食品中几种营养成分对葡萄糖、半乳糖模型产生呋喃的影响

刘 倩，　申明月，　张雅楠，　聂少平， 谢明勇

（食品科学与技术国家重点实验室，南昌大学，江西 南昌 330047）

呋喃（C4H4O）是一种无色、低沸点（31.4℃）的小分子杂环化合物，具有高度挥发性与亲脂性[1]。1995年，美国国家毒理学计划（NTP）[2]对呋喃毒性进行研究，将含有呋喃的玉米油采用灌胃法灌给大鼠和小鼠，结果表明，呋喃能导致大鼠和小鼠肝脏和肾脏的有毒病变，其严重程度与剂量成正比。自1995年国际癌症研究机构（IARC）将呋喃归类为可能使人类致癌物质的2B组[3-4]后，呋喃作为一种热加工食品中的潜在危害物已经开始受到广泛的关注。2004年起，美国FDA相继多次发布了食品中呋喃含量的数据[5]，在许多经过热加工处理的食品中检出了污染物呋喃，且含量最高的大都是灌装食品。黄军根等[6-7]针对我国市售的11大类热加工食品中的呋喃情况作出调查，发现检出率达到95.5%，呋喃检出质量分数在<1～210.7 ng/g之间，其中咖啡、大豆酱油和醋中含有较高浓度的呋喃。

从前人的大量研究中我们可以总结得出[8-11]，热加工食品中呋喃的形成途径主要有以下几种：氨基酸、碳水化合物的热降解，糖和氨基酸之间的美拉德反应以及抗坏血酸、多不饱和脂肪酸和类胡萝卜素的热氧化作用。Maga[12]的研究发现，葡萄糖、乳糖、果糖等碳水化合物的热降解其实是食品中呋喃的主要来源，也就是说碳水化合物应该是食品中产生呋喃的最主要的前体物质。在缺乏氨基酸的情况下对糖进行加热时，呋喃主要是由完整的糖骨架形成。甲酸和乙酸被确定为糖降解过程中的副产品，这就说明了己糖在C1和/或C2处发生了裂解。Perez和Yaylayan[8]通过相应的研究发现，碳水化合物可通过4种途径降解为丁醛糖衍生物，而后，丁醛糖衍生物通过环化作用形成呋喃。

现今国内外的研究学者对影响糖类、抗坏血酸、氨基酸等前体物质生成呋喃的因素研究主要集中在温度、加热时间、pH等方面，并已取得一定的研究成果[13-16]，而关于探讨一些食品中常见的营养成分的添加对碳水化合物模型生成呋喃量的影响等方面的研究比较少。本文作者选取了能够产生较高水平呋喃的葡萄糖和半乳糖模型，分别向其中添加不同剂量的矿物元素、不饱和脂肪酸和抗坏血酸，研究热加工条件下葡萄糖和半乳糖模型呋喃产生的影响因子，揭示各组分之间对呋喃生成的影响。通过探索各营养组分与呋喃生成途径之间的潜在联系，以期能优化实际食品体系的生产加工工艺，并为抑制呋喃的产生提供理论参考和技术支持。

1　材料与方法

1.1　材料与试剂

D-葡萄糖（GC，≥99%）、半乳糖（HPLC，≥99%），美国Sigma公司产品；氯化铁、硫酸锌、硫酸镁（分析纯），西陇化工股份有限公司产品；L-抗坏血酸（质量分数≥99%）、亚油酸（GC，＞99%）、亚麻酸（GC，＞99%）、呋喃（GC，＞99%）、D4-呋喃（GC，＞99%），美国Sigma-Aldrich公司产品；甲醇（色谱纯），美国Merck公司产品；磷酸二氢钠、磷酸氢二钠 （分析纯），上海永大试剂有限公司产品。

1.2　仪器与设备

Agilent G1888A自动顶空进样器、Agilent 7890A-7000B气相色谱-质谱联用仪，Agilent公司产品；20 mL螺口透明圆底顶空瓶、HP-PLOT/Q石英毛细管色谱柱 （30 m×0.32 mm×20 μm）， 美国Agilent公司产品；Milli-Q Gradient超纯水器，美国Millipore公司产品；梅特勒精密pH计，瑞士梅特勒-托利多公司产品；恒温磁力式搅拌器 （DF101-S），晓阳电子仪器厂制造。

1.3　实验方法

1.3.1营养物质溶液的配制

1）矿物元素溶液的配制：用50 g/L的磷酸二氢钠和磷酸氢二钠溶液配制成pH为7.0的磷酸缓冲溶液。准确称取5 g氯化铁于50 mL的容量瓶中，用磷酸盐缓冲溶液定容至刻度线，摇匀，得到质量浓度为100 mg/mL的氯化铁溶液。

硫酸锌、硫酸镁配制方法同上。

2）不饱和脂肪酸溶液的配制：准确称取2.5 g亚油酸于50 mL的容量瓶中，用磷酸盐缓冲溶液定容至刻度线，摇匀，得到质量浓度为50 mg/mL的亚油酸溶液。

亚麻酸溶液的配制方法同上。

3）抗坏血酸溶液的配制：准确称取5 g抗坏血酸于50 mL的容量瓶中，用磷酸盐缓冲溶液定容至刻度线，摇匀，得到质量浓度为100 mg/mL的抗坏血酸溶液。

1.3.2葡萄糖和半乳糖模型溶液的配制准确称取9 g葡萄糖于250 mL的容量瓶中，用pH 7.0的磷酸缓冲溶液定容至刻度线，摇匀，则得到质量浓度为36 mg/mL的葡萄糖模型溶液。

半乳糖模型溶液的配制方法同上。

1.3.3呋喃和D4-呋喃标准溶液的配制用注射器吸取50 μL（约50 mg）呋喃和D4-呋喃，分别加入装有20 mL甲醇的20 mL顶空进样瓶中，配成质量浓度约为2.5 mg/mL的储备液，然后逐步稀释至2.5 μg/mL。

1.3.4各营养成分对葡萄糖、半乳糖模型产生呋喃的影响

1）矿物元素对葡萄糖和半乳糖模型产生呋喃的影响：准确吸取5 mL的葡萄糖模型溶液于顶空瓶中，分别加入 0、10、20 、50、100、500 μL 质量浓度为100 mg/mL的矿物元素溶液。在121℃下油浴30 min，立即取出于冰水浴中冷却，终止反应，然后加入40 μL质量浓度为2.5 μg/mL的D4-呋喃内标溶液，快速封好顶空瓶口，采用HS-GC-MS方法分析测定呋喃生成量。

半乳糖模型同上。

2）不饱和脂肪酸对葡萄糖和半乳糖模型产生呋喃的影响：准确吸取葡萄糖模型溶液2 mL于顶空瓶中， 分别加入 0、20、40 、100、200 μL 的不饱和脂肪酸溶液于顶空瓶中。121℃下油浴30 min，立即取出，冰水浴冷却，加入40 μL的2.5 μg/mL的D4-呋喃内标液，快速封好顶空瓶口，采用HS-GC-MS方法分析测定呋喃生成量。

半乳糖模型同上。

3）抗坏血酸对葡萄糖和半乳糖模型产生呋喃的影响：准确吸取葡萄糖模型溶液2 mL于顶空瓶中，分别加入 0、10、20、50、100、500 μL 的抗坏血酸模型溶液于顶空瓶中。121℃下油浴30 min，立即取出，冰水浴冷却，加入 40 μL的 2.5 μg/mL的 D4-呋喃内标液，快速封好顶空瓶口，采用HS-GC-MS方法分析测定呋喃生成量。

半乳糖模型同上。

1.3.5顶空气相色谱-质谱法检测条件顶空条件：顶空平衡温度70℃，样品瓶低速振摇；样品瓶加热平衡时间30 min；样品瓶压力约为10 psi，瓶加压时间 0.5 min；定量环填充时间 0.5 min，定量环平衡时间0.5 min，进样时间 1 min，循环时间35 min，定量环温度110℃，传输线温度130℃。

色谱条件：HP-PLOT Q石英毛细管色谱柱（30 m×0.32 mm×20 μm），载气为高纯 He（＞99.999%），流速为1 mL/min；升温程序：柱初温50℃，保持1 min，以10℃/min升至200℃，保持10 min。进样口温度：200 ℃；分流进样，分流比为 3∶1。

MS条件：传输线温度250℃，离子源温度230℃，四级杆温度150℃；电子轰击（EI）离子源；电子能量70 eV；溶剂延迟8 min；扫描方式：采用选择性离子监测方式（SIM扫描），检测呋喃分子离子质荷比m/z=68和碎片离子m/z=39，D4-呋喃分子离子质荷比m/z=72和碎片离子m/z=42。

1.3.6数据分析每一个实验条件至少设计3个平行样，取其平均值进行绘图分析。数据通过SPSS 9.0软件进行统计学分析处理，使用Duncan检验分析其显著性（p＜0.05，n=3）。

2　结果与分析

2.1　矿物元素对葡萄糖和半乳糖模型产生呋喃的影响

2.1.1铁元素对葡萄糖和半乳糖模型产生呋喃的影响添加不同质量的矿物元素铁对葡萄糖、半乳糖模型生成呋喃的影响见图1。由图1可知，随着铁元素的质量从0 mg增长到50 mg，葡萄糖和半乳糖模型产生呋喃的质量浓度都高于未添加铁时产生的量。具体来说，添加了50 mg铁元素，葡萄糖模型产生呋喃的质量浓度提高了17倍，半乳糖模型产生呋喃的质量浓度提高了50倍。由此可见，铁元素对葡萄糖、半乳糖产生呋喃有明显的促进作用，并且在高质量时，促进作用较为显著（p＜0.05）。根据Perez和Yaylayan[8]的研究可知，葡萄糖和半乳糖热降解为丁醛糖衍生物，丁醛糖衍生物通过环化作用进而形成呋喃，由于铁的加入，促进了环化作用的发生，从而促进了呋喃的生成。铁作为一种过渡金属试剂经常用来催化有机化学反应，近年来，文献报道的铁元素参与的有机化学反应类型有很多，如氧化反应、还原反应、取代反应、加成反应及环化反应等[17]。2006年，Carballo等人[18]报道了用三价铁的卤化物作为催化剂，能高效促进环化反应。Guo等[19]报道了用FeCl3来催化苯酚与苯甲酰乙酸乙酯的环化反应，用于合成苯并呋喃类化合物。

图1　铁元素对葡萄糖和半乳糖模型生成呋喃的影响Fig.1　Effect of iron on furan formation from glucose and galactose model system

2.1.2锌元素对葡萄糖和半乳糖模型产生呋喃的影响添加不同质量的矿物元素锌对葡萄糖和半乳糖模型生成呋喃的影响见图2。由图2可知，随着锌元素的质量从1 mg增长到50 mg，葡萄糖和半乳糖模型产生呋喃的质量浓度都是呈下降的趋势。但是锌质量≥10 mg，葡萄糖模型产生呋喃质量浓度才显著（p＜0.05）低于未添加锌的葡萄糖模型，锌质量≥5 mg，半乳糖模型产生呋喃质量浓度才显著（p＜0.05）低于未添加锌的半乳糖模型。由此可见，高质量锌才对葡萄糖产生呋喃有抑制的作用，较高质量锌才对半乳糖产生呋喃有抑制的作用。这是由于在低质量时，Zn2+大大减少了葡萄糖和半乳糖在热降解过程中锌-糖复合物的形成，进而促进糖向呋喃的转化[20]；由于锌同样对呋喃类物质具有催化分解作用[21]，当锌质量超过一定数值时，过量的锌会导致呋喃类物质分解速率大于其生成速率，使得其总量下降，表现出抑制作用。

图2　锌元素对葡萄糖和半乳糖半乳糖生成呋喃的影响Fig.2　Effect of zinc on furan formation from glucose and galactose model system

2.1.3镁元素对葡萄糖和半乳糖模型产生呋喃的影响添加不同质量的矿物元素镁对葡萄糖和半乳糖模型生成呋喃的影响见图3。由图3可知，随着镁元素的质量从0 mg增长到50 mg，葡萄糖模型产生呋喃的质量浓度都是呈下降的趋势，5 mg和50 mg时呋喃减少的质量浓度最为显著（p＜0.05），由此可见，镁元素对葡萄糖产生呋喃都具有明显的抑制作用。随着镁元素的质量从2 mg增长到50 mg，半乳糖模型产生呋喃的质量浓度都是呈下降的趋势。但是镁质量＞10 mg，半乳糖模型产生呋喃质量浓度才开始低于未添加镁的半乳糖模型，添加质量为50 mg时，抑制作用最为显著（p＜0.05），由此可见，高质量镁才对半乳糖产生呋喃有抑制的作用。Mg2+虽然能够加速糖的降解速率，但会生成5-羟甲基糠醛、乙酰丙胺等物质[22]，使得对呋喃的选择性降低，抑制了呋喃的生成。

图3　镁元素对葡萄糖和半乳糖生成呋喃的影响Fig.3　Effect of magnesium on furan formation from glucose and galactose model system

2.2　不饱和脂肪酸对葡萄糖和半乳糖模型产生呋喃的影响

2.2.1亚油酸对葡萄糖和半乳糖模型产生呋喃的影响添加不同质量的亚油酸对葡萄糖和半乳糖模型生成呋喃的影响见图4。由图4可知，随着亚油酸的质量从0 mg增长到10 mg，葡萄糖和半乳糖模型生成呋喃的质量浓度都随之增加。具体来说，添加了10 mg亚油酸，葡萄糖模型产生呋喃质量浓度提高了138倍，半乳糖模型产生呋喃质量浓度提高了10倍。由此可见，亚油酸对葡萄糖产生呋喃具有非常明显的促进作用，对半乳糖产生呋喃也有一定的促进作用。

图4　亚油酸对葡萄糖和半乳糖生成呋喃的影响Fig.4　Effect of linoleic acid on furan formation from glucose and galactose model system

2.2.2亚麻酸对葡萄糖和半乳糖模型产生呋喃的影响添加不同质量的亚麻酸对葡萄糖和半乳糖模型生成呋喃的影响见图5。由图5可知，随着亚麻酸的质量从0 mg增长到10 mg，葡萄糖和半乳糖模型生成呋喃的质量浓度都随之增加。具体来说，添加了10 mg亚麻酸，葡萄糖模型产生呋喃质量浓度提高了110倍，半乳糖模型产生呋喃量提高了16倍。由此可见，亚麻酸对葡萄糖产生呋喃有明显的促进作用，对半乳糖产生呋喃也有一定的促进作用。

综合分析图4-图5可发现，不饱和脂肪酸对葡萄糖和半乳糖模型产生呋喃均有明显的促进作用。原因可能如下：多不饱和脂肪酸自身单独发生热氧化形成呋喃。Preze和Yaylaylan[8]提出呋喃可以由多不饱和脂肪酸降解产生的4-羟基-2-丁烯通过环化而后脱水形成。Becalski和Seaman[9]通过模拟体系研究发现，只有多不饱和脂肪酸如亚油酸、亚麻酸在加热条件下才可以生成呋喃。不饱和脂肪酸中的烯丙基对自由基链反应非常敏感，在氧的存在下能够发生自动氧化或热氧化，导致脂肪酸分子的断裂[23]。所以还有一种可能是脂质氧化的降解产物如乙醛等能与糖降解产生的乙醇醛等片段发生重组，从而促进呋喃的形成。一般来说，由于亚麻酸的不饱和度大于亚油酸，所以在单独的体系中，亚麻酸产生的呋喃量会高于亚油酸，但在二元或多元体系中，却不一定按照其规律发生，其间具体的生成机制还有待研究。

图5　亚麻酸对葡萄糖和半乳糖生成呋喃的影响Fig.5　Effect of linolenic acid on furan formation from glucose and galactose model system

2.3　抗坏血酸对葡萄糖和半乳糖模型产生呋喃的影响

添加不同质量的抗坏血酸对葡萄糖型生成呋喃的影响见图6，由图6可知，随着抗坏血酸的质量从0 mg增长到50 mg，均可促进葡萄糖模型产生呋喃，添加质量为1 mg时，就已起到比较显著 （p＜0.05）的促进效果，在10 mg左右时，其呋喃的质量浓度增加达到最大，而后才有所下降。综上所述，抗坏血酸对葡萄糖产生呋喃有促进作用。对于半乳糖模型而言，随着抗坏血酸的质量从0 mg增长到50 mg，其产生呋喃的质量浓度都低于未添加抗坏血酸产生的质量浓度，抗坏血酸添加质量为50 mg时呋喃质量浓度减少得最为显著（p＜0.05）。由此可见，抗坏血酸对半乳糖产生呋喃具有抑制作用。抗坏血酸/脱氢抗坏血酸相对于糖类等是形成呋喃最有效的前体物质，且糖和螯合剂能刺激抗坏血酸降解生成呋喃前体物质糠醛、2-呋喃甲酸[24]。尽管糖和抗坏血酸都是生成呋喃的前体物质，但二者混合后，也会引起呋喃生成量的减少，这是因为非单一系统中，会增加碎片率或改变反应体系的氧化还原状态[25]。这就有利于反应生成其他复杂化合物，从而导致呋喃质量浓度低于单一系统生成的量。

图6　抗坏血酸对葡萄糖和半乳糖生成呋喃的影响Fig.6　Effect of ascorbic acid on furan formation from glucose and galactose model system

3　结　语

本文作者选取热加工过程中能产生较高呋喃的基础葡萄糖模型和半乳糖模型，向其中逐步添加不同剂量的矿物元素（铁、锌、镁）、不饱和脂肪酸（亚油酸、亚麻酸）和抗坏血酸，采用顶空气相色谱-质谱法（HS-GC-MS）探究在121℃下油浴30 min，不同营养物质对各模型产生呋喃的影响情况。结果表明，矿物元素铁对各模型产生呋喃的质量浓度有明显的促进作用（p＜0.05），且随着铁添加质量的增多而增大。高质量锌（≥10 mg）和镁对葡萄糖模型产生呋喃有明显抑制作用（p＜0.05）；较高质量锌（≥5 mg）和高质量镁（＞10 mg）对半乳糖模型产生呋喃有抑制作用（p＜0.05）。不饱和脂肪酸（亚油酸、亚麻酸）对葡萄糖和半乳糖模型均有明显促进作用（p＜0.05）。抗坏血酸对葡萄糖模型产生呋喃具有明显促进作用，对半乳糖模型的作用相反（p＜0.05）。探索各营养组分与呋喃生成途径之间的潜在联系，以期为实际食品体系生产优化加工工艺，并为抑制呋喃的产生提供理论参考和技术支持。由于实际食品中的基质比较复杂，由单一的模型研究出的结果可能不适用与所有的市售食品，后续可需用大量的实际样品来做进一步的深入实验，以期能够探索出一套大众化的控制理论。

参考文献：

[1]MARIOTTI M S，GRANBY K，ROZOWSKI J，et al.Furan：a critical heat induced dietary contaminant[J].Food ＆ Function，2013，4（7）：1001-1015.

[2]PROGRAM N T.Toxicology and Carcinogenesis Studies of Furan （CAS No.110-00-9） in F344 Rats and B6C3F1 Mice（Gavage Studies）[J].National Toxicology Program Technical Report，1993，402：1.

[3]International Agency for Research on Cancer，WHO.IARC monographs on the evaluation of carcinogenic risks to humans[R].IARC，1995，63：393.

[4]MARCO K，ANDREAS B，INGRID R，et al.Tests for genotoxicity and mutagenicity of furan and its metabolite cis-2-butene-1，4-dial in L5178Y tk+/-mouse lymphoma cells[J].Mutation Research，2008，657（2）：127-132.

[5]US Food and Drug Administration.Exploratory data on furan in food：individual food products[EB/OL]（2004-05-07）[2015-09-17].http：//www.cfsan.fda.gov

[6]黄军根.热加工食品中呋喃检测方法及其生成的影响因素研究[D].南昌：南昌大学，2011.

[7]NIE S P，HUANG J G，ZHANG Y N，et al.Analysis of furan in heat-processed foods in China by automated head space gas chromatography-mass spectrometry（HS-GC-MS）[J].Food Control，2013，30（1）：62-68.

[8]PEREZ L C P，YAYLAYAN V A.Origin and mechanistic pathways of formation of the parent furan-a food toxicant[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2004，55（22）：6830-6836.

[9]BECALSKI A，SEAMAN S.Furan precursors in food：A model study and development of a simple headspace method for determination of furan[J].Journal of AOAC International，2005，88（1）：102-106.

[10]JANKA V，ZUAZANNA C.Furan in food-a review[J].Journal of Food Science，2009，27（1）：1-10.

[11]MRK J，MRK T.Quantitation of furan and methyl furan formed in different precursor systems by solid phase micro-extraction-gas chromatography-mass spectrometry[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2006，54（7）：2786-2793.

[12]MAGA J A.Furan in foods[J].Critical Reviews in Food Science and Nutrition，1979，11（4）：355-400.

[13]AMES J M，GUY R C E，KIPPING G J.Effect of pH，temperature，and moisture on the formation of volatile compounds in glycine/glucose model systems[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2001，49（9）：4315-4323.

[14]ZHANG Yanan，HUANG Jungen，NIE Shaoping，et al.Study on factors affecting the formation of furan in three normal sugars[J].Science and Technology of Food Industry，2012，33（20）：98-100，104.（in Chinese）

[15]FAN X T，HUANG L H，SOKORAI K J B.Factors affecting thermally induced furan formation[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2008，56（20）：9490-9494.

[16]NIE S P，HUANG J G，HU J L，et al.Effect of pH，temperature and heating time on the formation of furan from typical carbohydrates and ascorbic acid[J].Journal of Food，Agriculture&Environment，2013，11（1）：121-125.

[17]徐晓冰.过渡金属催化的含氮、氧杂环化合物的合成方法学研究[D].上海：华东师范大学，2010.

[18]CARBALLO R M，RAMIREZ M A，RODRIGUEZ M L，et al.Iron （III）-promoted aza-Prins-cyclization：direct synthesis of six-membered azacycles[J].Organic Letters，2006，8（17）：3837-3840.

[19]GUO X，YU R，LI H，et al.Iron-catalyzed tandem oxidative coupling and annulation：an efficient approach to construct polysubstituted benzofurans[J].Journal of the American Chemical Society，2009，131（47）：17387-17393.

[20]CAO N J，XU Q，CHEN L F.Acid hydrolysis of cellulose in zinc chloride solution[J].Applied Biochemistry and Biotechnology，1995，51（1）：21-28.

[21]YANG Lei，LI Gang，YANG Fang，et al.Conversion of cellulose to furans catalyzed by zinc chloride under microwave irradiation[J].Journal of Fuel Chemistry and Technology，2012，40（3）：326-330.（in Chinese）

[22]彭新文.稀硫酸/盐催化葡萄糖降解反应动力学[D].杭州：浙江大学，2008.

[23]WEN Zhiyong，SUN Baoguo，LIANG Menglan，et al.Flavor compounds from lipid oxidation[J].China Oils and Fats，2004，29（9）：41-44.（in Chinese）

[24]CREWS C，CASTLE L.A review of the occurrence，formation and analysis of furan in heat-processed foods[J].Trends in Food Science&Technology，2007，18（7）：365-372.

[25]LIMACHER A，KERLER J，CONDE P B，et al.Formation of furan and methylfuran from ascorbic acid in model systems and food[J].Food Additives and Contaminants，2007，24（1）：122-135.