菊芋中5-羟甲基糠醛形成动力学分析

杨庆丽，张正海，魏连会，李国巍，姬妍茹

黑龙江省科学院大庆分院（大庆 163319）

5-羟甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，5-HMF），也称5-羟甲基-2-呋喃甲醛，是富含碳水化合物的食品在热加工过程通过美拉德反应和焦糖化反应产生的[1]。果糖是最主要的底物之一，可直接脱水生成[2]。因此，干果、焦糖糖果、咖啡等食品中5-羟甲基糠醛含量非常高[3]。对于5-羟甲基糠醛的安全性问题仍存在许多争议，国际果汁生产商联合会（International Federation of Fruit Juice Producers，IFFJP）规定：果汁中5-羟甲基糠醛的含量不应超过5 mg/L，或者质量浓度不超过25 mg/kg[4]。因此，食品加工中5-羟甲基糠醛生成及调控的相关研究逐渐成为热点。

黑菊芋是以菊芋为原料，自主研发的一种新型食品。菊芋中菊糖含量非常高，经热加工后5-羟甲基糠醛含量显著上升。针对这种情况，对不同温度下菊芋中果糖、菊糖及5-羟甲基糠醛变化规律进行分析，并探讨5-羟甲基糠醛的生成动力学。试验旨在为含糖食品加工中5-羟甲基糠醛的形成及调控相关研究提供新的理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

白皮菊芋（黑龙江省科学院大庆分院基地种植）；甲醇（色谱纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；5-HMF标准品（北京中科仪友化工技术研究院）；菊糖（上海蓝季科技发展有限公司）；DNS（自配）；其他试剂均为国产分析纯。

Master-D UF实验室超纯水系统（上海和泰仪器有限公司）；LC-15C高效液相色谱（日本岛津）；CT15RT台式高速冷冻离心机（上海天美科学仪器有限公司）；菊芋加工设备（黑龙江省科学院大庆分院自制）；ME104E万分之一电子分析天平（梅特勒）；HH-1数显恒温水浴锅（金坛市盛蓝仪器有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 菊芋加工及采样

新鲜菊芋洗净控干表面水分后，装入耐高温塑料袋中，每袋200 g，密封后放入黑菊芋加工仪器中进行加工。分别采用93，78，70和63 ℃单一温度程序加工15 d，每隔1 d采样。

1.2.2 果糖含量分析

根据GB 5009.8—2016《食品安全国家标准 食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖的测定》规定的方法检测。

1.2.3 菊糖含量分析

粗糖提取及分析方法见文献[5]。菊糖含量按式（1）计算。

式中：W1为总糖含量，mg/g，W0为还原糖含量，mg/g。

1.2.4 菊芋中5-羟甲基糠醛提取及分析

取1 g菊芋充分研磨后，加入8倍体积30%甲醇溶液混匀，在40 ℃条件下提取5 h，冷却后用30%甲醇溶液定容至20 mL。经中速定量滤纸过滤取中段，经0.22 μm膜过滤，供HPLC上样。液相条件根据NY/T 1332—2007中规定[6]。以5-HMF标准品为横坐标，以峰面积为纵坐标绘制标准曲线，y=9 360.4x-7 035.7，R2=0.999 4。

1.3 5-羟甲基糠醛生成动力学

5-羟甲基糠醛生成动力学，以动力学模型公式进行分析，结合根平均方差（rRMSE）、回归系数（R2）、精确因子（Accuracy factor，Af）、偏差因子（Bias factor，Bf）、平均偏差平方和（rSS）进行动力学评价[7]。

1.4 数据处理

采用Excel 2007做图，Graphpad Prism 5进行差异显著性分析。P＜0.05为显著性差异；P＞0.05为差异不显著。

2 结果与分析

2.1 菊芋加工中果糖含量变化

果糖是5-羟甲基糠醛生成的最主要底物之一，可以通过脱去三分子水的形式生成。由图1可见，菊芋在93，78，70和63 ℃温度下加工，果糖初始含量分别为23.4，23.2，21.7和23.1 mg/g，加工15 d后含量显著增加，分别为58.6，58.1，35.85和31.6 mg/g（P＜0.05）。浓度的增加并不呈持续上升，而是先有一个下降过程，最低点分别出现3，6，9和10 d，这是菊芋自身果糖消耗的过程；菊芋本身果糖含量不高，随加工时间延长，含量出现上升趋势，这是因为反应体系中其他糖发生与果糖之间的转化。研究表明葡萄糖生成5-羟甲基糠醛，需先化为果糖之后再脱水生成[8]，水热条件能够促进葡萄糖向果糖的转化[9]，另外，在适宜条件下，菊糖也可以转化为果糖[10]。

图1 菊芋加工中果糖含量变化

2.2 菊芋加工中菊糖含量变化

菊糖又称菊粉，在自然界中广泛存在，雪莲果块茎、婆罗门参、菊芋、菊苣等植物中含量丰富[11]；其中菊芋干重含量可达60%以上。由图2可见，菊芋在93，78，70和63 ℃温度下加工15 d，菊糖含量均显著降低（P＜0.05），分别由448.94，449.12，447.68和450.07 mg/g降至224.05，232.84，269.46和277.48 mg/g。菊糖是一种果聚糖，可以像淀粉一样储存能量，当有机体需要能量时，大分子菊糖可降解为小分子糖，从而释放能量[12]。之后小分子糖如葡萄糖和果糖再转化为5-羟甲基糠醛等其他产物，这是菊芋中菊糖含量降低的原因。

图2 菊芋加工中菊糖含量变化

2.3 菊芋加工中5-羟甲基糠醛含量变化

5-羟甲基糠醛的生成是一个十分复杂的过程，在食品中主要通过美拉德反应和焦糖化反应生成[13]。由图3可见，菊芋中5-羟甲基糠醛的含量随着加热时间的延长而快速积累。在93，78，70和63 ℃温度加工15 d，5-羟甲基糠醛含量由初始的32.56，34.15，37.90和36.01 mg/100 g分别升高至324.99，308.86，308.64和308.24 mg/100 g（P＜0.05）。这是由于菊芋中的果糖、菊糖、葡萄糖等经水解、脱水等反应后生成5-羟甲基糠醛[14]。有研究表明，温度和加热时间是影响5-羟甲基糠醛形成的2个重要因素，升高温度或者延长加热时间都会明显增加5-羟甲基糠醛的形成[15]。

图3 菊芋加工中5-羟甲基糠醛含量变化

2.4 菊糖中5-羟甲基糠醛的形成动力学

由表1可见，在93，78，70和63 ℃条件下加工菊芋，5-HMF的生成符合零级动力学模型，其生成量与温度和时间有直接相关。孙颖等[16]的研究结果表明，在糖-酶解体系中，加热温度90～110 ℃、加热时间0～6 h条件下，5-羟甲基糠醛的生成量符合零级动力学模型；总生成速度随温度下降而略有降低（P＞0.05），93 ℃和63 ℃分别为20.89和17.74 mg/（100 g·d）。R2＞0.95；rRMSE在24.33～27.05之间，Af在1.2～1.5之间，rSS值介于5～12之间，结果表明各拟合公式均有较好的拟合度。实际生产中可根据拟合公式对5-羟甲基糠醛生成量进行预测。另外，不同温度下偏差因子Bf均小于1，表明实测值小于预测值，可将预测值适当降低以期缩小与实测值的差距。

表1 菊芋加工中5-羟甲基糠醛生成动力学

3 结论

在93，78，70和63 ℃的不同温度下加工菊芋，随着时间加长，果糖含量先降后升，菊糖显著降低，5-HMF显著升高（P＜0.05）。5-HMF生成符合零级动力学模型；R2均在0.95以上，结合Af、rSS及rRMSE表明公式拟合度均较好；偏差因子Bf均小于1，实际操作中，5-HMF生成量可以根据拟合公式进行预测，但是应根据Bf值对预测值进行适当调低，以缩小与实测值的差距。