反應(yīng)條件對糖-酸反應(yīng)體系中3-脫氧葡萄糖醛酮及5-羥甲基糠醛形成的影響

盧鍵媚，林曉蓉，陳忠正，李 斌，張媛媛

（華南農(nóng)業(yè)大學食品學院，廣東廣州 510642）

熱加工可有效地破壞食品中的酶和微生物，降低水分活度，有利于食品保藏。但是，熱加工也會促進內(nèi)源性污染物的產(chǎn)生，如3-脫氧葡萄糖醛酮（3-deoxyglucosone, 3-DG）和5-羥甲基糠醛（5-Hydroxymethylfurfural, 5-HMF）等[1?3]。研究發(fā)現(xiàn)，3-DG具有細胞毒性并會造成細胞損傷[4]，誘發(fā)糖尿病[5]；5-HMF會對人體的黏膜、皮膚和眼睛產(chǎn)生刺激作用[6?7]，并損傷肝、腎等器官[8?9]，對人體具有潛在危害。因此，研究食品中3-DG和5-HMF的生成規(guī)律迫在眉睫。

食品中的3-DG和5-HMF由己糖（果糖或葡萄糖）發(fā)生脫水反應(yīng)形成。3-DG的形成途徑有兩條：a.在美拉德反應(yīng)中，果糖或葡萄糖與氨基化合物反應(yīng)形成Schiff堿，Schiff堿環(huán)化形成不穩(wěn)定的Heyns和Amadori重排產(chǎn)物，pH≤7時通過烯醇化作用形成1,2-烯胺醇，該物質(zhì)隨后脫水形成3-DG[10?11]；b.在焦糖化反應(yīng)中，己糖在酸性條件下也可通過烯醇化作用生成3-DG[10]。3-DG可進一步脫水形成3,4-二脫氧葡萄糖醛酮（3,4-dideoxyglucosone, 3,4-DG），3,4-DG脫去一分子水并環(huán)化形成5-HMF[8,10]，所以3-DG是5-HMF的前體物質(zhì)之一。另外，在高溫和干燥條件下，果糖和蔗糖可以形成高活性的呋喃果糖陽離子，該物質(zhì)可直接轉(zhuǎn)化為5-HMF[12]。

3-DG和5-HMF廣泛存在于咖啡、曲奇、蜂蜜、果干等食品中[1,10]，但有關(guān)食品體系中3-DG和5-HMF形成規(guī)律的研究鮮有報道。因此，本實驗以果糖、葡萄糖、蔗糖和檸檬酸為材料，構(gòu)建糖-檸檬酸反應(yīng)體系，研究糖種類、pH、溫度、金屬離子種類和含不同價態(tài)硫的化合物對3-DG及5-HMF形成的影響，并采用零級動力學、一級動力學和二級動力學模型擬合3-DG和5-HMF的形成過程，旨在為糖酸含量豐富的食品中3-DG和5-HMF的形成與控制提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

5-羥甲基糠醛（5-HMF，純度≥98%，色譜純）上海源葉生物科技有限公司；3-脫氧葡萄糖醛酮（3-DG，純度≥95%，色譜純） 加拿大TRC公司；甲醇（色譜純） 美國Spectrum公司；檸檬酸、檸檬酸鈉、葡萄糖、果糖、蔗糖、氯化鉀、氯化鈣、氯化鎂、氯化鋁、硫代硫酸鈉、亞硫酸鈉、焦亞硫酸鈉、硫酸鈉、二乙三胺五乙酸（DETAPAC）、鄰苯二胺 分析純，北京普博欣生物科技責任有限公司。

Agilent 1200高效液相色譜儀 美國安捷倫公司；ZORBAX Eclipse XDB-C18液相色譜柱（4.6 mm×250 mm，5 μm） 美國安捷倫公司；Millipore型號超純水系統(tǒng) 美國Millipore公司；HH-1數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州金壇良友儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 反應(yīng)條件對糖-檸檬酸反應(yīng)體系中3-DG及5-HMF形成的影響

1.2.1.1 糖種類的影響 用pH3的0.1 mol/L檸檬酸緩沖液分別溶解果糖、蔗糖和葡萄糖，使其濃度為50 mmol/L，取2 mL于比色管中，在100 ℃下水浴反應(yīng)1~9 h后，冰水浴中冷卻至室溫（約25 ℃），定容后測定3-DG及5-HMF含量。

1.2.1.2 pH的影響 分別用pH為3、4、5、6的0.1 mol/L檸檬酸緩沖液溶解果糖，使其濃度為50 mmol/L，取2 mL于比色管中，在100 ℃下水浴反應(yīng)1~9 h后，冰水浴中冷卻至室溫（約25 ℃），定容后測定3-DG及5-HMF含量。

1.2.1.3 溫度的影響 用pH3的0.1 mol/L檸檬酸緩沖液溶解果糖，使其濃度為50 mmol/L，取2 mL于比色管中，分別置于70、80、90、100 ℃下水浴反應(yīng)1~9 h后，冰水浴中冷卻至室溫（約25 ℃），定容后測定3-DG及5-HMF含量。

1.2.1.4 金屬離子的影響 用pH3的0.1 mol/L檸檬酸緩沖液溶解果糖，并分別加入不同濃度的KCl、CaCl2、MgCl2或AlCl3，使果糖濃度為50 mmol/L，K+、Ca2+、Mg2+或Al3+的濃度為0、20、40、60、80、100 mmol/L。取2 mL混合液，置于100 ℃下水浴反應(yīng)5 h后，冰水浴中冷卻至室溫（約25 ℃），定容后測定3-DG及5-HMF含量。

1.2.1.5 含不同價態(tài)硫的化合物的影響 用pH3的0.1 mol/L檸檬酸緩沖液溶解果糖，并分別加入不同濃度的Na2S2O3、Na2SO3、Na2S2O5或Na2SO4（硫價態(tài)分別為+2、+4、+4、+6），使果糖濃度為50 mmol/L，各化合物的濃度分別為0、20、40、60、80、100 mmol/L。取2 mL混合液，置于100 ℃下水浴反應(yīng)5 h后，冰水浴中冷卻至室溫（約25 ℃），定容后測定3-DG及5-HMF含量。

1.2.2 標準曲線的繪制 濃度為1000 mg/L的3-DG或5-HMF儲備液的配制：分別稱取3-DG、5-HMF標準品10 mg（精確至0.0001 g）于10 mL容量瓶，一級水溶解并定容，4 ℃冰箱保存。

3-DG標準曲線制作：配制濃度分別為0.5、1.0、5.0、10.0、17.5和25.0 mg/L的3-DG標準工作液；取1 mL上述標準工作液，加入pH7、含18.5 mol/L DETAPAC、濃度為4 mg/mL的鄰苯二胺溶液，在60 ℃下水浴反應(yīng)1 h；反應(yīng)結(jié)束后，樣品經(jīng)0.22 μm聚醚砜濾膜過濾，高效液相色譜儀（High Performance Liquid Chromatography, HPLC）待測。以濃度為橫坐標、峰面積為縱坐標繪制3-DG標準曲線。

5-HMF標準曲線制作：配制濃度分別為0.1、1.0、5.0、10.0、20.0 mg/L的5-HMF標準工作溶液，經(jīng)0.22 μm聚醚砜濾膜過濾，HPLC待測。以濃度為橫坐標、峰面積為縱坐標繪制5-HMF標準曲線。

1.2.3 3-DG的測定方法 3-DG的檢測參考Hellwig等[13]的方法并稍作修改。3-DG的衍生方法如下：取反應(yīng)液1 mL，加入pH7、含18.5 mol/L的DETAPAC、濃度為4 mg/mL的鄰苯二胺溶液，60 ℃水浴1 h，用0.22 μm的聚醚砜濾膜過濾后，HPLC待測。3-DG的分析條件如下：色譜柱為ZORBAX Eclipse XDBC18（4.6 mm×250 mm, 5 μm），柱溫35 ℃；流動相為甲醇（A）和0.15%醋酸水溶液（B），流速為0.70 mL/min；洗脫條件為0~15 min，20%~50% A；15~18 min，50% A；18~20 min，50~20% A；20~28 min，20% A；檢測波長為314 nm，進樣量為20 μL。采用外標法定量，標準曲線為y=22.402x+1.4372，相關(guān)系數(shù)為0.9994。

1.2.4 5-HMF的測定方法 反應(yīng)液用0.22 μm的聚醚砜濾膜過濾后，利用HPLC分析。5-HMF的分析條件如下：色譜柱為ZORBAX Eclipse XDB-C18（4.6 mm×250 mm，5 μm），柱溫35 ℃；流動相為甲醇（A）和水（B），流速為0.60 mL/min；洗脫條件為0~16 min，10% A；16~17 min，10%~45% A；17~23 min，45% A；23~24 min，45%~10% A；24~33 min，10%A；檢測波長為284 nm，進樣量為20 μL。采用外標法定量，標準曲線為y=208.27x+7.4183，相關(guān)系數(shù)為0.9999。

1.2.5 模型建立 采用零級動力學、一級動力學和二級動力學3種模型分析反應(yīng)體系中3-DG和5-HMF的變化規(guī)律，其公式分別如下：

式中：t為反應(yīng)時間，h；C0為3-DG和5-HMF的起始濃度，mg/L；Ct為3-DG和5-HMF在t時間的濃度，mg/L；k0、k1和k2分別為零級動力學、一級動力學和二級動力學的反應(yīng)速率常數(shù)，mg·L?1·h?1、h?1和L·mg?1·h?1。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實驗結(jié)果以平均值±標準偏差表示；采用SAS 9.2軟件對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，顯著性檢驗水平為P=0.05；采用Origin8.0軟件繪制圖形；采用SPSS 19.0軟件進行動力學分析。

2 結(jié)果分析

2.1 糖的種類對糖-檸檬酸反應(yīng)體系中3-DG及5-HMF形成的影響

在pH3、糖液濃度為50 mmol/L、溫度100 ℃條件下，研究糖的種類（果糖、蔗糖和葡萄糖）對3-DG和5-HMF形成的影響，結(jié)果如圖1所示。從圖1A可知，隨加熱時間延長，3種糖-檸檬酸反應(yīng)體系中3-DG的生成量均逐漸增加，且果糖和蔗糖反應(yīng)體系3-DG生成量遠高于葡萄糖反應(yīng)體系；反應(yīng)結(jié)束時（9 h），果糖和蔗糖反應(yīng)體系中3-DG生成量分別為葡萄糖反應(yīng)體系的32.8和31.2倍。在果糖和蔗糖反應(yīng)體系中，3-DG的形成過程可分為兩個階段。a.快速形成階段（0~5 h）：兩反應(yīng)體系中3-DG生成量分別高達106.9和111.8 mg/L；b.緩慢形成階段（5~9 h）：兩反應(yīng)體系3-DG的量繼續(xù)逐漸增加，但增長趨勢變慢，僅分別增加了20.8和9.6 mg/L；反應(yīng)9 h時，兩反應(yīng)體系3-DG生成量分別達到127.7和121.4 mg/L的最大值。在酸性條件下加熱，蔗糖易發(fā)生水解形成葡萄糖和果糖。葡萄糖的結(jié)構(gòu)在溶液中較果糖穩(wěn)定，這導致單獨的葡萄糖體系形成3-DG的量較蔗糖和果糖體系少[14]。

圖1 糖種類對3-DG（A）和5-HMF（B）形成的影響Fig.1 Effects of sugar types on the formation of 3-DG（A） and 5-HMF（B）

5-HMF的形成如圖1B所示，隨加熱時間延長，果糖、蔗糖和葡萄糖反應(yīng)體系中5-HMF含量均逐漸增加，反應(yīng)9 h時，果糖和蔗糖反應(yīng)體系中5-HMF生成量分別達到159.9和149.6 mg/L的最大值，為葡萄糖反應(yīng)體系的30.8和28.8倍，該結(jié)果與張玉玉等[14]的研究一致。這是因為在酸性加熱條件下，蔗糖易發(fā)生水解形成葡萄糖和果糖，而水解產(chǎn)生的果糖是蔗糖反應(yīng)體系中形成5-HMF的主要反應(yīng)物，且果糖轉(zhuǎn)化成5-HMF的速率比葡萄糖快；另一方面，葡萄糖在水中以環(huán)狀的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在，不易發(fā)生烯醇化反應(yīng)，難以轉(zhuǎn)化為5-HMF[15]。因此，本實驗中果糖和蔗糖反應(yīng)體系5-HMF形成趨勢相似，且形成量遠多于葡萄糖。

采用零級動力學、一級動力學和二級動力學模型對3種反應(yīng)體系中3-DG和5-HMF生成過程進行擬合，結(jié)果如表1和表2所示。從表1可以看出，R2二級動力學>R2零級動力學>R2一級動力學，且二級動力學模型的R2均大于0.95，說明本研究條件下，3-DG的形成更符合二級動力學模型，即其生成量與加熱時間成對數(shù)關(guān)系。從表2可以看出，采用零級動力學模型分析5-HMF的形成時，各決定系數(shù)R2均大于0.95，說明其生成量與加熱時間成線性關(guān)系。以上動力學結(jié)果表明，二級動力學和零級動力學可以分別預測3種反應(yīng)體系中3-DG和5-HMF的形成。此外，蔗糖和果糖反應(yīng)體系中3-DG和5-HMF的反應(yīng)速率常數(shù)k均明顯大于葡萄糖反應(yīng)體系，說明這兩種反應(yīng)體系中3-DG和5-HMF的形成速率比葡萄糖反應(yīng)體系的更快。蔗糖和果糖反應(yīng)體系中，3-DG的反應(yīng)速率常數(shù)非常接近，5-HMF的速率常數(shù)也呈現(xiàn)相似規(guī)律，說明兩個體系3-DG和5-HMF的形成速率均較為接近，與圖1中兩反應(yīng)體系3-DG（A）和5-HMF（B）生成曲線一致的結(jié)果吻合。

表1 不同糖-檸檬酸反應(yīng)體系中3-DG的形成動力學分析Table 1 Kinetics analysis of 3-DG formation in different sugar-citric acid reaction systems

表2 不同糖-酸檸檬酸反應(yīng)體系中5-HMF的形成動力學分析Table 2 Kinetics analysis of 5-HMF formation in different sugar-citric acid systems

2.2 pH對果糖-檸檬酸反應(yīng)體系中3-DG及5-HMF形成的影響

在果糖濃度為50 mmol/L，溫度100 ℃條件下，研究pH（3~6）對3-DG和5-HMF形成的影響，結(jié)果如圖2所示。方差分析表明，pH對3-DG的形成具有顯著影響（P<0.05），且反應(yīng)體系pH越小，3-DG生成量越大；反應(yīng)結(jié)束時（9 h），pH3的反應(yīng)體系中3-DG生成量高達127.7 mg/L，分別是pH為4、5、6的1.2、1.6和4.1倍。其原因可能是：反應(yīng)體系pH的降低促進了果糖發(fā)生烯醇化反應(yīng)生成3-DG[10]。另外，pH4~6的反應(yīng)體系中，反應(yīng)后期（8~9 h）3-DG含量略有下降，這與3-DG化學性質(zhì)活潑可能進一步降解形成丙酮醛、5-HMF等產(chǎn)物有關(guān)[2]。

pH對5-HMF形成的影響如圖2B所示，pH的降低能顯著促進5-HMF形成（P<0.05），反應(yīng)9 h時，在pH3的反應(yīng)體系中，5-HMF生成量分別是pH為4、5、6反應(yīng)體系的1.3、5.7和69.4倍；這可能與低pH下3-DG（5-HMF的前體物）生成量增大有關(guān)。Pham等的研究發(fā)現(xiàn)，降低橙汁pH能促進5-HMF的形成[16]，陳醋中5-HMF含量與有機酸含量之間也存在正相關(guān)關(guān)系[17]，這與本實驗的規(guī)律一致。因此，在實際生產(chǎn)過程中可適當提高反應(yīng)體系pH以抑制3-DG和5-HMF的形成。

圖2 pH對3-DG（A）和5-HMF（B）形成的影響Fig.2 Effects of pH on the formation of 3-DG（A）and 5-HMF（B）

為探究不同pH下3-DG和5-HMF的生成規(guī)律，分別采用零級動力學、一級動力學和二級動力學模型對3-DG和5-HMF的生成過程進行擬合（pH為4、5、6的反應(yīng)體系中，3-DG生成量在后期呈現(xiàn)下降趨勢，故分別選取三者中1~8、1~6和1~3 h的時間段進行3-DG形成動力學分析），結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，R2二級動力學>R2零級動力學>R2一級動力學，且二級動力學模型的R2均大于0.92，說明3-DG的形成符合二級動力學模型，即其生成量與加熱時間成對數(shù)關(guān)系。5-HMF的動力學分析結(jié)果如表4所示，通過比較這3個動力學模型的R2，發(fā)現(xiàn)5-HMF的形成符合零級動力學模型（R2>0.90），其形成量與時間成線性關(guān)系。以上動力學結(jié)果表明，二級動力學和零級動力學可以分別較好地預測pH3~6的反應(yīng)體系中3-DG和5-HMF的形成。通過比較3-DG和5-HMF最適動力學模型的k值發(fā)現(xiàn)，k值均隨pH的降低而增大，說明pH越小，3-DG和5-HMF生成速率越高。

表3 不同pH下3-DG的形成動力學分析Table 3 Kinetics analysis of 3-DG formation under different pH values

表4 不同pH下5-HMF的形成動力學分析Table 4 Kinetics analysis of 5-HMF formation under different pH values

2.3 溫度對果糖-檸檬酸反應(yīng)體系中3-DG及5-HMF形成的影響

本實驗研究了pH3、果糖濃度為50 mmol/L條件下，溫度（70、80、90、100 ℃）對果糖-檸檬酸反應(yīng)體系中3-DG和5-HMF形成的影響，結(jié)果如圖3所示。方差分析結(jié)果表明，溫度顯著影響反應(yīng)體系3-DG及5-HMF的形成（P<0.05），且溫度越高，3-DG及5-HMF生成量越大。溫度70~90 ℃時，溫度每升高10 ℃，相同反應(yīng)時間下3-DG生成量約增加了1.9~3.3倍，但溫度從90 ℃提升至100 ℃時，其生成量增加了10.4~19.5倍。溫度對5-HMF形成的影響表現(xiàn)出類似的規(guī)律（圖3B），反應(yīng)9 h時，100 ℃條件下5-HMF的生成量分別為90、80、70 ℃的5.4、23.5和181.9倍。溫度提高對3-DG和5-HMF形成的促進作用體現(xiàn)在兩方面：一是溫度的提升可促進果糖的開環(huán)，而開環(huán)的果糖具有較高的反應(yīng)活性[18]；二是較高的溫度可促進烯醇化作用和脫水反應(yīng)，有利于果糖經(jīng)烯醇化作用形成3-DG，后者進一步脫水形成5-HMF[8,19]。此外，果糖的熔點為95 ℃，當溫度提高至100 ℃時，果糖已處于熔融狀態(tài)，該狀態(tài)下的果糖極易發(fā)生焦糖化反應(yīng)，導致3-DG和5-HMF大量形成[20]。

圖3 溫度對3-DG（A）和5-HMF（B）形成的影響Fig.3 Effects of temperature on the formation of 3-DG（A） and 5-HMF（B）

分別采用零級動力學、一級動力學和二級動力學模型對不同溫度下3-DG和5-HMF的形成過程進行擬合，結(jié)果如表5和表6所示。從表5可知，溫度100 ℃條件下，R2二級動力學>R2零級動力學>R2一級動力學，與零級動力學和一級動力學模型相比，采用二級動力學模型擬合3-DG的形成過程時，所得方程的R2更高，說明該模型可以很好地描述100 ℃時3-DG的形成；溫度為70、80和90 ℃時，零級動力學模型的R2最高，說明上述溫度條件下，3-DG的形成符合零級動力學模型。5-HMF的動力學結(jié)果如表6所示（在70 ℃條件下，反應(yīng)1~5 h內(nèi)無5-HMF形成，故該溫度下僅采用6~9 h的數(shù)據(jù)對5-HMF形成動力學進行分析），溫度在70~100 ℃時，零級動力學模型的R2更高，說明5-HMF的形成與時間成線性關(guān)系。上述動力學結(jié)果表明，在70~90和100 ℃條件下，3-DG的形成分別符合零級和二級動力學模型；零級動力學模型可用于預測70~100 ℃下5-HMF的形成。

表5 不同溫度下3-DG的形成動力學分析Table 5 Kinetics analysis of 3-DG formation at different temperatures

2.4 金屬離子種類對果糖-檸檬酸反應(yīng)體系中3-DG及5-HMF形成的影響

本研究在pH3、果糖濃度為50 mmol/L、溫度100 ℃、加熱5 h的條件下，分析金屬離子種類（K+、Ca2+、Mg2+及Al3+，0~100 mmol/L）對果糖-檸檬酸反應(yīng)體系3-DG及5-HMF形成的影響，結(jié)果如圖4所示。從圖4A可知，K+、Ca2+、Mg2+和Al3+離子的添加能顯著促進3-DG的形成（P<0.05），當其濃度分別為40、100、80、80 mmol/L時，對3-DG形成的促進作用最大，與對照相比，分別增加了12.2%、74.9%、26.6%和48.8%。然而，在一定濃度下，K+（20、60、80 mmol/L）、Mg2+（20 mmol/L）和Al3+（20 mmol/L）的添加對3-DG的形成與對照相比無顯著影響（P>0.05）。上述結(jié)果表明，金屬離子對果糖-檸檬酸反應(yīng)體系中3-DG形成的影響與其種類和濃度均有關(guān)。

離子種類對5-HMF形成的影響如圖4B所示。Ca2+、Mg2+和Al3+的添加可顯著促進5-HMF的形成（P<0.05），并且三者的促進作用隨其濃度的升高而增強，當其濃度為100 mmol/L時，5-HMF的生成量最大，分別高達165.2、129.9和539.2 mg/L，與對照相比，分別增加了125.5%、77.5%和623.3%。該結(jié)果與Mesías等[21]的研究結(jié)果一致。其原因可能為，Ca2+、Mg2+可催化己糖水解，形成具有高反應(yīng)活性的呋喃果糖陽離子，該物質(zhì)進一步轉(zhuǎn)化為5-HMF[22]。Al3+能同時促進3-DG（圖4A）和5-HMF的形成，但是其對5-HMF的促進作用遠大于3-DG，可能是因為Al3+催化果糖形成呋喃果糖陽離子的作用強于形成3-DG，前者則比3-DG更能有效轉(zhuǎn)化成5-HMF[23]。此外，從圖4B可知，K+對5-HMF的形成無顯著影響（P>0.05）。Wen等[24]發(fā)現(xiàn)K+可促進葡萄糖-天冬酰胺反應(yīng)體系中5-HMF的形成，這與本實驗結(jié)果不同，可能與反應(yīng)體系和反應(yīng)條件有關(guān)。

圖4 金屬離子對3-DG（A）和5-HMF（B）形成的影響Fig.4 Effects of metal ions on the formation of 3-DG（A） and 5-HMF（B）

2.5 含不同價態(tài)硫的化合物對果糖-檸檬酸反應(yīng)體系3-DG及5-HMF形成的影響

本研究在pH3、果糖濃度為50 mmol/L、溫度100 ℃、加熱5 h的條件下，分析了含不同價態(tài)硫的化合物（Na2S2O3、Na2SO3、Na2S2O5、Na2SO4，+2、+4、+4、+6，0~100 mmol/L）對果糖-檸檬酸反應(yīng)體系中3-DG和5-HMF形成的影響，結(jié)果如圖5所示。從圖5A可以看出：當Na2S2O3濃度為40 mmol/L時，其對3-DG的形成有明顯抑制作用，抑制率為7.1%，但其他濃度下對3-DG的形成無顯著影響（P>0.05），這表明Na2S2O3對3-DG的作用效果與其濃度有關(guān)；隨Na2SO3濃度增大，其對3-DG形成的抑制效果增強，當其濃度為100 mmol/L時，3-DG生成量與對照相比減少了30.4%，亞硫酸根可與糖類物質(zhì)的醛基形成加合物[20]，在本研究中，推測亞硫酸根可能通過與果糖發(fā)生縮合反應(yīng)，從而抑制3-DG的形成；Na2S2O5對3-DG的形成無顯著作用效果（P>0.05）；Na2SO4則可顯著促進3-DG的形成（P<0.05），且隨Na2SO4濃度從20 mmol/L提高至80 mmol/L，3-DG生成量增加了18.7%。上述結(jié)果表明，含不同價態(tài)硫的化合物對3-DG形成的影響不同，含低價態(tài)硫的化合物（+2、+4價）對3-DG的形成無顯著影響（P>0.05）或可抑制其形成，而含高價態(tài)（+6價）硫的化合物對其形成具有促進作用。

圖5 含不同價態(tài)硫的化合物對3-DG（A）和5-HMF（B）形成的影響Fig.5 Effects of compounds with different valences of sulfur on the formation of 3-DG（A） and 5-HMF（B）

含不同價態(tài)硫的化合物對5-HMF形成的作用效果與3-DG不同（圖5B）。首先，隨Na2SO4濃度增大，其對5-HMF形成的促進作用增強，當其濃度為100 mmol/L時，與對照相比，5-HMF生成量增加了70.6%，該結(jié)果與Sun等[25]的研究一致，其原因為Na2SO4可催化果糖轉(zhuǎn)化成5-HMF的反應(yīng)，促進5-HMF的形成。其次，Na2S2O3、Na2S2O5和Na2SO3則顯著抑制5-HMF的形成（P<0.05）；Na2S2O3濃度從40 mmol/L增加至100 mmol/L時，5-HMF生成量降低，5-HMF抑制率從11.2%提升至26.3%；Na2S2O5和Na2SO3對5-HMF的抑制有相似的規(guī)律，當濃度為40 mmol/L時，二者對5-HMF抑制率分別為99.1%和96.2%，但隨濃度（60~100 mmol/L）進一步增大，與40 mmol/L相比，二者對5-HMF的抑制效果已無顯著提升（P>0.05），這與Li等[26]的結(jié)果一致。Na2SO3的添加可同時抑制3-DG（圖5A）和5-HMF的形成，這表明Na2SO3引起5-HMF含量的減少與其抑制了5-HMF的前體物3-DG形成有關(guān)。此外，亞硫酸根可與5-HMF的羰基發(fā)生反應(yīng)，從而減少已生成5-HMF的量[27]。綜上所述，含低價態(tài)硫的化合物（+2、+4價）能抑制5-HMF的形成，而含高價態(tài)（+6價）硫的化合物對其形成具有促進作用。

3 結(jié)論

本研究分析了糖種類、pH、溫度、離子種類和含不同價態(tài)硫的化合物對糖-檸檬酸體系中3-DG和5-HMF形成的影響及二者的形成動力學。得出如下結(jié)論：

a.果糖和蔗糖較葡萄糖更容易轉(zhuǎn)化成3-DG及5-HMF，果糖/蔗糖-檸檬酸反應(yīng)體系中3-DG生成量分別高達127.7和121.4 mg/L，5-HMF的生成量分別高達159.9和149.6 mg/L。3-DG及5-HMF生成量隨pH（3~6）的提高而降低。溫度升高（70~100 ℃）可促進3-DG和5-HMF的生成。在70~90 ℃下，3-DG的形成符合零級動力學模型；100 ℃下，其形成符合二級動力學模型。在100 ℃條件下，5-HMF的形成符合零級動力學。

b.金屬離子種類和含不同價態(tài)硫的化合物對果糖-檸檬酸反應(yīng)體系3-DG及5-HMF的形成有顯著影響（P<0.05）。Ca2+、Mg2+、Al3+均能促進體系中3-DG和5-HMF的形成，且金屬離子濃度越高，二者生成量越大；K+僅能促進體系中3-DG的形成。硫價態(tài)為+2的Na2S2O3可抑制3-DG與5-HMF的形成，且對3-DG的抑制作用與其濃度有關(guān)；硫的價態(tài)為+4的化合物中，Na2SO3可同時抑制3-DG和5-HMF的形成，Na2S2O5對3-DG形成無顯著影響（P?0.05），但可抑制5-HMF的形成；硫價態(tài)為+6的Na2SO4對3-DG和5-HMF的形成起促進作用。本研究可為食品中3-DG和5-HMF的形成與控制提供理論參考。