楊慶麗，張旭，石杰，董艷，張正海，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）又稱羥甲基糠醛、5-羥甲基-2-呋喃糠醛等，是葡萄糖，果糖等單糖化合物在高溫或弱酸等條件下脫水產(chǎn)生的醛類化合物，其穩(wěn)定性不高，對(duì)空氣和光敏感性高，需要在低溫下保存[1-2]。5-HMF是美拉德反應(yīng)終產(chǎn)物類黑精形成的中間體，廣泛存在于蜂蜜、果汁、醋、乳制品、餅干和咖啡等烘焙食品中，尤其是碳水化合物含量豐富的食品[3]。目前，對(duì)于5-HMF仍有許多爭(zhēng)議，其安全性引起了人們的關(guān)注。

菊芋（Jerusalem artichoke）又名洋姜、鬼子姜，菊科向日葵屬，多年生草本植物。菊芋塊莖菊糖含量豐富，約占干物質(zhì)70%～90%[4]。有研究表明菊糖在加熱情況下可轉(zhuǎn)化成果糖進(jìn)而生成5-HMF[5]。黑菊芋是菊芋塊莖在變溫條件下發(fā)生美拉德反應(yīng)生成的一種新型食品。其色澤黑亮，口感香甜富有彈性，能夠滿足廣大消費(fèi)的需求，具有較好的市場(chǎng)前景。黑菊芋等熱加工食品中5-HMF的相關(guān)研究顯得尤為重要。因此，研究對(duì)黑菊芋加工及保存中5-HMF含量變化進(jìn)行分析，并與幾種常見(jiàn)的果脯及咖啡進(jìn)行比較，以期為黑菊芋的食用安全性評(píng)價(jià)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

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；黑菊芋、黑蒜，黑龍江省科學(xué)院大慶分院；嘉應(yīng)子、烏酸梅，武漢稻香春食品廠；黑咖啡，德國(guó)格蘭特；鐵氰化鉀（分析純），沈陽(yáng)市華東試劑廠；草酸、乙酸鉛等為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

Master-D UF實(shí)驗(yàn)室超純水機(jī)，上海和泰儀器有限公司；LC-15C高效液相色譜，日本島津；臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)，上海天美科學(xué)儀器有限公司；黑菊芋加工設(shè)備，黑龍江省科學(xué)院大慶分院自制；HPX-9082數(shù)顯電熱培養(yǎng)箱，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 黑菊芋中5-HMF提取方法優(yōu)化

黑菊芋充分研磨后取1 g，分別以提取溫度、料液比、提取時(shí)間、甲醇體積分?jǐn)?shù)作為考察對(duì)象。采用單因素、正交試驗(yàn)，研究最佳提取參數(shù)。提取溫度分別為25，30，35，40，45和50℃；料液比分別為1∶4，1∶5，1∶6，1∶7，1∶8和1∶9（g/mL）；時(shí)間分別為1，2，3，4，5和6 h；甲醇體積分?jǐn)?shù)分別為0（蒸餾水），10%，20%，30%，40%和50%；以5-HMF含量為指標(biāo)測(cè)定提取率。

1.3.2 5-HMF含量分析

以1.3.1中的最優(yōu)條件提取黑菊芋5-HMF后，提取液根據(jù)NY/T 1332—2007中6.1.2及6.1.3分析5-HMF含量[6]。HPLC上樣分析色譜柱為C18（250 mm×4.6 mm，5 μm），流動(dòng)相為甲醇+水（15%+85%），流速為1.0 mL/min，檢測(cè)波長(zhǎng)280 nm，柱溫室溫，進(jìn)樣量10 μL。以5-HMF標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)量為橫坐標(biāo)，以峰面積為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.3 黑菊芋加工中5-HMF含量變化

新鮮菊芋洗凈、切成厚度約1.5 cm左右的片，瀝干水分后，裝入耐高溫塑料袋中，每袋500 g，放入黑菊芋加工設(shè)備中啟動(dòng)程序開始加工。分別于程序開始的0，4，8，12，24，72，120，168，216，264，312和360 h取樣。分析不同加工時(shí)間5-HMF含量。

1.3.4 幾種常見(jiàn)食品中5-HMF含量分析

分別稱取不同保存時(shí)間黑菊芋、黑蒜、嘉應(yīng)子、烏酸梅，黑咖啡各1 g，以1.3.2中方法分析5-HMF含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007作圖，采用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 5-HMF提取條件優(yōu)化

由圖1～圖4可知，以濃度≥98%的5-HMF標(biāo)準(zhǔn)品繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，曲線方程為y=9 360.4x-7 035.7，R2= 0.999 4，隨提取溫度的升高，提取率顯著增加（p＜ 0.05），40℃達(dá)到最高，含量為0.913 8 mg/g，之后保持穩(wěn)中有降趨勢(shì)（p＞0.05）。這可能是由于溫度的升高促進(jìn)了5-HMF在溶劑中的擴(kuò)散速度，但是當(dāng)達(dá)到一定閾值時(shí)則不再升高。因此選擇35，40和45℃三個(gè)水平進(jìn)行下一步正交試驗(yàn)。料液比單因素試驗(yàn)中，當(dāng)料液比為1∶8（g/mL）時(shí)，提取率顯著高于其他幾組（p＜ 0.05），因此選擇料液比1∶7，1∶8和1∶9（g/mL）三個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)。隨提取時(shí)間增加，類黑精提取率逐漸升高，4 h之后基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。因此選擇3，4和5 h三個(gè)水平進(jìn)行下一步正交試驗(yàn)。

圖1 5-HMF標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖2 溫度單因素試驗(yàn)

圖3 料液比單因素試驗(yàn)

圖4 時(shí)間單因素試驗(yàn)

由表1可知，提取溫度、料液比，時(shí)間三個(gè)因素都會(huì)影響提取效果。因此，選取以上因素進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn)。結(jié)果由表1可見(jiàn)，三個(gè)因素中料液比＞時(shí)間＞溫度，但R值差異不大，表明三個(gè)因素對(duì)于提取率的影響度相當(dāng)。最佳條件為，A2B2C3。最優(yōu)方案在試驗(yàn)組中，結(jié)果為0.913 4 mg/g大于其他試驗(yàn)組。因此，最佳提取條件為40℃、1∶8（g/mL）、5 h。

2.2 黑菊芋加工和保存中5-HMF含量變化

由圖5可知，5-HMF的生成是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，在食品中主要通過(guò)兩個(gè)途徑，焦糖化反應(yīng)[7]和美拉德反應(yīng)[8]。這兩種應(yīng)均是以己糖為反應(yīng)底物的，若為二糖或多糖則先水解為單糖再發(fā)生反應(yīng)。菊芋中含豐富的菊糖，黑菊芋加工中通過(guò)發(fā)生上述兩種反應(yīng)能夠形成5-HMF。研究中24～264 h時(shí)5-HMF含量顯著增加（p＜0.05）與上述理論是相符的。隨著加工進(jìn)行，美拉德反應(yīng)進(jìn)入后期，5-HMF含量呈現(xiàn)穩(wěn)中略降的趨勢(shì)。這是由于生成了一種美拉德反應(yīng)終產(chǎn)物類黑精。5-HMF是類黑精生成的中間產(chǎn)物[9]，在黑菊芋加工后期發(fā)生了轉(zhuǎn)化。由表2可見(jiàn)，隨保存時(shí)間加長(zhǎng)，黑菊芋中有5-HMF含量顯著降低（p＜0.05），這是由于5-HMF自身穩(wěn)定性不好，可發(fā)生聚合反應(yīng)或分解為乙酰丙酸和甲酸[10]。這些原因很好的解釋了5-HMF在加工和保存中的變化趨勢(shì)。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖5 黑菊芋加工中5-HMF含量變化

表2 不同保存時(shí)間黑菊芋中5-HMF含量變化

2.3 幾種常見(jiàn)食品中5-HMF含量分析

5-HMF是一種呋喃類化合物，菊芋中含有的大量菊糖能夠?yàn)?-HMF的生成提供物質(zhì)基礎(chǔ)。目前對(duì)于5-HMF的安全性仍存在爭(zhēng)議。有研究認(rèn)為，5-HMF能夠造成DNA損傷[11]，具有潛在的致癌性[12]，能與人體蛋白質(zhì)結(jié)合引起中毒，造成橫紋肌麻痹和內(nèi)臟損害[13]。有學(xué)者則認(rèn)為5-HMF并不存在嚴(yán)重的健康危險(xiǎn)，Janzowski等[14]的研究，5-HMF雖然能夠使正常細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽活性受到一定影響，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到給人體帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p害的程度。近年來(lái)的藥理研究表明：5-HMF具有增強(qiáng)大鼠紅細(xì)胞變形活性、抗氧化、改變血液流變，保護(hù)神經(jīng)遠(yuǎn)等對(duì)人體有益的作用，作為有效成分制備抗心肌缺血的心血管病藥品，已被中國(guó)藥科大學(xué)作為專利進(jìn)行申請(qǐng)[15]。研究分析了同種不同食品中5-HMF含量結(jié)果見(jiàn)表3，其中黑咖啡含量為4.949 4 mg/g顯著高于保存0～18個(gè)月黑菊芋（p＜0.05），嘉應(yīng)子與烏酸梅含量分別為0.981 9及0.803 8 mg/g與保存6個(gè)月黑菊芋相當(dāng)。黑蒜含量介于保存0～3個(gè)月黑菊芋之間。這一結(jié)果能夠?yàn)楹诰沼笫秤冒踩蕴峁┳糇C。另外，食用量方面，Abraham等[16]通過(guò)各種動(dòng)物試驗(yàn)證明了5-HMF每天攝入量在80～100 mg/kg體質(zhì)量范圍內(nèi)無(wú)不利影響，成人體質(zhì)量按照60 kg計(jì)算，每天攝入量為4 800～6 000 mg的5-HMF不會(huì)對(duì)身體產(chǎn)生不利影響。折合后相當(dāng)于7 433 g存放18個(gè)月的黑菊芋和5 302 g存放6個(gè)月黑菊芋中的5-HMF含量。而建議的黑菊芋食用量為成年人每天食用30～50 g。因此其食用安全性可以保證。3 結(jié)論

表3 不同食品中5-HMF含量分析

正交試驗(yàn)確定黑菊芋5-HMF最佳提取條件為；40℃、料液比1∶8（g/mL）、提取時(shí)間5 h。黑菊芋加工過(guò)程中，菊芋中菊糖發(fā)生了美拉德反應(yīng)，5-HMF含量呈先顯著升高后穩(wěn)中有降趨勢(shì)，這是由于反應(yīng)后期5-HMF轉(zhuǎn)化成了黑菊芋的呈色物質(zhì)類黑精。5-HMF性質(zhì)不穩(wěn)定，隨保存時(shí)間加長(zhǎng)含量逐漸降低。各保存時(shí)間含量均顯著低于黑咖啡。保存6個(gè)月后黑菊芋與嘉應(yīng)子及烏酸梅等常見(jiàn)果脯含量相當(dāng)。黑菊芋具有食用安全性，對(duì)人體不存在嚴(yán)重的健康威脅。