Гидроксиметилфурфурол ( ГМФ ), также известный как 5-(гидроксиметил)фурфурол , представляет собой органическое соединение , образующееся в результате дегидратации восстанавливающих сахаров. [4] [5] Это белое легкоплавкое твердое вещество (хотя коммерческие образцы часто имеют желтый цвет), которое хорошо растворяется как в воде, так и в органических растворителях. Молекула состоит из фуранового кольца, содержащего как альдегидные , так и спиртовые функциональные группы.
HMF может образовываться в сахаросодержащих продуктах, особенно в результате нагревания или приготовления пищи. Его образование было предметом серьезных исследований, поскольку HMF считался потенциально канцерогенным для человека. Однако до сих пор генотоксичность in vivo была отрицательной. Никакой значимости канцерогенных и генотоксических эффектов для человека не установлено. [6] HMF классифицируется как средство для улучшения пищевых продуктов [7] и в основном используется в пищевой промышленности в виде пищевой добавки в качестве биомаркера, а также в качестве ароматизатора для пищевых продуктов. [8] [9] Он также производится в промышленных масштабах в скромных масштабах [10] в качестве углеродно-нейтрального сырья для производства топлива [11] и других химикатов. [12]
Производство и реакции
Впервые о HMF было сообщено в 1875 году как о промежуточном продукте при образовании левулиновой кислоты из сахара и серной кислоты. [13] Это остается классическим путем, при котором 6-углеродные сахара ( гексозы ), такие как фруктоза, подвергаются полидегидратации, катализируемой кислотой. [14] [15] При использовании соляной кислоты вместо ГМФ образуется 5-хлорметилфурфурол . Аналогичная химия наблюдается с 5-углеродными сахарами ( пентозами ), которые реагируют с водной кислотой с образованием фурфурола .
Классический подход, как правило, страдает от низких выходов, поскольку HMF продолжает реагировать в водной кислоте, образуя левулиновую кислоту . [4] Поскольку сахар обычно не растворяется ни в каких растворителях, кроме воды, развитие высокопродуктивных реакций было медленным и трудным; следовательно, хотя фурфурол производился в больших масштабах с 1920-х годов, [16] ГМФ стал производиться в коммерческих масштабах лишь более 90 лет спустя. Первый производственный завод введен в эксплуатацию в 2013 году. [10] Были разработаны многочисленные синтетические технологии, включая использование ионных жидкостей , [17] [18] непрерывную жидкостно-жидкостную экстракцию , реактивную дистилляцию и твердые кислотные катализаторы для удаления HMF перед он реагирует дальше или иным образом способствует его образованию и ингибирует его разложение. [19]
Производные
Сам HMF имеет мало применений. Однако его можно превратить в другие, более полезные соединения. [12] Из них наиболее важной является 2,5-фурандикарбоновая кислота , которая была предложена в качестве замены терефталевой кислоты в производстве полиэфиров . [20] [21] ГМФ можно преобразовать в 2,5-диметилфуран (ДМФ), жидкость, которая является потенциальным биотопливом с более высоким содержанием энергии, чем биоэтанол . Гидрирование HMF дает 2,5-бис(гидроксиметил)фуран . Кислотно-катализируемый гидролиз превращает HMF в гамма-гидроксивалериановую кислоту и гамма-валеролактон с потерей муравьиной кислоты. [5] [4]
Встречаемость в продуктах питания
HMF практически отсутствует в свежих продуктах, но он естественным образом образуется в сахаросодержащих продуктах во время термической обработки, такой как сушка или приготовление. Наряду со многими другими веществами, имеющими вкус и цвет, HMF образуется в реакции Майяра , а также во время карамелизации . В этих продуктах он также медленно образуется во время хранения. Кислые условия благоприятствуют образованию HMF. [22] HMF – хорошо известный компонент хлебобулочных изделий. При поджаривании хлеба это количество увеличивается с 14,8 (5 мин) до 2024,8 мг/кг (60 мин). [5] Он также образуется во время обжарки кофе, его концентрация составляет до 769 мг/кг. [23]
HMF можно найти в небольших количествах в меде , фруктовых соках и ультрапастеризованном молоке. Здесь, как и в уксусах, джемах, алкогольной продукции или печенье, HMF может использоваться в качестве индикатора избыточной термической обработки. Например, свежий мед содержит менее 15 мг/кг — в зависимости от значения pH, температуры и возраста [27] , а стандарт Кодекса Алиментариус требует, чтобы мед содержал менее 40 мг/кг HMF, чтобы гарантировать, что мед не подвергался нагревание во время обработки, за исключением тропического меда, содержание которого должно быть ниже 80 мг/кг. [28]
Большее количество HMF содержится в кофе и сухофруктах. Некоторые виды жареного кофе содержат от 300 до 2900 мг/кг ГМФ. [29] Было обнаружено, что чернослив содержит до 2200 мг/кг HMF. В темном пиве обнаружено 13,3 мг/кг, [30] в хлебобулочных изделиях содержится от 4,1 до 151 мг/кг ГМФ. [31]
HMF может образовываться в кукурузном сиропе с высоким содержанием фруктозы (HFCS), были обнаружены уровни HMF около 20 мг/кг, которые увеличиваются при хранении или нагревании. [27] Это проблема для американских пчеловодов , поскольку они используют HFCS в качестве источника сахара, когда не хватает источников нектара для кормления медоносных пчел , а HMF токсичен для них. Добавление оснований, таких как кальцинированная сода или поташ, для нейтрализации HFCS замедляет образование HMF. [27]
В зависимости от технологии производства и хранения содержание продуктов питания значительно варьируется. Чтобы оценить вклад продукта в потребление HMF, необходимо учитывать структуру его потребления. Кофе – это продукт, который имеет очень большое значение с точки зрения уровня HMF и количества потребляемого.
HMF является естественным компонентом разогретой пищи, но обычно присутствует в низких концентрациях. Ежедневное потребление HMF может лежать в основе высоких колебаний из-за индивидуальных особенностей потребления. Было подсчитано, что потребление варьируется от 4 до 30 мг на человека в день, тогда как потребление до 350 мг может быть результатом, например, напитков, приготовленных из чернослива. [6] [32]
Биомедицинский
Основным метаболитом у человека является 5-гидроксиметил-2-фуроевая кислота (HMFA), также известная как кислота Сумики, которая выводится с мочой.
HMF связывает внутриклеточный серповидный гемоглобин (HbS). Предварительные исследования in vivo с использованием трансгенных серповидных мышей показали, что пероральный прием 5HMF ингибирует образование серповидных клеток в крови. [33] Под кодом разработки Aes-103 HMF рассматривался для лечения серповидно-клеточной анемии . [34]
Количественная оценка
Сегодня ВЭЖХ с УФ-детектированием является эталонным методом (например, DIN 10751–3). Классические методы количественного определения HMF в фотометрии пищевых продуктов . Метод по Уайту представляет собой дифференциальную УФ-фотометрию с восстановлением HMF бисульфитом натрия и без него. [35] Фотометрический метод Винклера представляет собой цветную реакцию с использованием п- толуидина и барбитуровой кислоты ( DIN 10751–1). Фотометрический тест может быть неспецифичным, поскольку он может обнаруживать также родственные вещества, что приводит к более высоким результатам, чем измерения с помощью ВЭЖХ. Также доступны тест-наборы для быстрого анализа (например, Reflectoquant HMF, Merck KGaA). [36] [37]
Другой
HMF является промежуточным продуктом при титровании гексоз в тесте Молиша . В родственном тесте Биала на пентозы гидроксиметилфурфурол из гексоз может давать мутно-коричневый или серый раствор, но его легко отличить от зеленого цвета пентоз.
Ацетоксиметилфурфурол (АМФ) также представляет собой биохимическое вещество «зеленой платформы» в качестве альтернативы ГМФ. [38]
Рекомендации
^ abc "Передняя часть". Номенклатура органической химии: рекомендации ИЮПАК и предпочтительные названия 2013 г. (Синяя книга) . Кембридж: Королевское химическое общество . 2014. с. 911. дои : 10.1039/9781849733069-FP001. ISBN 978-0-85404-182-4.
^ Определение HMF в меде с помощью УФ-видимого спектрофотометра Evolution Array. Николь Кройцигер Кеппи и Майкл В. Аллен, доктор философии, примечание по применению 51864, Thermo Fisher Scientific, Мэдисон, Висконсин, США (статья)
^ abc ван Путтен, Роберт-Ян; ван дер Ваал, Ян К.; де Йонг, Эд; Расрендра, Каролус Б.; Хирес, Герой Дж.; де Врис, Йоханнес Г. (2013). «Гидроксиметилфурфурол, универсальное химическое вещество, полученное из возобновляемых ресурсов». Химические обзоры . 113 (3): 1499–1597. дои : 10.1021/cr300182k. ISSN 0009-2665. ПМИД 23394139.
^ abc Розателла, Андрея А.; Симеонов, Свилен П.; Фраде, Ракель FM; Афонсо, Карлос AM (2011). «5-Гидроксиметилфурфурол (ГМФ) как строительная платформа: биологические свойства, синтез и синтетическое применение». Зеленая химия . 13 (4): 754. doi : 10.1039/c0gc00401d. ISSN 1463-9262.
^ аб Авраам, Клаус; Гюртлер, Райнер; Берг, Катарина; Хайнемейер, Герхард; Лампен, Альфонсо; Аппель, Клаус Э. (4 апреля 2011 г.). «Токсикология и оценка риска содержания 5-гидроксиметилфурфурола в пищевых продуктах». Молекулярное питание и пищевые исследования . 55 (5): 667–678. doi : 10.1002/mnfr.201000564. ISSN 1613-4125. ПМИД 21462333.
^ ПабХим. «Агенты по улучшению продуктов питания ЕС - источник данных PubChem». pubchem.ncbi.nlm.nih.gov . Проверено 25 июня 2018 г.
^ Регламент Комиссии (ЕС) № 872/2012 от 1 октября 2012 г., утверждающий список ароматизирующих веществ, предусмотренный Регламентом (ЕС) № 2232/96 Европейского парламента и Совета, и вносящий его в Приложение I к Регламенту (ЕС). ) № 1334/2008 Европейского парламента и Совета и отменяющий Регламент Комиссии (ЕС) № 1565/2000 и Решение Комиссии 1999/217/EC Текст, имеющий отношение к ЕЭЗ, 2 октября 2012 г. , получено 25 июня 2018 г.
^ Пубхим. «5-(Гидроксиметил)-2-фуральдегид». pubchem.ncbi.nlm.nih.gov . Проверено 25 июня 2018 г.
^ Аб Кляусли, Томас (2014). «AVA Biochem: коммерциализация химического вещества 5-HMF на возобновляемой основе». Зеленая обработка и синтез . 3 (3): 235–236. дои : 10.1515/gps-2014-0029 . ISSN 2191-9550. S2CID 100848139.
^ Хубер, Джордж В.; Иборра, Сара; Корма, Авелино (2006). «Синтез транспортного топлива из биомассы: химия, катализаторы и инженерия». хим. Откр. 106 (9): 4044–98. дои : 10.1021/cr068360d. ПМИД 16967928. Обзор технологий Массачусетского технологического института
^ Аб Левковски, Дж. (2001). «Синтез, химия и применение 5-гидроксиметилфурфурола и его производных». Аркивок . 1 : 17–54. дои : 10.3998/ark.5550190.0002.102 . hdl : 2027/spo.5550190.0002.102 . ISSN 1424-6376.
^ Гроте, А. Фрейхерн В.; Толленс, Б. (1875). «Untersuchungen über Kohlenгидрат. I. Ueber die bei Einwirkung von Schwefelsäure auf Zucker entstehende Säure (Levulinsäure)». «Анналы химии» Юстуса Либиха . 175 (1–2): 181–204. дои : 10.1002/jlac.18751750113. ISSN 0075-4617.
^ Юрий Роман-Лешков; Джубен Н. Чеда; Джеймс А. Думешич (2006). «Фазовые модификаторы способствуют эффективному производству гидроксиметилфурфурола из фруктозы». Наука . 312 (5782): 1933–1937. Бибкод : 2006Sci...312.1933R. дои : 10.1126/science.1126337. PMID 16809536. S2CID 38432592.
^ Эминов, Санан; Уилтон-Эли, Джеймс ДЕТ; Халлетт, Джейсон П. (2 марта 2014 г.). «Высокоселективное и почти количественное преобразование фруктозы в 5-гидроксиметилфурфурол с использованием слабокислых ионных жидкостей». ACS Устойчивая химия и инженерия . 2 (4): 978–981. дои : 10.1021/sc400553q . hdl : 10044/1/31478 .
^ Теонг, Сью Пинг; Йи, Гуаншунь; Чжан, Юген (2014). «Производство гидроксиметилфурфурола из биоресурсов: прошлое, настоящее и будущее». Зеленая химия . 16 (4): 2015. doi : 10.1039/c3gc42018c. ISSN 1463-9262.
^ Соуза, Андрея Ф.; Вилела, Карла; Фонсека, Ана К.; Матос, Марина; Фрейре, Кармен С.Р.; Грутер, Герт-Ян М.; Коэльо, Хорхе Ф.Дж.; Сильвестр, Армандо Джей Ди (2015). «Полиэфиры на биологической основе и другие полимеры из 2,5-фурандикарбоновой кислоты: дань превосходству фурана». Полим. Хим . 6 (33): 5961–5983. дои : 10.1039/C5PY00686D. ISSN 1759-9954.
^ Чжан, Дайхуэй; Дюмон, Мари-Жозе (1 мая 2017 г.). «Достижения в области предшественников полимеров и полимеров биологического происхождения, синтезированных из 5-гидроксиметилфурфурола». Журнал науки о полимерах. Часть A: Химия полимеров . 55 (9): 1478–1492. Бибкод : 2017JPoSA..55.1478Z. дои : 10.1002/pola.28527 . hdl : 20.500.11794/100964 .
^ Аррибас-Лоренцо, Дж; Моралес, Ф.Дж. (2010). «Оценка поступления с пищей 5-гидроксиметилфурфурола и родственных ему веществ из кофе населением Испании». Пищевая и химическая токсикология . 48 (2): 644–9. дои : 10.1016/j.fct.2009.11.046. hdl : 10261/82147. ПМИД 20005914.
^ Машинер, Лукас; Шмидт, Анатоль; Карпф, Франц; Майер, Хельмут К. (2021). «Новый метод УВЭЖХ для определения степени обжарки кофе путем анализа фуранов». Пищевая химия . 341 (Часть 1): 128165. doi :10.1016/j.foodchem.2020.128165. ISSN 0308-8146. ПМИД 33038777.
^ Серра-Каюэла, А.; Журдес, М.; Риу-Аумател, М.; Буксадерас, С.; Тейседре, П.-Л.; Лопес-Тамамес, Э. (2014). «Кинетика коричневого цвета, фенолов и 5-гидроксиметилфурфурола в коммерческих игристых винах». Дж. Агрик. Пищевая хим . 62 (5): 1159–1166. дои : 10.1021/jf403281y. ПМИД 24444020.
^ Перейра, В. (2011). «Эволюция 5-гидроксиметилфурфурола (HMF) и фурфурола (F) в крепленых винах, подвергнутых воздействию перегрева». Международное исследование пищевых продуктов . 44 : 71–76. doi : 10.1016/j.foodres.2010.11.011. hdl : 10400.14/7635 .
^ Америн, Мейнард А. (1948). «Гидроксиметилфурфурол в калифорнийских винах». Журнал пищевой науки . 13 (3): 264–269. doi :10.1111/j.1365-2621.1948.tb16621.x. ПМИД 18870652.
^ abc Руис-Матуте, AI; Вайс, М; Самматаро, Д; Хорошо, Дж; Санс, МЛ (2010). «Углеводный состав кукурузных сиропов с высоким содержанием фруктозы (HFCS), используемых для кормления пчел: влияние на состав меда». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 58 (12): 7317–22. дои : 10.1021/jf100758x. ПМИД 20491475.
^ Шапла, УМ; Солейман, М; Алам, Н.; Халил, Мичиган; Ган, С.Х. (2018). «Уровни 5-гидроксиметилфурфурола (HMF) в меде и других пищевых продуктах: влияние на пчел и здоровье человека». Чем Цент Дж . 12 (1): 35. дои : 10.1186/s13065-018-0408-3 . ПМЦ 5884753 . ПМИД 29619623.
^ Муркович, М; Пихлер, Н. (2006). «Анализ 5-гидроксиметилфурфуала в кофе, сухофруктах и моче». Молекулярное питание и пищевые исследования . 50 (9): 842–6. doi : 10.1002/mnfr.200500262. ПМИД 16917810.
^ Хусой, Т; Хауген, М; Муркович, М; Йобстль, Д; Столен, Л.Х.; Бьеллаас, Т; Реннингборг, К; Глатт, Х; Александр, Дж (2008). «Диетическое воздействие 5-гидроксиметилфурфурола из норвежской пищи и корреляция с метаболитами мочи при кратковременном воздействии». Пищевая и химическая токсикология . 46 (12): 3697–702. дои : 10.1016/j.fct.2008.09.048. ПМИД 18929614.
^ Рамирес-Хименес, А; Гарсиа-Вилланова, Белен; Герра-Эрнандес, Эдуардо (2000). «Содержание гидроксиметилфурфурола и метилфурфурола в некоторых хлебобулочных изделиях». Международное исследование пищевых продуктов . 33 (10): 833. doi :10.1016/S0963-9969(00)00102-2.
^ Авраам, Клаус; Гюртлер, Райнер; Берг, Катарина; Хайнемейер, Герхард; Лампен, Альфонсо; Аппель, Клаус Э. (май 2011 г.). «Токсикология и оценка риска содержания 5-гидроксиметилфурфурола в пищевых продуктах». Молекулярное питание и пищевые исследования . 55 (5): 667–678. doi : 10.1002/mnfr.201000564. ISSN 1613-4133. ПМИД 21462333.
^ «Aes-103 при серповидно-клеточной анемии» . Национальный центр развития трансляционных наук . 18 марта 2015 г. Проверено 20 января 2022 г.
^ Уайт-младший, JW (1979). «Спектрофотометрический метод определения гидроксиметилфурфурола в меде». Журнал Ассоциации официальных химиков-аналитиков . 62 (3): 509–514. дои : 10.1093/jaoac/62.3.509 . ПМИД 479072.
^ Шультайс, Дж.; Дженсен, Д.; Галенса, Р. (2000). «Определение альдегидов в пищевых продуктах методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с биосенсорной связью и микромембранными подавителями». Журнал хроматографии А. 880 (1–2): 233–42. дои : 10.1016/S0021-9673(99)01086-9. ПМИД 10890522.
^ Гаспар, Эльвира МСМ; Лусена, Ана ФФ (2009). «Улучшенная методология ВЭЖХ для контроля пищевых продуктов – фурфуролы и патулин как маркеры качества». Пищевая химия . 114 (4): 1576. doi :10.1016/j.foodchem.2008.11.097.
^ Кан, Ын-Сил; Хон, Ён У; Че, Да Вон; Ким, Бора; Ким, Пэкджин; Ким, Ён Джин; Чо, Джин Ку; Ким, Ён Гю (13 апреля 2015 г.). «От лигноцеллюлозной биомассы к фуранам через 5-ацетоксиметилфурфураль как альтернативу 5-гидроксиметилфурфуралю». ChemSusChem . 8 (7): 1179–1188. doi : 10.1002/cssc.201403252. ISSN 1864-564X. ПМИД 25619448.