氨基甲酸乙酯的研究进展

2020-07-28 13:34:58 来源：食品安全导刊

评论0条我来说两句

　　氨基甲酸乙酯的研究进展

　　氨基甲酸乙酯（EC）是一种广泛存在于发酵食品和酒精饮料中的化学物质，被国际癌症研究机构（IARC）列为2A类致癌物。新的证据表明，长期接触EC可能会导致神经系统紊乱。因此，人们对食品中EC的形成机理及其毒性机制进行了广泛的研究。由于EC对人类健康存在潜在威胁，人们通过物理、化学、酶等方法来缓解食品中的EC。天然产物可以通过调节氧化应激来防止EC引起的毒性。本文综述了EC的形成机理与 EC对人体各器官的毒性作用以及目前消减EC的策略进展。

　　关键词：氨基甲酸乙酯；毒性机制；消减策略

　　引言

　　氨基甲酸乙酯（Ethyl carbamate，EC）是一种在发酵过程中自发形成的化学物质。乳酪、面包、酸奶、葡萄酒、威士忌、酱油等发酵食品和酒精饮料中都含有EC。一项体外研究表明，EC具有抑制细菌、植物组织和大鼠癌生长的潜力[1]。

　　在进口发酵酒精饮料中检测到相对较高水平的EC时，发酵饮料中EC首先引起了人们的注意[2]。尽管分析方法和条件的多样性阻碍了不同发酵饮料中EC的比较，但一些调查得出了类似的结论，例如，加拿大和韩国的发酵饮料都显示白兰地中EC含量最高[3]。中国黄酒中的EC含量是其他酒精饮料的近两倍[4]。

　　EC的形成机理

　　形成EC的前体物质包括尿素、瓜氨酸、磷酸氨基甲酰、氰化物和碳酸二乙酯。发酵过程中，温度、酸度、微生物性质等因素都会影响EC的产生[5]。根据所考虑的食品或饮料的性质、它们的生产过程以及原材料中可获得的EC前体，有许多种自然形成EC的方法。在酸性介质中尿素与乙醇反应是制备EC最常用的方法之一。

　　第二个途径是尿素热分解成氨和氰酸，并通过氰酸和乙醇的反应生成EC[6]。尿素在牛奶等原料中含量不可忽略或在食品（或饮料）加工过程中形成[7]。

　　最后是通过氰化物阴离子，植物可以产生氰基糖苷和通常相应的水解酶。因此氰基糖苷能产生糖和氰醇后迅速分解成氰化氢。例如，作为热带地区第三大食物来源的木薯含有大量的氰化物，可能导致氰化物中毒[8]。

　　EC的毒性机制

　　自从Anderson等人[9]首次证明EC可诱发小鼠肺癌以来，EC在不同组织中的致癌性机制一直是研究的主题（表1）。最主要的途径是在肝微粒体酯酶的帮助下分解90%以上的EC，并产生乙醇、氨和二氧化碳。在细胞色素P450（CY2E1）催化下，不到0.5%的EC被水解成氨基甲酸乙烯酯（VC）。上述相同的酶将VC转化为VC环氧化合物（VCO），最后强亲电的VCO与腺苷反应，生成1-N6乙烯基腺苷加合物。也有报道描述了EC诱导姐妹染色单体交换[10]。

　　EC的消减策略

　　原料改性与发酵工艺优化

　　尿素是EC的主要前驱体，通过还原尿素可以减少EC的生成。大米加工前的洗涤、抛光、预处理等精制工艺可以降低尿素的含量[14]。从氰化物中生成EC是饮料的主要途径。通过减少光照，缩短贮藏时间，可以防止氰化物的释放。加工和储存过程中的高温条件会增加EC含量。因此，降低温度是抑制EC形成的有效物理技术。优化条件可以减少EC的生成。

　　发酵微生物的改性

　　通过两种途径来实现：第一，精氨酸酶基因的缺失和沉默在许多研究中都得到了重视，并且这些尝试都显示出了良好的效果；第二，与尿素代谢相关的基因表达的增强或抑制也得到了广泛的研究，许多改性发酵菌在白酒工业发酵中显示出潜在的应用前景。精氨酸酶是尿素生成的关键酶，催化精氨酸的降解，生成尿素和鸟氨酸。用葡萄酒陈酿和储存的微生物和物理化学条件对EC生产有影响[15]。

　　添加酸性脲酶

　　在大鼠胃肠道乳酸菌中首次发现酸性尿素酶，其最适pH值范围与葡萄酒发酵条件相适应。这种方法的效率似乎随许多因素而变化，包括葡萄酒的类型、抑制因子的含量和使用条件[16]。通常，已证实的抑制剂是由氟化物、苹果酸、乙醇和葡萄酒中的酚类化合物组成的。

　　目前，研究者致力于通过不同的策略来提高尿素的去除效率。分离潜在的替代性尿素酶以去除酒精饮料中的尿素已经成为一个活跃的研究领域。目前商业级酸性脲酶主要来自发酵乳杆菌。虽然酸性脲酶用于去除尿素的可行性已被广泛证明，酸性脲酶在工业发酵中的大规模应用仍然受到其耗时和成本的限制。

　　直接添加氨基甲酸乙酯降解酶

　　氨基甲酸酶是一种能直接降解EC的酶。1990年，从小鼠粪便中分离出氨基甲酸酶，一种柠檬酸杆菌能将EC化学计量分解为氨和乙醇。它被认为对几种氨基甲酸酯和酰胺类化合物的水解是有效的，但缺乏对尿素、N-烷基脲和有机酸乙酯的水解能力。这种酶在较高浓度的乙醇和酸性条件下是不活跃的[17]。日本研究人员发现了一种利用表达这种新型氨基甲酸酶的宿主细胞降解EC的新方法。利用氨基甲酸酶编码基因转化大肠杆菌表达氨基甲酸酶，提高酶活性[18]。

　　总结

　　对于未来的研究，在不影响发酵饮料质量或风味的情况下实现经济节约的方法需要进一步探索。首先，应探索能直接降解EC的氨基甲酸酶的应用。氨聚糖酶的筛选、性质和应用可参考酸性脲酶。第二，NCR中磷酸化的调节在降低EC方面也有希望。相关的中间体和相应的功能伴随着不同化合物之间的变化需要得到充分的证明。这些途径的实现应该启动对NCR调控因素和其他调控机制的深入研究。第三，优化可能加速EC减排策略商业化的因素。值得注意的是，在探索降低EC的方法时，发酵饮料的安全性不容忽视。

　　参考文献

　　[1] Anderson N, Paul SH, Henry SM. 1943. Induction of pulmonary tumors in mice with ethyl carbamate (urethane). J Natl Cancer Inst 4:309–19.

　　[2] Conacher HBS, Page BD. 1986. Ethyl carbamate in alcoholic beverages: a Canadian case history. Proceedings of Euro Food T ox II. Switzerland:European Society of T oxicology. p 237–42.

　　[3] Alexander J, Auounsson G, Benford D, Cockburn A, Cravedi J, Doglitti E.2007. Ethyl carbamate and hydrocyanic acid in food and beverages.Scientific opinion of the panel on contaminants. EFSA J 551:1–44.

　　[4] W u P, Pan X, W ang L, Shen X, Y ang D. 2012. A survey of ethyl carbamate in fermented foods and beverages from Zhejiang, China. Food Control 23(1):286–8.

　　[5] Weber J V, Sharypov V I. Ethyl carbamate in foods and beverages: a review[J]. Environmental Chemistry Letters, 2009, 7(3): 233-247.

　　[6] Schaber PM, Colson J, Higgins S, Thielen D, Anspach B, Brauer J(2004) Thermal decomposition (pyrolysis) of urea in an openreaction vessel. Thermochim Acta 424:131–142

　　[7] Eicher R, Bouchard E, Tremblay A (1999) Cow level sampling factors affecting analysis and interpretation of milk urea concentrations in 2 dairy herds. Can Vet J 40(7):487–492

　　[8] Cardoso AP, Mirione E, Ernesto M, Massaza F, Cliff J, Rezaul Haque Mand Bradbury JH (2005) Processing of cassava roots to remove cyanogens. J Food Compost Anal 18(5):451–460

　　[9] Anderson N, Paul SH, Henry SM. 1943. Induction of pulmonary tumors in mice with ethyl carbamate (urethane). J Natl Cancer Inst 4:309–19.

　　[10] Roberts GT, Allen JW. 1980. Tissue-specific induction of sister chromatid exchanges by ethyl carbamate in mice. Environ Mol Mutagen 2(1):17–26.

　　[11] Guengerich FP, Kim DH. 1991. Enzymic oxidation of ethyl carbamate to vinyl carbamate and its role as an intermediate in the formation of 1,N6-ethenoadenosine. Chem Res T oxicol 4(4):413–21.

　　[12] Sakano K, Oikawa S, Hiraku Y, Kawanishi S. 2002. Metabolism of carcinogenic urethane to nitric oxide is involved in oxidative DNA damage.Free Radical Biol Med 33(5):703–14.

　　[13] Roberts GT, Allen JW. 1980. Tissue-specific induction of sister chromatid exchanges by ethyl carbamate in mice. Environ Mol Mutagen 2(1):17–26.

　　[14] Zhao X, Zou H, Fu J, et al. Nitrogen regulation involved in the accumulation of urea in Saccharomyces cerevisiae.[J]. Yeast, 2013, 30(11): 437-447.

　　[15] Uthurry C A, Lepe J A, Lombardero J, et al. Ethyl carbamate production by selected yeasts and lactic acid bacteria in red wine[J]. Food Chemistry, 2006, 94(2): 262-270.

　　[16] Kobashi K, Takebe S, Sakai T, et al. Urethane-Hydrolyzing Enzyme from Citrobacter sp.[J]. Chemical & Pharmaceutical Bulletin, 1990, 38(5): 1326-1328.

　　[17] Tayasu I, Hirasawa R, Ogawa N O, et al. New organic reference materials for carbon- and nitrogen-stable isotope ratio measurements provided by Center for Ecological Research, Kyoto University, and Institute of Biogeosciences, Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology[J]. Limnology, 2011, 12(3): 261-266.

　　[18] Wu Q, Zhao Y, Wang D, et al. Immobilized Rhodotorula mucilaginosa: A Novel Urethanase-Producing Strain for Degrading Ethyl Carbamate[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2013, 171(8): 2220-2232.

　　作者简介：杨红，女，仲恺农业工程学院在读研究生，主要研究方向食品加工与安全。

　　*通讯作者：刘晓艳，女，汉族，博士，副教授

　　基金项目：广式传统发酵制品中氨基甲酸乙酯控制技术研究及其示范（B31820711）

　　杨红刘晓艳*

　　仲恺农业工程学院