Furaneoloè un esaltatore di fragranza con la formula chimica C6H8O3 e CAS 3658-77-3. Si presenta come un solido dal bianco al giallo chiaro con un forte aroma di caramello, oltre a un ricco sapore fruttato e di marmellata. Una volta diluito ha un aroma di lampone. Facile da ossidare all'aria, il prodotto viene conservato diluito con glicole propilenico e la sua fragranza è particolarmente forte in ambienti acidi deboli. I prodotti naturali si trovano nell'ananas, nelle fragole, nell'uva, nel caffè, nel mango, nella zuppa di manzo riscaldata, nel vino e altro ancora. Sono presenti tracce in alimenti, tabacco e bevande e una soglia di fragranza di 0,04 ppb ha un significativo effetto di potenziamento della fragranza, rendendolo ampiamente utilizzato come esaltatore di fragranza in alimenti, tabacco e bevande; Sebbene il furanone sia ampiamente presente nei prodotti naturali, il suo basso contenuto non può soddisfare il fabbisogno quotidiano e l’industria alimentare utilizza prevalentemente prodotti di sintesi.
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Formula chimica |
C6H8O3 |
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Messa esatta |
128 |
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Peso Molecolare |
128 |
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m/z |
128 (100.0%), 129 (6.5%) |
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Analisi elementare |
C, 56.25; H, 6.29; O, 37.46 |
I furanoni (formula chimica C6H8O3) sono una classe di composti eterociclici con strutture chimiche uniche. L'anello furanico e i gruppi carbonilici chetonici presenti nelle loro molecole conferiscono loro un'ampia reattività e attività biologica. Dai componenti in tracce presenti in natura alle materie prime industriali sintetizzate artificialmente, il furanone ha dimostrato diversi valori applicativi in campi quali l'alimentazione, la medicina, l'agricoltura e la scienza dei materiali.
Con il suo forte aroma di caramello e aromi fruttati complessi (come fragola, ananas, lampone), è diventato un ingrediente di punta nel campo delle fragranze alimentari. La sua soglia aromatica è estremamente bassa (0,04 ppb) e l'aggiunta di una piccola quantità può migliorare significativamente il livello di sapore del prodotto. È ampiamente utilizzato nei seguenti scenari:
1. Condimento alimentare
Alimenti dolci: nel gelato, nelle caramelle, nella gelatina e nel budino, rafforzando la base caramellata e fruttata, i sapori sgradevoli dei dolcificanti artificiali vengono mascherati, esaltando la morbidezza del gusto. Ad esempio, la FEMA (Food Flavor Extract Manufacturers Association) ne limita l’uso nelle caramelle a 10 mg/kg.
Prodotti da forno: in sinergia con vanillina e maltolo, esaltano l'aroma di cottura di pane e dolci e prolungano il tempo di ritenzione del sapore.
Prodotti a base di carne: simula il sapore ricco della zuppa di manzo riscaldata e migliora la perdita di sapore dei prodotti a base di carne sterilizzati a bassa-temperatura.
2. Miglioramento dell'aroma delle bevande
Bevande alcoliche: nel vino e nella birra, l'effetto di concentrazione dell'aroma in un mezzo acido debole esalta la struttura fruttata e invecchiata del vino. La FEMA ne consente l'uso nelle bevande alcoliche a un dosaggio massimo di 60 mg/kg.
Bevande analcoliche:Furaneolocomposto con acido citrico e acido malico per creare un sistema aromatico di frutta tropicale e ridurre il contenuto di zucchero.
3. Prodotti chimici e tabacco quotidiani
Prodotti chimici quotidiani: come materia prima dell'essenza, il furanone può fornire una fragranza fruttata duratura per shampoo e gel doccia e mascherare l'odore pungente degli ingredienti chimici.
Aroma di tabacco: negli additivi per filtri di sigaretta, il furanone riduce l'irritazione del catrame, migliora il comfort del fumo e conferisce un retrogusto di caramello unico.
Confronto naturale e sintetico: sebbene tracce di furanone siano presenti in ingredienti naturali come ananas e fragole, il loro contenuto non è sufficiente a soddisfare le esigenze industriali. L'industria alimentare generalmente utilizza metodi di sintesi chimica (come la reazione dell'idrossichetone lattone) per preparare il furanone ad alta-purezza, che costa solo 1/10 del costo dell'estrazione naturale.
Nel campo della medicina: un approccio versatile dall'anti-infezione all'anti-tumorale
Le attività antibatteriche, ant{0}}infiammatorie e anti biofilm del furanone lo hanno reso un argomento scottante nello sviluppo di farmaci e il suo meccanismo d'azione copre le seguenti direzioni:
1. Agente antibatterico ad ampio-spettro
Batteri Gram positivi/negativi: interrompendo la permeabilità della membrana cellulare, inibiscono la formazione di biofilm da parte di batteri patogeni come Escherichia coli e Staphylococcus aureus. Ad esempio, il 2 (5H) - furanone può ridurre l'attaccamento delle cozze giovanili dal guscio spesso e inibire la formazione di biofilm batterico marino.
Attività antifungina: gli studi hanno dimostrato che il furanone induce l'accumulo di trealosio nelle cellule di Candida albicans, blocca la trasformazione morfologica delle ife ed esercita effetti antifungini senza tossicità emolitica sui globuli rossi umani.
2. Potenziale anti-cancro
Regolazione del ciclo cellulare: i derivati del furanone inibiscono l'attività della topoisomerasi, bloccano la replicazione del DNA delle cellule tumorali e inducono l'apoptosi. Ad esempio, il 3-idrossi-4-metil-5-etil-2 (5H) furanone ha mostrato un effetto inibitorio sulla proliferazione delle cellule MCF-7 del cancro al seno in vitro.
Anti angiogenesi: alcuni composti furanonici possono inibire l’espressione del fattore di crescita dell’endotelio vascolare (VEGF), interrompere l’apporto nutrizionale del tumore e migliorare l’efficacia se combinati con farmaci chemioterapici.
3. Proprietà antinfiammatorie e antiossidanti
Eliminando i radicali liberi, inibendo la via di segnalazione NF - κ B e riducendo le risposte infiammatorie, ha mostrato potenziale terapeutico in modelli di artrite ed enterite. La sua attività antiossidante (valore ORAC di 5000 μ mol TE/g) lo rende una materia prima candidata per lo sviluppo di prodotti sanitari.
L’applicazione del furanone e dei suoi derivati in agricoltura sta passando dai pesticidi tradizionali al controllo biologico, con le direzioni principali tra cui:
1. Prodotti fitosanitari
Attività insetticida: il flupyradifurone (sviluppato da Bayer), come insetticida neonicotinoide di quarta generazione, controlla efficacemente i parassiti orali succhiatori penetranti come afidi e mosche bianche bloccando i recettori dell'acetilcolina degli insetti ed è sicuro per organismi non bersaglio come le api. I suoi prodotti formulati, come Sivanto Prime, sono stati registrati in oltre 50 paesi in tutto il mondo e vengono utilizzati per colture come pomodori e agrumi.
Antibatterico e prevenzione delle malattie: i derivati del furanone possono indurre resistenza sistemica (SAR) nelle piante, migliorando la resistenza alla lanugine e alla muffa grigia. Ad esempio, l'irrorazione di una soluzione di furanone nella coltivazione dell'uva può ridurre l'incidenza delle malattie del 40%.
2. Conversione della biomassa
Degradazione enzimatica: l'alfa-L-ramnosio (una furanosidasi) può idrolizzare il poliramnosio nelle pareti cellulari delle piante, rilasciando zuccheri fermentabili per la produzione di bioetanolo. Questo enzima ha un'efficienza significativa nella conversione dei rifiuti agricoli come stoppie di mais e bagassa di canna da zucchero, riducendo il costo dei biocarburanti.
Il suo gruppo estere e il doppio legame coniugato gli conferiscono una reattività unica, rendendolo una materia prima chiave per la sintesi di materiali funzionali:
1. Plastica biodegradabile
La polimerizzazione a ciclo aperto può preparare materiali in poliestere, con un tasso di biodegradazione tre volte superiore a quello del PET tradizionale e proprietà meccaniche (resistenza alla trazione fino a 50 MPa) che soddisfano i requisiti dei materiali da imballaggio. Ad esempio, il processo YXY sviluppato da Avantium nei Paesi Bassi ha consentito la produzione industriale di poliestere a base di furano (PEF).
2. Veicolo del farmaco
Le nanoparticelle modificate con furanone, come i copolimeri furanonici dell'acido polilattico, possono ottenere un rilascio controllato del farmaco e prolungare il tempo di mantenimento della concentrazione del farmaco nel sangue nella terapia mirata al tumore. Gli esperimenti hanno dimostrato che questo tipo di trasportatore può aumentare il tasso di inibizione del tumore della doxorubicina del 25%.
3. 3urattante
I derivati del furanone (come i sali dell'acido solfonico) hanno una bassa concentrazione micellare critica (CMC), che può ridurre la tensione superficiale e la tossicità per gli organismi acquatici nei detergenti, in linea con la tendenza della chimica verde.
La biosintesi diFuraneolo
1. Ipotesi di sintesi del furanone nelle fragole
Figura 1 Ipotesi sulla via biosintetica del furanone nella fragola. 4-Idrossi-5-metil-2-metilene-3 (2H) -furanone HMMF; 4-idrossi-2, 5 - dimetil-3 (2 h) -furanone HDMF; Chinone ossidoreduttasi della fragola (FaQR); F. Ananassa chetone ossidoreduttasi FaEO; F. Ananassa O-metiltransferasi FaOMT.
Quindi, purificare parzialmente un enzima coinvolto nella biosintesi dell'HDMF. La distribuzione osservata dell'attività enzimatica è correlata alla presenza di un singolo peptide. L'analisi della sequenza ha mostrato che l'enzima è completamente identico alla sequenza proteica di una chinone ossidoreduttasi matura e inducibile auxina dipendente (FaQR). La proteina FaQR è espressa funzionalmente in Escherichia coli e catalizza la formazione di HDMF. 4-idrossi-5-metil-2-metil-3 (2H) - furanone (HMMF) è stato identificato come substrato naturale di FaQR e precursore di HDMF (Figura 1).
FaQR catalizza la riduzione dei legami alfa e beta insaturi nel chetene HMMF altamente reattivo, successivamente ribattezzato F Ananassa chetone ossidoreduttasi (FaEO). FaEO non riduce i doppi legami della catena lineare 2-enale e 2-enale, ma piuttosto idrogena alcuni derivati HMMF sostituiti con gruppi funzionali metilenici. L'HMMF è stato rilevato anche nei frutti di pomodoro e ananas, indicando che l'HMMF è sintetizzato attraverso percorsi simili in frutti diversi. Clonazione di Solanum lycopersicon EO (SlEO) da cDNA e identificazione della proteina ricombinante. Studi biochimici hanno confermato che SlEO è coinvolto nella formazione di HDMF nei frutti di pomodoro. Rispetto alle altre due reduttasi non flavono-dipendenti NAD (P) H, FaEO e SlEO mostrano spettri di substrato più ristretti. Fino a poco tempo fa, al fine di chiarire il meccanismo molecolare della speciale reazione catalizzata dal FaEO, la sua struttura cristallina era determinata in sei diversi stati o complessi, inclusi complessi con HDMF e tre analoghi del substrato. I risultati indicano che l'idruro 4R di NAD (P) H viene trasferito al carbonio C-6 dell'anello esterno insaturo di HMMF, formando un intermedio enolico otticamente inattivo, che poi subisce protonazione per formare HDMF.
Vale la pena notare che alcuni rapporti suggeriscono che la produzione di furanone potrebbe non essere un'attività diretta delle vie metaboliche delle piante, ma piuttosto uno sforzo congiunto delle piante di fragole e del batterio correlato - Methanobacterium. Tuttavia, il percorso proposto non è convincente in quanto vi sono rapporti contrastanti sulle fasi finali di HDMF e DMMF e gli esperimenti con traccianti non supportano la conversione proposta dei prodotti intermedi lattosio e 6-desossi-D-fruttosio-1-fosfato in furanone.
2. Sintesi del lievitoFuraneolo
Essendo il principale componente aromatico della salsa di soia fermentata, l'HEMF è stato isolato per la prima volta dalla salsa di soia fermentata. La formazione di HEMF è stata promossa coltivando lievito tollerante al sale, Zygosaccharomyces rouxii, in un mezzo contenente i prodotti di reazione di ribosio e glicina aminocarbonile (Maillard). Il meccanismo del composto è stato studiato utilizzando i suoi isotopi stabili. Lo scheletro pentagonale e la catena laterale metilica dell'HEMF derivano dal ribosio, mentre il gruppo etilico deriva dal D-glucosio o dall'acetaldeide. Il ruolo del lievito nella formazione dell'HEMF non è solo quello di fornire metaboliti del D-glucosio (acetaldeide), ma anche di legare i prodotti della reazione di Maillard con i metaboliti del D-glucosio.
Dopo l'incubazione con alcuni carboidrati fosfatici, è stata riscontrata la formazione di HMF nell'estratto citoplasmatico di Saccharomyces cerevisiae. Poiché l'HMF si forma spontaneamente dal ribulosio-5-fosfato tramite l'intermedio di Maillard 4,5-diidrossi-2,3-pentanedione, si può presumere che il ribulosio-5-fosfato venga generato enzimaticamente negli estratti citoplasmatici e quindi convertito in HMF attraverso reazioni chimiche. Questa ipotesi è stata confermata dalla produzione di idrossimetilfurfurale in una miscela contenente enzimi disponibili in commercio e isotopo marcato D-glucosio-6-fosfato. È interessante notare che l'HMF è stato identificato come una molecola di segnalazione extracellulare Al-2 catalizzata dall'enzima LuxS e svolge un ruolo nella comunicazione intercellulare batterica. La formazione chimica di Al-2 dal 5-fosfato ribulosio può verificarsi anche in vivo, il che potrebbe essere la ragione dell'attività simile ad Al-2 negli organismi privi di geni luxS.
Il processo di formazione dell'HDMF nel lievito Z. rouxii in diverse condizioni di coltura è stato studiato utilizzando il fruttosio D-1,6-difosfato come materia prima. Quando si utilizza il D-1,6-difosfato fruttosio come unica fonte di carbonio, la crescita del lievito Z. rouxii e la formazione di HDMF non sono significative. Sebbene le cellule di lievito Z. rouxii crescano in un mezzo con D-glucosio come unica fonte di carbonio, l'HDMF viene prodotto solo quando viene aggiunto D-fruttosio-1,6-difosfato. Il livello di HDMF è costantemente correlato al conteggio delle cellule di lievito e alla concentrazione di D-fruttosio-1,6-difosfato. Dopo l'aggiunta di 1-13C-D-fruttosio-1,6-difosfato, si è formato solo un HDMF marcato, mentre dopo l'aggiunta di 13C6-D-glucosio si è formato il furanone non marcato. Pertanto, il carbonio dell'HDMF è interamente derivato dal D-fruttosio-1,6-difosfato esogeno. Un valore pH più elevato del mezzo di coltura ha un effetto positivo sulla formazione di HDMF, ma può ritardare la crescita cellulare, quindi il valore pH ottimale è 5,1. Lo stress salino ha stimolato la produzione di HDMF. L'aggiunta di o-fenilendiammina (un reagente di cattura per l'intermedio -dicarbonile (Maillard)) al terreno di coltura può produrre tre derivati chinolonici derivati dal D-fruttosio-1,6-difosfato. L'identificazione di questa struttura ha confermato per la prima volta la formazione chimica dell'1-desossi-2,3-esadisasi-6-fosfato, un intermedio nella via di formazione dell'HDMF ampiamente previsto ma mai scoperto. Poiché l'HDMF è disponibile solo in Z, è stato rilevato in presenza di cellule Rouxii, quindi si presume che siano coinvolte più fasi enzimatiche. A temperatura ambiente, l'HDMF può anche essere generato chimicamente in una soluzione contenente D-fruttosio-1,6-difosfato e NAD (P) H. NAD (P) H è necessario e l'applicazione di precursori marcati indica che l'idruro della struttura principale del D-fruttosio-1,6-difosfato viene trasferito a C-5 o C-6. I processi biologici e chimici di generazione di HDMF dal D-fruttosio-1,6-difosfato sembrano seguire un percorso simile.
I prodotti naturali con attività ottica mostrano un eccesso enantiomerico unico durante la biosintesi dovuto alla stereoselettività e alle reazioni catalizzate da enzimi. Anche se si prevede che l'HDMF venga generato attraverso la combinazione del lievito Z. rouxii e degli enzimi della frutta, il composto naturale è racemico. La rapida racemizzazione dell'HDMF spiega questo fenomeno dovuto al tautomerismo dei chetoenoli. L'analisi 1H-NMR e l'elettroforesi capillare chirale dello scambio protone-deuterio sull'anello furanonico di C-2 hanno mostrato che il tasso di racemizzazione dell'HDMF era il più basso a pH 4-5. Pertanto, al fine di verificare la formazione enzimatica dell'HDMF, abbiamo condotto esperimenti di incubazione con lievito Z. rouxii ed estratto proteico di fragola a pH 5. La formazione di HDMF enantiomericamente arricchito è stata confermata in entrambi gli esperimenti, mentre il furanone racemico è stato rilevato in condizioni di pH neutro.
3. Sintesi batterica del furanone
L'HDMF è stato rilevato dopo 4 giorni di crescita di Pichia capsulata su mezzo di peptone di caseina contenente L-ramnosio. L'analisi della spettrometria di massa del rapporto isotopico stabile ha confermato che il L-ramnosio è la fonte di carbonio dell'HDMF. L'esperimento nel tempo ha portato all'ipotesi che l'HDMF sia formato da un intermedio prodotto da Pichia pastoris durante il processo di sterilizzazione termica del terreno di coltura, come proposto dal lievito coniugativo luterano. Allo stesso modo, nei risultati della reazione di Maillard, l'HDMF è stato rilevato nel mezzo preparato riscaldando zucchero e amminoacidi. Nello stesso mezzo di fermentazione, i livelli di HDMF sono stati aumentati anche dalla fermentazione di Lactococcus lactis subsp. cremoris.
4. Riepilogo della sintesi del furanone
I composti furanonici 3 (2H) - hanno soglie di odore basse e caratteristiche aromatiche allettanti, che li rendono importanti sostanze chimiche aromatiche. Si formano chimicamente da diversi carboidrati durante la reazione di Maillard e quindi sono presenti in molti alimenti trasformati, contribuendo alla produzione dell'aroma. Ma il furanone può essere prodotto anche da lieviti, batteri e piante e la sua funzione fisiologica potrebbe essere correlata all’attività redox. Sebbene i desossizuccheri come il L-ramnosio siano efficaci precursori dell'HDMF nella reazione di Maillard, il fruttosio D-1,6-difosfato è stato identificato come un precursore naturale nella frutta. Nella fragola, i carboidrati fosforilati vengono convertiti in HMMF mediante eliminazione di fosfato e acqua e l'HMMF viene infine ridotto in HDMF mediante FaEO (FaQR). La metilazione dell'HDMF porta all'accumulo di DMMF ed è catalizzata da FaOMT. Nel complesso, sono stati compiuti progressi significativi nel chiarire le vie biosintetiche del furanone naturale nei microrganismi e nelle piante grazie all'applicazione di precursori marcati con isotopi. Nel prossimo futuro, la comprensione della sequenza del genoma delle fragole di bosco aiuterà a individuare i geni con percorsi HDMF mancanti, e sistemi di imaging migliorati aiuteranno a localizzare il furanone intracellulare. La comprensione dei geni e degli enzimi rilevanti fornirà le basi per la produzione di furanone naturale attraverso la biotecnologia.
Attività biologiche e farmacologiche del furanone
1. L'effetto antibatterico del furanone su batteri e funghi patogeni umani
Il furanone è un importante composto aromatico presente nelle fragole, nell'ananas e negli alimenti trasformati, noto per avere molteplici attività biologiche nei modelli animali. Questo studio ha studiato l'effetto antibatterico del furanone sui microrganismi patogeni umani. I risultati hanno mostrato che il furanone ha un'attività antibatterica ad ampio-spettro contro batteri Gram positivi, batteri Gram negativi e funghi e non ha alcun effetto emolitico sui globuli rossi umani. Per confermare l'attività antifungina del furanone, abbiamo studiato l'accumulo di trealosio intracellulare come marcatore di risposta allo stress per sostanze tossiche e il suo effetto sul dimorfismo della Candida albicans. I risultati indicano che il furanone induce un significativo accumulo di trealosio nelle cellule ed esercita il suo effetto antifungino interrompendo la morfologia ifale indotta dal siero. Questi risultati suggeriscono che il furanone può essere un agente terapeutico con attività antibatterica ad ampio-spettro contro i microrganismi patogeni umani.
2. Gli alimenti chiaveFuraneolo(4-idrossi-2,5-dimetil-3 (2H) - furanone) e Sotolone (3-idrossi-4,5-dimetil-2 (5H) - furanone) attivano specificamente diversi recettori degli odori
I furanoni formati nella reazione di Maillard sono composti chiave aromatici tipicamente naturali presenti in molti alimenti. Economicamente significativi sono gli isomeri strutturali furanone e sotoketone, che hanno aromi unici di caramello e aromi e sono importanti composti naturali delle spezie. Tuttavia, ciò non può essere previsto dalla forma delle molecole dell’odore. Al contrario, i parametri di attivazione dei loro recettori possono aiutare a decodificare la codifica della qualità dell'odore. Qui, le caratteristiche olfattive uniche del furanone e del sotoketone indicano che almeno due dei nostri circa 400 diversi tipi di recettori degli odori sono attivati, fungendo da biosensori molecolari per il nostro olfatto chimico. Quando un recettore dell'odore è stato identificato come Sotoketone, il furanone specifico del recettore non è ancora chiaro. In un test di luminescenza basato su cellule HEK-293, abbiamo impiegato un metodo di screening bidirezionale utilizzando 616 varianti di recettori e 187 odori chiave degli alimenti. Abbiamo recentemente scoperto che OR5M3 è un recettore attivato specificamente dal furanone e dal chetone della salsa di soia (omofuranonel, 5-etil-4-idrossi-2-metil-3 (2H) - furanone).
OR5M3 è un recettore attivato specificamente dal furanone e dall'omofuranoneolo (5-etil-4-idrossi-2-metil-3 (2H) - furanone)
3. Una revisione del potenziale chimico e farmacologico dello scheletro del furanone
Le strutture furanoniche sono un'importante classe di composti eterociclici che spesso compaiono in prodotti naturali con effetti farmacologici significativi e il campo di ricerca è in continua espansione. Hanno una vasta gamma di attività farmacologiche: anti cataratta, anti-cancro, antibatterica, ant-infiammatoria e anticonvulsivante. Questo articolo fornisce una revisione dei progressi della ricerca, dei metodi di sintesi e degli effetti biologici dei composti furanonici naturali. Il metodo in fase solida, la reazione di accoppiamento incrociato, la reazione di Maillard, la reazione di cicloaddizione tra alcol e fenilossido nitrile e la reazione di modificazione della catena laterale sono diversi tipi di reazioni per la preparazione dei derivati del furanone. Questo articolo esamina i metodi di preparazione e le attività farmacologiche degli scheletri di furanoni, che aiuteranno i chimici medicinali a progettare e implementare nuovi metodi per la ricerca di nuovi farmaci.
4. Identificazione del 2,5-dimetil-4-idrossi-3 [2H]-FuraneoloL'acido -d-glucuronico è il principale metabolita dei componenti dell'aroma umano della fragola
Il 2,5-dimetil-4-idrossi-3 [2H] furanone ®, DMHF [3658-77-3] è un importante componente aromatico della fragola. Determinare l'escrezione rilevando i livelli di DMHF e acido glucuronico DMHF nelle urine. L'acido glucuronico DMHF è stato sintetizzato e la sua struttura è stata identificata mediante dati di risonanza magnetica nucleare 1H, 13C, 2D e spettrometria di massa. Il contenuto di acido glucuronico DMHF nell'urina umana è stato determinato mediante cromatografia liquida ad alta prestazione a fase inversa (XAD-2), estrazione in fase solida, spettroscopia ultravioletta/visibile online (UV/VIS) o elettrospray - spettrometria di massa tandem (elettrospray - spettrometria di massa tandem). I volontari di sesso maschile e femminile hanno escreto il 59-69% e l'81-94% della dose totale di DMHF (DMHF libero e legato glicosidico nelle fragole) nelle urine entro 24 ore, rispettivamente, sotto forma di glucuronide DMHF. Nella fragola, l'escrezione di DMHF è indipendente dal dosaggio di DMHF e dal rapporto tra forme leganti libere e glicosidiche. Diidrofurano, diidrofurano glucoside e i loro derivati 6'-o-malonilici naturalmente presenti nelle fragole non sono stati rilevati nell'urina umana.
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