Journal of Glycomics & Lipidomics
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Abstrakt

Biotechnologische Methode zur Verringerung der Bildung gefährlicher Verbindungen (Acrylamid) bei der Verarbeitung von Phyto-Lebensmitteln

Othmani-Mecif K

Acrylamid ist ein Gift und wird von der Internationalen Agentur für Krebsforschung als vermutlich krebserregend für den Menschen eingestuft  . Im Jahr 2002 wies eine Forschungsgruppe nach, dass Acrylamid in verschiedenen gekochten Lebensmitteln vorkommt. Der höchste Gehalt liegt in kohlenhydratreichen Lebensmitteln (50–4.000 μg/kg), in proteinreichen Lebensmitteln (5–50 μg/kg). Diese Untersuchung ergab, dass Getreide- und Kartoffelprodukte die wichtigsten Lebensmittelgruppen mit Acrylamid sind. Acrylamid in Lebensmitteln entsteht durch die Maillard-Reaktion, eine Synthese aus Asparagin als Aminogruppe und reduzierenden Zuckern wie Glucose und Fructose. Diese Reaktion beeinflusst die Entwicklung von Geschmack und Farbe. Diese chemische Reaktion tritt hauptsächlich bei hohen Temperaturen (> 120 °C) und geringer Feuchtigkeit auf. Dabei ist die Beziehung zwischen diesen Reaktanten und dem Endprodukt (Acrylamid) überraschend komplex. Die Zugabe des aus mikrobiellen Quellen gewonnenen Enzyms Asparaginase wurde als Methode zur Verringerung der Acrylamidbildung beschrieben, da dies zur Hydrolyse von Asparagin zu Asparaginsäure und Ammoniak führt. Acrylamid ist ein Gift und wird   von der Internationalen Agentur für Krebsforschung als vermutlich krebserregend  für den Menschen eingestuft . Im Jahr 2002 zeigte eine  Forschungsgruppe ^{, dass Acrylamid in verschiedenen gekochten Lebensmitteln vorkommt. Der höchste Gehalt (50–4.000 μg/kg) liegt}  in kohlenhydratreichen Lebensmitteln, während der Gehalt  in proteinreichen Lebensmitteln zwischen  5 und 50 μg/kg ^{liegt . Diese Untersuchung ergab, dass Getreide- und Kartoffelprodukte die wichtigsten} Lebensmittelgruppen mit Acrylamid  sind. Acrylamid entsteht in Lebensmitteln über die Maillard-Reaktion, eine Synthese aus Asparagin als Aminogruppe und reduzierenden Zuckern wie Glucose und Fructose. Diese Reaktion beeinflusst die Entwicklung von Geschmack und Farbe. Diese  chemische  Reaktion findet hauptsächlich bei hohen Temperaturen (> 120 °C) und geringer Feuchtigkeit statt. Dabei ist die Beziehung zwischen diesen Reaktanten und dem Endprodukt (Acrylamid) überraschend kompliziert. Die Zugabe des aus mikrobiellen Quellen gewonnenen Enzyms Asparaginase wurde als  Methode  zur Verringerung der Acrylamidbildung beschrieben, da es zur Hydrolyse von Asparagin zu Asparaginsäure und Ammoniak führt. Zugesetzte Asparaginase beim Brotbacken   zeigte eine verringernde Wirkung auf die Acrylamidbildung (P ≤ 0,0001). Die Backtemperatur erhöhte den Acrylamidgehalt im Brot signifikant (P ≤ 0,0001). Es wurde eine starke Korrelation zwischen der Backtemperatur und der Acrylamidbildung festgestellt. Die Backzeit und ihre Wechselwirkung mit Asparaginase hatten eine geringe, aber signifikante verringernde Wirkung auf den Acrylamidgehalt im Brot (P ≤ 0,0001). Drei Parameter: Backtemperatur, Backzeit und Die Enzymkonzentration  (U kg ^-1 ) wurde mithilfe der Response-Surface-Methode optimiert. Die Werte wurden bei 245,71 °C, 14,55 min und 752,15 U kg ^-1 erhalten .   Kartoffeln  enthalten hohe Mengen an Acrylamid-Vorstufen. Daher entsteht bei hohen Temperaturen Acrylamid. Diese giftige Substanz kann in Kartoffelprodukten in Konzentrationen von sogar über 4000 μg/kg vorkommen  . Dies unterstützt außerdem die Feststellung, dass die Zugabe des Enzyms Asparaginase eine Methode zur Verringerung der Acrylamidbildung ist,  da  es zur Hydrolyse der entscheidenden Vorstufe (Asparagin) für die Acrylamidbildung in Brot und Kartoffelprodukten führt. Das Hauptziel besteht darin, die Verringerung von Acrylamid in Kartoffelchips durch die Verwendung von zwei Arten von Asparaginase-Enzymen zu vergleichen. Das erste Enzym ist kommerziell erhältlich, das zweite ist ein aus Candida gewonnenes Enzym, das speziell zur Lebensmittelbehandlung verwendet wird. Vor dem Frittieren wurden die Proben auf eine der folgenden Arten behandelt: Waschen in destilliertem Wasser (Kontrolle I); Blanchieren in  heißem  Wasser; Eintauchen in handelsübliche Asparaginaselösung (Asparaginase von Candida utilis); Blanchieren in heißem Wasser und Eintauchen in handelsübliche Asparaginaselösung (Asparaginase von Candida utilis); Blanchieren in heißem Wasser plus Eintauchen in Wasser mittlerer Temperatur (Kontrolle II). Während handelsübliche Asparaginase die Acrylamidbildung um 39 % verringert, bewirkt aus Candida utilis gewonnene Asparaginase in Kartoffelchips eine noch höhere Verringerung um 58 %. Beide Enzyme in Kombination mit Blanchieren hemmen jedoch die Acrylamidbildung in viel stärkeren Mengen. Die maximale Verringerung von Acrylamid durch handelsübliche Behandlung plus Blanchieren beträgt 95 %. Zusammenfassend kann der enzymatische Prozess als  sichere und bequeme Methode zur Verhinderung der Acrylamidbildung bei der Brotherstellung und der Verarbeitung  von Kartoffelprodukten . Insbesondere Acrylamid kann in ungeheizten oder gekochten Lebensmitteln nicht nachgewiesen werden. Acrylamid in Lebensmitteln kann beim Kochen bei zu hohen Temperaturen über zahlreiche Mechanismen entstehen, z. B. durch Bildung über Acrylsäuren, Bildung durch Dehydratation/Decarboxylierung von natürlichen Säuren. Beim Backen kommt es zu einer Reihe nichtenzymatischer Reaktionen zwischen freien Aminosäuren und reduzierenden Zuckern, die für Geschmack und Farbe verantwortlich sind. Dies könnte eine Erklärung für die Entstehung von Acrylamid in gekochten Lebensmitteln mit hohem Asparagingehalt, wie z. B. in Getreide und Kartoffeln, liefern.

Tatsächlich ist die Senkung des Zuckergehalts in Lebensmitteln der wichtigste Faktor für die Bildung von Acrylamid im Vergleich zum Asparagingehalt. Die höchste Menge an Acrylamid ist in frittierten, gerösteten, getoasteten, gegrillten und gebackenen Lebensmitteln enthalten, die auf über 120 °C erhitzt wurden. Im nächsten Schritt findet eine chemische Reaktion namens „Maillard-Reaktion“ statt, an der Zucker wie Glucose, Fructose, Wasser, Hitze und Asparagin (Aminosäure) beteiligt sind. Diese Mischungen führen zur Bildung von Acrylamid. Schwedische Studien aus dem Jahr 2002 zeigen, dass beim Frittieren oder Backen von Kartoffel- und Getreideprodukten hohe Acrylamidwerte entstehen. Eine wichtige damit verbundene Reaktion ist der Strecker-Abbau von Aminosäuren über Zwischenprodukte, bei denen die Aminosäure decarboxyliert und desaminiert wird, um ein Aldehyd zu bilden. Es wurde untersucht, ob diese Reaktion einen wahrscheinlichen Weg zu Acrylamid bietet. Die Aminosäure Asparagin sollte ein besonders geeigneter Reaktant sein, da sie bereits eine Amidgruppe aufweist, die an eine bestimmte Abfolge von Kohlenstoffatomen gebunden ist. Sie führten daher eine Reihe von Maillard-Reaktionen zwischen Glucose und Asparagin durch; darüber hinaus verwendeten sie verschiedene Aminosäuren, die kein geeignetes Kohlenstoffrückgrat für Acrylamid besitzen. Die großen Mengen Acrylamid (221 mg pro Mol Aminosäure) wurden in einer äquimolaren Mischung aus Asparagin und Glucose entdeckt, die bei 185 °C in einem Phosphatpuffer in einem versiegelten Glasröhrchen reagierte. Die Temperaturabhängigkeit der Acrylamidbildung aus Asparagin deutet darauf hin, dass sie über 100 °C begünstigt wird und sehr hohe Temperaturen nicht wichtig sind. Um die Rolle der Oxidation bei der Acrylamidbildung zu untersuchen, studierten sie die Folgen von exogenen phenolischen Antioxidantien, die aus Cranberrys und Oregano aus der Maillard-Reaktion in frittierten Kartoffelscheiben extrahiert wurden und eine antioxidative Wirkung haben. Die umfassende Studie zu Acrylamid hebt hervor, dass es für Tiere und Menschen schädlich ist, da es hauptsächlich krebserregend, genotoxin und neurotoxin ist und neben geringeren Auswirkungen auf die Fortpflanzung wirkt. Seine häufigste Verwendung in der Industrie macht es zu einer ernsthaften Chemikalie, die neben Hunderten von Vorteilen auch potenzielle Schäden für Mensch und Umwelt verursacht. Kinder sind heutzutage die häufigsten Opfer von Acrylamid. Untersuchungen zu Acrylamid haben gezeigt, dass die Gewichtsabnahme bei Neugeborenen auf den Acrylamid-Konsum schwangerer Frauen zurückzuführen ist und ein Schlüsselfaktor ist, der die zukünftige Gesundheit des Babys bestimmt. Im Vergleich zu erwachsenen Kindern konsumieren sie aufgrund ihrer geringen Größe und ihres Gewichts die doppelte Menge Acrylamid. Einer Forschungsstudie zufolge stieg der plötzliche Tod von Krebspatienten zwischen 2005 und 2015 um 33 %. Forschungsstudien an Mäusen und Ratten haben gezeigt, dass eine langfristige Exposition oder Aufnahme von Acrylamid zu verschiedenen Krebsarten führt, z. B. Prostata-, Brust-, Eierstock- und Gebärmutterkrebs. Bei Menschen und TierenAcrylamid wird durch ein Enzym namens CYP2E1, das zu Mutationen führt und die DNA zerstört, zu einem Epoxidmetaboliten namens Glycinamid (GA) verstoffwechselt.