2.2　呋喃

呋喃是一个五元不饱和环状醚类（C₄H₄O），如图2-1所示。它是易挥发的无色液体，沸点是31.4℃，在水中的溶解度差，但溶于有机溶剂。呋喃在商业上用作化学中间体或溶剂，它作为香烟燃烧后存在于烟气中的一种成分已为人们所熟知。呋喃也是多氯代二苯并呋喃的简称，多氯代二苯并呋喃与环境污染物多氯代二英相关。以上这些物质不应该与单环化合物混淆。

在20世纪60年代，有报道称呋喃广泛存在于各种食物中，它们包括罐装肉类、咖啡、面包、水解蛋白。因为呋喃的挥发性很大，很多分析食品挥发性成分组成的方法都没有检测到它的存在，并且它在当时不被视为食品污染物，所以这些发现就没有进一步跟进研究。直到1996年当人们在辐照贮藏的苹果汁中发现它的存在时，它的重要性才重新被人们认知。

2004年美国食品药品监督管理局（FDA）进行了世界上第一个食品中的呋喃含量水平的主要调查，并且发布了一系列食品中呋喃含量的检测方法。该调查以瓶罐食品为目标，包括婴儿配方奶粉、婴幼儿食品、罐装蔬菜、包装水果、混合酱料。因为此类食品中的呋喃加工时不会挥发溢出。结果发现，烘干咖啡和淀粉类食品（如在罐、坛中加热过的豆类）中呋喃的含量最高。

美国和欧洲的送检样品中，有三大类食品中呋喃的含量超过了100mg/kg，它们是咖啡、婴幼儿食品、酱汁调料类。FDA和欧洲食品安全局报道：在送检的273份幼儿食品中有262份检出了呋喃，平均水平在28mg/kg。婴儿食品概率则是70/71，平均含量水平和幼儿食品相近^［1］。

（1）呋喃的危害

毒性：呋喃容易被肺和肠道吸收，消化后主要影响人体的肝脏。在肝脏中，它被P-450酶系统代谢为顺-2-丁烯-1，4-二醛（图2-2），这个高反应性化合物被认为有遗传毒性（造成DNA的破坏），因为它可以与细胞内的亲核物质包括蛋白质和核酸结合。在肝脏中，呋喃会不可逆转地耗尽ATP，造成DNA中双键的断裂，最终导致细胞的死亡^［2］。

美国国家毒理学计划（NTP）用鼠类进行了一些呋喃毒性和致癌性的研究，但得到的结果不多，且没有进行人体实验。在NTP的研究中，将呋喃加到玉米油中，强行灌喂给小鼠，结果诱发了小鼠肝部长出肿瘤，并使其患上了胆管细胞癌、肝癌和单核细胞白血病。目前，呋喃对啮齿类动物的致癌性机理还未得到充分的研究，但已提出了两种遗传和非遗传机理。

致癌性：呋喃每天以2～8mg/kg（体重）的量被加入到大鼠的饮食中，并以8～15mg/kg（体重）的量加入到小鼠的饮食中，其造成了肝部损伤，患肝癌和肝肿瘤的概率增大。在一个为期两年的鼠类致癌性研究中，将呋喃溶于玉米油中，灌喂给小鼠。当每天以80mg/kg（体重）的量喂养小鼠后，小鼠死亡率明显升高。当以60mg/kg（体重）的量喂养小鼠后，小鼠的肝脏发生不同程度的损伤。在一个为期三周的试验中，雌鼠被用高达15mg/kg（体重）的量喂养，实验观察到雌鼠肝细胞发生增殖或凋亡。如果呋喃的摄入量继续降低，达到1mg/kg（体重）或更大的暴露量，小鼠的肝脏重量、肝脏细胞的毒性略有增加。暴露在8mg/［kg（体重）·d］的小鼠，肝细胞增殖速度加剧。

在研究呋喃诱导肿瘤产生的机制中，通过比较突变与未突变的基因，得出肝癌的产生可能是由于呋喃的基因毒性，但目前还没有确凿的证据。

基因毒性：研究表明，不管是否存在S9代谢激活效应，呋喃对某些鼠伤寒沙门氏菌都没有诱变效应，但是呋喃对菌株TA100显示出了诱变效应。呋喃对鼠淋巴瘤细胞的诱变效应，不受S9代谢激活效应的影响。另外，高剂量的呋喃［250mg/kg（体重）］都会诱导小鼠骨髓瘤细胞染色体的畸变，而不是姐妹染色单体的交换。单次口服剂量达200mg/kg或100mg/kg（体重）的呋喃并不会诱导大、小鼠肝细胞DNA的不定期合成。

顺-2-丁烯-1，4-二醛与α-，β-不饱和化合物相似，它们可以与DNA反应，是已知的诱变剂。它在非致毒浓度下会对S-鼠伤寒杆菌（TA104）有直接的诱变效应。这种菌株对醛类化合物敏感，其他几种菌株对它没有作用。呋喃或顺-2-丁烯-1，4-二醛在靶细胞中与DNA反应，并诱导肿瘤的产生。

呋喃的生物代谢需要消耗ATP，产生的代谢产物会导致不可逆转的解偶联作用——肝细胞线粒体氧化磷酸化。结果，细胞内包括DNA内切酶在内的酶系被激活，DNA双键断裂，细胞最终死亡。

（2）呋喃的形成

在研究加热时食品中挥发成分时，人们首次发现了呋喃。它是食品加热的特殊香气成分。1938年，人类首次提出了咖啡的香气成分中有呋喃的存在，这个想法在十多年之后即被证实。后来，人们发现呋喃存在于许多食品当中，如罐头牛肉、焙烤食品、炸鸡。这使得呋喃的形成与热加工中碳水化合物的降解联系起来^［3］。

近来，FDA提出，呋喃可能存在于多种热加工食品中，包括瓶罐类包装食品、婴儿食品、酱汁、汤料、蔬菜等。现在，人们普遍认为呋喃是热处理和高能辐射食品的副产物。

目前，已经证实食品中呋喃形成的几种途径，其中主要的途径是抗坏血酸和不饱和脂肪酸的热氧化降解，碳水化合物和类胡萝卜素的降解也占据重要的地位。这些反应十分复杂，但是其中有些反应细节已经被食品模型试验所证实。虽然反应机理已经很清晰了，但是由于食品模型试验仅有几种有限的反应物参与，未能考虑到真正食品组成的复杂性，因此，得出结果的代表性不强。

Becalski和Seaman实验证实亚麻酸（图2-3）和亚油酸（图2-4）在加热的条件下产生了呋喃，并且呋喃的形成与油脂不饱和度呈正相关。研究表明，单不饱和脂肪酸并不形成呋喃，亚麻酸产生的呋喃量是亚油酸的四倍多，催化剂氯化铁增加了呋喃的产量。此过程的一个重要的中间体是4-羟基-2-丁烯醛（图2-5），它经过一个脱水过程即可产生呋喃。Mark等研究得出亚麻酸形成呋喃所需的温度比抗坏血酸和美拉德反应所需的温度要低得多。这些都表明不饱和脂肪酸形成呋喃的机理与自由基的自动氧化有关。

模型研究也显示，碳水化合物热解能提供反应活性中间体。Perez Locas和Yaylayan用¹³C标记了己糖，显示了形成呋喃的主要途径是中间体3-呋喃酮的脱水。而3-呋喃酮可由己糖与氨基酸反应得到1-deoxysone，或通过反醛醇裂解获得。这两种途径都可以产生丁醛糖，并进一步脱水产生3-呋喃酮。

抗坏血酸作为呋喃的前体物质也得到了广泛的研究，氧化和水解反应可以生成一些呋喃的中间体。在主要路径中，丁醛糖和2-脱氧丁醛糖是关键的前体物质。其他的路径则涉及取代呋喃，如2-呋喃甲醛，2-呋喃甲酸，但最终都依赖于环境和反应条件。

（3）呋喃的控制与预防

既然呋喃的致癌性与其遗传毒性有关，我们就需要尽可能降低食物中呋喃的含量水平。要减少热加工食品中存在的毒素，一个显而易见的方法是改善加工方式，减少对食品原料的热处理。

减少食品中的呋喃含量，相比其他污染物而言，更难于进行。原因有两个，第一，加热可以杀灭食品中有害的微生物，保障了食品安全。减少加热时间，降低加热温度，食品中耐热微生物仍然可以生存，食品的安全性就得不到有效的保障。第二，食品原料中许多的营养成分在加热条件下都可以产生呋喃，其中抗坏血酸最易形成呋喃，其次是多不饱和脂肪酸，最后是碳水化合物。而抗坏血酸和多不饱和脂肪酸，因其对人体大有裨益，被视为食品中的需、宜营养成分。

减少食品中呋喃含量的另一个办法是利用呋喃的易挥发性。但是，这种方法的应用范围有限。因为，我们为了防止微生物污染食品，需要将食品装瓶封罐，隔绝空气。这就阻碍了呋喃的挥发。对于咖啡制品，当咖啡中的呋喃挥发时，我们也很难保证咖啡的其他特征香气成分仍保留在成品中。

所以，迄今为止，人们能想到的最好的方法是干预呋喃的形成机制。比如，在橘汁模型中，由抗坏血酸形成的呋喃甲醛，在乙醇和甘露醇存在的条件下形成量会有所减少^［4］。因为，乙醇和甘露醇是有效的自由基猝灭剂。环境中氧气的减少降低了不饱和脂肪酸自动氧化的程度，进而降低了呋喃的形成。同样，抗坏血酸由于亚硫酸盐的添加，其氧化程度降低，呋喃生成量减少。因此，加入食品添加剂，加热时降低环境中的氧气含量（气调）都是有效减少食品中呋喃的方法。