Гидроксиметилфурфурол - Hydroxymethylfurfural

Гидроксиметилфурфурол
Структурная формула гидроксиметилфурфурола
Шаровидная модель молекулы гидроксиметилфурфурола
Модель заполнения пространства молекулы гидроксиметилфурфурола
Имена
Предпочтительное название IUPAC
5- (гидроксиметил) фуран-2-карбальдегид[1]
Другие имена
5- (гидроксиметил) -2-фуральдегид[1]
5- (гидроксиметил) фурфурол[1]
Идентификаторы
3D модель (JSmol )
110889
ЧЭБИ
ЧЭМБЛ
ChemSpider
ECHA InfoCard100.000.595 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
  • 200-654-9
278693
КЕГГ
UNII
Характеристики
C6ЧАС6О3
Молярная масса126,11 г / моль
ВнешностьЛегкоплавкое белое твердое вещество
Запахмасло, карамель,
Плотность1,29 г / см3
Температура плавления От 30 до 34 ° C (от 86 до 93 ° F; от 303 до 307 K)
Точка кипения От 114 до 116 ° C (от 237 до 241 ° F; от 387 до 389 K) (1 мбар)
УФ-видимый (λМаксимум)284 нм[2]
Родственные соединения
Родственные фуран-2-карбальдегиды
Фурфурол

Метоксиметилфурфурол

Опасности
Пиктограммы GHSGHS07: Вредно[3]
Сигнальное слово GHSПредупреждение[3]
H315, H319, H335[3]
P261, P305 + 351 + 338, P310[3]
Если не указано иное, данные для материалов приведены в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
проверитьY проверять (что проверитьY☒N ?)
Ссылки на инфобоксы

Гидроксиметилфурфурол (HMF), также 5- (гидроксиметил) фурфурол, представляет собой органическое соединение сформированный обезвоживание некоторых сахаров.[4][5] Это белое легкоплавкое твердое вещество (хотя коммерческие образцы часто бывают желтого цвета), которое хорошо растворяется как в воде, так и в органических растворителях. Молекула состоит из фуран кольцо, содержащее оба альдегид и алкоголь функциональные группы.

HMF может образовываться в пище, содержащей сахар, особенно в результате нагревания или приготовления пищи. Его образование было предметом значительных исследований, поскольку HMF считался потенциально канцерогенным для человека. Однако до сих пор генотоксичность in vivo была отрицательной. Невозможно определить значение для человека в отношении канцерогенных и генотоксических эффектов.[6][7] HMF классифицируется как улучшитель пищевых продуктов. [8] и в основном используется в пищевой промышленности в виде пищевой добавки в качестве биомаркера, а также в качестве ароматизатора для пищевых продуктов.[9][10] Он также производится промышленным способом в скромных масштабах.[11] как углеродно-нейтральный сырье для производства топлива[12] и другие химические вещества.[13]

Производство и реакции

О HMF впервые сообщили в 1875 году как о промежуточном продукте в образовании левулиновая кислота из сахара и серной кислоты.[14] Это остается классическим маршрутом с 6-угольным двигателем. сахара (гексозы ) Такие как фруктоза подвергается кислотно-катализируемой полидегидратации.[15][16] Когда соляная кислота используется 5-хлорметилфурфурол выпускается вместо HMF. Аналогичный химический состав наблюдается с 5-углеродными сахарами (пентозы ), которые реагируют с водной кислотой с образованием фурфурол.

фруктопираноза 1, фруктофураноза 2, две промежуточные стадии обезвоживание (не изолирован) 3,4 и наконец HMF 5

Классический подход имеет тенденцию к снижению выхода, поскольку HMF продолжает реагировать в водной кислоте, образуя левулиновая кислота.[4] Поскольку сахар обычно не растворяется в других растворителях, кроме воды, развитие реакций с высоким выходом происходит медленно и трудно; следовательно, хотя фурфурол производился в больших масштабах с 1920-х годов,[17] HMF не производился в промышленных масштабах до более чем 90 лет спустя. Первый завод будет запущен в 2013 году.[11] Разработано множество синтетических технологий, в том числе с использованием ионные жидкости,[18][19] непрерывный жидкость-жидкостная экстракция, реактивная перегонка и твердые кислотные катализаторы либо удалить HMF до того, как он прореагирует дальше, либо иным образом способствовать его образованию и ингибировать его разложение.[20]

Производные

Сам HMF имеет несколько приложений. Однако его можно превратить в другие более полезные соединения.[13] Из них наиболее важным является 2,5-фурандикарбоновая кислота, который был предложен в качестве замены терефталевая кислота в производстве полиэфиры.[21][22] HMF можно преобразовать в 2,5-диметилфуран (DMF), жидкость, которая является потенциальным биотопливом с более высоким содержанием энергии, чем биоэтанол. Гидрирование HMF дает 2,5-бис (гидроксиметил) фуран. Кислотный гидролиз превращает HMF в гамма-гидроксивалериановую кислоту и гамма-валеролактон, с потерей муравьиной кислоты.[5][4]

Появление в пище

HMF практически отсутствует в свежих продуктах питания, но он естественным образом образуется в пище, содержащей сахар, во время термической обработки, такой как сушка или приготовление. Наряду со многими другими веществами, имеющими отношение к вкусу и цвету, HMF образуется в Реакция Майяра а также во время карамелизация. В этих продуктах он также медленно образуется при хранении. Кислые условия способствуют образованию HMF.[23] HMF - хорошо известный компонент хлебобулочных изделий. При поджаривании хлеба количество увеличивается с 14,8 (5 мин.) До 2024,8 мг / кг (60 мин).[5] Он также образуется при обжарке кофе, с содержанием до 769 мг / кг.[24]

Это хорошо хранение вина маркер время-температура,[25] особенно в сладкие вина Такие как Мадейра[26] и подслащенные виноградным концентратом Arrope.[27]

Phallus indusiatus. Куктаун, Квинсленд, Австралия. Плодовое тело содержит гидроксиметилфурфурол

HMF можно найти в небольших количествах в медовый, фрукты-соки и УВТ -молоко. Здесь, а также в уксусах, джемах, алкогольной продукции или печеньях, HMF может использоваться как индикатор чрезмерной термической обработки. Например, свежий мед содержит менее 15 мг / кг - в зависимости от значения pH, температуры и возраста,[28] и стандарт codex alimentarius требует, чтобы мед содержал менее 40 мг / кг HMF, чтобы гарантировать, что мед не подвергался нагреванию во время обработки, за исключением тропических медов, содержание HMF должно быть ниже 80 мг / кг.[29]

Более высокие количества HMF содержатся в кофе и сухофруктах. Несколько типов обжаренного кофе содержат от 300 до 2900 мг / кг HMF.[30] Было обнаружено, что сушеные сливы содержат до 2200 мг / кг HMF. В темном пиве обнаружено 13,3 мг / кг,[31] хлебобулочные изделия, содержащие от 4,1 до 151 мг / кг HMF.[32]

Его можно найти в сироп глюкозы.

HMF может образовываться в кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы (HFCS) были обнаружены уровни около 20 мг / кг HMF, повышающиеся во время хранения или нагревания.[28] Это проблема для американских пчеловоды потому что они используют HFCS в качестве источника сахара, когда его недостаточно нектар источники питания пчелы, и HMF токсичен для них. Добавление оснований, таких как кальцинированная сода или поташ, в нейтрализовать HFCS замедляет образование HMF.[28]

В зависимости от технологии производства и хранения уровни содержания в пище значительно различаются. Чтобы оценить вклад пищи в потребление HMF, необходимо рассмотреть ее структуру потребления. Кофе - это продукт, который имеет очень большое значение с точки зрения содержания HMF и количества потребляемого.

HMF является естественным компонентом нагретой пищи, но обычно присутствует в низких концентрациях. Ежедневное потребление HMF может лежать в основе значительных колебаний в зависимости от индивидуальных особенностей потребления. Было подсчитано, что потребление составляет от 4 до 30 мг на человека в день, в то время как потребление до 350 мг может быть результатом, например, напитков, приготовленных из чернослива.[6][7]

Биомедицинские

Главный метаболит в организме человека 5-гидроксиметил-2-фурановая кислота (HMFA) выводится с мочой.

HMF связывают внутриклеточный серповидный гемоглобин (HbS). Предварительный in vivo Исследования с использованием трансгенных серповидных мышей показали, что пероральный прием 5HMF подавляет образование серповидных клеток в крови.[33] В соответствии с кодом разработки Aes-103, HMF рассматривался для лечения серповидноклеточная анемия.[34]

Количественная оценка

Сегодня, ВЭЖХ с УФ-обнаружением является эталонным методом (например, DIN 10751-3). Классические методы количественного определения HMF в пищевых продуктах фотометрия. Метод по Уайту представляет собой дифференциальную УФ-фотометрию с восстановлением HMF бисульфитом натрия и без него.[35] Фотометрический метод Винклера - это цветовая реакция с использованием p-толуидин и барбитуровая кислота (DIN 10751-1). Фотометрический тест может быть неспецифическим, поскольку он может обнаруживать также родственные вещества, что приводит к более высоким результатам, чем измерения с помощью ВЭЖХ. Также доступны тест-наборы для экспресс-анализа (например, Reflectoquant HMF, Merck KGaA).[36][37]

Другой

HMF является промежуточным продуктом при титровании гексоз в Тест Молиша. В связанных Тест Биала для пентоз гидроксиметилфурфурол из гексоз может давать раствор мутно-коричневого или серого цвета, но это легко отличить от зеленого цвета пентоз.

AMF,[38] ацетоксиметил фурфурол также является экологически чистым химическим веществом биологического происхождения в качестве альтернативы HMF.

Рекомендации

  1. ^ а б c «Переднее дело». Номенклатура органической химии: Рекомендации ИЮПАК и предпочтительные названия 2013 (Синяя книга). Кембридж: Королевское химическое общество. 2014. с. 911. Дои:10.1039 / 9781849733069-FP001. ISBN  978-0-85404-182-4.
  2. ^ Определение HMF в меде с помощью спектрофотометра Evolution Array UV-Vis. Николь Кройцигер Кеппи и Майкл В. Аллен, доктор философии, заметка по применению 51864, Thermo Fisher Scientific, Мэдисон, Висконсин, США (статья )
  3. ^ а б c d Сигма-Олдрич Ко., 5- (гидроксиметил) фурфурол. Проверено 23 мая 2017.
  4. ^ а б c ван Путтен, Роберт-Ян; van der Waal, Jan C .; де Йонг, Эд; Rasrendra, Carolus B .; Heeres, Hero J .; де Фриз, Йоханнес Г. (2013). «Гидроксиметилфурфурол, универсальный химический продукт, изготовленный из возобновляемых ресурсов». Химические обзоры. 113 (3): 1499–1597. Дои:10.1021 / cr300182k. ISSN  0009-2665. PMID  23394139.
  5. ^ а б c Rosatella, Andreia A .; Симеонов, Свилен П .; Frade, Raquel F.M .; Афонсу, Карлос А. М. (2011). «5-гидроксиметилфурфурол (HMF) как строительный блок платформы: биологические свойства, синтез и синтетические приложения». Зеленая химия. 13 (4): 754. Дои:10.1039 / c0gc00401d. ISSN  1463-9262.
  6. ^ а б Авраам, Клаус; Гюртлер, Райнер; Берг, Катарина; Хайнемейер, Герхард; Лампен, Альфонсо; Аппель, Клаус Э. (2011-04-04). «Токсикология и оценка риска 5-гидроксиметилфурфурола в пищевых продуктах». Молекулярное питание и пищевые исследования. 55 (5): 667–678. Дои:10.1002 / mnfr.201000564. ISSN  1613-4125. PMID  21462333.
  7. ^ а б Авраам, Клаус; Гюртлер, Райнер; Берг, Катарина; Хайнемейер, Герхард; Лампен, Альфонсо; Аппель, Клаус Э. (май 2011 г.). «Токсикология и оценка риска 5-гидроксиметилфурфурола в пищевых продуктах». Молекулярное питание и пищевые исследования. 55 (5): 667–678. Дои:10.1002 / mnfr.201000564. ISSN  1613-4133. PMID  21462333.
  8. ^ PubChem. «Агенты по улучшению продуктов питания ЕС - Источник данных PubChem». pubchem.ncbi.nlm.nih.gov. Получено 2018-06-25.
  9. ^ Исполнительный Регламент Комиссии (ЕС) № 872/2012 от 1 октября 2012 г., утверждающий перечень ароматизирующих веществ, предусмотренных Регламентом (ЕС) № 2232/96 Европейского парламента и Совета, вводя 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, 2012-10-02, получено 2018-06-25
  10. ^ Pubchem. «5- (Гидроксиметил) -2-фуральдегид». pubchem.ncbi.nlm.nih.gov. Получено 2018-06-25.
  11. ^ а б Клаусли, Томас (2014). «AVA Biochem: коммерциализация возобновляемого химического вещества на платформе 5-HMF». Зеленая переработка и синтез. 3 (3). Дои:10.1515 / gps-2014-0029. ISSN  2191-9550. S2CID  100848139.
  12. ^ Хубер, Джордж В .; Иборра, Сара; Корма, Авелино (2006). «Синтез транспортного топлива из биомассы: химия, катализаторы и инженерия». Chem. Ред. 106 (9): 4044–98. Дои:10.1021 / cr068360d. PMID  16967928.Обзор технологий MIT
  13. ^ а б Левковски, Дж. (2001). «Синтез, химия и применение 5-гидроксиметилфурфурола и его производных». Аркивок. 1: 17–54. ISSN  1424-6376. Сложить резюме. открытый доступ
  14. ^ Grote, A. Freiherrn V .; Толленс, Б. (1875). "Untersuchungen über Kohlenhydrate. I. Ueber die bei Einwirkung von Schwefelsäure auf Zucker entstehende Säure (Levulinsäure)". Annalen der Chemie Юстуса Либиха. 175 (1–2): 181–204. Дои:10.1002 / jlac.18751750113. ISSN  0075-4617.
  15. ^ Юрий Роман-Лешков; Джубен Н. Чхеда; Джеймс А. Думесик (2006). «Фазовые модификаторы способствуют эффективному производству гидроксиметилфурфурола из фруктозы». Наука. 312 (5782): 1933–1937. Bibcode:2006Научный ... 312.1933R. Дои:10.1126 / science.1126337. PMID  16809536. S2CID  38432592.
  16. ^ Симеонов, Свилень (2016). «Синтез 5- (гидроксиметил) фурфурола (HMF)». Органический синтез. 93: 29–36. Дои:10.15227 / orgsyn.093.0029.
  17. ^ Браунли, Гарольд Дж .; Майнер, Карл С. (1948). «Промышленное развитие Фурфурола». Промышленная и инженерная химия. 40 (2): 201–204. Дои:10.1021 / ie50458a005. ISSN  0019-7866.
  18. ^ Zakrzewska, Małgorzata E .; Богель-Лукасик, Ева; Богель-Лукасик, Рафал (2011). «Опосредованное ионной жидкостью образование 5-гидроксиметилфурфурола - перспективный строительный блок на основе биомассы». Химические обзоры. 111 (2): 397–417. Дои:10.1021 / cr100171a. ISSN  0009-2665. PMID  20973468.
  19. ^ Эминов, Санан; Уилтон-Эли, Джеймс Д. Э. Т .; Халлетт, Джейсон П. (2 марта 2014 г.). «Высокоселективное и почти количественное превращение фруктозы в 5-гидроксиметилфурфурол с использованием слабокислых ионных жидкостей». ACS Устойчивая химия и инженерия. 2 (4): 978–981. Дои:10.1021 / sc400553q.открытый доступ
  20. ^ Теонг, Сью Пинг; Йи, Гуаншунь; Чжан, Юген (2014). «Производство гидроксиметилфурфурола из биоресурсов: прошлое, настоящее и будущее». Зеленая химия. 16 (4): 2015. Дои:10.1039 / c3gc42018c. ISSN  1463-9262.
  21. ^ Sousa, Andreia F .; Вилела, Карла; Fonseca, Ana C .; Матос, Марина; Freire, Carmen S. R .; Gruter, Gert-Jan M .; Коэльо, Хорхе Ф. Дж .; Сильвестр, Армандо Дж. Д. (2015). «Полиэфиры на биологической основе и другие полимеры из 2,5-фурандикарбоновой кислоты: дань превосходному качеству фуранов». Polym. Chem. 6 (33): 5961–5983. Дои:10.1039 / C5PY00686D. ISSN  1759-9954.
  22. ^ Чжан, Дайхуэй; Дюмон, Мари-Жозе (1 мая 2017 г.). «Достижения в области предшественников полимеров и полимеров на биологической основе, синтезированных из 5-гидроксиметилфурфурола». Журнал науки о полимерах, часть A: химия полимеров. 55 (9): 1478–1492. Bibcode:2017JPoSA..55.1478Z. Дои:10.1002 / pola.28527.
  23. ^ Аррибас-Лоренцо, G; Моралес, FJ (2010). «Оценка диетического потребления 5-гидроксиметилфурфурола и родственных ему веществ из кофе испанским населением». Пищевая и химическая токсикология. 48 (2): 644–9. Дои:10.1016 / j.fct.2009.11.046. HDL:10261/82147. PMID  20005914.
  24. ^ Машейнер, Лукас; Шмидт, Анатолий; Карпф, Франц; Майер, Хельмут К. (2021). «Новый метод УВЭЖХ для определения степени обжарки кофе с помощью анализа фуранов». Пищевая химия. 341: 128165. Дои:10.1016 / j.foodchem.2020.128165.
  25. ^ Серра-Каюэла, А .; Jourdes, M .; Riu-Aumatell, M .; Buxaderas, S .; Teissedre, P.-L .; Лопес-Тамамес, Э. (2014). «Кинетика браунинга, фенолов и 5-гидроксиметилфурфурола в коммерческих игристых винах». J. Agric. Food Chem. 62 (5): 1159–1166. Дои:10.1021 / jf403281y. PMID  24444020.
  26. ^ Перейра, В. (2011). «Эволюция 5-гидроксиметилфурфурола (HMF) и фурфурола (F) в крепленых винах в условиях перегрева». Food Research International. 44: 71–76. Дои:10.1016 / j.foodres.2010.11.011. HDL:10400.14/7635.
  27. ^ Америн, Мейнард А. (1948). «Гидроксиметилфурфурол в винах Калифорнии». Журнал пищевой науки. 13 (3): 264–269. Дои:10.1111 / j.1365-2621.1948.tb16621.x. PMID  18870652.
  28. ^ а б c Руис-Матуте, AI; Вайс, М; Самматаро, Д; Хорошо, Дж; Санс, ML (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. PMID  20491475.
  29. ^ Shapla, UM; Солайман, М; Alam, N; Халил, Мичиган; Ган, SH (2018). «Уровни 5-гидроксиметилфурфурола (HMF) в меде и других пищевых продуктах: влияние на пчел и здоровье человека». Chem Cent J. 12 (1): 35. Дои:10.1186 / s13065-018-0408-3. ЧВК  5884753. PMID  29619623.
  30. ^ Муркович, М; Пихлер, Н. (2006). «Анализ 5-гидроксиметилфурфуала в кофе, сухофруктах и ​​моче». Молекулярное питание и пищевые исследования. 50 (9): 842–6. Дои:10.1002 / mnfr.200500262. PMID  16917810.
  31. ^ Husøy, T; Haugen, M; Муркович, М; Jöbstl, D; Stølen, LH; Бьеллаас, Т; Реннингборг, К; Glatt, H; Александр, J (2008). «Диетическое воздействие 5-гидроксиметилфурфурола из норвежской пищи и корреляция с кратковременным воздействием метаболитов в моче». Пищевая и химическая токсикология. 46 (12): 3697–702. Дои:10.1016 / j.fct.2008.09.048. PMID  18929614.
  32. ^ Рамирес-Хименес, А; Гарсиа-Вилланова, Белен; Герра-Эрнандес, Эдуардо (2000). «Содержание гидроксиметилфурфурола и метилфурфурола в избранных хлебобулочных изделиях». Food Research International. 33 (10): 833. Дои:10.1016 / S0963-9969 (00) 00102-2.
  33. ^ Абдулмалик, О; Сафо, МК; Чен, Q; Ян, Дж; Бругнара, К; Охене-Фремпонг, К; Авраам, диджей; Асакура, Т. (2005). «5-гидроксиметил-2-фурфурол модифицирует внутриклеточный серповидный гемоглобин и подавляет серповидность эритроцитов». Британский журнал гематологии. 128 (4): 552–61. Дои:10.1111 / j.1365-2141.2004.05332.x. PMID  15686467. S2CID  22342114.
  34. ^ «Разработка лекарств Aes-103». AesRx.
  35. ^ AOAC В архиве 2010-05-07 на Wayback Machine 980.23
  36. ^ Schultheiss, J .; Jensen, D .; Галенса, Р. (2000). «Определение альдегидов в пищевых продуктах с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии с биосенсорным соединением и микромембранными подавителями». Журнал хроматографии А. 880 (1–2): 233–42. Дои:10.1016 / S0021-9673 (99) 01086-9. PMID  10890522.
  37. ^ Гаспар, Эльвира М.С.М .; Лусена, Ана Ф.Ф. (2009). «Улучшенная методология ВЭЖХ для контроля пищевых продуктов - фурфурол и патулин как маркеры качества». Пищевая химия. 114 (4): 1576. Дои:10.1016 / j.foodchem.2008.11.097.
  38. ^ Канг, Ын-Сил; Хон, Ён-У; Чаэ, Да Вон; Ким, Бора; Ким, Бэкджин; Ким, Ён Джин; Чо, Джин Ку; Ким, Ён Гю (13 апреля 2015 г.). «От лигноцеллюлозной биомассы до фуранов через 5-ацетоксиметилфурфурол в качестве альтернативы 5-гидроксиметилфурфуролу». ChemSusChem. 8 (7): 1179–1188. Дои:10.1002 / cssc.201403252. ISSN  1864–564X. PMID  25619448.