酒的3種前體物質(zhì)含量差異較大，即EC生成的途徑有所不同，故對(duì)于不同香型白酒在貯存過程中EC的控制并不完全相同。而且貯存時(shí)間、環(huán)境都會(huì)影響白酒中EC的含量。目前的研究表明，在白酒的貯存過程中，減少貯存時(shí)間，低溫、避光可能會(huì)減緩EC的生成。但在白酒貯存過程中控制EC的確切方法還需進(jìn)一步研究探索。

2.4 其他途徑對(duì)于EC的控制

2.4.1 釀酒原料的預(yù)處理

釀酒原料中往往帶有促進(jìn)EC生成的前體物質(zhì)，若能夠通過有效的方式進(jìn)行原料處理，便可降低釀酒過程中EC的含量。

通過對(duì)大米的精制與多次清洗，可以有效降低原料中的尿素含量[12]。機(jī)械作用、熱作用對(duì)于農(nóng)作物中生氰糖苷的脫除也有一定的效果，但目前主要集中于對(duì)亞麻籽及木薯中生氰糖苷的脫除研究，而對(duì)于白酒釀造所使用的主要原料高粱中蜀黍糖苷的脫除并沒有成熟的研究[25]。

與此同時(shí)，原料處理所帶來的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值降低及對(duì)發(fā)酵過程的影響問題還有待進(jìn)一步探討。

2.4.2 添加脲酶

脲酶具有分解尿素的作用，在生產(chǎn)中常通過加入脲酶控制成品酒中氨基甲酸乙酯的含量，但目前此方法多應(yīng)用于黃酒等發(fā)酵酒的尿素分解。楊宇清等[26]利用食品級(jí)脲酶有效降低了黃酒中的尿素含量。

近年來，已有研究者基于脲酶在發(fā)酵酒中的應(yīng)用，將脲酶應(yīng)用于中國(guó)白酒的氨基甲酸乙酯控制中。孟慶達(dá)等[27]研究發(fā)現(xiàn)，采用產(chǎn)脲酶菌株或其粗酶與酒醅混合，可以降低其在發(fā)酵過程中尿素的含量，從而控制EC的生成量。但白酒與黃酒等發(fā)酵酒類的發(fā)酵方式、發(fā)酵體系都存在較大差異，故對(duì)于脲酶在白酒中的應(yīng)用還有待研究。

3 結(jié)論與展望

隨著近年來我國(guó)食品安全問題的涌現(xiàn)，人們對(duì)于食品安全的重視程度在不斷加深。氨基甲酸乙酯作為白酒生產(chǎn)中的有害副產(chǎn)物，對(duì)其合成途徑及控制措施的探索應(yīng)引起更多學(xué)者的關(guān)注。

在白酒的釀造過程中，發(fā)酵、蒸餾、貯存過程都會(huì)產(chǎn)生一定量的氨基甲酸乙酯。蒸餾過程是導(dǎo)致氨基甲酸乙酯累積的主要途徑，但發(fā)酵與貯存過程中對(duì)于氨基甲酸乙酯的控制也是不能忽略的。目前，已有一些科研人員開啟了對(duì)于白酒中氨基甲酸乙酯的研究，但并未形成完善、確切的理論。在未來的研究中，應(yīng)加大對(duì)于每一生產(chǎn)過程中氨基甲酸乙酯的合成途徑及控制措施的基礎(chǔ)研究，并且確定不同生產(chǎn)工藝對(duì)氨基甲酸乙酯的合成途徑是否存在影響。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于發(fā)酵酒中氨基甲酸乙酯的產(chǎn)生途徑及控制措施的研究較為全面。但對(duì)于蒸餾酒，特別是對(duì)中國(guó)白酒中氨基甲酸乙酯的合成途徑及控制措施還有待深入探索。

[1]方若思.傳統(tǒng)黃酒發(fā)酵中氨基甲酸乙酯產(chǎn)生的代謝規(guī)律及抑制方法研究[D].杭州：浙江大學(xué),2016.

[2]李曉芹,金尉,袁小美.GC-MS內(nèi)標(biāo)法測(cè)定發(fā)酵食品中氨基甲酸乙酯的含量[J].中國(guó)調(diào)味品,2017,42(6)：135-138.

[3]NETTLESHIPA,HENSHAW P S,MEYER H L.Induction of pulmonary tumors in mice with ethyl carbamate(urethane)[J].Journal of the National Cancer Institute,1943,4(3)：309-319.

[4]Joint FAO/WHO food standards programme codex committee on methods of analysis and sampling[R].2001.

[5]仇鈺瑩.濃香型白酒中氨基甲酸乙酯形成途徑解析[D].無錫：江南大學(xué),2016.

[6]KOH E,KWON H.Quantification of ethyl carbamate in soy sauce consumed in Korea and estimated daily intakes by age[J]Journal of the science of food&agriculture,2010,87(1)：98-102.

[7]HAQUE M R,BRADBURY J H.Total cyanide determination of plants and foods using the picrate and acid hydrolysis methods[J].Food chemistry,2002,77(1)：107-114.

[8]JOHANSEN H,RASMUSSEN L H,OLSEN C E,et al.Rate of hydrolysis and degradation of the cyanogenic glycoside-dhurrin-in soil[J].Chemosphere,2007,67(2)：259.

[9]張順榮.白酒中氨基甲酸乙酯形成的氰化物途徑研究[D].無錫：江南大學(xué),2016.

[10]張莊英.白酒蒸餾和貯存過程中氨基甲酸乙酯的研究[D].無錫：江南大學(xué),2014.

[11]BRUNO S N F,VAITSMAN D S,KUNIGAMI C N,et al.Influence of the distillation processes from Rio de Janeiro in the ethyl carbamate formation in Brazilian sugar cane spirits[J].Food chemistry,2007,104(4)：1345-1352.

[12]李加友,陸筑鳳,吳丹,等.發(fā)酵食品中氨基甲酸乙酯的形成與控制[J].食品科技,2013,38(6)：310-312.

[13]ZHAO X,DU G,ZOU H,et al.Progress in preventing the accumulation of ethyl carbamate in alcoholic beverages[J].Trends in food science&technology,2013,32(2)：97-107.

[14]范文來,徐巖,史斌斌.酒醅發(fā)酵過程中氨基甲酸乙酯與尿素的變化[J].食品工業(yè)科技,2012,33(23)：171-174.

[15]JúNIOR J C B,MENDON?A R C S,KLUGE J M A T,et al.Ethyl-carbamate determination by gas chromatography-mass spectrometry at different stages of production of a traditional Brazilian spirit[J].Food chemistry,2011,129(4)：1383-1387.

[16]許宏賢,段鋼.酒中氨基甲酸乙酯及尿素的研究進(jìn)展[J].釀酒科技,2012(6)：92-95.

[17]焦志華,陳啟和.發(fā)酵酒精飲品中氨基甲酸乙酯前體物的代謝調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展[J].食品科學(xué),2016,37(23)：260-266.

[18]梁晨.固態(tài)白酒發(fā)酵中氨基甲酸乙酯變化規(guī)律及相關(guān)微生物代謝特征研究[D].無錫：江南大學(xué),2016.

[19]王博,齊晶瑤.發(fā)酵酒中氨基甲酸乙酯的研究進(jìn)展[J].生物信息學(xué),2014,12(4)：269-275.

[20]LU S,GIBB S W.Copper removal from wastewater using spent-grain as biosorbent[J].Bioresource technology,2008,99(6)：1509.

[21]張溫清,司冠儒,劉鳳茹,等.小窖芝麻香型白酒蒸餾過程中氨基甲酸乙酯的研究[J].釀酒科技,2016(1)：53-55.

[22]吳晨岑,范文來,徐巖.不同二次蒸餾方式對(duì)濃香型白酒中氨基甲酸乙酯去除率的影響[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2015,41(6)：1-7.

[23]LIMA U D A,TEIXEIRA C G,BERTOZZI J C,et al.Influence of fast and slow distillation on ethyl carbamate content and on coefficient of non-alcohol components in Brazilian sugarcane spirits[J].Journal of the Institute of Brewing,2012,118(3)：305-308.

[24]吳世嘉,王洪新.發(fā)酵食品中氨基甲酸乙酯的研究進(jìn)展[J].化學(xué)與生物工程,2009,26(9)：15-19.

[25]熊麗娜,陸柏益.農(nóng)產(chǎn)品中生氰糖苷安全性及減控技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國(guó)食品學(xué)報(bào),2014,14(2)：208-216.

[26]楊宇清,堵國(guó)成,陳堅(jiān),等.一種高效制備食品級(jí)酸性脲酶的方法及應(yīng)用：CN201310524588.6[P].2014-02-12.

[27]孟慶達(dá),周新虎,陳翔,等.白酒釀造過程酒醅中尿素的控制與減少[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2017,43(8)：33-39.