菊芋中5-羥甲基糠醛形成動力學(xué)分析

楊慶麗，張正海，魏連會，李國巍，姬妍茹

黑龍江省科學(xué)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(yīng)和焦糖化反應(yīng)產(chǎn)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(chǎn)商聯(lián)合會（International Federation of Fruit Juice Producers，IFFJP）規(guī)定：果汁中5-羥甲基糠醛的含量不應(yīng)超過5 mg/L，或者質(zhì)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(diào)控的相關(guān)研究逐漸成為熱點(diǎn)。

黑菊芋是以菊芋為原料，自主研發(fā)的一種新型食品。菊芋中菊糖含量非常高，經(jīng)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(guī)律進(jìn)行分析，并探討5-羥甲基糠醛的生成動力學(xué)。試驗旨在為含糖食品加工中5-羥甲基糠醛的形成及調(diào)控相關(guān)研究提供新的理論基礎(chǔ)。

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(xué)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(biāo)準(zhǔn)品（北京中科儀友化工技術(shù)研究院）；菊糖（上海藍(lán)季科技發(fā)展有限公司）；DNS（自配）；其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

Master-D UF實驗室超純水系統(tǒng)（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(jī)（上海天美科學(xué)儀器有限公司）；菊芋加工設(shè)備（黑龍江省科學(xué)院大慶分院自制）；ME104E萬分之一電子分析天平（梅特勒）；HH-1數(shù)顯恒溫水浴鍋（金壇市盛藍(lán)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(jìn)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(jù)GB 5009.8—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、乳糖的測定》規(guī)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(xiàn)[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(jīng)中速定量濾紙過濾取中段，經(jīng)0.22 μm膜過濾，供HPLC上樣。液相條件根據(jù)NY/T 1332—2007中規(guī)定[6]。以5-HMF標(biāo)準(zhǔn)品為橫坐標(biāo)，以峰面積為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)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(xué)

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

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007做圖，Graphpad Prism 5進(jìn)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(jié)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(xù)上升，而是先有一個下降過程，最低點(diǎn)分別出現(xiàn)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(xiàn)上升趨勢，這是因為反應(yīng)體系中其他糖發(fā)生與果糖之間的轉(zhuǎn)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(jìn)葡萄糖向果糖的轉(zhuǎn)化[9]，另外，在適宜條件下，菊糖也可以轉(zhuǎn)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(dá)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(dāng)有機(jī)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(zhuǎn)化為5-羥甲基糠醛等其他產(chǎn)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(fù)雜的過程，在食品中主要通過美拉德反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)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(jīng)水解、脫水等反應(yīng)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(xué)

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(xué)模型，其生成量與溫度和時間有直接相關(guān)。孫穎等[16]的研究結(jié)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(xué)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(jié)果表明各擬合公式均有較好的擬合度。實際生產(chǎn)中可根據(jù)擬合公式對5-羥甲基糠醛生成量進(jìn)行預(yù)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(yù)測值，可將預(yù)測值適當(dāng)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(xué)

3 結(jié)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(xué)模型；R2均在0.95以上，結(jié)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(jù)擬合公式進(jìn)行預(yù)測，但是應(yīng)根據(jù)Bf值對預(yù)測值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)低，以縮小與實測值的差距。