氨基甲酸乙酯的研究進(jìn)展

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(xué)物質(zhì)，被國際癌癥研究機(jī)構(gòu)（IARC）列為2A類致癌物。新的證據(jù)表明，長期接觸EC可能會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)紊亂。因此，人們對(duì)食品中EC的形成機(jī)理及其毒性機(jī)制進(jìn)行了廣泛的研究。由于EC對(duì)人類健康存在潛在威脅，人們通過物理、化學(xué)、酶等方法來緩解食品中的EC。天然產(chǎn)物可以通過調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激來防止EC引起的毒性。本文綜述了EC的形成機(jī)理與 EC對(duì)人體各器官的毒性作用以及目前消減EC的策略進(jìn)展。

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(xué)物質(zhì)。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(xiàng)體外研究表明，EC具有抑制細(xì)菌、植物組織和大鼠癌生長的潛力[1]。

在進(jìn)口發(fā)酵酒精飲料中檢測(cè)到相對(duì)較高水平的EC時(shí)，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(diào)查得出了類似的結(jié)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(jī)理

形成EC的前體物質(zhì)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(zhì)等因素都會(huì)影響EC的產(chǎn)生[5]。根據(jù)所考慮的食品或飲料的性質(zhì)、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(zhì)中尿素與乙醇反應(yīng)是制備EC最常用的方法之一。

第二個(gè)途徑是尿素?zé)岱纸獬砂焙颓杷?，并通過氰酸和乙醇的反應(yīng)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(yīng)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(dǎo)致氰化物中毒[8]。

EC的毒性機(jī)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(jī)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(xì)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(zhuǎn)化為VC環(huán)氧化合物（VCO），最后強(qiáng)親電的VCO與腺苷反應(yīng)，生成1-N6乙烯基腺苷加合物。也有報(bào)道描述了EC誘導(dǎo)姐妹染色單體交換[10]。

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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(qū)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(yù)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(shí)間，可以防止氰化物的釋放。加工和儲(chǔ)存過程中的高溫條件會(huì)增加EC含量。因此，降低溫度是抑制EC形成的有效物理技術(shù)。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(shí)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(guān)的基因表達(dá)的增強(qiáng)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(yīng)用前景。精氨酸酶是尿素生成的關(guān)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(chǔ)存的微生物和物理化學(xué)條件對(duì)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(yīng)。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(shí)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(gè)活躍的研究領(lǐng)域。目前商業(yè)級(jí)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(yīng)用仍然受到其耗時(shí)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(xué)計(jì)量分解為氨和乙醇。它被認(rèn)為對(duì)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(duì)尿素、N-烷基脲和有機(jī)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(dá)這種新型氨基甲酸酶的宿主細(xì)胞降解EC的新方法。利用氨基甲酸酶編碼基因轉(zhuǎn)化大腸桿菌表達(dá)氨基甲酸酶，提高酶活性[18]。

總結(jié)

對(duì)于未來的研究，在不影響發(fā)酵飲料質(zhì)量或風(fēng)味的情況下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)節(jié)約的方法需要進(jìn)一步探索。首先，應(yīng)探索能直接降解EC的氨基甲酸酶的應(yīng)用。氨聚糖酶的篩選、性質(zhì)和應(yīng)用可參考酸性脲酶。第二，NCR中磷酸化的調(diào)節(jié)在降低EC方面也有希望。相關(guān)的中間體和相應(yīng)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(shí)現(xiàn)應(yīng)該啟動(dòng)對(duì)NCR調(diào)控因素和其他調(diào)控機(jī)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(shí)，發(fā)酵飲料的安全性不容忽視。