هيدروكسي ميثيل فورفورال

هيدروكسي ميثيل فورفورال ( HMF )، المعروف أيضًا باسم 5-(هيدروكسي ميثيل) فورفورال ، هو مركب عضوي يتكون من نزع الماء من السكريات المختزلة . ^{[ 4 ] [ 5 ]} وهو مادة صلبة بيضاء منخفضة الانصهار (على الرغم من أن العينات التجارية غالبًا ما تكون صفراء اللون) شديدة الذوبان في كل من الماء والمذيبات العضوية. يتكون الجزيء من حلقة فوران ، تحتوي على مجموعتي ألدهيد وكحول وظيفيتين .

يمكن أن يتكون مركب HMF في الأطعمة المحتوية على السكر، خاصةً نتيجة التسخين أو الطهي. وقد حظي تكوينه باهتمام كبير في الدراسات، إذ اعتُبر HMF مادةً مسرطنةً محتملةً للإنسان. ومع ذلك، لم تُثبت حتى الآن أي آثار سمية جينية في الجسم الحي. ولا توجد أي صلة بينه وبين تأثيراته المسرطنة أو السامة للجينات على الإنسان. ^{[ 6 ]} يُصنف HMF كعامل لتحسين جودة الأغذية ^{[ 7 ]} ، ويُستخدم بشكل أساسي في صناعة الأغذية كمضاف غذائي، وكمؤشر حيوي، وكعامل منكه للمنتجات الغذائية. ^{[ 8 ] [ 9 ]} كما يُنتج صناعيًا على نطاق محدود ^{[ 10 ]} كمادة خام محايدة للكربون لإنتاج الوقود ^{[ 11 ]} ومواد كيميائية أخرى. ^{[ 12 ]}

أشارت دراسة إلى أن قطرات الماء الدقيقة قادرة على تحويل السكريات المختزلة إلى هيدروكسي ميثيل فورفورال (HMF) عند سطح التماس بين الهواء والماء في الظروف المحيطة، دون الحاجة إلى محفزات إضافية أو طاقة خارجية. ^{[ 13 ]} وقد تحقق هذا التحويل عن طريق رش محاليل السكر المائية على شكل قطرات دقيقة، مما يوفر طريقة صديقة للبيئة لإنتاج HMF بعوائد عالية. وتشير النتائج إلى إمكانية تطبيق هذا النهج القائم على القطرات الدقيقة على نطاق واسع لإنتاج HMF بشكل مستدام.

تم الإبلاغ عن HMF لأول مرة عام 1875 كوسيط في تكوين حمض الليفولينيك من السكر وحمض الكبريتيك. ^{[ 14 ]} ولا تزال هذه هي الطريقة الكلاسيكية، حيث تخضع السكريات السداسية الكربون ( الهكسوزات ) مثل الفركتوز لعملية نزع الماء المتعددة المحفزة حمضياً. ^{[ 15 ] [ 16 ]} عند استخدام حمض الهيدروكلوريك، ينتج 5-كلوروميثيل فورفورال بدلاً من HMF. وتُلاحظ تفاعلات كيميائية مماثلة مع السكريات الخماسية الكربون ( البنتوزات )، التي تتفاعل مع الحمض المائي لتكوين فورفورال .

يعاني النهج التقليدي عادةً من انخفاض المردود نظرًا لاستمرار تفاعل HMF في الوسط الحمضي المائي، مُكَوِّنًا حمض الليفولينيك . ^{[ 4 ]} ولأن السكر لا يذوب عمومًا في المذيبات الأخرى غير الماء، فقد كان تطوير تفاعلات عالية المردود بطيئًا وصعبًا؛ لذا، فبينما يُنتَج الفرفورال على نطاق واسع منذ عشرينيات القرن الماضي، ^{[ 17 ]} لم يُنتَج HMF على نطاق تجاري إلا بعد أكثر من 90 عامًا. وقد بدأ تشغيل أول مصنع إنتاجي في عام 2013. ^{[ 10 ]} وقد طُوِّرت العديد من التقنيات التركيبية، بما في ذلك استخدام السوائل الأيونية ، ^{[ 18 ] [ 19 ]} والاستخلاص السائل-السائل المستمر ، والتقطير التفاعلي ، والمحفزات الحمضية الصلبة ، إما لإزالة HMF قبل تفاعله بشكل أكبر أو لتعزيز تكوينه ومنع تحلله. ^{[ 20 ]}

يكاد مركب HMF يكون معدومًا في الأطعمة الطازجة، ولكنه يتكون طبيعيًا في الأطعمة المحتوية على السكر أثناء عمليات المعالجة الحرارية كالتجفيف والطهي. ويتشكل HMF، إلى جانب العديد من المواد الأخرى المسؤولة عن النكهة واللون، في تفاعل ميلارد وكذلك أثناء الكرملة . كما يتكون ببطء في هذه الأطعمة أثناء التخزين. وتُحفز الظروف الحمضية تكوّن HMF. ^{[ 23 ]} يُعد HMF مكونًا معروفًا في المخبوزات. فعند تحميص الخبز، تزداد كميته من 14.8 ملغم/كغم (بعد 5 دقائق) إلى 2024.8  ملغم/كغم (بعد 60 دقيقة). ^{[ 5 ]} كما يتكون أيضًا أثناء تحميص القهوة، حيث تصل كميته إلى 769  ملغم/كغم. ^{[ 24 ]}

يُعد مؤشراً جيداً لوقت ودرجة حرارة تخزين النبيذ ، ^{[ 25 ]} وخاصة في أنواع النبيذ الحلو مثل ماديرا ^{[ 26 ]} وتلك المحلاة بمركز العنب أروب . ^{[ 27 ]}

يوجد الهيدروكسي ميثيل فورفورال (HMF) بكميات قليلة في العسل وعصائر الفاكهة والحليب المعالج بالحرارة العالية (UHT) . ويمكن استخدامه، كما هو الحال في الخل والمربى والمشروبات الكحولية والبسكويت، كمؤشر على المعالجة الحرارية الزائدة. فعلى سبيل المثال، يحتوي العسل الطازج على أقل من 15  ملغم/كغم، وذلك تبعًا لدرجة الحموضة ودرجة الحرارة وعمر العسل ^{[ 28 ]} . ويشترط معيار دستور الأغذية ألا يتجاوز محتوى الهيدروكسي ميثيل فورفورال في العسل 40  ملغم/كغم لضمان عدم تعرضه للتسخين أثناء التصنيع، باستثناء أنواع العسل الاستوائية التي يجب ألا يتجاوز محتواها 80  ملغم/كغم ^{[ 29 ] .}

توجد كميات أكبر من الهيدروكسي ميثيل فورفورال (HMF) بشكل طبيعي في القهوة والفواكه المجففة. احتوت أنواع عديدة من القهوة المحمصة على ما بين 300 و2900  ملغم/كغم من الهيدروكسي ميثيل فورفورال. ^{[ 30 ]} وُجد أن البرقوق المجفف يحتوي على ما يصل إلى 2200 ملغم/كغم من الهيدروكسي ميثيل فورفورال. وُجد  في البيرة الداكنة 13.3 ملغم/كغم، ^{[ 31 ]} بينما احتوت منتجات المخابز على ما بين 4.1 و151 ملغم/كغم من الهيدروكسي ميثيل فورفورال. ^{[ 32 ]}  

يمكن العثور عليه في شراب الجلوكوز .

يمكن أن يتكون مركب HMF في شراب الذرة عالي الفركتوز (HFCS)،  حيث وُجدت مستويات منه تصل إلى حوالي 20 ملغم/كغم، وتزداد هذه المستويات أثناء التخزين أو التسخين. ^{[ 28 ]} يمثل هذا مشكلة لمربي النحل الأمريكيين لأنهم يستخدمون شراب الذرة عالي الفركتوز كمصدر للسكر عندما لا تتوفر مصادر كافية من الرحيق لتغذية النحل ، ومركب HMF سامٌّ له. يؤدي إضافة قواعد مثل رماد الصودا أو البوتاس لمعادلة شراب الذرة عالي الفركتوز إلى إبطاء تكوّن مركب HMF. ^{[ 28 ]}

تختلف مستويات الهيدروكسي ميثيل فورفورال (HMF) في الأطعمة اختلافًا كبيرًا تبعًا لتقنيات الإنتاج والتخزين. ولتقييم مساهمة أي طعام في استهلاك الهيدروكسي ميثيل فورفورال، يجب مراعاة نمط استهلاكه. يُعدّ القهوة من الأطعمة ذات الأهمية الكبيرة من حيث مستويات الهيدروكسي ميثيل فورفورال وكمياته المستهلكة.

يُعدّ الهيدروكسي ميثيل فورفورال (HMF) مكونًا طبيعيًا في الأطعمة المُسخّنة، ولكنه عادةً ما يوجد بتراكيز منخفضة. وقد يُعزى التباين الكبير في الكمية اليومية المُتناولة من الهيدروكسي ميثيل فورفورال إلى أنماط الاستهلاك الفردية. وتشير التقديرات إلى أن الكمية المُتناولة تتراوح بين 4  و30  ملغ للشخص الواحد يوميًا، بينما  قد تصل الكمية المُتناولة إلى 350 ملغ، على سبيل المثال، من المشروبات المصنوعة من البرقوق المجفف. ^{[ 6 ]}

يُعد حمض 5-هيدروكسي ميثيل-2-فورويك (HMFA)، المعروف أيضًا باسم حمض سوميكي، أحد المستقلبات الرئيسية في البشر، والذي يتم إفرازه في البول.

يرتبط مركب HMF بالهيموجلوبين المنجلي (HbS) داخل الخلايا. أظهرت دراسات أولية أجريت على فئران معدلة وراثيًا مصابة بفقر الدم المنجلي أن تناول 5HMF عن طريق الفم يثبط تكوين الخلايا المنجلية في الدم. ^{[ 33 ]} وبموجب رمز التطوير Aes-103، تم النظر في استخدام HMF لعلاج فقر الدم المنجلي . ^{[ 34 ]}

يُعدّ التحليل الكروماتوغرافي السائل عالي الأداء مع الكشف بالأشعة فوق البنفسجية الطريقة المرجعية اليوم (مثل DIN 10751-3). وتستخدم الطرق التقليدية لتحديد كمية HMF في الأغذية قياس الضوء . تعتمد طريقة وايت على قياس الضوء التفاضلي بالأشعة فوق البنفسجية مع وبدون اختزال HMF باستخدام بيسلفيت الصوديوم . ^{[ 35 ]} أما طريقة وينكلر الضوئية فهي تفاعل لوني باستخدام بارا- تولويدين وحمض الباربيتوريك ( DIN 10751-1). قد يكون اختبار قياس الضوء غير دقيق، إذ قد يكشف أيضًا عن مواد ذات صلة، مما يؤدي إلى نتائج أعلى من قياسات HPLC. كما تتوفر مجموعات اختبار للتحليلات السريعة (مثل Reflectoquant HMF، من شركة Merck KGaA). ^{[ 36 ] [ 37 ]}

يُعدّ HMF وسيطًا في معايرة السكريات السداسية في اختبار مولش . وفي اختبار بيال ذي الصلة للسكريات الخماسية، قد يُعطي هيدروكسي ميثيل فورفورال الناتج عن السكريات السداسية محلولًا بنيًا عكرًا أو رماديًا، ولكن يمكن تمييز هذا اللون بسهولة عن اللون الأخضر للسكريات الخماسية.

يُعد أسيتوكسي ميثيل فورفورال (AMF) أيضًا من المواد الكيميائية الخضراء المشتقة حيويًا كبديل لـ HMF. ^{[ 38 ]}