※专题论述
食品科学
2012, Vol. 33, No. 05
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食品中糠醛和 5- 羟甲基糠醛的产生机理、 含量检测及安全性评价研究进展
张玉玉，宋 弋，李全宏 *
100083) (中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京
摘 要：含糖丰富的食品在热加工过程中会产生大量的糠醛和 5- 羟甲基糠醛(HMF)，不同食品加工后所产生的糠醛 及 HMF 的含量有所差异，但当含量超过标准时就会对人体产生危害。因此，本文对食品中糠醛和 HMF 的产生机 理、含量检测分析及安全性评价进行综述。 关键词：糠醛；5 - 羟甲基糠醛；机理；含量检测；安全性
A Review on Formation Mechanism, Determination and Safety Assessment of Furfural and 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) in Foods
ZHANG Yu-yu，SONG Yi， LI Quan-hong* (College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)
Abstract ：Sugar-rich foods could generate large amounts of furfural and 5-hydroxymethylfurfural during thermal processing. During these different processes, the contents of furfural and 5-hydroxymethylfurfural were also different in foods. When the contents of furfural and 5-hydroxymethylfurfural exceeded a certain limit, it would harm human health. In this paper, the mechanisms, determination methods and safety of furfural and 5-hydroxymethylfurfural have been reviewed. Key words：furfural；5-hydroxymethylfurfural (HMF)；mechanism；content determination；safety 中图分类号：TS201.2；TS261.7 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2012)05-0275-06
很多食品在热处理、发酵等加工过程中会产生糠醛(furfural， 2-furfural)[1]和 5- 羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural， 5-(hydroxymethyl)furan-2-carbaldehyde，HMF)，其主要 来源于加工过程中所发生的美拉德反应(maillard reaction) 及焦糖化反应。糠醛和 HMF 具有增香调色功能，因为 随着糠醛和 HMF 的产生，糠醛和 HMF 继续反应还会产 生很多棕色物质及呈香物质[2-3] 。食品加工环境中的诸多 因素如 pH 值、压力、温度等和食物组成成分对糠醛和 H M F 生成量的影响比较显著，比如在反应温度、时 间、压力、p H 值、氧含量等体系因素改变时，非还 原糖转换为还原糖或多酚，这都会影响糠醛反应的进 程[ 3 ] ，因此通过控制这些因素可以有效调控糠醛反应进 程。工业上生产糠醛和 H MF，主要使用富含糖类的生 物质材料或农业废料，即它们在提取、加工和保存过 程中降解生成戊糖、己糖等单糖，继而在受热、氧化
收稿日期：2011-03-29 基金项目：国家自然科学基金项目(30972047)
或酸性环境发生水解、裂解、脱水反应，产生糠醛和 HMF 等化合物[4 ] 。糠醛和 HMF 在达到一定剂量时可对 人体产生危害。研究表明，一定剂量的糠醛或 HMF 被 机体吸收后，会对肝脏、肾脏、心脏等器官产生不良 影响；H M F 还对眼黏膜、上呼吸道黏膜等产生刺激作 用[ 5 ] 。因此，研究食品中糠醛的反应机理及其产生的糠 醛类化合物的潜在安全问题，有效调控糠醛反应进程和 糠醛类化合物的积累，具有重要意义。本文将对食品 中糠醛和 HM F 的产生机理、含量检测分析与安全性的 研究进行综述。 1 糠 醛 和 HMF 及 其 产 生 机 理
糠醛，亦称 2 - 呋喃甲醛、α- 呋喃甲醛，分子式 C 5 H 4 O 2 ，结构式为 O H，是一种广泛应用于化工、食 O 品、医药等行业的重要有机原料。糠醛的感官评价为
作者简介：张玉玉(19 82 —)，女，博士研究生，研究方向为天然产物化学。E-mail：zhangyy2 @163.com * 通信作者：李全宏(1966 —)，男，教授，博士，研究方向为天然产物化学及农产品综合利用。E-mail：[email protected]
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具有甜香、木香、面包香、焦糖香并带有烘烤食品的 气味[ 6 ] 。糠醛还可直接用作防腐剂，它的衍生产品糠酸 和糠醇亦可用作防腐剂。以糠醛为原料可以合成重要的 有机酸——苹果酸、麦芽酚和乙基麦芽酚，这两种物质 是优良的增香剂和食品添加剂。 H M F，分子式为 C 6 H 6 O 3 ，结构式为HO O O H ，纯 品呈针状结晶、暗黄色液体或粉末，具有甘菊花味， 因其具有吸湿性，故易液化。H M F 的化学性质比较活 泼 ， 可 以 发 生 加 氢 、酯 化 、聚 合 、卤 化 、水 解 、氧 化脱氢等化学反应。H M F 是一种呋喃类化合物，是美 拉德反应的一种中间产物，它可以在食品热处理过程中 的酸性条件下由糖(焦糖)直接水解产生[ 7] 。 1.1 糠醛的形成机理 目前，对糠醛反应的研究处于初步的探索阶段， 基本限于单一成分和单糖体系的糠醛反应。一般认为在 单一糖溶液中，己糖经脱水反应后生成 H M F，戊糖经 脱水反应后生成糠醛。H M F 的生成途径为己糖脱水， 而糠醛的生成途径有两条：一是戊糖脱水生成糠醛，如 工业上由生物质水解得到木糖，木糖在酸性条件下分子 内脱去 3 个水分子，环化生成五元杂环化合物糠醛；二 是 HM F 受热裂解生成糠醛。糠醛反应的方程式及木糖 的脱水机理如图 1 所示。
Zeitsch[8] 、Antal[9] 等的研究均表明，木糖在酸的催 化作用下脱水，其路径如图 2 所示。转化步骤包括 l, 2 位脱去两分子水和 1,4 位脱去一分子水。其中 1,2 位脱水 过程发生在两个相邻的 C 原子上，并且脱水后它们之间 形成双键；而 l,4 位脱水过程则发生在由其他两个 C 原子 分隔的 l,4 位碳原子上，并且最终脱水后在它们之间形成 环状。 HMF 的形成机理 H M F 作为糖的热解产物，在高压灭菌的过程中， 葡萄糖注射液的储存过程中，或糖含量高的食品，如 蜂蜜、甜酒、甜面酱等 [ 1 0 ] 的储存过程中，都会产生糠 醛和 HMF [11 ] 。一般认为糠醛反应的底物是单糖化合物， 但也陆续有相关研究报道了不同的结果，在高于 250℃ 的条件下烘烤饼干，若将葡萄糖或果糖置换为蔗糖，则 会产生大量的 HMF[12]，这可能是由于蔗糖在高温条件下 产生了具有较高活性的呋喃果糖基离子造成的 [1 3] 。 目前，在酸催化条件下六碳糖脱水生成 HMF 的反 应机理也不是十分清楚。一般认为六碳糖在酸催化过程 中第一步会生成烯醇互变结构体这样的中间产物，再进 一步脱水生成 H M F，反应过程主要经历异构化、双键 断裂和脱水这 3 个步骤[ 14 ] (在以葡萄糖为反应物时)。除 此之外，在六碳糖脱水生成 HM F 的过程中，还伴有其 他副反应，同时生成很多复杂的反应副产物，例如 2 羟基乙酰呋喃[1 5] 、呋喃甲醛、5- 氯甲基糠醛[1 6] 、甲酸、 乙酰丙酸等。在反应进程中，这些副产物容易发生聚 合反应，生成可溶的聚合物以及不溶的黑色物质 [ 1 7 ] 。 反应温度和反应压力对 HMF 的生成有着非常重要 的影响[18 ] 。较高的温度与压力都可以加快反应速率，因 为在较高的反应温度和反应压力下，烯醇缩合反应以及 相关的水解和脱水反应均比较容易进行[ 1 9 ] 。此外，p H 值对 HMF 的产生也有一定影响，有研究称随着面团 pH 值的升高，HM F 会呈现降低的趋势 [ 2 0 ] 。微波加热能够 增加 HMF 的生成量[21] ，Qi Xinhua 等[22] 认为在微波的电 场中，六碳糖以酮糖的结构形式存在，这是对 HMF 的 生成有利的分子存在方式。 己糖在不同反应条件下，其糠醛产生的路径不同。 在溶液中，己糖先异构化成 1,2- 烯二醇(1,2-enediol)，烯 醇式结构被认为是生成羟甲基糠醛的决定性步骤。己糖 在酸性催化剂作用下首先脱水形成 H MF，再在水溶液 中，H M F 继续与水结合，产生乙酰丙酸和甲酸，反应 过程如图 3 所示[ 2 3 ] 。 1.2
CHOH CHO CHO COH C＝O COH － H2 O CH － H2 O － H2 O HOH2C O → HOCH → → CH CH HCOH HCOH HCOH HCOH HCOH CH2OH CH2OH CH2OH ＋2H 2 O CH3 COOH CHO → +HCOOH O 乙酰丙酸 甲酸
戊糖→中间产物→
H O O 糠醛 H H C H C
裂解 HO ←
O
H ←中间产物←已糖
O 5- 羟甲基糠醛
H 生物质中的多缩戊糖
C OH
OH 木糖
H CHO
H+
图 1 糠 醛 反 应 的 方 程 式 及 木 糖 的 脱 水 机 理 Fig.1 Equation of furfural preparation and the mechanisms of xylose dehydration
H HO CH HO CH OH CH + CH OH+H → HO HO O
+
H
CH CH CH OH CH H2C O
H2C O 木糖 H C O HC C O CH CH+H +
糠醛↑
HC H2 O + C H C H O
+
CH CH O →
H H
HC O H
+
CH HC O H OH ← HO
C C
图 2 木 糖 脱 水 转 化 成 糠 醛 反 应 机 理 Fig.2 Conversion mechanisms of furfural from xylose dehydration
←
(C 5H 8O 4)n
水解
HO
C
OH － 3H2 O O O 糠醛 H
→
HO → HO
CH CH CH OH+ H 2 O CH H2C H
+
+
O ↓
H HO
O
CH CH CH C H HC
+↓
HC O
OH
CH HC OH+ H 2 O
已糖
CH C O
图 3 己 糖 在 酸 性 催 化 剂 作 用 下 的 反 应 过 程 Fig.3 Reaction of hexose under the condition of acidic catalyst
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CH2OH C H H C C OH HO H H OH OH C OH CHOH C OH C C H OH
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葡萄糖的降解过程十分复杂，早期 Tyrlik 等[24] 在研 究各种金属硫酸盐催化葡萄糖生成 HMF 时，认为葡萄 糖降解主要是因为金属离子与葡萄糖半缩醛上的氧形成 配合物，促使 C 3 和 C 4 位的羟基在质子的作用下脱离生 成共轭二烯，然后羟醛缩合生成 H M F (图 4) 。
CH2OH C＝O HO H H C C H OH
CH2OH 2,3- 烯二醇 － H2 O ↓
C OH CH2OH 1,2- 烯二醇 － H2 O
C OH CH2OH 果糖
→
CHO HC OH HO H OH H C C C H OH OH H H CHO C OH CH C OH C OH CH2OH － H2 O CHO C＝O CH ↓ CHO C＝O CH － CH2OH H － H2 O ↓ O CH2OH ↓ CHO HO O O 糠醛 5- 羟甲基糠醛(HMF) H CH C OH CH2OH － H2 O H H CHO C＝O CH2 C C OH OH
→→
→
HOH2 C HO HO
HOH2 C H + ， η+ HO M OH → HO OH → β-Glu H+ .. O
→
Mη+ .. － H2 O O → OH OH CH2OH
HOH2 C HO
.. M O→
η+
CH2OH C＝O C OH CH H C
OH OH
→
+
－ H + ，－ M n +
CH2OH OH CHO OH － H2 O ↓ CH2OH C＝O C＝O CH CH CH2OH － H2 O ↓ O O
HOH2 C
O HMF
COH →
CHO OH
图 4 葡 萄 糖 脱 水 生 成 HMF 的 反 应 机 理 Fig.4 Conversion mechanisms of HMF from glucose
Antal 等[2 5] 认为果糖降解由呋喃环的结构开始，其 最后一步环状中间体脱水的降解机理如图 5 所示。
CH2OH C＝O HO C H H C OH H C OH CH2OH 果糖 1 CH2OH O OH OH 5 OH CH H+
CH2OH O OH
OH CH2OH OH 2
OH
CH2OH O
OH CHO
－ H2 O
CH2OH O OH 7 CHO
－ H2 O →
OH
6
图 5 果 糖 呋 喃 环 状 脱 水 生 成 HMF 机 理 Fig.5 Cyclic mechanisms of fructose dehydration
Moreau 等[26] 则认为果糖降解是从开链结构开始的， 在最后一步才完成环化(图 6)。 3- 脱氧邻酮醛糖是 HMF 形成的关键中间体。HMF 的含量随着贮藏或加热处理温度的升高而明显增加，但 在酸性条件下，HM F 可在低温时形成[ 2 7 ] 。在干燥和热 解的情况下，果糖和蔗糖均可生成 H MF，并在反应过 程中形成高活性的呋喃果糖基阳离子，这种阳离子可以 直接并有效地形成 H M F [ 1 3 ] 。除了温度之外，食品中 HMF 的产率与糖的种类、pH 值[ 20 ] 、水分活度[ 8,2 7] 、二 价阳离子介质的浓度等均有很密切的联系 [2 8] 。
→
CH2OH + O
CH2
→
－ H2 O
OH
－ H2 O
HOH2 C HO
CH2OH 葡萄糖
CH2OH 3- 脱氧邻酮醛糖
→
CH2OH H+ O OH OH CH2OH OH 2 + 3
↓
CH CH2OH
羟乙酰基呋喃
图 6 果 糖 开 链 脱 水 制 备 HMF 的 反 应 机 理 Fig.6 Acyclic mechanisms of fructose dehydration
2
OH → CH2OH O OH 4 OH
+
食 品 中 糠 醛 和 HMF 的 含 量 及 检 测 方 法 杨国先[2 9] 利用紫外 - 可见光谱仪在波长 276nm 处，
CH2OH
对数十种酱香型白酒中的糠醛含量进行定量分析，发现 酒体中仍有微量的糠醛，而其他香型白酒中的糠醛含量 极低或未能检出，所以认为糠醛含量是区分酱香型白 酒和其他香型白酒的重要依据之一。张翠等 [ 3 0 ] 提出了 一种基于紫外光谱快速测定木质生物质预提取液中糠醛 和 H M F 含量的三波长法，该方法简单、快速，测 定糠醛和 HMF 的相对标准偏差分别为 3.02% 和 2.72%。 Gaspar 等[31]将浸入式固相微萃取-气相色谱氢火焰离子化 检测 / 飞行时间质谱技术(direct immersion solid-phase microextraction, gas chromatography flame ionization detection/time-of-flight mass spectrometry，DI-SPME-GC-FID/ TO F-MS)用于蜂蜜、糖、香醋等食品中糠醛、5 - 甲基 糠醛和 HMF 含量的测定，该方法操作简单、灵敏度高， 并可以同时测定 3 种化合物的含量，可用于研究食品加 工过程中碳水化合物的质量和稳定性。Li Hailong 等[3 2] 用顶空气相色谱法测定生物质水解液中糠醛的含量， 结果表明该方法具有良好的测量精密度(R SD ＜ 0.5%) 和准确度(回收率为(100.2 ± 1.7)%)。 在我国，HM F 是含葡萄糖等单糖的注射剂中需要 严格控制的杂质，如在《中国药典》从 1985 年版开始
CH2OH O 8 CHO
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对葡萄糖注射液中 HMF 的含量作了限量规定，葡萄糖 氯化钠注射液中 HMF 的含量吸光度不得大于 0.25 。 卢奎多[3 4] 对葡萄糖注射液中 HMF 含量的检测发现，其
[33]
生成量与灭菌时间、灭菌温度、灭菌方法、药液本身 HMF 的含量有关。HMF 在食品中的检出量与富含碳水 化合物的食品的热加工过程直接相关，H MF 的另外一 个来源是食品中添加的焦糖或蜂蜜等物质 [ 3 5 ] 。目前， 研究者对 H M F 检测的研究，主要集中在检测牛乳[ 3 6 ] 、 醋 [ 3 7 ] 、蜂蜜 [ 3 8 ] 、酒类 [ 3 9 ] 等各类食品中 H M F 的含量。 Rada-Mendoza 等[40-41] 研究了 38 种含有水果和糖的果酱， 以及 18 种以水果为基料的婴儿食品的 pH 值、干物质含 量和 HMF 的含量，结果发现所有的 56 种样品中都含有 HMF，检测结果从痕量到 7.17mg/100g 不等，平均含量 为 1.35mg/100g。尽管在某些系列的食品中，如干制水 果、焦糖、醋中的 H M F 含量相当高，但是面包和咖啡 是 HMF 的最主要膳食摄入方式[ 42 ] 。 目前，HMF 检测方法有 UV 法(284nm 波长处的吸 光度或衍生化后 284nm 与 336nm 波长处的吸光度差值法) 和高效液相色谱法[43]。检测蜂蜜中 HMF 的 3 种方法是比 色法(Winkler 法)、分光光度法(White 法，测定 HMF 在 284nm 波长处的吸光度)和 HPLC 法(在 284nm 波长处检 测)[44] 。常用的分光光度法和 HPLC 法中，HPLC 法是目 前精确定量 HMF 所用最普遍的方法[ 45 ] 。 3 糠 醛 和 5-HMF 的 安 全 性 评 价 在我国国家标准(GB 2760 — 2007《食品添加剂使用卫 生标准》中，糠醛归属于食品香料类，功能是用于调配 ) 食品香精，使食品增香，如配制面包、奶油硬糖、咖 啡等香精。中国、国际食品法典委员会(Codex Alimentarius Commission，CAC)、欧盟、美国、日本的食品添加剂 标准和法规中规定允许糠醛作为香料使用。大鼠的口服 半数致死量为 65mg/kg(以体质量计)，其美国香味料和萃 , 取物质制造者协会(F la vo r Ext ra c t M a n ufa c t ur e r s Association，FEMA)编号为 2489，在一些食品中的限量 为软饮料 4.0mg/kg、冷饮 13.0mg/kg、糖果 12.0mg/kg、 焙烤食品 17.0mg/kg、布丁类 0.8mg/kg、胶姆糖 45.0mg/kg、 酒类 10.0mg/kg、糖浆 30.0mg/kg [46 ] 。 H M F 可通过吸入或皮肤接触被人体吸收，对眼 睛、上呼吸道、皮肤和黏膜等有刺激性；对人体横纹 肌及内脏有损害，且具有神经毒性，能与人体蛋白质 结合产生蓄积中毒，所以在含葡萄糖或其他单糖的制剂 中必须作为一种重要的相关物质加以控制[47 ] 。目前，对 HMF 的安全性争议很大，但在 HMF 对人类是否具有致 癌性方面还没有充分的理论依据，大多是大鼠等动物实 验的结果。Ulbricht 等[48] 计算了大鼠口服 HMF 的半数致 死量(LD50 )为 3.1g/kg(以体质量计)。有研究称 HMF 的磺
化作用对实验鼠有致突变和致癌性[4 9- 50 ] 。欧盟食品安全 委员会食品添加剂、香料、加工助剂及食品接触材料 科学小组以修正理论加权最大日摄入量(modified theoretical added maximum daily intake，mTAMDI)法为基础进 行研究，认为每人每天摄入的 H M F 的上限为 1.6mg， 远高于联合食品添加剂专家委员会(Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives， JECFA)在 1996 年通过大量 急性和亚急性动物毒理实验所得到的每人每天 540μg 的 标准[51-52]。Zhang Xueming 等[53]报道了大鼠结肠小囊异常 生长的 HMF 剂量，为口服单剂量 0～300mg/kg(以体质量 计)。 Surh等[54]认为小鼠经过局部摄入10～25 mol的HMF μ 后，可以诱导皮肤乳头状瘤。另外，Schoental 等[ 55 ] 报 道了在大鼠皮下注入 200mg/kg 以体质量计 HMF 后，其 肾脏脂肪瘤样肿瘤的发展。 目前还不清楚 H M F 对人体是否有潜在的健康风 险。Janzowski 等[50] 认为 HMF 不会对健康产生影响，即 使在特定食品中 HM F 含量较高，也在细胞系统中的生 物效应浓度范围之内。赵玲等[56 ] 建立脑缺血再灌注小鼠 模型，以 Morris 水迷宫和跳台实验观测小鼠学习记忆能 力，研究结果表明，HMF 口服给药可改善脑缺血再灌注 小鼠的学习记忆障碍，其机制可能与恢复脑组织清除自由 基的酶活力抗自由基损伤有关。傅紫琴等[57] 提出 HMF 可 能会被作为中药中一个新的活性成分加以研究，并认为 它对阐明中药的作用有着重要意义。 4 结 语
目前糠醛和 HMF 含量的检测方法仅限于紫外分光 光度法和高效液相色谱法，食品中可检测到的糠醛的含 量可以达到几百毫克每千克，而 HM F 的含量则相对较 低，一般不超过几十毫克每千克。糠醛在我国是作为 一 种 食 品 添 加 剂 使 用 的 ，大 鼠 经 口 的 半 数 致 死 量 为 65mg/kg。而 HMF 则被看作是一种潜在的影响健康的化 合物，对眼睛、上呼吸道、皮肤和黏膜等有刺激性， 对肿瘤的恶化也有一定的诱导作用，但是目前对 HM F 的致病机制仅限于动物实验，并没有成熟的理论解释。 同时，有研究报道 HM F 具有一定的药理作用，如抗心 肌缺血、抗氧化等[57 ] 。糖类与人体健康有极其密切的关 系，在糖类食品中一般都含有糠醛和 H M F。因此，探 明糠醛和 HM F 的产生机理及在人体内的作用机制，对 人体健康具有重要的意义。 对糠醛和 H MF 的研究可以从以下两个方面考虑： 对糠醛和 HM F 的产生机理研究应从复杂的食品体系着 手，重点探讨影响糠醛和 HM F 生成量的因素(如温度、 时间、压力等) ，调控反应进程，而不仅仅是从单一的 糖体系角度去考虑；需要对糠醛和 HMF 进行更深入的 风险评估，研究高糠醛和 HM F 摄入的饮食与癌症、心 血管疾病等疾病的关系。
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参考文献：
食品科学
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※专题论述
食品科学
2012, Vol. 33, No. 05
275
食品中糠醛和 5- 羟甲基糠醛的产生机理、 含量检测及安全性评价研究进展
张玉玉，宋 弋，李全宏 *
100083) (中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京
摘 要：含糖丰富的食品在热加工过程中会产生大量的糠醛和 5- 羟甲基糠醛(HMF)，不同食品加工后所产生的糠醛 及 HMF 的含量有所差异，但当含量超过标准时就会对人体产生危害。因此，本文对食品中糠醛和 HMF 的产生机 理、含量检测分析及安全性评价进行综述。 关键词：糠醛；5 - 羟甲基糠醛；机理；含量检测；安全性
A Review on Formation Mechanism, Determination and Safety Assessment of Furfural and 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) in Foods
ZHANG Yu-yu，SONG Yi， LI Quan-hong* (College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)
Abstract ：Sugar-rich foods could generate large amounts of furfural and 5-hydroxymethylfurfural during thermal processing. During these different processes, the contents of furfural and 5-hydroxymethylfurfural were also different in foods. When the contents of furfural and 5-hydroxymethylfurfural exceeded a certain limit, it would harm human health. In this paper, the mechanisms, determination methods and safety of furfural and 5-hydroxymethylfurfural have been reviewed. Key words：furfural；5-hydroxymethylfurfural (HMF)；mechanism；content determination；safety 中图分类号：TS201.2；TS261.7 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2012)05-0275-06
很多食品在热处理、发酵等加工过程中会产生糠醛(furfural， 2-furfural)[1]和 5- 羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural， 5-(hydroxymethyl)furan-2-carbaldehyde，HMF)，其主要 来源于加工过程中所发生的美拉德反应(maillard reaction) 及焦糖化反应。糠醛和 HMF 具有增香调色功能，因为 随着糠醛和 HMF 的产生，糠醛和 HMF 继续反应还会产 生很多棕色物质及呈香物质[2-3] 。食品加工环境中的诸多 因素如 pH 值、压力、温度等和食物组成成分对糠醛和 H M F 生成量的影响比较显著，比如在反应温度、时 间、压力、p H 值、氧含量等体系因素改变时，非还 原糖转换为还原糖或多酚，这都会影响糠醛反应的进 程[ 3 ] ，因此通过控制这些因素可以有效调控糠醛反应进 程。工业上生产糠醛和 H MF，主要使用富含糖类的生 物质材料或农业废料，即它们在提取、加工和保存过 程中降解生成戊糖、己糖等单糖，继而在受热、氧化
收稿日期：2011-03-29 基金项目：国家自然科学基金项目(30972047)
或酸性环境发生水解、裂解、脱水反应，产生糠醛和 HMF 等化合物[4 ] 。糠醛和 HMF 在达到一定剂量时可对 人体产生危害。研究表明，一定剂量的糠醛或 HMF 被 机体吸收后，会对肝脏、肾脏、心脏等器官产生不良 影响；H M F 还对眼黏膜、上呼吸道黏膜等产生刺激作 用[ 5 ] 。因此，研究食品中糠醛的反应机理及其产生的糠 醛类化合物的潜在安全问题，有效调控糠醛反应进程和 糠醛类化合物的积累，具有重要意义。本文将对食品 中糠醛和 HM F 的产生机理、含量检测分析与安全性的 研究进行综述。 1 糠 醛 和 HMF 及 其 产 生 机 理
糠醛，亦称 2 - 呋喃甲醛、α- 呋喃甲醛，分子式 C 5 H 4 O 2 ，结构式为 O H，是一种广泛应用于化工、食 O 品、医药等行业的重要有机原料。糠醛的感官评价为
作者简介：张玉玉(19 82 —)，女，博士研究生，研究方向为天然产物化学。E-mail：zhangyy2 @163.com * 通信作者：李全宏(1966 —)，男，教授，博士，研究方向为天然产物化学及农产品综合利用。E-mail：[email protected]
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食品科学
※专题论述
具有甜香、木香、面包香、焦糖香并带有烘烤食品的 气味[ 6 ] 。糠醛还可直接用作防腐剂，它的衍生产品糠酸 和糠醇亦可用作防腐剂。以糠醛为原料可以合成重要的 有机酸——苹果酸、麦芽酚和乙基麦芽酚，这两种物质 是优良的增香剂和食品添加剂。 H M F，分子式为 C 6 H 6 O 3 ，结构式为HO O O H ，纯 品呈针状结晶、暗黄色液体或粉末，具有甘菊花味， 因其具有吸湿性，故易液化。H M F 的化学性质比较活 泼 ， 可 以 发 生 加 氢 、酯 化 、聚 合 、卤 化 、水 解 、氧 化脱氢等化学反应。H M F 是一种呋喃类化合物，是美 拉德反应的一种中间产物，它可以在食品热处理过程中 的酸性条件下由糖(焦糖)直接水解产生[ 7] 。 1.1 糠醛的形成机理 目前，对糠醛反应的研究处于初步的探索阶段， 基本限于单一成分和单糖体系的糠醛反应。一般认为在 单一糖溶液中，己糖经脱水反应后生成 H M F，戊糖经 脱水反应后生成糠醛。H M F 的生成途径为己糖脱水， 而糠醛的生成途径有两条：一是戊糖脱水生成糠醛，如 工业上由生物质水解得到木糖，木糖在酸性条件下分子 内脱去 3 个水分子，环化生成五元杂环化合物糠醛；二 是 HM F 受热裂解生成糠醛。糠醛反应的方程式及木糖 的脱水机理如图 1 所示。
Zeitsch[8] 、Antal[9] 等的研究均表明，木糖在酸的催 化作用下脱水，其路径如图 2 所示。转化步骤包括 l, 2 位脱去两分子水和 1,4 位脱去一分子水。其中 1,2 位脱水 过程发生在两个相邻的 C 原子上，并且脱水后它们之间 形成双键；而 l,4 位脱水过程则发生在由其他两个 C 原子 分隔的 l,4 位碳原子上，并且最终脱水后在它们之间形成 环状。 HMF 的形成机理 H M F 作为糖的热解产物，在高压灭菌的过程中， 葡萄糖注射液的储存过程中，或糖含量高的食品，如 蜂蜜、甜酒、甜面酱等 [ 1 0 ] 的储存过程中，都会产生糠 醛和 HMF [11 ] 。一般认为糠醛反应的底物是单糖化合物， 但也陆续有相关研究报道了不同的结果，在高于 250℃ 的条件下烘烤饼干，若将葡萄糖或果糖置换为蔗糖，则 会产生大量的 HMF[12]，这可能是由于蔗糖在高温条件下 产生了具有较高活性的呋喃果糖基离子造成的 [1 3] 。 目前，在酸催化条件下六碳糖脱水生成 HMF 的反 应机理也不是十分清楚。一般认为六碳糖在酸催化过程 中第一步会生成烯醇互变结构体这样的中间产物，再进 一步脱水生成 H M F，反应过程主要经历异构化、双键 断裂和脱水这 3 个步骤[ 14 ] (在以葡萄糖为反应物时)。除 此之外，在六碳糖脱水生成 HM F 的过程中，还伴有其 他副反应，同时生成很多复杂的反应副产物，例如 2 羟基乙酰呋喃[1 5] 、呋喃甲醛、5- 氯甲基糠醛[1 6] 、甲酸、 乙酰丙酸等。在反应进程中，这些副产物容易发生聚 合反应，生成可溶的聚合物以及不溶的黑色物质 [ 1 7 ] 。 反应温度和反应压力对 HMF 的生成有着非常重要 的影响[18 ] 。较高的温度与压力都可以加快反应速率，因 为在较高的反应温度和反应压力下，烯醇缩合反应以及 相关的水解和脱水反应均比较容易进行[ 1 9 ] 。此外，p H 值对 HMF 的产生也有一定影响，有研究称随着面团 pH 值的升高，HM F 会呈现降低的趋势 [ 2 0 ] 。微波加热能够 增加 HMF 的生成量[21] ，Qi Xinhua 等[22] 认为在微波的电 场中，六碳糖以酮糖的结构形式存在，这是对 HMF 的 生成有利的分子存在方式。 己糖在不同反应条件下，其糠醛产生的路径不同。 在溶液中，己糖先异构化成 1,2- 烯二醇(1,2-enediol)，烯 醇式结构被认为是生成羟甲基糠醛的决定性步骤。己糖 在酸性催化剂作用下首先脱水形成 H MF，再在水溶液 中，H M F 继续与水结合，产生乙酰丙酸和甲酸，反应 过程如图 3 所示[ 2 3 ] 。 1.2
CHOH CHO CHO COH C＝O COH － H2 O CH － H2 O － H2 O HOH2C O → HOCH → → CH CH HCOH HCOH HCOH HCOH HCOH CH2OH CH2OH CH2OH ＋2H 2 O CH3 COOH CHO → +HCOOH O 乙酰丙酸 甲酸
戊糖→中间产物→
H O O 糠醛 H H C H C
裂解 HO ←
O
H ←中间产物←已糖
O 5- 羟甲基糠醛
H 生物质中的多缩戊糖
C OH
OH 木糖
H CHO
H+
图 1 糠 醛 反 应 的 方 程 式 及 木 糖 的 脱 水 机 理 Fig.1 Equation of furfural preparation and the mechanisms of xylose dehydration
H HO CH HO CH OH CH + CH OH+H → HO HO O
+
H
CH CH CH OH CH H2C O
H2C O 木糖 H C O HC C O CH CH+H +
糠醛↑
HC H2 O + C H C H O
+
CH CH O →
H H
HC O H
+
CH HC O H OH ← HO
C C
图 2 木 糖 脱 水 转 化 成 糠 醛 反 应 机 理 Fig.2 Conversion mechanisms of furfural from xylose dehydration
←
(C 5H 8O 4)n
水解
HO
C
OH － 3H2 O O O 糠醛 H
→
HO → HO
CH CH CH OH+ H 2 O CH H2C H
+
+
O ↓
H HO
O
CH CH CH C H HC
+↓
HC O
OH
CH HC OH+ H 2 O
已糖
CH C O
图 3 己 糖 在 酸 性 催 化 剂 作 用 下 的 反 应 过 程 Fig.3 Reaction of hexose under the condition of acidic catalyst
※专题论述
食品科学
CH2OH C H H C C OH HO H H OH OH C OH CHOH C OH C C H OH
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277
葡萄糖的降解过程十分复杂，早期 Tyrlik 等[24] 在研 究各种金属硫酸盐催化葡萄糖生成 HMF 时，认为葡萄 糖降解主要是因为金属离子与葡萄糖半缩醛上的氧形成 配合物，促使 C 3 和 C 4 位的羟基在质子的作用下脱离生 成共轭二烯，然后羟醛缩合生成 H M F (图 4) 。
CH2OH C＝O HO H H C C H OH
CH2OH 2,3- 烯二醇 － H2 O ↓
C OH CH2OH 1,2- 烯二醇 － H2 O
C OH CH2OH 果糖
→
CHO HC OH HO H OH H C C C H OH OH H H CHO C OH CH C OH C OH CH2OH － H2 O CHO C＝O CH ↓ CHO C＝O CH － CH2OH H － H2 O ↓ O CH2OH ↓ CHO HO O O 糠醛 5- 羟甲基糠醛(HMF) H CH C OH CH2OH － H2 O H H CHO C＝O CH2 C C OH OH
→→
→
HOH2 C HO HO
HOH2 C H + ， η+ HO M OH → HO OH → β-Glu H+ .. O
→
Mη+ .. － H2 O O → OH OH CH2OH
HOH2 C HO
.. M O→
η+
CH2OH C＝O C OH CH H C
OH OH
→
+
－ H + ，－ M n +
CH2OH OH CHO OH － H2 O ↓ CH2OH C＝O C＝O CH CH CH2OH － H2 O ↓ O O
HOH2 C
O HMF
COH →
CHO OH
图 4 葡 萄 糖 脱 水 生 成 HMF 的 反 应 机 理 Fig.4 Conversion mechanisms of HMF from glucose
Antal 等[2 5] 认为果糖降解由呋喃环的结构开始，其 最后一步环状中间体脱水的降解机理如图 5 所示。
CH2OH C＝O HO C H H C OH H C OH CH2OH 果糖 1 CH2OH O OH OH 5 OH CH H+
CH2OH O OH
OH CH2OH OH 2
OH
CH2OH O
OH CHO
－ H2 O
CH2OH O OH 7 CHO
－ H2 O →
OH
6
图 5 果 糖 呋 喃 环 状 脱 水 生 成 HMF 机 理 Fig.5 Cyclic mechanisms of fructose dehydration
Moreau 等[26] 则认为果糖降解是从开链结构开始的， 在最后一步才完成环化(图 6)。 3- 脱氧邻酮醛糖是 HMF 形成的关键中间体。HMF 的含量随着贮藏或加热处理温度的升高而明显增加，但 在酸性条件下，HM F 可在低温时形成[ 2 7 ] 。在干燥和热 解的情况下，果糖和蔗糖均可生成 H MF，并在反应过 程中形成高活性的呋喃果糖基阳离子，这种阳离子可以 直接并有效地形成 H M F [ 1 3 ] 。除了温度之外，食品中 HMF 的产率与糖的种类、pH 值[ 20 ] 、水分活度[ 8,2 7] 、二 价阳离子介质的浓度等均有很密切的联系 [2 8] 。
→
CH2OH + O
CH2
→
－ H2 O
OH
－ H2 O
HOH2 C HO
CH2OH 葡萄糖
CH2OH 3- 脱氧邻酮醛糖
→
CH2OH H+ O OH OH CH2OH OH 2 + 3
↓
CH CH2OH
羟乙酰基呋喃
图 6 果 糖 开 链 脱 水 制 备 HMF 的 反 应 机 理 Fig.6 Acyclic mechanisms of fructose dehydration
2
OH → CH2OH O OH 4 OH
+
食 品 中 糠 醛 和 HMF 的 含 量 及 检 测 方 法 杨国先[2 9] 利用紫外 - 可见光谱仪在波长 276nm 处，
CH2OH
对数十种酱香型白酒中的糠醛含量进行定量分析，发现 酒体中仍有微量的糠醛，而其他香型白酒中的糠醛含量 极低或未能检出，所以认为糠醛含量是区分酱香型白 酒和其他香型白酒的重要依据之一。张翠等 [ 3 0 ] 提出了 一种基于紫外光谱快速测定木质生物质预提取液中糠醛 和 H M F 含量的三波长法，该方法简单、快速，测 定糠醛和 HMF 的相对标准偏差分别为 3.02% 和 2.72%。 Gaspar 等[31]将浸入式固相微萃取-气相色谱氢火焰离子化 检测 / 飞行时间质谱技术(direct immersion solid-phase microextraction, gas chromatography flame ionization detection/time-of-flight mass spectrometry，DI-SPME-GC-FID/ TO F-MS)用于蜂蜜、糖、香醋等食品中糠醛、5 - 甲基 糠醛和 HMF 含量的测定，该方法操作简单、灵敏度高， 并可以同时测定 3 种化合物的含量，可用于研究食品加 工过程中碳水化合物的质量和稳定性。Li Hailong 等[3 2] 用顶空气相色谱法测定生物质水解液中糠醛的含量， 结果表明该方法具有良好的测量精密度(R SD ＜ 0.5%) 和准确度(回收率为(100.2 ± 1.7)%)。 在我国，HM F 是含葡萄糖等单糖的注射剂中需要 严格控制的杂质，如在《中国药典》从 1985 年版开始
CH2OH O 8 CHO
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食品科学
※专题论述
对葡萄糖注射液中 HMF 的含量作了限量规定，葡萄糖 氯化钠注射液中 HMF 的含量吸光度不得大于 0.25 。 卢奎多[3 4] 对葡萄糖注射液中 HMF 含量的检测发现，其
[33]
生成量与灭菌时间、灭菌温度、灭菌方法、药液本身 HMF 的含量有关。HMF 在食品中的检出量与富含碳水 化合物的食品的热加工过程直接相关，H MF 的另外一 个来源是食品中添加的焦糖或蜂蜜等物质 [ 3 5 ] 。目前， 研究者对 H M F 检测的研究，主要集中在检测牛乳[ 3 6 ] 、 醋 [ 3 7 ] 、蜂蜜 [ 3 8 ] 、酒类 [ 3 9 ] 等各类食品中 H M F 的含量。 Rada-Mendoza 等[40-41] 研究了 38 种含有水果和糖的果酱， 以及 18 种以水果为基料的婴儿食品的 pH 值、干物质含 量和 HMF 的含量，结果发现所有的 56 种样品中都含有 HMF，检测结果从痕量到 7.17mg/100g 不等，平均含量 为 1.35mg/100g。尽管在某些系列的食品中，如干制水 果、焦糖、醋中的 H M F 含量相当高，但是面包和咖啡 是 HMF 的最主要膳食摄入方式[ 42 ] 。 目前，HMF 检测方法有 UV 法(284nm 波长处的吸 光度或衍生化后 284nm 与 336nm 波长处的吸光度差值法) 和高效液相色谱法[43]。检测蜂蜜中 HMF 的 3 种方法是比 色法(Winkler 法)、分光光度法(White 法，测定 HMF 在 284nm 波长处的吸光度)和 HPLC 法(在 284nm 波长处检 测)[44] 。常用的分光光度法和 HPLC 法中，HPLC 法是目 前精确定量 HMF 所用最普遍的方法[ 45 ] 。 3 糠 醛 和 5-HMF 的 安 全 性 评 价 在我国国家标准(GB 2760 — 2007《食品添加剂使用卫 生标准》中，糠醛归属于食品香料类，功能是用于调配 ) 食品香精，使食品增香，如配制面包、奶油硬糖、咖 啡等香精。中国、国际食品法典委员会(Codex Alimentarius Commission，CAC)、欧盟、美国、日本的食品添加剂 标准和法规中规定允许糠醛作为香料使用。大鼠的口服 半数致死量为 65mg/kg(以体质量计)，其美国香味料和萃 , 取物质制造者协会(F la vo r Ext ra c t M a n ufa c t ur e r s Association，FEMA)编号为 2489，在一些食品中的限量 为软饮料 4.0mg/kg、冷饮 13.0mg/kg、糖果 12.0mg/kg、 焙烤食品 17.0mg/kg、布丁类 0.8mg/kg、胶姆糖 45.0mg/kg、 酒类 10.0mg/kg、糖浆 30.0mg/kg [46 ] 。 H M F 可通过吸入或皮肤接触被人体吸收，对眼 睛、上呼吸道、皮肤和黏膜等有刺激性；对人体横纹 肌及内脏有损害，且具有神经毒性，能与人体蛋白质 结合产生蓄积中毒，所以在含葡萄糖或其他单糖的制剂 中必须作为一种重要的相关物质加以控制[47 ] 。目前，对 HMF 的安全性争议很大，但在 HMF 对人类是否具有致 癌性方面还没有充分的理论依据，大多是大鼠等动物实 验的结果。Ulbricht 等[48] 计算了大鼠口服 HMF 的半数致 死量(LD50 )为 3.1g/kg(以体质量计)。有研究称 HMF 的磺
化作用对实验鼠有致突变和致癌性[4 9- 50 ] 。欧盟食品安全 委员会食品添加剂、香料、加工助剂及食品接触材料 科学小组以修正理论加权最大日摄入量(modified theoretical added maximum daily intake，mTAMDI)法为基础进 行研究，认为每人每天摄入的 H M F 的上限为 1.6mg， 远高于联合食品添加剂专家委员会(Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives， JECFA)在 1996 年通过大量 急性和亚急性动物毒理实验所得到的每人每天 540μg 的 标准[51-52]。Zhang Xueming 等[53]报道了大鼠结肠小囊异常 生长的 HMF 剂量，为口服单剂量 0～300mg/kg(以体质量 计)。 Surh等[54]认为小鼠经过局部摄入10～25 mol的HMF μ 后，可以诱导皮肤乳头状瘤。另外，Schoental 等[ 55 ] 报 道了在大鼠皮下注入 200mg/kg 以体质量计 HMF 后，其 肾脏脂肪瘤样肿瘤的发展。 目前还不清楚 H M F 对人体是否有潜在的健康风 险。Janzowski 等[50] 认为 HMF 不会对健康产生影响，即 使在特定食品中 HM F 含量较高，也在细胞系统中的生 物效应浓度范围之内。赵玲等[56 ] 建立脑缺血再灌注小鼠 模型，以 Morris 水迷宫和跳台实验观测小鼠学习记忆能 力，研究结果表明，HMF 口服给药可改善脑缺血再灌注 小鼠的学习记忆障碍，其机制可能与恢复脑组织清除自由 基的酶活力抗自由基损伤有关。傅紫琴等[57] 提出 HMF 可 能会被作为中药中一个新的活性成分加以研究，并认为 它对阐明中药的作用有着重要意义。 4 结 语
目前糠醛和 HMF 含量的检测方法仅限于紫外分光 光度法和高效液相色谱法，食品中可检测到的糠醛的含 量可以达到几百毫克每千克，而 HM F 的含量则相对较 低，一般不超过几十毫克每千克。糠醛在我国是作为 一 种 食 品 添 加 剂 使 用 的 ，大 鼠 经 口 的 半 数 致 死 量 为 65mg/kg。而 HMF 则被看作是一种潜在的影响健康的化 合物，对眼睛、上呼吸道、皮肤和黏膜等有刺激性， 对肿瘤的恶化也有一定的诱导作用，但是目前对 HM F 的致病机制仅限于动物实验，并没有成熟的理论解释。 同时，有研究报道 HM F 具有一定的药理作用，如抗心 肌缺血、抗氧化等[57 ] 。糖类与人体健康有极其密切的关 系，在糖类食品中一般都含有糠醛和 H M F。因此，探 明糠醛和 HM F 的产生机理及在人体内的作用机制，对 人体健康具有重要的意义。 对糠醛和 H MF 的研究可以从以下两个方面考虑： 对糠醛和 HM F 的产生机理研究应从复杂的食品体系着 手，重点探讨影响糠醛和 HM F 生成量的因素(如温度、 时间、压力等) ，调控反应进程，而不仅仅是从单一的 糖体系角度去考虑；需要对糠醛和 HMF 进行更深入的 风险评估，研究高糠醛和 HM F 摄入的饮食与癌症、心 血管疾病等疾病的关系。
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