宋琪 孫立瑞 尹一 夏春谷 辛嘉英

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2024.05.036

引文格式：宋琪，孫立瑞，尹一，等.四氫嘧啶的生物保護(hù)作用及其在食品領(lǐng)域的應(yīng)用[J].中國調(diào)味品，2024，49（5）：213-220.

SONG Q， SUN L R， YIN Y， et al. Bioprotection effect of ectoine and its application in food field[J].China Condiment，2024，49（5）：213-220.

摘要：四氫嘧啶是一種保護(hù)性相容性溶質(zhì)，可以保護(hù)生物大分子和細(xì)胞免受高溫、極端pH、干燥、冷凍、輻射等不利環(huán)境條件的影響。因此，四氫嘧啶可用于新型食品添加劑的開發(fā)，廣泛應(yīng)用于食品生產(chǎn)加工過程中的酶保護(hù)、發(fā)酵菌體保護(hù)、食品保質(zhì)期延長以及功能性食品開發(fā)等方面。基于近年來國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，綜述了四氫嘧啶的生物合成-降解途徑、生物保護(hù)作用機(jī)制及其應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了其在食品領(lǐng)域的應(yīng)用，以期為四氫嘧啶類相容性溶質(zhì)在食品領(lǐng)域的研究、開發(fā)和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：四氫嘧啶；羥基四氫嘧啶；生物保護(hù)；食品添加劑

中圖分類號：TS201.2???? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A????? 文章編號：1000-9973（2024）05-0213-08

Bioprotection Effect of Ectoine and Its Application in Food Field

SONG Qi1， SUN Li-rui1， YIN Yi1， XIA Chun-gu2， XIN Jia-ying1，2*

（1.Key Laboratory of Food Science and Engineering， Harbin University of Commerce， Harbin 150028，

China; 2.State Key Laboratory for Oxo Synthesis and Selective Oxidation， Lanzhou Institute of

Chemical Physics， Chinese Academy of Sciences， Lanzhou 730013， China）

Abstract： Ectoine is a protective compatible solute， and can protect biomacromolecules and cells from adverse environmental conditions such as high temperature， extreme pH， drying， freezing， radiation and so on. Therefore， ectoine can be used in the development of new food additives， and can be widely used in enzyme protection， fermentation bacteria protection， food shelf life extension and functional food development and other aspects during food production and processing. Based on the research status at home and abroad in recent years， the biosynthesis-degradation pathway， bioprotection mechanism and application of ectoine have been discussed， with emphasis on its application in food field， in order to provide references for the research， development and application of ectoine compatible solutes in food field.

Key words： ectoine; hydroxyectoine; bioprotection; food additive

收稿日期：2023-11-06

基金項(xiàng)目：中央支持地方高校改革發(fā)展資金人才培養(yǎng)支持計(jì)劃項(xiàng)目（高水平人才）（304017）

作者簡介：宋琪（1999—），女，碩士研究生，研究方向：生物催化。

*通信作者：辛嘉英（1966—），男，教授，博士，研究方向：生物催化。

相容性溶質(zhì)（compatible solutes）是參與細(xì)胞內(nèi)滲透壓補(bǔ)償體系而不影響細(xì)胞正常生命活動(dòng)的溶質(zhì)，這些溶質(zhì)可以在細(xì)胞中積累到高濃度，調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透壓，進(jìn)而防止細(xì)胞脫水[1-2]。隨后，四氫嘧啶（ectoine，1，4，5，6-四氫-2-甲基-4-嘧啶羧酸）及其衍生物羥基四氫嘧啶（hydroxyectoine，1，4，5，6-四氫-2-甲基-5-羥基-4-嘧啶羧酸）作為滲透相容性溶質(zhì)被發(fā)現(xiàn)[3]。四氫嘧啶是耐鹽和嗜鹽微生物的次級代謝產(chǎn)物，是一種分子量為42.16 Da的環(huán)狀氨基酸衍生物，分子式為C6H10N2O2，其結(jié)構(gòu)圖見圖1。四氫嘧啶易溶解，多數(shù)不帶電荷或以兩性離子狀態(tài)聚集在細(xì)胞中，調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透壓平衡[4]。

四氫嘧啶及其衍生物是一種高效的生物大分子和細(xì)胞保護(hù)劑，可以保護(hù)蛋白、核酸、生物膜等生物大分子和整個(gè)細(xì)胞免受高鹽、高溫、冷凍等不利環(huán)境條件的影響，且對生物大分子的結(jié)構(gòu)和細(xì)胞的正常生命活動(dòng)均無不良影響[5-7]，其生物保護(hù)作用一直受到各國研究者的廣泛關(guān)注。隨后，四氫嘧啶作為發(fā)酵食品中的天然成分被檢測到[8]，因而開始了其在食品領(lǐng)域的研究。在食品工業(yè)中，四氫嘧啶主要應(yīng)用于酶保護(hù)、菌體細(xì)胞保護(hù)、食品保質(zhì)期延長和功能性食品開發(fā)等領(lǐng)域，其生物保護(hù)作用在食品領(lǐng)域具有廣闊的前景，但相比于生物醫(yī)藥和生物工程等領(lǐng)域，其在食品領(lǐng)域的應(yīng)用潛質(zhì)一直被忽視[9]。另外，四氫嘧啶的生物保護(hù)機(jī)制不明確也是阻礙其應(yīng)用研究的原因之一。因此，需要繼續(xù)深入探索四氫嘧啶的保護(hù)機(jī)制以發(fā)揮其功效的最優(yōu)化，進(jìn)而開發(fā)其生物保護(hù)作用的新應(yīng)用，拓寬四氫嘧啶在食品領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

1? 四氫嘧啶的生物合成

1.1? 四氫嘧啶的生物合成-降解途徑

四氫嘧啶主要分布在耐鹽和嗜鹽微生物中，如變形菌門（Proteobacteria）中的鹽單胞菌屬（Halomonas）和色鹽桿菌屬（Chromohalobacter）等菌屬；厚壁菌門（Firmicutes）中的芽孢桿菌屬（Bacillus）、鹽水球菌屬（Salinicoccus）、

嗜鹽海球菌屬（Marinococcus）、甲烷絲菌屬 （Methanothrix） 和甲烷桿菌屬（Methanobacterium）等菌屬[9]。四氫嘧啶是一種環(huán)狀氨基酸衍生物，因其化學(xué)結(jié)構(gòu)中存在手性碳原子，故化學(xué)方法難以合成。另外，用化學(xué)方法合成四氫嘧啶工業(yè)能耗高、環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)大，故工業(yè)生產(chǎn)四氫嘧啶時(shí)主要選擇生物合成的方法。

目前，四氫嘧啶的生物合成-降解途徑已在基因水平和酶水平上有了較成熟的闡述[10]。四氫嘧啶的生物合成途徑由Peters等[11]首次闡述。隨后，Schwibbert等也完成了四氫嘧啶降解途徑的完整解析。至此四氫嘧啶生物合成-降解途徑被完整解析出來，其詳細(xì)生物合成-降解途徑見圖2。四氫嘧啶生物合成-降解途徑的解析為四氫嘧啶的工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)，也為四氫嘧啶生物合成方法的研究與開發(fā)提供了理論依據(jù)。

羥基四氫嘧啶是四氫嘧啶最常見的衍生物，與四氫嘧啶具有相似的生物學(xué)功能，其在特定環(huán)境下的保護(hù)作用甚至優(yōu)于四氫嘧啶，也是典型的保護(hù)性相容性溶質(zhì)之一。羥基四氫嘧啶通常由四氫嘧啶在四氫嘧啶羥化酶（ectoine hydroxylase，EctD）的催化作用下直接轉(zhuǎn)化得到，這一途徑被認(rèn)為是羥基四氫嘧啶的主要合成途徑[12-13]。然而，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)人為阻斷EctD的活性時(shí)，仍有少量的羥基四氫嘧啶合成[14]?；诖?，Ono等[15]發(fā)現(xiàn)四氫嘧啶前體物質(zhì)NADA（N-乙酰-L-2，4-二氨基丁酸）可以在不涉及四氫嘧啶的情況下直接合成羥基四氫嘧啶，進(jìn)一步完善了羥基四氫嘧啶的生物合成途徑。

注：AsK為天冬氨酸激酶，AsD為L-天冬氨酸-半醛脫氫酶，EctA為2，4-二氨基丁酸乙?；D(zhuǎn)移酶，EctB為2，4-二氨基丁酸轉(zhuǎn)移酶，EctC為四氫嘧啶合成酶，EctD為四氫嘧啶羥化酶，DoeA為四氫嘧啶水解酶，DoeB為N-乙酰-L-2，4-二氨基丁酸脫乙酰酶，DoeC為天冬氨酸半醛脫氫酶，DoeD為L-2，4-二氨基丁酸轉(zhuǎn)氨酶。

1.2? 四氫嘧啶的生物合成方法

四氫嘧啶的生產(chǎn)主要采用“細(xì)菌擠奶”工藝，“細(xì)菌擠奶”法是指嗜鹽菌在高滲透壓的誘導(dǎo)下迅速合成四氫嘧啶，然后在低滲透壓的沖擊下釋放細(xì)胞內(nèi)的四氫嘧啶，四氫嘧啶的合成與釋放在該過程中反復(fù)循環(huán)，從而生產(chǎn)四氫嘧啶。目前國內(nèi)外應(yīng)用于四氫嘧啶工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的傳統(tǒng)菌株主要集中于鹽單胞菌屬 （Halomonas） [16-18]、色鹽桿菌屬 （Chromohalobacter）[19]和海洋桿菌屬（Marinobacter）[20-21]等。然而，應(yīng)用傳統(tǒng)高鹽培養(yǎng)基生產(chǎn)四氫嘧啶存在發(fā)酵罐腐蝕和菌種老化等諸多不足，使四氫嘧啶的產(chǎn)量下降。針對傳統(tǒng)方法的不足，目前多采用篩選高產(chǎn)野生菌株、誘變育種[22]和構(gòu)建基因工程菌株（利用大腸桿菌和谷氨酸棒狀桿菌等菌株異源合成四氫嘧啶）[23-26]等方法優(yōu)化四氫嘧啶的工業(yè)生產(chǎn)。

由于日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，通過綠色方式處理工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢氣成為重要的發(fā)展趨勢。利用甲烷和二氧化碳（CO2）等工業(yè)廢氣作為碳源合成有價(jià)值的化學(xué)品的相關(guān)研究越來越受到關(guān)注[27-28]。王廣交等[29-30]報(bào)道，甲烷氧化菌可以利用“生物擠奶”的工藝，以甲烷為唯一碳源在無鹽條件下生產(chǎn)四氫嘧啶。與以傳統(tǒng)碳水化合物為碳源的菌株相比，此方法無需高濃度鹽的生產(chǎn)條件，不易對儀器造成腐蝕，具有分離提純簡單、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高和環(huán)境友好等諸多優(yōu)勢。另外，以甲烷作為唯一碳源生物合成四氫嘧啶的生產(chǎn)方式是甲烷作為能源的一種高利潤替代方案，也是一種比生產(chǎn)低附加值生物產(chǎn)品更可行的增值途徑，具有更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2? 四氫嘧啶的生物保護(hù)作用機(jī)制

四氫嘧啶保護(hù)機(jī)制的研究為其實(shí)際應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。深入探討四氫嘧啶的保護(hù)機(jī)制有助于其合理使用，進(jìn)而拓寬其在各領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，包括四氫嘧啶在內(nèi)的相容性溶質(zhì)的保護(hù)機(jī)制尚不完全明確，已經(jīng)提出了水關(guān)系理論、水替換假說、疏滲作用和優(yōu)先排阻模型等理論，其中“優(yōu)先排組模型”理論是公認(rèn)的相容性溶質(zhì)穩(wěn)定作用的通用機(jī)制，是四氫嘧啶保護(hù)作用的主要解釋[31-32]?！皟?yōu)先排組模型”理論認(rèn)為，由于四氫嘧啶與生物大分子（此處以蛋白質(zhì)為例）的不利相互作用，四氫嘧啶將被排除在蛋白質(zhì)直接水化層之外，同時(shí)減緩了水從蛋白質(zhì)表面的擴(kuò)散，促進(jìn)蛋白質(zhì)水合，從而穩(wěn)定了蛋白質(zhì)的水合層，進(jìn)而穩(wěn)定蛋白質(zhì)的構(gòu)象，使蛋白質(zhì)保持天然狀態(tài)，不發(fā)生變性[33-35]，其保護(hù)機(jī)制示意圖見圖3。

1985年，Arakawa等[36]首次通過優(yōu)先排阻模型證明了蛋白質(zhì)在滲透壓下的穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)相容性溶質(zhì)穩(wěn)定了溶菌酶的結(jié)構(gòu)，并且被排除在蛋白質(zhì)（溶菌酶）結(jié)構(gòu)域水化層之外。Arakawa和Timasheff的研究證實(shí)了相容性溶質(zhì)對蛋白質(zhì)的保護(hù)符合優(yōu)先排阻模型，但他們的研究并不包括四氫嘧啶及其衍生物的保護(hù)機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，Yu等[37]用分子動(dòng)力學(xué)方法證實(shí)了四氫嘧啶也遵循優(yōu)先排阻模型。Eiberweiser等[32]報(bào)道，在各種生物保護(hù)機(jī)制中，“優(yōu)先排除模型”最能描述四氫嘧啶的生物作用。Zaccai等[38]利用體內(nèi)氘標(biāo)記、小神經(jīng)元散射、中子膜衍射、非彈性散射和中子液體衍射等方法對四氫嘧啶的生物保護(hù)機(jī)制進(jìn)行了表征，為“優(yōu)先排阻模型”理論提供了數(shù)據(jù)支持。

四氫嘧啶及其衍生物對細(xì)胞的保護(hù)作用歸因于其對細(xì)胞膜的保護(hù)作用。各種極端條件如高溫、滲透壓和有毒化學(xué)物質(zhì)等都可能損害細(xì)胞膜的功能，導(dǎo)致細(xì)胞脫水和變性。Herzoga等[39]報(bào)道，四氫嘧啶和羥基四氫嘧啶可以通過對細(xì)胞膜的影響來穩(wěn)定細(xì)胞和細(xì)胞系統(tǒng)，使細(xì)胞免受不同應(yīng)激因素的影響。四氫嘧啶周圍形成有組織的水團(tuán)，與膜表面的脂質(zhì)分子存在不利相互作用，改善細(xì)胞表面的水合作用，增加分子間的間距，提高細(xì)胞膜中脂質(zhì)頭部基團(tuán)的流動(dòng)性，進(jìn)而增加細(xì)胞膜的整體流動(dòng)性，保護(hù)細(xì)胞免受不利環(huán)境條件的影響[40]，其保護(hù)機(jī)制示意圖見圖4。四氫嘧啶被排除在膜表面的水化層之外，對膜的分子動(dòng)力學(xué)不會(huì)產(chǎn)生影響，不干擾細(xì)胞的正常生命活動(dòng)[41]。

3? 四氫嘧啶的生物保護(hù)作用

3.1? 四氫嘧啶對生物大分子的保護(hù)

3.1.1? 酶保護(hù)

四氫嘧啶及其衍生物增強(qiáng)了蛋白質(zhì)穩(wěn)定性所必需的分子內(nèi)相互作用，降低了蛋白質(zhì)對變性的敏感程度，從而增加了酶的穩(wěn)定性。許多研究報(bào)道，四氫嘧啶可以作為高效的酶保護(hù)劑，使人們在各種酶生物技術(shù)中使用四氫嘧啶及其衍生物作為酶保護(hù)劑的興趣越來越大。

羥基四氫嘧啶對pH和溫度脅迫下的耐鹽芽孢桿菌產(chǎn)生的木聚糖酶有明顯的保護(hù)作用[42]。Gller等[43]報(bào)道，相容性溶質(zhì)四氫嘧啶和羥基四氫嘧啶對凍融、熱處理和凍干過程中的乳酸脫氫酶（LDH）和磷酸果糖激酶（PFK）都顯示出顯著的穩(wěn)定能力。 Samantha等[44]總結(jié)在冷凍和凍干條件下，四氫嘧啶和羥基四氫嘧啶對LDH和PFK兩種酶均有保護(hù)作用。

作為化學(xué)催化劑的替代品，脂肪酶被廣泛用作生物柴油生產(chǎn)中的生物催化劑，Parwata等[45]在加熱和甲醇處理的脂肪酶體系中加入四氫嘧啶，結(jié)果表明四氫嘧啶在保護(hù)脂肪酶免受熱量和甲醇的影響方面非常有效。脂肪酶和硝酸還原酶常應(yīng)用于廢水處理，Cyplik等[46]研究發(fā)現(xiàn)，添加四氫嘧啶后兩種酶的相對酶活性分別提高了32%和35%。研究結(jié)果表明，四氫嘧啶顯著影響脂肪酶和硝酸還原酶的活性，可以作為酶法處理廢水問題中的酶保護(hù)劑，提高廢水的處理效率。

3.1.2? 核酸、DNA的保護(hù)

四氫嘧啶及其衍生物羥基四氫嘧啶可以誘導(dǎo)DNA結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致許多限制性內(nèi)切酶不再能夠切割DNA[47]。Schnoor等[48]報(bào)道，同型四氫嘧啶（homoectoine）提高了富GC模板聚合酶鏈反應(yīng)的效率，進(jìn)而提高了PCR反應(yīng)的效率。四氫嘧啶可以在輻射條件下保護(hù)DNA分子，并且在初級電子和30 keV的高輻射劑量下均具備抑制輻射損傷的能力[49]。另外，四氫嘧啶可以用于新型RNA穩(wěn)定劑的開發(fā)[50]。

吳菊[51]發(fā)明了一種含四氫嘧啶的無甘油保存保護(hù)劑，此保護(hù)劑的添加使核酸診斷試劑凍干制品的成品率和穩(wěn)定性顯著提高，并彌補(bǔ)了傳統(tǒng)含甘油保護(hù)劑的諸多不足。DNA微陣列（DNA芯片）是重要的基因組學(xué)和遺傳學(xué)的研究工具，具有快速、準(zhǔn)確、低成本的生物分析檢測能力。Nicoletta等[52]研究證實(shí)，低濃度的羥基四氫嘧啶降低了DNA微陣列背景并提高了雜交效率，這一發(fā)現(xiàn)為DNA微陣列實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)提供了巨大的空間。

3.1.3? 其他大分子的保護(hù)

Salmannejad等[53]報(bào)道，四氫嘧啶和羥基四氫嘧啶可以提高重組人干擾素（Alfa2b）二級結(jié)構(gòu)和構(gòu)象的穩(wěn)定性，抑制Alfa2b的熱誘導(dǎo)聚集變性，從而提高Alfa2b的熱穩(wěn)定性。Nayak等[54]研究表明，在高溫、冷凍和解凍過程中，四氫嘧啶和羥基四氫嘧啶可以穩(wěn)定噴霧干燥制劑中的抗體，是治療性抗體的有效賦形劑。Sajjad等[55]報(bào)道，四氫嘧啶可作為蛋白質(zhì)的一種潛在的緩解劑和輻射保護(hù)劑，在極端環(huán)境中使蛋白質(zhì)克服輻射和高鹽濃度的氧化損傷。此外，四氫嘧啶也可能作為膜蛋白的穩(wěn)定劑，應(yīng)用于膜蛋白作為藥物靶點(diǎn)的醫(yī)學(xué)研究中[56]。

3.2? 四氫嘧啶對細(xì)胞的保護(hù)

3.2.1? 四氫嘧啶對微生物細(xì)胞的保護(hù)

四氫嘧啶可作為保護(hù)劑應(yīng)用于微生物保存液的開發(fā)，有效保護(hù)微生物的活性，提高菌體的存活率和活性[57]。四氫嘧啶也可以對根瘤菌生物接種劑的液體制劑進(jìn)行改良，提高根瘤菌細(xì)胞的存活率和培養(yǎng)黏度，改善根瘤菌接種劑的性能[58]。另外，Bownik等[59]研究發(fā)現(xiàn)四氫嘧啶具有保護(hù)細(xì)胞、防御有毒化合物的作用。在運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌乙醇發(fā)酵過程中，四氫嘧啶的添加改善了細(xì)胞的生長和細(xì)胞對葡萄糖的利用，保護(hù)了相關(guān)酶[60]。

微生物燃料電池（MFC）可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)電和廢水凈化同時(shí)進(jìn)行，但電池的高鹽環(huán)境抑制了MFC陽極上產(chǎn)電微生物的生長，導(dǎo)致MFC產(chǎn)電量降低。Tan等[61]研究發(fā)現(xiàn)，添加四氫嘧啶可以增加產(chǎn)電微生物的耐鹽性，從而增加MFC的發(fā)電量?；诖?，張苓花等[62]將四氫嘧啶分泌型鹽單胞菌作為固定化細(xì)胞相設(shè)置于傳統(tǒng)兩極單室MFC中，構(gòu)建了一種三相單室的MFC，以此增強(qiáng)MFC電極微生物的耐鹽性，進(jìn)而提高了電池的產(chǎn)電效率和脫氮效率。

3.2.2? 四氫嘧啶對人體細(xì)胞的保護(hù)

二甲亞砜（DMSO）是廣泛應(yīng)用于細(xì)胞低溫保存的冷凍保護(hù)劑。但高濃度的DMSO有毒性，對細(xì)胞功能有不利影響。Sun等[63]報(bào)道，相容性溶質(zhì)（CS）可以降低DMSO的不利影響，四氫嘧啶可以改善低DMSO濃度下人內(nèi)皮細(xì)胞系HPMEC-ST1.6R的低溫保存效果，可以作為冷凍保護(hù)劑用于人內(nèi)皮細(xì)胞的冷凍保存。四氫嘧啶被證實(shí)可以在低溫培養(yǎng)或保存時(shí)作為從人臍帶血UCB中分離出來的單個(gè)核細(xì)胞的低溫保護(hù)劑[64]。

3.2.3? 四氫嘧啶對動(dòng)物細(xì)胞的保護(hù)

四氫嘧啶對動(dòng)物細(xì)胞的保護(hù)作用同樣已被證實(shí)。Oriquat等[65]報(bào)道，四氫嘧啶通過對炎癥和氧化應(yīng)激途徑的作用保護(hù)輻射應(yīng)激下的小鼠肝臟細(xì)胞。此外，Tsai等[66]研究發(fā)現(xiàn)四氫嘧啶和羥基四氫嘧啶均可使豬視網(wǎng)膜器官培養(yǎng)中細(xì)胞免受氯化鈷（CoCl2）誘導(dǎo)的缺氧損傷。Bownik等[67]報(bào)道，四氫嘧啶具有阻斷成孔毒素的能力，保護(hù)體外牛紅細(xì)胞免受葡萄球菌α-溶血素（HlyA）的侵害。 另外，四氫嘧啶對一些無脊椎動(dòng)物的保護(hù)作用也被證實(shí)。Bownik等[67]研究表明，四氫嘧啶對大型水蚤乙醇誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激有明顯的保護(hù)作用。

4? 四氫嘧啶的生物保護(hù)作用在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1? 食品生產(chǎn)中的酶保護(hù)劑

四氫嘧啶可作為高效、無毒、安全的麥芽酶熱保護(hù)劑用于啤酒的生產(chǎn)中。在啤酒釀造過程中，大麥發(fā)芽所形成的豐富酶系易在后續(xù)的高溫干燥工序中受熱變性，麥芽酶活性損失較大，直接導(dǎo)致麥芽的釀造性能下降，影響產(chǎn)品的品質(zhì)。鄭昕等[68-69]研究發(fā)現(xiàn)，四氫嘧啶對麥芽中的淀粉酶、β-葡聚糖酶和纖維素酶3種重要的麥芽酶均有明顯的保護(hù)作用，四氫嘧啶的添加提高了麥芽酶高溫干燥后的剩余酶活性，進(jìn)而改善了啤酒麥芽的釀造性能。

凝乳酶是食品工業(yè)中生產(chǎn)乳酪和干酪素所必需的酶，主要功能是水解牛奶中的酪蛋白使牛奶凝結(jié)。武彬等[70]研究發(fā)現(xiàn)四氫嘧啶是食品工業(yè)中理想的凝乳酶熱保護(hù)劑，并且與其他穩(wěn)定劑相比具有高效性和安全性。乳過氧化物酶（LPO）對病原微生物具有廣譜抗菌活性，是食品工業(yè)中的天然生物防腐劑，而四氫嘧啶可作為高溫和極端pH下LPO的穩(wěn)定劑[71]。從辣根中提取的辣根過氧化物酶（HRP-DL）廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，四氫嘧啶作為HRP-DL熱穩(wěn)定保護(hù)劑效果顯著，對HRP-DL在逆向環(huán)境中的應(yīng)用具有重要意義[72]。

4.2? 食品生產(chǎn)中菌體細(xì)胞的保護(hù)劑

Thuoc等[8]研究發(fā)現(xiàn)，從蝦醬中分離出來的大多數(shù)嗜鹽細(xì)菌都會(huì)積累四氫嘧啶以適應(yīng)高鹽濃度引起的低水分活度條件?；诖?，研究人員認(rèn)為四氫嘧啶可以作為發(fā)酵菌體細(xì)胞的保護(hù)劑引入食品體系，從而抑制不利條件對食品中菌體細(xì)胞的損傷。

四氫嘧啶可以在凍干處理中保護(hù)乳酸菌細(xì)胞，基于此，張杰等[73]發(fā)明了一種含四氫嘧啶的乳酸菌凍干保護(hù)劑。此保護(hù)劑對凍干的乳酸菌有顯著的保護(hù)作用，降低了凍干對乳酸菌的影響，加入此凍干保護(hù)劑后所得的乳酸菌菌粉活性高、穩(wěn)定性強(qiáng)，有利于長期貯存和運(yùn)輸。

李越等[74]研究發(fā)現(xiàn)，在冷凍條件下四氫嘧啶可以與面團(tuán)中的水和蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用，從而抑制冰晶對酵母菌細(xì)胞和面筋蛋白的損傷，使冷凍面團(tuán)的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。因此，四氫嘧啶可作為一種新型的、天然的抗凍劑用于冷凍面團(tuán)生產(chǎn)中。

4.3? 延長食品保質(zhì)期

Omara等[75]報(bào)道，添加四氫嘧啶可以在酸奶低溫儲(chǔ)存過程中維持乳酸菌的細(xì)胞密度，延長乳制品中乳酸菌的儲(chǔ)藏壽命。因此，在乳制品中添加四氫嘧啶等增加益生菌活力的成分或是解決乳制品保質(zhì)期短的一個(gè)可行的方法。

朱道辰等[76]發(fā)現(xiàn)在綠豆糕表面噴灑四氫嘧啶和海藻糖混合溶液能夠使綠豆糕體系中的游離水絡(luò)合形成結(jié)合水，穩(wěn)定體系中的水分子，這種綠豆糕保鮮方法在保持綠豆糕松軟口感的同時(shí)，可以抑制細(xì)菌的生長，延長其保鮮期。朱道辰等[77]發(fā)明了一種含有四氫嘧啶的月餅添加劑，此添加劑可使月餅維持松軟的口感，延長月餅的保鮮期。

4.4? 研發(fā)功能性食品

四氫嘧啶特殊的生物學(xué)功能使其常被應(yīng)用于功能性食品的研究與開發(fā)。朱道辰[78]發(fā)明了一種添加四氫嘧啶的解酒、醒酒益生元組合物。此組合物可用于制備保健食品，具有快速解酒、醒酒和消除酒精中毒癥狀等功能且無毒副作用。董艷美等[79]發(fā)明了一種四氫嘧啶類物質(zhì)的飲用酒，使用四氫嘧啶類物質(zhì)制備組合物，這些組合物能夠有效預(yù)防和治療飲酒引起的醉酒、酒精性肝損傷和腸道菌群失衡。劉玉敏等[80]發(fā)明了一種含有四氫嘧啶的復(fù)合益生元。研究發(fā)現(xiàn)，此種復(fù)合益生元可用于調(diào)節(jié)腸道的功能，應(yīng)用于調(diào)節(jié)動(dòng)物腸道菌群的食品、藥品或保健品中。

5? 展望

四氫嘧啶是重要的滲透壓調(diào)節(jié)劑，是高效的生物大分子和細(xì)胞保護(hù)劑，其保護(hù)作用始終受到廣泛認(rèn)可。更重要的是作為天然保護(hù)劑的四氫嘧啶不會(huì)改變生物大分子正常生物學(xué)功能，不影響細(xì)胞的正常生命活動(dòng)，可以作為極端條件下生物大分子和細(xì)胞優(yōu)質(zhì)的保護(hù)劑，保護(hù)效果十分顯著，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊。目前，科研人員在分子、細(xì)胞及組學(xué)水平上揭示了四氫嘧啶及其衍生物對生物大分子諸如酶、核酸、蛋白等的保護(hù)作用及細(xì)胞保護(hù)作用機(jī)理，在食品工程、生物保護(hù)、生物醫(yī)藥及生物科技等領(lǐng)域有了不少研究成果。四氫嘧啶進(jìn)入國內(nèi)外市場后引起較高的關(guān)注度，市場銷售額穩(wěn)步增長，商業(yè)市場存在巨大潛力。但相比于四氫嘧啶商業(yè)化的快速發(fā)展，四氫嘧啶的生物保護(hù)機(jī)制尚不明確，且研究零散，尚無確切的結(jié)論。保護(hù)機(jī)制不明確使得四氫嘧啶的使用存在盲目性，十分不利于四氫嘧啶的實(shí)際應(yīng)用。因此，對四氫嘧啶生物保護(hù)機(jī)制的深入研究至關(guān)重要。四氫嘧啶可應(yīng)用于開發(fā)新型食品添加劑，為食品工業(yè)賦能，其生物保護(hù)作用在食品領(lǐng)域具有廣闊的前景，但相比于其他領(lǐng)域，四氫嘧啶在食品領(lǐng)域應(yīng)用的報(bào)道仍較少，應(yīng)用潛質(zhì)一直被忽視。因此，需開發(fā)四氫嘧啶生物保護(hù)作用的新應(yīng)用，進(jìn)一步探索四氫嘧啶應(yīng)用于食品行業(yè)潛在的可能性，拓寬四氫嘧啶在食品領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1]BROWN A D， SIMPSON J R. Water relations of sugar-tolerant yeasts： the role of intracellular polyols[J].Journal of General Microbiology，1972，72（3）：589-591.

[2]KEMPF B， BREMER E. Uptake and synthesis of compatible solutes as microbial stress responses to high-osmolality environments[J].Archives of Microbiology，1998，170（5）：319-330.

[3]PASTOR J M， SALVADOR M， ARGANDONA M. Ectoines in cell stress protection： uses and biotechnological production[J].Biotechnology Advances： An International Review Journal，2010，28（6）：782-801.

[4]張鑫，舒志萬，李永臻，等.相容溶質(zhì)四氫嘧啶的微生物合成研究進(jìn)展[J].生物工程學(xué)報(bào)，2022，38（3）：868-881.

[5]PATTERSON D J. Microbial water stress physiology， principles and perspectives[J].European Journal of Protistology，1990，26（2）：195-196.

[6]張山，胡萌，何永志，等.四氫嘧啶微生物合成與應(yīng)用研究進(jìn)展[J].微生物學(xué)報(bào)，2021，61（8）：2250-2263.

[7]BECKER J， WITTMANN C. Microbial production of extremolytes-high-value active ingredients for nutrition， health care， and well-being[J].Current Opinion in Biotechnology，2020，65：118-128.

[8]THUOC D V， LOAN T T， TRA N T. Accumulation of ectoines by halophilic bacteria isolated from fermented shrimp paste： an adaptation mechanism to salinity， temperature， and pH stress[J].Current Microbiology，2021，78（6）：1-2.

[9]李越，辛嘉英，路雪純，等.四氫嘧啶的生物大分子保護(hù)作用研究進(jìn)展[J].應(yīng)用化工，2023，52（4）：1231-1236.

[10]SCHWIBBERT K， MARIN-SANGUINO A， BAGYAN I， et al. A blueprint of ectoine metabolism from the genome of the industrial producer Halomonas elongata DSM 2581T[J].Environmental Microbiology，2011，13（8）：1973-1994.

[11]PETERS P， GALINSKI E， TRPER H.The biosynthesis of ectoine[J].FEMS Microbiology Letters，1990，71（1-2）：157-162.

[12]GARCIA-ESTEPA R， ARGANDONA M， REINA-BUENO M， et al. The ectD gene， which is involved in the synthesis of the compatible solute hydroxyectoine， is essential for thermoprotection of the halophilic bacterium Chromohalobacter salexigens[J].Journal of Bacteriology，2006，188（11）：3774-3784.

[13]GRAMMEL N. Molekulargenetische und biochemische analyse der biosynthese von 2-methyl-4-carboxy-3，4，5，6-tetrahydropyrimidin und seinem 5-hydroxyderivat， zwei salzstre β induzierbaren osmolyten in Streptomyces chrysomallus[D].Berlin：Technische Universitt Berlin，2000.

[14]CANOVAS D， BORGES N， VARGAS C， et al. Role of Nγ-acetyldiaminobutyrate as an enzyme stabilizer and an intermediate in the biosynthesis of hydroxyectoine[J].Appliedand Environmental Microbiology，1999，65（9）：3774-3779.

[15]ONO H， SAWADA K， KHUNAJAKR N， et al. Characterization of biosynthetic enzymes for ectoine as a compatible solute in a moderately halophilic eubacterium， Halomonas elongata[J].Journal of Bacteriology，1999，181（1）：91.

[16]WANG Z B， LI Y Z， GAO X， et al. Comparative genomic analysis of? Halomonas campaniensis wild-type and ultraviolet radiation-mutated strains reveal genomic differences associated with increased ectoine production[J].International Microbiology： the Official Journal of the Spanish Society for Microbiology，2023，26：1009-1020.

[17]CHEN W C， HSU C C， LAN J C W， et al. Production and characterization of ectoine using amoderately halophilic strain Halomonas salina BCRC17875[J].Journal of Bioscience and Bioengineering，2018，125（5）：578-584.

[18]DONG Y S， ZHANG H， WANG X Y， et al.Enhancing ectoine production by recombinant Escherichia coli through step-wise fermentation optimization strategy based on kinetic analysis[J].Bioprocess and Biosystems Engineering，2021，44（7）：1557-1566.

[19]SALAR-GARCA M J， BERNAL V， PASTOR J M， et al. Understanding the interplay of carbon and nitrogen supply for ectoines production and metabolic overflow in high density cultures of Chromohalobacter salexigens[J].Microbial Cell Factories，2017，16（1）：23.

[20]SU Y， PENG W T， WANG T， et al. Ectoine production using novel heterologous EctABCS. salarius from marine bacterium Salinicola salarius[J].Applied Sciences，2021，11（15）：6873.

[21]CHEN W C， YUAN F W， WANG L F， et al. Ectoine production with indigenous Marinococcus sp. MAR2 isolated from the marine environment[J].Preparative Biochemistry and Biotechnology，2020，50（1）：74-81.

[22]田磊，張芳，沈國平，等.Ectoine高產(chǎn)菌株Halomonas sp. XH26的鑒定及紫外誘變選育[J].生物學(xué)雜志，2020，37（4）：31-35.

[23]WANG D A， CHEN J M， WANG Y， et al. Engineering Escherichia coli for high-yield production of ectoine[J].Green Chemical Engineering，2023，4（2）：217-223.

[24]JIANG A， SONG Y H， YOU J，? et al.High-yield ectoine production in engineered Corynebacterium glutamicum by fine metabolic regulation via plug-in repressor library[J].Bioresource Technology，2022，362：127802.

[25]魏偉偉.大腸桿菌四氫嘧啶合成途徑的構(gòu)建與優(yōu)化[D].無錫：江南大學(xué)，2020.

[26]魏偉偉，王陽，堵國成，等.大腸桿菌四氫嘧啶合成途徑的構(gòu)建與優(yōu)化[J].食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào)，2021，40（7）：30-41.

[27]VCTOR P， LUIS J M， RAQUEL L， et al. Ectoine production from biogas： a sensitivity analysis. Effect of local commodity prices， economy of scale， market trends and biotechnological limitations[J].Journal of Cleaner Production，2022，369：133440.

[28]CANTERA S， PHANDANOUVONG-LOZANO V， PASCUAL C， et al. A systematic comparison of ectoine production from upgraded biogas using Methylomicrobium alcaliphilum and a mixed haloalkaliphilic consortium[J].Waste Management，2020，102（C）：773-781.

[29]王廣交，辛嘉英，崔添玉，等.利用甲烷氧化菌Methylosinus trichosporium OB3b生產(chǎn)四氫嘧啶的研究[J].應(yīng)用化工，2021，50（2）：388-391，399.

[30]王廣交，辛嘉英，孫立瑞，等.甲烷氧化菌合成四氫嘧啶的研究進(jìn)展[J].應(yīng)用化工，2020，49（6）：1515-1518，1522.

[31]CROWLEY E. Compatible solute ectoine review： protection mechanisms and production methods[J].Journal of Undergraduate Studies Winter，2017，5（1）：32-39.

[32]ANDREAS E， ANDREAS N， SERGEY E K， et al. Hydration and ion binding of the osmolyte ectoine[J].The Journal of Physical Chemistry B，2015，119（49）：15203-15211.

[33]GIOACCHINO M D， BRUNI F， SODO A， et al. Ectoine hydration， aggregation and influence on water structure[J].Molecular Physics，2019，117（22）：3311-3319.

[34]SOLOMUN T， HAHN M B， SMIATEK J. Raman spectroscopic signature of ectoine conformations in bulk solution and crystalline state[J].Chemphyschem，2020，21（17）：1945-1950.

[35]RASTENIENE A， GRUSKIENE R， SEREIKAITE J. Interaction of ectoine and hydroxyectoine with protein： fluorescence study[J].Chemical Papers，2021，75（6）：2703-2712.

[36]ARAKAWA T， TIMASHEFF S N. The stabilization of proteins by osmolytes[J].Biophysical Journal，1985，47（3）：411-414.

[37]YU I， JINDO Y， NAGAOKA M. Microscopic understanding of preferential exclusion of compatible solute ectoine：direct interaction and hydration alteration[J].Journal of Physical Chemistry B，2007，111（34）：10231-10238.

[38]ZACCAI G， BAGYAN I， COMBET J， et al. Neutrons describe ectoine effects on water H-bonding and hydration around a soluble protein and a cell membrane[J].Scientific Reports，2016，6（1）：31434.

[39]HERZOGA M， DWIVEDI M， HARISHCHANDRA R K， et al. Effect of ectoine， hydroxyectoine and β-hydroxybutyrate on the temperature and pressure stability of phospholipid bilayer membranes of different complexity[J].Colloids and Surfaces B： Biointerfaces，2019，178：404-411.

[40]HARISHCHANDRA R K， WULFF S， LENTZEN G， et al. The effect of compatible solute ectoines on the structural organization of lipid monolayer and bilayer membranes[J].Biophysical Chemistry，2010，150（1-3）：37-46.

[41]DWIVEDI M， BRINKKTTER M， HARISHCHANDRA R K， et al. Biophysical investigations of the structure and function of the tear fluid lipid layers and the effect of ectoine.Part B： Artificial lipid films[J].Biochimica Et Biophysica Acta，2014，1838（10）：2716-2727.

[42]VAN-THUOC D， HASHIM S O， HATTI-KAUL R， et al. Ectoine-mediated protection of enzyme from the effect of pH and temperature stress： a study using Bacillus halodurans xylanase as a model[J].Applied Microbiology & Biotechnology，2013，97（14）：6271-6278.

[43]GLLER K， GALINSKI E A. Protection of a model enzyme （lactate dehydrogenase） against heat， urea and freeze-thaw treatment by compatible solute additives[J].Journal of Molecular Catalysis B： Enzymatic，1999，7（1-4）：37-45.

[44]SAMANTHA P， GARY J P. Protecting enzymes from stress-induced inactivation[J].Biochemistry，2019，58（37）：3825-3833.

[45]PARWATA I P， WAHYUNINGRUM D， SUHANDONO S， et al. Ability of ectoine to stabilize lipase against elevated temperatures and methanol concentrations[J].Indonesian Journal of Chemistry，2021，21（2）：494-501.

[46]CYPLIK P， PIOTROWSKA-CYPLIK A， MARECIK R， et al. Biological denitrification of brine： the effect of compatible solutes on enzyme activities and fatty acid degradation[J].Biodegradation，2012，23（5）：663-672.

[47]MALIN G， IAKOBASHVILI R， LAPIDOT A. Effect of tetrahydropyrimidine derivatives on protein-nucleic acids interaction. Type Ⅱ restriction endonucleases as a model system[J].The Journal of Biological Chemistry，1999，274（11）：6920-6929.

[48]SCHNOOR M， VOB P， CULLEN P， et al. Characterization of the synthetic compatible solute homoectoine as a potent PCR enhancer[J].Biochemical and Biophysical Research Communications，2004，322（3）：867-872.

[49]MEYER S， SCHRTER M A， HAHN M B， et al. Ectoine can enhance structural changes in DNA in vitro[J].Scientific Reports，2017，7（1）：7170.

[50]李珍愛，李海軍，張英華，等.一種含四氫嘧啶的RNA穩(wěn)定劑及其應(yīng)用：中國，CN114214315B[P].2022-08-30.

[51]吳菊.一種無甘油保存保護(hù)劑及其應(yīng)用：中國，CN115232861A[P].2022-10-25.

[52]NICOLETTA M， LIU X P， SIMONA R， et al. Compatible solutes from hyperthermophiles improve the quality of DNA microarrays[J].BMC Biotechnology，2007，7（1）：82.

[53]SALMANNEJAD F，NAFISSI-VARCHEH N.Ectoine and hydroxyectoine inhibit thermal-induced aggregation and increase thermostability of recombinant human interferon Alfa2b[J].European Journal of Pharmaceutical Sciences，2017，97：200-207.

[54]NAYAK P K， GOODE M， CHANG D P， et al. Ectoine and hydroxyectoine stabilize antibodies in spray-dried formulations at elevated temperature and during a freeze/thaw process[J].Molecular Pharmaceutics，2020，17（9）：3291-3297.

[55]SAJJAD W， QADIR S， AHMAD M， et al. Ectoine： a compatible solute in radio-halophilic Stenotrophomonas sp. WMA-LM19 strain to prevent ultraviolet-induced protein damage[J].Journal of Applied Microbiology，2018，125（2）：457-467.

[56]ROYCHOUDHURY A， HAUSSINGER D， OESTERHELT F. Effect of the compatible solute ectoine on the stability of the membrane proteins[J].Protein and Peptide Letters，2012，19（8）：791-794.

[57]楊啟文，喻瑋，朱盈，等.一種微生物保存液及其使用方法：中國，CN115466682B[P].2023-03-24.

[58]ELSAKHAWY T， GHAZI A， ABDELRAHMAN M A. Developing liquid Rhizobium inoculants with enhanced long-term survival， storage stability， and plant growth promotion using ectoine additive[J].Current Microbiology，2020，78（1）：282-291.

[59]BOWNIK A， STPNIEWSKA Z. Protective effects of bacterial osmoprotectant ectoine on bovine erythrocytes subjected to staphylococcal alpha-haemolysin[J].Toxicon，2015，99：130-135.

[60]ZHANG L H， LANG Y J， WANG C X， et al. Promoting effect of compatible solute ectoine on the ethanol fermentation by Zymomonas mobilis CICC10232[J].Process Biochemistry，2008，43（6）：642-646.

[61]TAN F X， ZHANG L H， LIU W F， et al. Osmotic pressure compensated solute ectoine improves salt tolerance of microbial cells in microbial fuel cells[J].Fuel Cells，2019，19（5）：616-622.

[62]張苓花，曾繁錦，劉偉鳳，等.一種微生物燃料電池高鹽下高效產(chǎn)電和脫氮的方法：中國，CN109607755B[P].2022-04-29.

[63]SUN H， GLASMACHER B， HOFMANN N. Compatible solutes improve cryopreservation of human endothelial cells[J].Cryo Letters，2012，33（6）：485-493.

[64]AKALABYA B， PRAMANIK K. Effects of non-toxic cryoprotective agents on the viability of cord blood derived MNCs[J].Cryo Letters，2013，34（5）：453-465.

[65]ORIQUAT G A， AMMARI W G. Biochemical effects of low-dose whole body x-irradiationon mouse liver and the protective action of ectoine[J].Tropical Journal of Pharmaceutical Research，2019，17（11）：2207.

[66]TSAI T， MUELLER-BUEHL A M， SATGUNARAJAH Y， et al.Protective effect of the extremolytes ectoine and hydroxyectoine in a porcine organ culture[J].Graefe's Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology，2020，258（11）：3527.

[67]BOWNIK A， S＇LASKA B， SZABELAK A. Protective effects of compatible solute ectoine against ethanol-induced toxic alterations in Daphnia magna[J].Journal of Comparative Physiology B-Biochemical， Systemic， and Environmental Physiology，2018，188（5）：779-791.

[68]鄭昕.四氫嘧啶對澳麥Gairdner和國麥甘啤3號制麥過程的影響[J].食品科技，2011，36（8）：127-131.

[69]鄭昕，張苓花.Ectoine提高啤酒麥芽中酶的熱穩(wěn)定性的研究[J].釀酒科技，2009（5）：36-38.

[70]武彬，石天虹，劉雪蘭，等.四氫嘧啶對熱變性凝乳酶復(fù)性作用的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46（3）：137-139.

[71]BOROUJENI M B，NAYERI H.Stabilization of bovine lactoperoxidase in the presence of ectoine[J].Food Chemistry，2018，265：208-215.

[72]WANG T， TIAN J， LI T T， et al. Enzyme properties and thermal stability of horseradish peroxidase （HRP-DL）[C]//International Conference on Engineering and Technology Innovations （ICETI 2016），2016：234-238.

[73]張杰，劉云成，卞輯，等.一種乳酸菌凍干保護(hù)劑及其應(yīng)用：中國，CN104830689A[P].2015-08-12.

[74]李越，辛嘉英，孫瑩，等.四氫嘧啶對冷凍面團(tuán)的保護(hù)作用研究[J].食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報(bào)，2023，14（7）：148-154.

[75]OMARA A M A， SHARAF A E M， EL-HELA A A， et al. Optimizing ectoine biosynthesis using response surface methodology and osmoprotectant applications[J].Biotechnology Letters，2020，42（6）：1003-1017.

[76]朱道辰，陳焱，洪好，等.一種延長綠豆糕保鮮期的方法：中國，CN104544471A[P].2015-04-29.

[77]朱道辰，陳焱，洪好，等.一種月餅添加劑：中國，CN104542794A[P].2015-04-29.

[78]朱道辰.一種解酒醒酒益生元組合物：中國，CN107836719A[P].2018-03-27.

[79]董艷美，王冠鳳，石艷麗，等.四氫嘧啶類物質(zhì)的應(yīng)用及含四氫嘧啶類物質(zhì)的飲用酒：中國，CN111955727B[P].2022-08-09.

[80]劉玉敏，王冠鳳，李夢嬌，等.一種復(fù)合益生元及其在調(diào)節(jié)腸道功能中的應(yīng)用：中國，CN115192602A[P].2022-10-18.