Journal of Advances in Physical Chemistry
Vol.2 No.3(2013), Article ID:12161,5 pages DOI:10.12677/JAPC.2013.23005
Influencing Factors and Removing Method of 5-Hydroxymethylfurfural (5-HMF) Generated in High Fructose Corn Syrup
Xiwang Group, Zouping
Email: *454130150@qq.com
Received: Apr. 22nd, 2013; revised: May 15th, 2013; accepted: May 22nd, 2013
Copyright © 2013 Jian Zhang et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
ABSTRACT：
5-Hydroxymethylfurfural (HMF) is a substance generated in the producing process of high fructose corn syrup, which is harmful to the flavor of products and human healthy. Single factor experiment and orthogonal experiment design were adopted to investigate the factors influencing the generation of 5-HMF. The results indicated that 5-HMF increases as the temperature rises. 5-HMF produces less at pH 4 - 5. The stronger acidity of the syrup leads to generate more 5-HMF. The 5-HMF increases faster at higher concentrations (DS > 70%). The reaction time is proportional to 5-HMF generation. Orthogonal experiments showed that the influencing effects of factor were followed as: temperature > time > concentrations > pH value. Moreover, the removing method of 5-HMF by using granular activated carbons was also studied in the work. The results might be very meaningful to provide evidence for process control of high fructose corn syrup.
Keywords: High Fructose Corn Syrup; 5-Hydroxymethylfurfural; Granular Activated Carbons
果葡糖浆中5-HMF生成影响因素及其去除方法
张 健，孙学谦*，崔 强，李秋红，李 伟，王 一
西王集团有限公司，邹平
Email: *454130150@qq.com
摘 要：
5-羟甲基糠醛(HMF)是在果葡糖浆生产过程中可能产生的一种物质，会对产品的口感风味和人身健康带来一定的影响。本论文通过单因素实验和正交实验设计，对影响果葡糖浆中HMF产生的影响因素进行了研究。实验表明：温度越高HMF越易产生；pH控制在4~5 HMF产生较少，酸性较强容易产生HMF；干物浓度较高时(>70%)，HMF产生的速度较快；操作时间与HMF的产生量成正比关系。正交实验显示，各个影响因素中对HMF产生的影响：温度 > 时间 > 干物浓度 > pH。本论文还对颗粒活性炭去除HMF的方法进行了简单介绍和研究，为公司生产工艺的控制提供了必要的依据。
收稿日期：2013年4月22日；修回日期：2013年5月15日；录用日期：2013年5月22日
关键词：果葡糖浆；5-羟甲基糠醛；颗粒活性炭
1. 引言
果葡糖浆是以葡萄糖为原料生产结晶果糖的中间过程产物，是一种含有果糖和葡萄糖的混合糖浆，也可以作为独立的甜味剂商品进行生产。果葡糖浆中因含有果糖这种单糖成分而具有协同增效、冷甜爽口、在肝脏中代谢较快、对胰岛素的依赖较小等特性[1]。果葡糖浆作为一种能够满足人们健康需求的新型甜味剂，已经被广泛应用在饮料生产和食品加工中，甚至在医药领域，果糖液有取代葡萄糖大输液的迹象[2]。
5-羟甲基糠醛(5-Hydroxymethylfurfural，简称HMF)是在果葡糖浆生产过程中可能产生的一种物质，会对产品的口感风味带来一定的影响，特别是国内外均有研究报道HMF对人体横纹肌及内脏有损害，且具有神经毒性，能与人体蛋白质结合产生蓄积中毒，甚至有研究称HMF的磺化作用对实验鼠有致突变和致癌性[3,4]，故在含葡萄糖或其他单糖的制剂中HMF已经作为一种重要的有关物质加以控制[5]。如国际蜂蜜协会制定的限量为80 mg/kg；欧盟规定儿童用果汁中HMF的限量为20 mg/kg；国际饮料科技协会(ISBT)规定果葡糖浆中HMF的限量为75 mg/kg。但是我们国家标准和轻工行业标准中均未对HMF的含量提出技术要求，只有少数公司明确要求国内果葡糖浆生产商将HMF作为产品的检验项目[1]。随着人们对健康生活产品的追求，严格控制果葡糖浆中HMF的含量就成为必然，并且在果葡糖浆中HMF超标的情况下，要通过后处理降低果葡糖浆中HMF的含量，以得到合格的果葡糖浆产品。国内外关于HMF生成的影响因素研究主要集中在葡萄糖注射液方面[6,7]，对于果葡糖浆中HMF的生成影响因素没有涉及。对果葡糖浆中HMF的去除也只有介绍粉末活性炭去除方法[8]。本论文对影响果葡糖浆中HMF生成的温度、干物浓度、pH值、放置时间等因素进行了详细的研究，并对颗粒活性炭去除果葡糖浆中HMF的方法进行了相关研究，使最终得到的果葡糖浆中HMF的含量低于20 mg/kg，为生产上工艺条件的控制和HMF的去除工艺提供参考依据。
2. 主要仪器和试剂
PB-10pH计(上海)；B-260恒温水浴锅(上海)；DT-500电子天平(常熟)；WAY-ZT阿贝折光仪(上海)；BSA224S分析天平(天津)；BT300-01恒流泵(保定)；UV-7504c紫外分光光度计(上海)颗粒活性炭(食品级，美国)；结晶果糖(食品级，山东西王药业有限公司生产)；结晶葡萄糖(食品级，山东西王糖业有限公司生产)；果葡糖浆(食品级，山东西王药业有限公司生产)。
3. 实验方法
3.1. HMF的检测方法
果葡糖浆样品稀释至干物浓度为1%，用紫外可见分光光度计在283 nm处测定吸光度，根据下面公式测得糠醛含量[9]：
X = (A × 0.749)/C
式中：
X——5-羟甲基糠醛的含量，%；
A——样液的吸光值；
0.749——消光系数和其他分子质量单位和体积变化的复合比例常数；
C——做水分和灰分校正后的样液的浓度，单位为毫克每毫升(mg/mL)。
3.2. 各个影响因素对果葡糖浆中HMF含量的 影响
3.2.1. 温度对HMF产生的影响
将结晶果糖和结晶葡萄糖按一定的比例混合配制成干物浓度为70%的F42果葡糖浆，调节pH值为5.0，将样品均分为6份，分别置于30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃水浴锅中放置48 h后测定不同温度处理的样品的HMF值。
3.2.2. pH值对HMF产生的影响
将结晶果糖和结晶葡萄糖按一定的比例混合配制成干物浓度为70%的F42果葡糖浆，将样品均分为6份，调节pH值分别为2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5，置于70℃水浴锅中放置48 h后测定不同pH值条件下的样品的HMF值。
3.2.3. 干物浓度对HMF产生的影响
将结晶果糖和结晶葡萄糖按一定的比例混合配制成干物浓度分别为30%、40%、50%、60%、70%、80%的F42果葡糖浆，调节样品pH值为5.0，置于70℃水浴锅中放置48 h后测定不同干物浓度下样品的HMF值。
3.2.4. 处理时间对HMF产生的影响
将结晶果糖和结晶葡萄糖按一定的比例混合配制成干物浓度为70%的F42果葡糖浆，调节pH值分别为5.0，将样品均分为6份，于70℃水浴锅中放置24 h、36 h、48 h、60 h、72 h、96 h后测定不同样品的HMF值。
3.2.5. HMF产生影响因素正交试验设计
根据单因素实验结果，进一步验证各个生产条件对果葡糖浆中HMF含量的影响大小，选取温度、pH值、干物浓度和反应时间为实验因素，进行正交实验，确定影响HMF的显著因素以及各因素影响大小，设计如表1。根据正交实验设计表进行实验，实验结果如表2所示。
3.3. 颗粒活性炭在果葡糖浆脱糠醛中的应用
3.3.1. 接触时间对颗粒活性炭达到95%脱糠醛率的 影响
将经过预处理的干物浓度在50%的果葡糖浆65℃下分别以不同的流速通过雅克比颗粒活性炭柱时会有不同的接触时间，通过测定0.5 h、1 h、1.5 h、2 h等不同接触时间下，颗粒活性炭达到95%脱糠醛率时的用炭量，确定一个合适的进料速度。
3.3.2. 进料温度对颗粒活性炭除糠醛的影响
预处理6个颗粒活性炭平行碳柱，分别设定不同的温度30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃，将经过预处理好的干物浓度为50%的果葡糖浆以16 mL/min的速率通过装有450 mL颗粒活性炭的炭柱，实验开始后每隔900 mL(2 BV)流出样，分别在每个柱子底部取样测糠醛含量，直至出料的糠醛含量大于200 mg/kg，停止取样。记录每个炭柱的取样总量，选择合适的进料温度。
3.3.3. 进料浓度对颗粒活性炭除糠醛的影响
预处理5个颗粒活性炭平行碳柱，分别将预处理
Table 1. Orthogonal design for influence factors to HMF content
表1. HMF含量影响因素正交实验设计表
Table 2. Results of orthogonal experiment
表2. HMF影响因素正交实验结果
好的干物浓度为30%、40%、50%、60%、70%的果葡糖浆在温度为65℃条件下以16 mL/min的速率通过装有450 mL颗粒活性炭的炭柱，实验开始后每隔900 mL(2 BV)流出样，分别在每个柱子底部取样测糠醛含量，直至出料的糠醛含量大于200 mg/kg，停止取样，然后将收集到的料液稀释或者浓缩到干物浓度为50%，稀释或浓缩后所得到的体积记为每个颗粒活性炭柱的料液处理体积，观察不同的进料浓度对颗粒活性炭除糠醛量的影响。
3.3.4. 进料pH值对颗粒活性炭除糠醛的影响
预处理4个颗粒活性炭平行碳柱，将干物浓度为50%的果葡糖浆分别调至pH为4.5、5.5、6.5、7.5，然后在温度为65℃条件下以16 mL/min的速率通过装有450 mL颗粒活性炭的炭柱，实验开始后每隔900 mL(2 BV)流出样，分别在每个柱子底部取样测糠醛含量，直至出料的糠醛含量大于200 mg/kg，停止取样。记录每个炭柱的取样总量，观察进料pH值对颗粒活性炭除糠醛量的影响。
4. 结果与讨论
4.1. 温度对HMF产生的影响
HMF作为糖的降解产物，果葡糖浆在高压灭菌或储存过程中，其中的果糖或葡萄糖在高温的条件下会产生HMF。一般认为产生HMF的反应底物是单糖，但也有研究报道是其中的葡萄糖或果糖置换为蔗糖，蔗糖在高温条件下产生具有高活性的呋喃果糖基离子造成的。HMF的产生机理表明温度对果葡糖浆产生HMF的影响很大[10]。由图1可以看出，温度升高，HMF含量快速增加。当温度低于50℃时，HMF产生的速率比较慢，当温度高于50℃时，HMF产生速率显著增加，并且温度越高，越容易产生HMF，因此在生产过程中控制料液温度低于50℃为宜。
4.2. pH值对HMF产生的影响
由图2可以看出，当料液的pH值低于4.5时，HMF的含量变化比较明显，当pH值在4.5以上时，HMF含量变化不大，说明pH值在4.5~7.5时对葡萄糖分解产物5-HMF含量的影响不大。这个结论与聂小娃[11]等在文章中表述的H+对果糖降解为HMF的影响机理相一致。因此，生产上应该尽量避免低pH值情况的出现。
Figure 1. Effects of HFCS temperature on the HMF content
图1. 果葡糖浆温度对HMF含量的影响
4.3. 干基浓度对HMF产生的影响
当溶液中葡萄糖浓度增加时，单位时间内降解产生的HMF越多。由图3可以看出，果葡糖浆干物浓度超过70%时，HMF含量增加明显，这与国内外的一些研究的结果也较为一致[12,13]可见，在食品加工过程中，适当控制作为食品加工原料的果葡糖浆干物浓度对于减少HMF的生成具有很重要的指导意义。
4.4. 处理时间对HMF产生的影响
由图4可以看出，其他条件相同的平行果葡糖浆样品，放置时间越长，5-HMF的含量越高，但是比较短的时间内，5-HMF的含量变化并不明显。张玉玉等人[12]的也在其研究中指出，食品加工环境中的诸多因素对于糠醛及HMF的生成量影响显著，比如在反应温度、时间、等体系因素改变时，都会影响HMF反应的进程。
Figure 2. Effects of HFCS pH on the HMF content
图2. 果葡糖浆pH值对HMF含量的影响
Figure 3. Effects of HFCS concentration on the HMF content
图3. 果葡糖浆浓度对HMF含量的影响
Figure 4. Effects of treating time of HFCS on the HMF content
图4. 果葡糖浆处理时间对HMF含量的影响
4.5. HMF产生影响因素正交试验结果
根据单因素实验结果设计了正交实验，正交实验结果如表2所示。从正交实验结果的极差分析看，各个操作条件中对HMF产生的影响主次因素为：温度 > 时间 > 干物浓度 > pH。极差值显示，温度对HMF产生的影响是显著因素。其中，温度越高HMF越容易产生；pH控制在4~5左右HMF产生较少，酸性较强的条件容易产生HMF；从干物浓度的影响看，干物浓度较高时(>70%)，HMF产生的速度较快；而操作时间的影响则表现为操作时间短，产生的HMF少，随着操作时间的延长HMF产生的量也增加。方差分析表显示，温度对HMF产生的影响是极其显著的，pH、干物浓度和处理时间对HMF产生的影响也是显著的。因此，实际生产过程中应严格控制温度。
4.6. 接触时间对雅可比颗粒活性炭达到95%脱 糠醛率的影响
由表3不难看出，接触时间越长所使用的颗粒活性炭量越小，生产上为了提高效率，节约缩短生产周期，进一步降低糠醛的产生率，一般选用分柱填充，降低接触时间的方法，应结合穿透曲线选择合适的接触时间。
4.7. 进料温度对颗粒活性炭除糠醛的影响
根据图5所示的结果：颗粒活性炭的最佳吸附能力发挥温度为60℃~70℃，70℃以下随着温度的升高，颗粒活性炭对糠醛的吸附量增加，可处理的料液量多，70℃以上颗粒活性炭的吸附力开始下降，料液处理量减少，生产上一般选60℃为进料温度。
4.8. 进料浓度对颗粒活性炭除糠醛的影响
根据图6所示的结果：对于一定体积的颗粒碳柱，在一定的流量下，果葡糖浆的浓度对炭柱的料液处理量有很大的影响。当料液的干物浓度低于50%时，颗粒碳柱的处理量变化并不明显，但是过低的浓度会使
Table 3. Different contact time corresponding the GAC quantity consumed for the same decolourization ratio
表3. 不同的接触时间与达到脱色率要求的用炭量
Figure 5. HFCS temperature influence to the GAC effect
图5. 进料温度对颗粒活性炭除糠醛的影响
Figure 6. HFCS content influence to the GAC effect
图6. 进料浓度对颗粒活性炭除糠醛的影响
Figure 7. HFCS pH influence to the GAC effect
图7. 进料pH值对颗粒活性炭除糠醛的影响
颗粒活性炭对糠醛的吸附速率变慢，操作时间延长并且会增加后处理强度；当葡萄糖浆的干物浓度超过50%时，颗粒活性炭对料液的处理量有明显的减少，这是因为果葡糖浆的糠醛来不及被颗粒活性炭吸附就随着料液漏出，并且高浓度的果葡糖浆上柱后容易造成结柱，颗粒活性炭分节、进气泡甚至会浮起。因此，控制果葡糖浆进料浓度维持在50%左右比较有利。
4.9. 进料pH值对颗粒活性炭除糠醛的影响
由图7可以看出果葡糖浆的pH值对颗粒活性炭吸附糠醛的影响不明显，因此，生产工艺中对于颗粒活性炭柱的进料pH值并无严格的要求，进炭柱维持异构柱出料的pH值即可。
5. 结论
1) 根据果葡糖浆中糠醛产生影响因素的单因素实验和正交实验，各个操作条件中对HMF产生的影响：温度 > 时间 > 干物浓度 > pH。其中，温度越高HMF越容易产生；pH控制在4~5左右HMF产生较少，酸性较强的条件容易产生HMF；从干物浓度的影响看，干物浓度较高时(>70%)，HMF产生的速度较快；而操作时间的影响则表现为操作时间短，产生的HMF少，随着操作时间的延长HMF产生的量也增加。极差值显示，温度对HMF产生的影响是显著的。由于本实验的各个影响因素是对生产过程中容易产生HMF的环节进行的模拟，但是因为生产过程中各个工段的工艺条件无法都按此标准进行，所以此结果只对生产工艺的制备提供参数指导意义，具体工艺参数的确定还要根据生产实际。
2) 颗粒活性炭正常工作时的工作条件：进料温度一般为65℃，进料浓度为50%左右，进料pH值一般控制在4.5~5.5，一般选用分柱填充，结合穿透曲线选择合适的接触时间。颗粒活性炭经过70℃热水处理后可以重复利用，相较于现在生产中用的粉末活性炭，大大降低了生产成本，此实验结果可以作为生产工艺改进的依据。由于颗粒活性碳品质的不同，去除糠醛的效率也不一样，可以对不同品牌的颗粒活性炭进行对比实验，选择比较经济的方案。
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NOTES
*通讯作者。