馬曉馳 金諾 劉佳萌 孫晶 賈寧 孫玉鳳 范蓓


摘 要:氨基甲酸乙酯廣泛存在于發酵食品中,2007年被世界衛生組織癌癥研究機構列為2A類致癌物。國內外研究者開發出了適用于不同樣品條件和研究目的檢測方法。分類介紹了近年來國內外文獻報道的傳統和快速檢測氨基甲酸乙酯方法,包括色譜法、光譜法以及其他檢測方法,對這些方法在發酵食品中的應用特點和檢測效果進行綜述,并對我國未來氨基甲酸乙酯檢測技術的發展趨勢進行展望。
關鍵詞:氨基甲酸乙酯;發酵食品;傳統檢測;快速檢測
氨基甲酸乙酯(EC)在工業、畜牧業和醫學領域應用廣泛[1-4],而在食品領域,EC則是發酵食品在生產和儲存過程中不可避免產生的副產物,常見于黃酒、醬油和腐乳等食品中[5]。不同發酵食品中EC的形成機理不同,但大多與酒精和微生物代謝相關[6]。EC的主要前體物質有尿素、瓜氨酸、氨甲酰磷酸、氫氰酸以及焦碳酸二乙酯等,這些前體物質在微生物的作用下與乙醇反應產生EC[7-10]。動物毒性實驗表明,EC是一種多點位致癌物,短期、大劑量注射可誘發嚙齒類動物出現肺癌、皮膚癌等腫瘤[11-12]。給非人類靈長類動物長期每日口服EC,可誘發其出現肺腺癌和血管瘤等[13]。EC在CYP450的作用下分別轉化為N-羥基氨基甲酸乙酯和乙烯基氨基甲酸乙酯,這兩種物質能引起DNA、RNA結構損傷,并使機體中蛋白質發生加聚反應,進而引發癌癥[14-15]。因為EC在人體中的代謝機理與其在嚙齒類動物中的原理十分相似,所以對于人類而言,EC是一種潛在的致癌物質,2007年,世界衛生組織國際癌癥研究機構將EC由2B類提高為2A類致癌物[16]。因此,對發酵食品中的EC進行定性和定量分析檢測具有重大意義,本文將對發酵食品中EC的標準與各種檢測方法進行介紹與評價,并對其未來發展進行展望。
1 國內外酒飲料中氨基甲酸乙酯的標準
早在1985年,加拿大衛生管理部門就根據不同酒飲料中EC含量差異,對多種酒飲料中的EC制定了不同等級的強制限量:葡萄酒≤30 μg/L、強化酒≤100 μg/L、蒸餾酒≤150 μg/L、清酒≤200 μg/L、白蘭地≤400 μg/L[17];1989年,美國食品藥品管理局對酒類中的EC制定了推薦限量標準:葡萄酒≤15 μg/L、強化酒≤60 μg/L[18];法國的限量標準為蒸餾酒≤150 μg/L、白蘭地≤1 000 μg/L;捷克的限量標準與加拿大基本一致;韓國、德國和瑞士等國家也對個別酒類制定了限量標準;2002年,聯合國糧食及農業組織規定酒飲料中的EC限量為20 μg/L[19] (表1)。
目前,我國出臺的相關標準(現行有效)有三部,分別為《GB 5009.223—2014 食品安全國家標準 食品中氨基甲酸乙酯的測定》《SN/T 0285—2012 出口酒中氨基甲酸乙酯殘留量檢測方法 氣相色譜—質譜法》《GB/T 34266—2017 黃酒中氨基甲酸乙酯預防控制技術措施指南》[18-20]。雖然我國對食品中EC的檢測和防控較為關注,但是沒有相應的限量標準。研究表明,我國發酵食品中EC含量最高的前三名分別是黃酒、腐乳和醬油,平均濃度分別為307.2 、123 、108 μg/L,其次是料酒87 μg/L、白酒72 μg/L、食醋51 μg/L[21-24],這對于我國發酵食品產業和國民健康都具有一定的不良影響。
2 氨基甲酸乙酯檢測方法
為了滿足不同發酵食品基質中的EC檢測,研究者已經開發出了多種定性和定量的EC檢測方法以滿足不同需求(表2)。傳統的檢測方法為色譜法,基于大型分析儀器,能夠對食品中的EC進行準確且靈敏的檢測[25];隨著食品檢測技術的發展和實際生產生活的需要,研究者也開發出了更加便捷和快速的檢測方法[26],如酶法、免疫分析法和分子印跡法等。
2.1 色譜法
EC色譜法檢測技術大多是基于液相色譜和氣相色譜按照不同的檢測需求與不同檢測器聯用,對EC痕量檢測,采取凈化/濃縮預處理程序,以確保方法靈敏度高、重復性好、適用性廣,能夠滿足不同基質中EC定量分析[26]。
2.1.1 液相色譜 Alberts等[27]運用反相固相萃取,建立了液相色譜-大氣壓化學離子化-串聯質譜的EC檢測方法,檢出限為0.25 μg/L,分別對葡萄酒和烈性酒中的EC進行定量分析,平均回收率為94.5%。該法雖然靈敏度和可重復性高,但是較為耗費時間和經濟成本。Leca等[28]以液-液微萃取法用少量乙酸乙酯提取強化葡萄酒中的EC,運用反相液相色譜-電噴霧串聯質譜,以EC的二次離子躍遷對EC進行定量,檢出限和定量限分別為0.17 、0.52 μg/L,回收率為93%~114%,且重現性較好。該方法有效減少了樣品前處理時有機溶劑的使用量,同時具有較好的靈敏度。Ojeda等[29]運用液相色譜-熒光法檢測EC,使用高氯酸酸化樣品,用9-呫噸醇對EC進行自動柱前衍生使其具有熒光性質,用熒光檢測器進行捕獲,進而計算出EC含量,該法檢出限為0.52 μg/L,應用于葡萄酒中EC的檢測,回收率為101%~103%。這種通過衍生化進行樣品前處理的方法,極大地縮短了前處理時間,使樣品檢測前處理過程更加快速簡便。
2.1.2 氣相色譜 GC-MS結合了化合物的分離和鑒定,并具有高分辨率和重現性的特點。Ma等[30]建立了一種基于乙醇和K2HPO4水溶液兩相系統的氣相色譜-質譜聯用方法,用于定量紅酒中EC,研究者優化了萃取時間、溫度、pH和乙醇濃度,該方法的線性工作范圍是10~100 μg/L,檢出限和定量限分別為2.8、9.2 μg/L。Xian等[31]建立了一種基于冰浴輔助氫氧化鈉純化的GC-MS/MS法,檢測啤酒和黃酒中的EC,樣品在加入內標后用乙腈-乙酸乙酯萃取,在冰浴條件下用NaOH純化濃縮后上機檢測,該法線性范圍為2~200 μg/ L,檢出限為0.1~0.5 μg/ kg,定量限為0.5~1.5 μg/ kg,回收率為81.5%~121.0%。趙依芃等[32]建立了穩定同位素稀釋-氣相色譜-串聯質譜法檢測乳酪、腐乳和酸奶等食品中的EC,在前處理時向樣品中加入EC-d5作為內標物,該方法的檢出限不超過5 ng/g,回收率在94.2%~108.3%之間。GC-MS法的靈敏度好、穩定性和回收率高,但是檢測結果會受到萃取條件如溶劑、溫度和時間的影響,同時樣品基質和酒精含量對檢測結果也有一定的影響,對低EC含量的食品檢測差異性比較大。
2.1.3 薄層色譜法 黃秋婷等[33]建立了薄層色譜數碼成像法,將EC直接上樣至薄層板,用在磷酸創造的酸性環境下用肉桂醛對EC進行衍生,得到的衍生物能夠在365 nm的激發波長下產生445~460 nm范圍內的熒光,展開劑展開后在暗箱式紫外分析儀在365 nm下掃描薄層板,運用MATLAB對衍生物的熒光斑點進行積分定量,該方法的檢出限為59.5 μg/L,樣品加標回收率為60.12%~84.70%。該法操作方便簡單,無需前處理,但由于人工上樣不均勻且不同薄層板之間的差異較大,因此該法的穩定性較差。
2.2 光譜法
雖然色譜技術能夠準確對痕量的EC進行定量檢測,但是由于其操作復雜、成本較高,無法實現大規??焖俸Y查,因此,光譜技術可以作為色譜技術的補充,對EC進行半定量的篩查。常用的EC光譜檢測技術主要有傅里葉變換紅外光譜、核磁共振波譜和表面增強拉曼光譜等。
2.2.1 傅里葉變換紅外光譜 隨著化學計量學以及計算機技術的發展,研究人員將傅里葉變換紅外光譜法運用在食品檢測領域[34]。Manley等[35]運用軟件獨立建模分類法結合FTIR,對葡萄汁和葡萄酒中EC含量進行了大批量檢測,雖然樣品分辨率達到了80%~88%,但是樣品EC實際值和檢測值之間的相關性較差(r=0.47)。Lache Nmeier等[36]用傅立葉變換紅外光譜儀,通過偏最小二乘回歸衰減法對82個果酒樣品中的EC含量進行監測,同時對比GC-MS/MS檢測結果,發現FTIR檢測方法定量分析的準確性較差,但由于前處理簡單、檢測快速方便,該方法可以作為半定量分析用于大規模篩查。
2.2.2 核磁共振波譜 Monakhova等[37]首次將核磁共振波譜技術于偏最小二乘法(PLS)結合,對112個果酒樣品進行檢測,核磁共振波譜提供全面的結構信息,研究者基于芳香族區域中的PLS校準進行間接定量,通過GC-MS/MS驗證PLS模型的準確性,結果發現,在EC含量小于1 mg/L時,該方法能夠提供可靠的EC定量分析,具有良好的靈敏度和選擇性。
2.2.3 表面增強拉曼光譜 表面增強拉曼光譜法是通過檢測樣品吸附在金、銀等粗糙表面的拉曼散射信號,從而獲得待測樣品信息的方法[38]。Yang等[39]以銀包裹的納米金粒子制備銀星納米顆粒作為信號放大器,可在樣品中提高EC的拉曼增強作用,選取1 003 cm-1處的特征譜帶用于EC定量,檢出限范圍為0.8~11.9 μg/L。Qi等[40]用AgNO3、抗壞血酸和聚乙烯吡咯烷酮制備了花形銀納米顆粒,將其吸移在硅片上,以785 nm為激發波長,選取857 cm-1處的特征譜帶建立拉曼強度和EC濃度之間的回歸模型,該方法的線性范圍為10-9~10-5 mol/L,在白酒樣品的檢測中,回收率為89.94%~90.14%。Du等[41]將EC吸附在Ag20團簇上,形成絡合物C3H7NO2-Ag20,該絡合物的拉曼強度比EC常規拉曼強度增強了10倍左右,在化學與電磁場增強共同作用下,絡合物的表面拉曼增強因子達到3.6×1010,因此可以看出表面增強拉曼光譜法能夠對EC進行痕量檢測。
2.3 其他方法
隨著快檢技術的發展,越來越多國內外研究者致力于EC快檢方法的研究和建立,如酶法、免疫分析法以及分子印跡法等快檢方法。
2.3.1 酶法 酶分析法是利用酶的特異性這一特點,對待測物進行定性和定量分析。劉麗斌等[42]發現,EC在溴水-氫氧化鈉增敏處理后,對乙酰膽堿酯酶活性的抑制效果顯著提高,并且在一定范圍內,酶活性的抑制效果與EC的濃度線性相關,該檢測方法在1~7.5 mg/L范圍內線性良好,檢出限為41.77 μg/L。該方法操作簡單,條件溫和,檢測成本較低。LU等[43]建立谷氨酸脫氫酶/氨基甲酸酯降解酶的雙酶偶聯反應體系,根據監測NADH的濃度變化來實現對EC的定量檢測,進而開發了基于雙酶體系的分光光度法檢測EC,在NADH在340 nm處的吸光度與EC的濃度在0.3~50 μmol/L范圍內線性正相關,該法檢出限為9.28 nmol/L。Zhang等[44]同樣基于谷氨酸脫氫酶/氨基甲酸酯降解酶的雙酶體系,將兩種酶用殼聚糖和明膠包裹并固定在石墨電極表面,從而建立電流型生物傳感器,該傳感器的檢測范圍為0.4~50 μmol/L,檢出限為5.30 nmol/L,測定黃酒中的EC,回收率為100%~103%。這種酶分析法是基于酶的高度專一性對EC進行定量,無需對樣品前處理,易于操作,檢測結果較為穩定,靈敏度較高。
2.3.2 免疫分析法 免疫分析法是基于抗原和抗體的特異性識別和可逆性結合而建立的相對高效的檢測方法。馬曉馳等[45]設計并合成了一種新型EC半抗原,進而制備抗原及抗血清,抗血清效價1∶10 000,對抗血清的免疫活性進行評價,靈敏度和特異性顯示良好。Luo等[46]將EC用9-呫噸醇衍生化后,制備其抗原和抗體,并通過間接ELISA法檢測黃酒中的EC,檢出限為166 μg/L,回收率為84.4%~100.9%。在上述研究的基礎上,Luo等[47]將熒光納米硅顆粒引入ELISA的OPD-H2O2底物顯色系統中,建立熒光-酶聯免疫吸附法,用于檢測紅酒中的EC,辣根過氧化物酶催化OPD的產物DAP可以有效地猝滅納米硅在440 nm處的發射的熒光信號,大大提升了ELISA的靈敏度,該方法的工作范圍為3.9~105 μg/L,檢出限為2.6 μg/ L。任勃儒[48]制備EC的抗體和抗原,用膠體金標記EC抗體,與EC人工抗原發生特異性結合,以此制備金標免疫層析試紙條用于檢測發酵醋,該方法的檢出限為0.5 μg/L,選擇性高,無前處理過程,檢測過程方便快捷、操作人員學習成本低。
2.3.3 分子印跡法 分子印跡聚合物是以待測分子為模板,通過分子印跡技術合成的物質,該聚合物具有特異性識別位點,能夠對模板分子進行高效的特異性識別和選擇性吸附。劉紀紅等[49]以EC作為模板分子、MMA為功能單體制備了EC分子印跡聚合物,再與CdSe/CdS核殼量子點結合,制備了EC熒光分子印記復合微球,使其具有較好的熒光猝滅作用,利用該微球檢測EC,檢測線性范圍為1 ~5 mmol/L。李曼麗[50]以EC為模板分子,PTMSO為功能單體制備了EC分子印跡聚合物,并建立了EC分子印跡電化學傳感器,該方法線性范圍為10-10~10-6 mol/L,檢出限為3.14 nmol/L,回收率為97.2%~108%。Wu等[51]首次將SERS、固相萃取SPE與分子印跡技術結合用于檢測黃酒中的EC,結果表明,該法在0~500 mg/L 范圍內對黃酒中EC的含量有較好的定量能力。分子印跡法特異性強,可以排除樣品基質對檢測結果的影響,同時可以結合不同的檢測手段,以提高檢測靈敏度。
3 結論與展望
近年來,國內外研究者開發了許多EC的檢測方法,各種方法在靈敏度、回收率、穩定性和便捷性上各有特色,互為補充。對于痕量檢測而言,色譜法尤其是氣相色譜-質譜法應用廣泛,其準確性、靈敏度和檢測的穩定性相較于其他方法較高,但是由于前處理過程復雜、檢測成本較高,該方法無法滿足大規模的現場篩查工作。因此,國內外研究者開發出了諸多其他可用于大規模篩查的快速檢測方法,操作簡單、便攜度高,且對EC具有較好的選擇性,能夠達到對EC的定性和半定量檢測。
發酵食品在我國日常生活中隨處可見且種類繁多,國民對其質量安全也十分重視。因此,針對傳統儀器檢測法,應開發更加高通量、便捷快速的前處理方法,以提高檢測效率;針對快檢方法,排除基質效應的影響、優化現有方法并建立能夠檢測不同食品基質中EC的方法具有重要意義;同時,我國應當盡快出臺EC在發酵食品中的限量標準,以此來促進我國發酵食品產業的健康和穩定發展。
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Research Advancements on Detection Methods of Ethyl Carbamate in Fermented Food
MA Xiao-chi,JIN Nuo,LIU Jia-meng,SUN Jing,JIA Ning,SUN Yu-feng*,FAN Bei*
(Institute of Food Science and Technology,Chinese Academy of Agricultural Sciences/ Key Laboratory of Agro-products Quality and Safety in Harvest,Storage,Transportation,Management and Control,MOA,Beijing 100193,China)
Abstract:Ethyl carbamate is widely found in fermented foods.In 2007,ethyl carbamate was classified as a Class 2A carcinogen by the International Agency for Research on Cancer of the World Health Organization.Researchers have developed detection methods suitable for different sample conditions and research purposes.This article reviewed the traditional and rapid methods for the detection of ethyl carbamate,including chromatography,spectroscopy,and other detection methods,and describes the application characteristics and detection results of these methods in fermented food.The development trend of ethyl ester detection technology is prospected.
Keywords:ethyl carbamate;fermented food;traditional detection;rapid detection
基金項目:國家農產品產地收貯運質量安全風險評估項目(項目編號:GJFP2019019)。
作者簡介:馬曉馳(1995— ),女,碩士研究生,研究方向:食品質量與安全。
共同通信作者:孫玉鳳(1984— ),女,博士,副研究員,研究方向:農產品質量安全與品質評價;范蓓(1981— ),女,博士,研究員,研究方向:農產品質量與安全。