Hidroximetilfurfural

El hidroximetilfurfural ( HMF ), también conocido como 5-(hidroximetil)furfural , es un compuesto orgánico formado por la deshidratación de azúcares reductores . ^{[ 4 ] [ 5 ]} Es un sólido blanco de bajo punto de fusión (aunque las muestras comerciales suelen ser amarillas) que es altamente soluble tanto en agua como en disolventes orgánicos. La molécula consta de un anillo de furano , que contiene grupos funcionales aldehído y alcohol .

El HMF puede formarse en alimentos que contienen azúcar, particularmente como resultado del calentamiento o la cocción. Su formación ha sido objeto de un estudio significativo, ya que se consideraba que el HMF era potencialmente carcinógeno para los humanos. Sin embargo, hasta el momento, la genotoxicidad in vivo ha sido negativa. No se puede derivar ninguna relevancia para los humanos en cuanto a efectos carcinógenos y genotóxicos. ^{[ 6 ]} El HMF se clasifica como un agente mejorador de alimentos ^{[ 7 ]} y se utiliza principalmente en la industria alimentaria como aditivo alimentario , como biomarcador y como agente aromatizante para productos alimenticios. ^{[ 8 ] [ 9 ]} También se produce industrialmente a pequeña escala ^{[ 10 ]} como materia prima neutra en carbono para la producción de combustibles ^{[ 11 ]} y otros productos químicos. ^{[ 12 ]}

Un estudio ha demostrado que las microgotas de agua pueden convertir azúcares reductores en HMF en la interfaz aire-agua en condiciones ambientales, sin necesidad de catalizadores ni aporte de energía externa. ^{[ 13 ]} La transformación se logró mediante la nebulización de soluciones acuosas de azúcar en microgotas, lo que proporciona una vía ecológica para la formación de HMF con altos rendimientos. Los resultados indican la posible escalabilidad de este método basado en microgotas para la producción sostenible de HMF.

El HMF se informó por primera vez en 1875 como un intermediario en la formación de ácido levulínico a partir de azúcar y ácido sulfúrico. ^{[ 14 ]} Esta sigue siendo la ruta clásica, con azúcares de 6 carbonos ( hexosas ) como la fructosa que experimentan polideshidratación catalizada por ácido. ^{[ 15 ] [ 16 ]} Cuando se usa ácido clorhídrico se produce 5-clorometilfurfural en lugar de HMF. Se observa una química similar con azúcares de 5 carbonos ( pentosas ), que reaccionan con ácido acuoso para formar furfural .

El enfoque clásico tiende a sufrir de bajos rendimientos ya que el HMF continúa reaccionando en ácido acuoso, formando ácido levulínico . ^{[ 4 ]} Como el azúcar generalmente no es soluble en disolventes que no sean agua, el desarrollo de reacciones de alto rendimiento ha sido lento y difícil; por lo tanto, mientras que el furfural se ha producido a gran escala desde la década de 1920, ^{[ 17 ]} el HMF no se produjo a escala comercial hasta más de 90 años después. La primera planta de producción entró en funcionamiento en 2013. ^{[ 10 ]} Se han desarrollado numerosas tecnologías sintéticas, incluido el uso de líquidos iónicos , ^{[ 18 ] [ 19 ]} extracción líquido-líquido continua , destilación reactiva y catalizadores ácidos sólidos para eliminar el HMF antes de que reaccione más o para promover su formación e inhibir su descomposición. ^{[ 20 ]}

El HMF está prácticamente ausente en los alimentos frescos, pero se genera naturalmente en los alimentos que contienen azúcar durante tratamientos térmicos como el secado o la cocción. Junto con muchas otras sustancias relacionadas con el sabor y el color, el HMF se forma en la reacción de Maillard , así como durante la caramelización . En estos alimentos también se genera lentamente durante el almacenamiento. Las condiciones ácidas favorecen la generación de HMF. ^{[ 23 ]} El HMF es un componente bien conocido de los productos horneados. Al tostar el pan, la cantidad aumenta de 14,8 (5 min.) a 2024,8  mg/kg (60 min). ^{[ 5 ]} También se forma durante el tueste del café, con hasta 769  mg/kg. ^{[ 24 ]}

Es un buen marcador de tiempo y temperatura de almacenamiento del vino , ^{[ 25 ]} especialmente en vinos dulces como el Madeira ^{[ 26 ]} y aquellos endulzados con arrope de concentrado de uva . ^{[ 27 ]}

El HMF se encuentra en bajas cantidades en la miel , los zumos de frutas y la leche UHT . En estos productos, así como en vinagres, mermeladas, bebidas alcohólicas o galletas, el HMF puede utilizarse como indicador de un tratamiento térmico excesivo. Por ejemplo, la miel fresca contiene menos de 15  mg/kg, dependiendo del pH, la temperatura y la edad, ^{[ 28 ]} y la norma del Codex Alimentarius exige que la miel tenga menos de 40  mg/kg de HMF para garantizar que no haya sido sometida a calentamiento durante su procesamiento, excepto en el caso de las mieles tropicales, cuyo contenido debe ser inferior a 80  mg/kg. ^{[ 29 ]}

Se encuentran cantidades más elevadas de HMF de forma natural en el café y la fruta deshidratada. Varios tipos de café tostado contenían entre 300 y 2900  mg/kg de HMF. ^{[ 30 ]} Se encontró que las ciruelas pasas contenían hasta 2200  mg/kg de HMF. En la cerveza negra  se encontraron 13,3 mg/kg, ^{[ 31 ]} los productos de panadería contenían entre 4,1 y 151  mg/kg de HMF. ^{[ 32 ]}

Se puede encontrar en el jarabe de glucosa .

El HMF puede formarse en el jarabe de maíz de alta fructosa  (JMAF), encontrándose niveles de alrededor de 20 mg/kg, que aumentan durante el almacenamiento o el calentamiento. ^{[ 28 ]} Esto representa un problema para los apicultores estadounidenses , ya que utilizan JMAF como fuente de azúcar cuando no hay suficientes fuentes de néctar para alimentar a las abejas , y el HMF es tóxico para ellas. La adición de bases como carbonato de sodio o potasa para neutralizar el JMAF ralentiza la formación de HMF. ^{[ 28 ]}

Según la tecnología de producción y el almacenamiento, los niveles de HMF en los alimentos varían considerablemente. Para evaluar la contribución de un alimento a la ingesta de HMF, es necesario considerar su patrón de consumo. El café es un alimento de gran relevancia en cuanto a los niveles de HMF y las cantidades consumidas.

El HMF es un componente natural de los alimentos cocinados, pero suele estar presente en bajas concentraciones. La ingesta diaria de HMF puede variar considerablemente según los patrones de consumo individuales. Se estima que la ingesta oscila entre 4  mg y 30 mg por persona al día, mientras que , por ejemplo, las bebidas elaboradas con ciruelas pasas pueden llegar a  consumir hasta 350 mg. ^{[ 6 ]} 

Un metabolito importante en los seres humanos es el ácido 5-hidroximetil-2-furoico (HMFA), también conocido como ácido de Sumiki, que se excreta en la orina.

El HMF se une a la hemoglobina falciforme intracelular (HbS). Estudios preliminares in vivo con ratones transgénicos con anemia falciforme demostraron que la administración oral de 5HMF inhibe la formación de células falciformes en la sangre. ^{[ 33 ]} Bajo el código de desarrollo Aes-103, el HMF se ha considerado para el tratamiento de la anemia falciforme . ^{[ 34 ]}

Actualmente, la HPLC con detección UV es el método de referencia (p. ej., DIN 10751–3). Los métodos clásicos para la cuantificación de HMF en alimentos utilizan fotometría . El método según White es una fotometría UV diferencial con y sin reducción de HMF con bisulfito de sodio . ^{[ 35 ]} El método fotométrico de Winkler es una reacción de color que utiliza p- toluidina y ácido barbitúrico ( DIN 10751–1). Las pruebas fotométricas pueden ser inespecíficas, ya que también pueden detectar sustancias relacionadas, lo que lleva a resultados más altos que las mediciones por HPLC. También hay disponibles kits de prueba para análisis rápidos (p. ej., Reflectoquant HMF, Merck KGaA). ^{[ 36 ] [ 37 ]}

El HMF es un intermediario en la titulación de hexosas en la prueba de Molisch . En la prueba de Bial, relacionada con la anterior , para las pentosas, el hidroximetilfurfural procedente de las hexosas puede dar lugar a una solución de color marrón turbio o gris, pero esta se distingue fácilmente del color verde de las pentosas.

El acetoximetilfurfural (AMF) también es un producto químico de plataforma verde de origen biológico como alternativa al HMF. ^{[ 38 ]}