食品添加剂2，3-丁二酮的毒性研究进展

吴兰 刘畅 王琛

摘  要：食品工业飞速发展，人们对食品要求日益提高，其中很大程度上取决于食物香味。2，3-丁二酮（2，3-butanedione，BUT）是具有挥发性、黄油类颜色和气味的香精。这些特性使BUT常常被添加到食品中。尽管BUT已经被美国食品药品监督管理局列为一般认为是安全的，但研究表明，长期暴露于高浓度的BUT蒸气会导致肺功能受损，肺部存在限制性或阻塞性的呼吸道狭窄。越来越多的研究发现存在短期和长期暴露于BUT中导致的临床发病症状。为了进一步的深入研究BUT作为一种常见的食品添加剂的安全性，文章分别从细胞水平和动物水平讨论了BUT的毒理性质。

关键词：2，3-丁二酮;食品添加剂;毒性

中图分类号：TS202.3 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）22-0062-02

Abstract： With the rapid development of food industry， people's demand for food is increasing day by day， which largely depends on the flavor of food. 2，3-butanedione（But） is a volatile， butter-colored and odorous essence. These properties make BUT often added to food. Although BUT has been listed as safe by the US Food and Drug Administration， studies have shown that long-term exposure to high concentrations of BUT vapor can lead to impaired lung function and restrictive or obstructive airway stenos is in the lungs. More and more studies have found that there are clinical symptoms caused by short-term and long-term exposure to BUT. In order to further study the safety of BUT as a common food additive， the toxicological properties of BUT were discussed at the cellular level and the animal level respectively.

Keywords： 2，3-butanedione; food additive; toxicity

引言

隨着社会经济快速发展，人们对食物的要求越来越高，在营养性的基础上，提出了色香味俱全的新要求。作为食用香精家族的一员，2，3-丁二酮（BUT）被广泛用于饼干、糖果、奶油中[1]。BUT具有黄油独特的风味，较高的蒸气压，适合低剂量添加，是人造调味剂的重要组成部分[2]。BUT被FDA列为一般认为是安全的（GRAS）[3]。目前尚未有报道提出BUT作为食品添加剂而影响人体的健康。但是在人工调味剂生产环境中，会发生吸入高浓度的BUT蒸气的情况。同时，存在部分生产商为了提高经济利润，使用BUT作为原料的替代物生产食品，这对人类健康构成了极大的威胁。

职业性暴露在高浓度BUT中，极易引起工作人员的肺功能疾病甚至是严重的呼吸系统疾病。研究表明，高浓度BUT会引起人体的闭塞性细支气管炎[4]。这会对从事生产BUT的工作人员的身体健康带来严重危害。研究人员通过在体内外不同细胞和动物上进行研究，证明了BUT对细胞及动物都存在一定程度的损害。本综述旨在整合BUT相关的毒性知识，并重点讨论BUT在细胞模型和动物模型中的致病机制。

1 体外细胞毒性研究

BUT作为一种a-二酮，具有其特殊结构。据实验表明，其可能会影响蛋白质结构与功能[5]。然而，BUT的具体的作用机制尚不确定。接下来，我们总结了各类关于BUT在细胞水平上引起的损伤机制。

Fedan在2006年的研究中将上皮细胞暴露于10mM BUT中，实验通过检测上皮细胞间的跨膜电阻值，发现BUT可以使得上皮细胞间跨膜电阻值下降，从而证明BUT可增加上皮层的通透性[6]。同时有实验表明，上皮细胞暴露于气液界面BUT 浓度为60ppm或更高的浓度下达六个小时，导致上皮细胞间跨膜阻力完全丧失[7]。在另一项研究中，发现BUT形成了鸟苷加合物，作者认为这有助于DNA解构，并最终导致细胞死亡[8]。因此，体外研究表明了屏障功能丧失，DNA解构，蛋白修饰。这些观察结果与体内研究暴露于较高浓度BUT后，上皮细胞发生损伤的结果一致。

2 体内毒性研究

研究发现[9]，暴露于BUT的大鼠体重急剧降低。在恢复期间，暴露于BUT环境中的动物体重继续下降。有研究表明[10]，上皮损伤最密切的原因是BUT。该研究中，大鼠暴露于高浓度BUT蒸气中6小时，出现剂量依赖性鼻坏死性化和脓性鼻炎。观察肺部发现，暴露于最高浓度BUT的动物中有两只观察到上皮损伤。扫描电镜表征该上皮损伤，显示气道上皮细胞变平，伴随着纤毛损失和上皮层间隙的形成。另一项研究中[11]，显示了BUT暴露值与大鼠气道病变发展之间的明确联系。表明气管内滴注 BUT对大鼠造成气道上皮严重损伤，肺功能改变，气道中性粒细胞增多。气道分泌细胞显著降低。最终发展成为闭塞性细支气管炎（BO）。同时用小鼠做实验对象，小鼠会发生与大鼠相同程度的鼻和气道上皮损伤，但它们并未发展成BO样病变。

3 BUT毒性研究的新進展

据最新研究进展，并没有对暴露于BUT工作环境中的工人有具体且有效的治疗和防护方案。Whiteson等人在其2014年的研究中提到囊性纤维化患者微生物菌落产物代谢物会产生BUT[12]，当一些患者的摄入的BUT含量过高

时，能够发生不可逆转的肺组织损害。研究表明抗生素治疗可能影响了产生BUT的微生物的活性。但这些仅针对于人体内源性产生的BUT治疗有效，并没能够有指出外界因素BUT环境中的有效治疗方案。同时，即便FDA将BUT列为GARS，这并不意味着在作为食品添加剂中的香精，广泛应用在食物当中，对人体是无害的。

4 结束语

很早就有关于BUT对人呼吸道以及肺部损伤的报道[13]，近几年也有很多的研究关于长期暴露于高浓度BUT环境中的工作人员的上皮细胞以及肺部的损伤。但很少有文献中提到如何解决此类问题，目前尚不清楚在大鼠和小鼠之间对BUT应激反应中是否存在相同的分子机制。大多数的研究仅仅是限制于BUT蒸气对人体伤害的相关研究，并没有出现针对食品中的BUT人体器官的损伤进行研究，尤其BUT对人体最大解毒器官肝脏的研究几乎没有，我们应该给予重视。即使FDA已指定BUT为GRAS，但这只能说明BUT的使用量在添加到食品中时所需要的量是相对安全的。因此，在解决由BUT带来的职业性肺部疾病以及闭塞性细支气管炎的同时，也应该对人在饮食中摄入的BUT更多的关注。

参考文献：

[1]Morgan DL， Jokinen MP， Johnson CL， et al. Chemical Reactivity and Respiratory Toxicity of the α-Diketone Flavoring Agents： 2，3-Butanedione， 2，3-Pentanedi- one，and 2，3-Hexanedione[J]. Toxicol Pathol. 2016，44（5）：763-783.

[2]Starek-Swiechowicz B， Starek A. Diacetyl exposure as a pneumotoxic factor： a review[J]. Rocz Panstw Zakl Hig. 2014，65（2）：87-92.

[3]Brass DM， Palmer SM. Models of toxicity of diacetyl and alternative diones[J]. Toxicology.2017，388：15-20.

[4]Akpinar-Elci， M.， Travis， W.D.， Lynch， D.A.， et al. Bronchiolitis obliterans syndrome in popcorn production plant workers[J].Eur. Respir. J.2004，24（2），298-302.

[5]Miller AG， Gerrard JA. Assessment of protein function following cross-linking by alpha-dicarbonyls[J]. Ann N Y Acad Sci. 2005，1043：195-200.

[6]Fedan JS， Dowdy JA， Fedan KB， Hubbs AF. Popcorn worker's lung： in vitro exposuretodiacetyl， an ingredient in microwave popcorn butter flavoring， increases reactivity to methacholine[J]. Toxicol Appl Pharmacol. 2006，215（1）：17-22.

[7]Zaccone EJ， Goldsmith WT， Shimko MJ， et al. Diacetyl and 2，3-pentanedione exposure ofhuman cultured airway epithelial cells： Ion transport effects and metabolism of butter flavoring agents[J]. Toxicol Appl Pharmacol. 2015，289（3）：542-549.

[8]Morgan DL， Merrick BA， Gerrish KE， et al. Gene expression in obliterative bronchiolitis-like lesions in 2，3-pentanedione-exposed rats[J]. PLoS One. 2015，10（2）：e0118459.

[9]More SS， Raza A， Vince R. The butter flavorant， diacetyl， forms a covalent adduct with 2-deoxyguanosine， uncoils DNA， and leads to cell death[J]. J Agric Food Chem. 2012，60（12）：3311-3317.

[10] Hubbs AF， Battelli LA， Goldsmith WT， et al. Necrosis of nasal and airway epithelium in rats inhaling vapors of artificial butter flavoring[J]. Toxicol Appl Pharmacol. 2002，185（2）：128-135.

[11]Palmer SM， Flake GP， Kelly FL， et al. Severe airway epithelial injury， aberrant repair and bronchiolitis obliterans develops after diacetyl instillation in rats[J]. PLoS One. 2011，6（3）：e17644.

[12]Whiteson KL， Meinardi S， Lim YW， et al. Breath gas metabolites and bacterial metagenomes from cystic fibrosis airways indicate active pH neutral 2，3-butanedione fermentation[J]. ISME J. 2014，8（6）：1247-1258.

[13]Kreiss K， Gomaa A， Kullman G， Fedan K， et al. Clinical bronchiolitis obliterans in workers at a microwave-popcorn plant[J]. N Engl J Med. 2002，347（5）：330-338.