氨基甲酸乙酯的研究進展

楊紅　劉曉艷

氨基甲酸乙酯（EC）是一種廣泛存在于發(fā)酵食品和酒精飲料中的化學物質，被國際癌癥研究機構（IARC）列為2A類致癌物。新的證據(jù)表明，長期接觸EC可能會導致神經(jīng)系統(tǒng)紊亂。因此，人們對食品中EC的形成機理及其毒性機制進行了廣泛的研究。由于EC對人類健康存在潛在威脅，人們通過物理、化學、酶等方法來緩解食品中的EC。天然產(chǎn)物可以通過調節(jié)氧化應激來防止EC引起的毒性。本文綜述了EC的形成機理與 EC對人體各器官的毒性作用以及目前消減EC的策略進展。

關鍵詞：氨基甲酸乙酯;毒性機制;消減策略

引言

氨基甲酸乙酯（Ethyl carbamate，EC）是一種在發(fā)酵過程中自發(fā)形成的化學物質。乳酪、面包、酸奶、葡萄酒、威士忌、醬油等發(fā)酵食品和酒精飲料中都含有EC。一項體外研究表明，EC具有抑制細菌、植物組織和大鼠癌生長的潛力[1]。

在進口發(fā)酵酒精飲料中檢測到相對較高水平的EC時，發(fā)酵飲料中EC首先引起了人們的注意[2]。盡管分析方法和條件的多樣性阻礙了不同發(fā)酵飲料中EC的比較，但一些調查得出了類似的結論，例如，加拿大和韓國的發(fā)酵飲料都顯示白蘭地中EC含量最高[3]。中國黃酒中的EC含量是其他酒精飲料的近兩倍[4]。

EC的形成機理

形成EC的前體物質包括尿素、瓜氨酸、磷酸氨基甲酰、氰化物和碳酸二乙酯。發(fā)酵過程中，溫度、酸度、微生物性質等因素都會影響EC的產(chǎn)生[5]。根據(jù)所考慮的食品或飲料的性質、它們的生產(chǎn)過程以及原材料中可獲得的EC前體，有許多種自然形成EC的方法。在酸性介質中尿素與乙醇反應是制備EC最常用的方法之一。

第二個途徑是尿素熱分解成氨和氰酸，并通過氰酸和乙醇的反應生成EC[6]。尿素在牛奶等原料中含量不可忽略或在食品（或飲料）加工過程中形成[7]。

最后是通過氰化物陰離子，植物可以產(chǎn)生氰基糖苷和通常相應的水解酶。因此氰基糖苷能產(chǎn)生糖和氰醇后迅速分解成氰化氫。例如，作為熱帶地區(qū)第三大食物來源的木薯含有大量的氰化物，可能導致氰化物中毒[8]。

EC的毒性機制

自從Anderson等人[9]首次證明EC可誘發(fā)小鼠肺癌以來，EC在不同組織中的致癌性機制一直是研究的主題（表1）。最主要的途徑是在肝微粒體酯酶的幫助下分解90%以上的EC，并產(chǎn)生乙醇、氨和二氧化碳。在細胞色素P450（CY2E1）催化下，不到0.5%的EC被水解成氨基甲酸乙烯酯（VC）。上述相同的酶將VC轉化為VC環(huán)氧化合物（VCO），最后強親電的VCO與腺苷反應，生成1-N6乙烯基腺苷加合物。也有報道描述了EC誘導姐妹染色單體交換[10]。

EC的消減策略

原料改性與發(fā)酵工藝優(yōu)化

尿素是EC的主要前驅體，通過還原尿素可以減少EC的生成。大米加工前的洗滌、拋光、預處理等精制工藝可以降低尿素的含量[14]。從氰化物中生成EC是飲料的主要途徑。通過減少光照，縮短貯藏時間，可以防止氰化物的釋放。加工和儲存過程中的高溫條件會增加EC含量。因此，降低溫度是抑制EC形成的有效物理技術。優(yōu)化條件可以減少EC的生成。

發(fā)酵微生物的改性

通過兩種途徑來實現(xiàn)：第一，精氨酸酶基因的缺失和沉默在許多研究中都得到了重視，并且這些嘗試都顯示出了良好的效果;第二，與尿素代謝相關的基因表達的增強或抑制也得到了廣泛的研究，許多改性發(fā)酵菌在白酒工業(yè)發(fā)酵中顯示出潛在的應用前景。精氨酸酶是尿素生成的關鍵酶，催化精氨酸的降解，生成尿素和鳥氨酸。用葡萄酒陳釀和儲存的微生物和物理化學條件對EC生產(chǎn)有影響[15]。

添加酸性脲酶

在大鼠胃腸道乳酸菌中首次發(fā)現(xiàn)酸性尿素酶，其最適pH值范圍與葡萄酒發(fā)酵條件相適應。這種方法的效率似乎隨許多因素而變化，包括葡萄酒的類型、抑制因子的含量和使用條件[16]。通常，已證實的抑制劑是由氟化物、蘋果酸、乙醇和葡萄酒中的酚類化合物組成的。

目前，研究者致力于通過不同的策略來提高尿素的去除效率。分離潛在的替代性尿素酶以去除酒精飲料中的尿素已經(jīng)成為一個活躍的研究領域。目前商業(yè)級酸性脲酶主要來自發(fā)酵乳桿菌。雖然酸性脲酶用于去除尿素的可行性已被廣泛證明，酸性脲酶在工業(yè)發(fā)酵中的大規(guī)模應用仍然受到其耗時和成本的限制。

直接添加氨基甲酸乙酯降解酶

氨基甲酸酶是一種能直接降解EC的酶。1990年，從小鼠糞便中分離出氨基甲酸酶，一種檸檬酸桿菌能將EC化學計量分解為氨和乙醇。它被認為對幾種氨基甲酸酯和酰胺類化合物的水解是有效的，但缺乏對尿素、N-烷基脲和有機酸乙酯的水解能力。這種酶在較高濃度的乙醇和酸性條件下是不活躍的[17]。日本研究人員發(fā)現(xiàn)了一種利用表達這種新型氨基甲酸酶的宿主細胞降解EC的新方法。利用氨基甲酸酶編碼基因轉化大腸桿菌表達氨基甲酸酶，提高酶活性[18]。

總結

對于未來的研究，在不影響發(fā)酵飲料質量或風味的情況下實現(xiàn)經(jīng)濟節(jié)約的方法需要進一步探索。首先，應探索能直接降解EC的氨基甲酸酶的應用。氨聚糖酶的篩選、性質和應用可參考酸性脲酶。第二，NCR中磷酸化的調節(jié)在降低EC方面也有希望。相關的中間體和相應的功能伴隨著不同化合物之間的變化需要得到充分的證明。這些途徑的實現(xiàn)應該啟動對NCR調控因素和其他調控機制的深入研究。第三，優(yōu)化可能加速EC減排策略商業(yè)化的因素。值得注意的是，在探索降低EC的方法時，發(fā)酵飲料的安全性不容忽視。

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作者簡介：楊紅，女，仲愷農(nóng)業(yè)工程學院在讀研究生，主要研究方向食品加工與安全。

通訊作者：劉曉艷，女，漢族，博士，副教授