菊芋中5-羥甲基糠醛形成動力學分析

楊慶麗，張正海，魏連會，李國巍，姬妍茹

黑龍江省科學院大慶分院（大慶 163319）

5-羥甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，5-HMF），也稱5-羥甲基-2-呋喃甲醛，是富含碳水化合物的食品在熱加工過程通過美拉德反應和焦糖化反應產生的[1]。果糖是最主要的底物之一，可直接脫水生成[2]。因此，干果、焦糖糖果、咖啡等食品中5-羥甲基糠醛含量非常高[3]。對于5-羥甲基糠醛的安全性問題仍存在許多爭議，國際果汁生產商聯合會（International Federation of Fruit Juice Producers，IFFJP）規定：果汁中5-羥甲基糠醛的含量不應超過5 mg/L，或者質量濃度不超過25 mg/kg[4]。因此，食品加工中5-羥甲基糠醛生成及調控的相關研究逐漸成為熱點。

黑菊芋是以菊芋為原料，自主研發的一種新型食品。菊芋中菊糖含量非常高，經熱加工后5-羥甲基糠醛含量顯著上升。針對這種情況，對不同溫度下菊芋中果糖、菊糖及5-羥甲基糠醛變化規律進行分析，并探討5-羥甲基糠醛的生成動力學。試驗旨在為含糖食品加工中5-羥甲基糠醛的形成及調控相關研究提供新的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

白皮菊芋（黑龍江省科學院大慶分院基地種植）；甲醇（色譜純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；5-HMF標準品（北京中科儀友化工技術研究院）；菊糖（上海藍季科技發展有限公司）；DNS（自配）；其他試劑均為國產分析純。

Master-D UF實驗室超純水系統（上海和泰儀器有限公司）；LC-15C高效液相色譜（日本島津）；CT15RT臺式高速冷凍離心機（上海天美科學儀器有限公司）；菊芋加工設備（黑龍江省科學院大慶分院自制）；ME104E萬分之一電子分析天平（梅特勒）；HH-1數顯恒溫水浴鍋（金壇市盛藍儀器有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 菊芋加工及采樣

新鮮菊芋洗凈控干表面水分后，裝入耐高溫塑料袋中，每袋200 g，密封后放入黑菊芋加工儀器中進行加工。分別采用93，78，70和63 ℃單一溫度程序加工15 d，每隔1 d采樣。

1.2.2 果糖含量分析

根據GB 5009.8—2016《食品安全國家標準 食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、乳糖的測定》規定的方法檢測。

1.2.3 菊糖含量分析

粗糖提取及分析方法見文獻[5]。菊糖含量按式（1）計算。

式中：W1為總糖含量，mg/g，W0為還原糖含量，mg/g。

1.2.4 菊芋中5-羥甲基糠醛提取及分析

取1 g菊芋充分研磨后，加入8倍體積30%甲醇溶液混勻，在40 ℃條件下提取5 h，冷卻后用30%甲醇溶液定容至20 mL。經中速定量濾紙過濾取中段，經0.22 μm膜過濾，供HPLC上樣。液相條件根據NY/T 1332—2007中規定[6]。以5-HMF標準品為橫坐標，以峰面積為縱坐標繪制標準曲線，y=9 360.4x-7 035.7，R2=0.999 4。

1.3 5-羥甲基糠醛生成動力學

5-羥甲基糠醛生成動力學，以動力學模型公式進行分析，結合根平均方差（rRMSE）、回歸系數（R2）、精確因子（Accuracy factor，Af）、偏差因子（Bias factor，Bf）、平均偏差平方和（rSS）進行動力學評價[7]。

1.4 數據處理

采用Excel 2007做圖，Graphpad Prism 5進行差異顯著性分析。P＜0.05為顯著性差異；P＞0.05為差異不顯著。

2 結果與分析

2.1 菊芋加工中果糖含量變化

果糖是5-羥甲基糠醛生成的最主要底物之一，可以通過脫去三分子水的形式生成。由圖1可見，菊芋在93，78，70和63 ℃溫度下加工，果糖初始含量分別為23.4，23.2，21.7和23.1 mg/g，加工15 d后含量顯著增加，分別為58.6，58.1，35.85和31.6 mg/g（P＜0.05）。濃度的增加并不呈持續上升，而是先有一個下降過程，最低點分別出現3，6，9和10 d，這是菊芋自身果糖消耗的過程；菊芋本身果糖含量不高，隨加工時間延長，含量出現上升趨勢，這是因為反應體系中其他糖發生與果糖之間的轉化。研究表明葡萄糖生成5-羥甲基糠醛，需先化為果糖之后再脫水生成[8]，水熱條件能夠促進葡萄糖向果糖的轉化[9]，另外，在適宜條件下，菊糖也可以轉化為果糖[10]。

圖1 菊芋加工中果糖含量變化

2.2 菊芋加工中菊糖含量變化

菊糖又稱菊粉，在自然界中廣泛存在，雪蓮果塊莖、婆羅門參、菊芋、菊苣等植物中含量豐富[11]；其中菊芋干重含量可達60%以上。由圖2可見，菊芋在93，78，70和63 ℃溫度下加工15 d，菊糖含量均顯著降低（P＜0.05），分別由448.94，449.12，447.68和450.07 mg/g降至224.05，232.84，269.46和277.48 mg/g。菊糖是一種果聚糖，可以像淀粉一樣儲存能量，當有機體需要能量時，大分子菊糖可降解為小分子糖，從而釋放能量[12]。之后小分子糖如葡萄糖和果糖再轉化為5-羥甲基糠醛等其他產物，這是菊芋中菊糖含量降低的原因。

圖2 菊芋加工中菊糖含量變化

2.3 菊芋加工中5-羥甲基糠醛含量變化

5-羥甲基糠醛的生成是一個十分復雜的過程，在食品中主要通過美拉德反應和焦糖化反應生成[13]。由圖3可見，菊芋中5-羥甲基糠醛的含量隨著加熱時間的延長而快速積累。在93，78，70和63 ℃溫度加工15 d，5-羥甲基糠醛含量由初始的32.56，34.15，37.90和36.01 mg/100 g分別升高至324.99，308.86，308.64和308.24 mg/100 g（P＜0.05）。這是由于菊芋中的果糖、菊糖、葡萄糖等經水解、脫水等反應后生成5-羥甲基糠醛[14]。有研究表明，溫度和加熱時間是影響5-羥甲基糠醛形成的2個重要因素，升高溫度或者延長加熱時間都會明顯增加5-羥甲基糠醛的形成[15]。

圖3 菊芋加工中5-羥甲基糠醛含量變化

2.4 菊糖中5-羥甲基糠醛的形成動力學

由表1可見，在93，78，70和63 ℃條件下加工菊芋，5-HMF的生成符合零級動力學模型，其生成量與溫度和時間有直接相關。孫穎等[16]的研究結果表明，在糖-酶解體系中，加熱溫度90～110 ℃、加熱時間0～6 h條件下，5-羥甲基糠醛的生成量符合零級動力學模型；總生成速度隨溫度下降而略有降低（P＞0.05），93 ℃和63 ℃分別為20.89和17.74 mg/（100 g·d）。R2＞0.95；rRMSE在24.33～27.05之間，Af在1.2～1.5之間，rSS值介于5～12之間，結果表明各擬合公式均有較好的擬合度。實際生產中可根據擬合公式對5-羥甲基糠醛生成量進行預測。另外，不同溫度下偏差因子Bf均小于1，表明實測值小于預測值，可將預測值適當降低以期縮小與實測值的差距。

表1 菊芋加工中5-羥甲基糠醛生成動力學

3 結論

在93，78，70和63 ℃的不同溫度下加工菊芋，隨著時間加長，果糖含量先降后升，菊糖顯著降低，5-HMF顯著升高（P＜0.05）。5-HMF生成符合零級動力學模型；R2均在0.95以上，結合Af、rSS及rRMSE表明公式擬合度均較好；偏差因子Bf均小于1，實際操作中，5-HMF生成量可以根據擬合公式進行預測，但是應根據Bf值對預測值進行適當調低，以縮小與實測值的差距。