Entwicklung neuer Prozesstechniken zur Minimierung des Acrylamidgehalts in Lebensmitteln

ZuTECH AiF 108 ZBG

Bearbeitungszeit 01. 04. 2003 bis 30. 06. 2005

Nach gut zweijähriger Bearbeitungszeit wurden die Ergebnisse des Gemeinschaftsprojektes am 20. Oktober 2005 in Bonn vorgestellt. Die nachfolgenden Zusammenfassungen geben einen Überblick über Zielstellung und Resultate des Vorhabens, das aus 5 Teilprojekten bestand. Für weiterführende Informationen wird auf die Autoren der Teilprojekte verwiesen. Angaben zu Veröffentlichungen sind unter Publikationen auf dieser Homepage zu finden.

Eine Gesamtveröffentlichung zu den Projektergebnissen erfolgte mit der BLL/FEI-Publikation „Development of New Technologies to Minimize Acrylamide in Food“ [AiF-FV 108 ZBG]

Weiteres Informationsmaterial:

                        Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI)
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                        Tel. 0228/372031, Fax 0228/376150
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                        Bund für Lebensmittelrecht u. Lebensmittelkunde e.V. (BLL)
                       Godesberger Allee 142-148, 53175 Bonn
                        Tel. 0228/81 993-137, Fax 0228/81993-200
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Systematische Untersuchungen zur Aufklärung des Bildungsmechanismus von Acrylamid

Prof. Dr. Dr. Peter Schieberle, Dr. Peter Köhler und M. Granvogl
Deutsche Forschungsanstalt für Lebensmittelchemie (DFA), Garching

Ziel dieses Projektteils war einerseits die Optimierung und Validierung von Analysenmethoden zur Bestimmung von Acrylamid in Lebensmitteln unter Einbeziehung verschiedener Derivatisierungstechniken. Dabei sollte besonderes Augenmerk auf die Optimierung zu schnelleren und kostengünstigeren Verfahren der Probenaufarbeitung gelegt werden. Andererseits sollten Mechanismen der Bildung von Acrylamid anhand von Modellsystemen aufgeklärt werden. Auf der Grundlage der identifizierten Bildungsmechanismen sollten dann Wege zur Beeinflussung der Bildung von Acrylamid vorgeschlagen werden. Das dritte Ziel war, Reaktionen von Acrylamid mit Lebensmittelbestandteilen nachzuweisen, um Aussagen über das Verhalten des Amids im fertig zubereiteten Lebensmittel zu ermöglichen.

Auf der Grundlage der Derivatisierung von Acrylamid mit 2-Mercaptobenzoesäure wurde eine Stabilisotopenverdünnungsanalyse für Acrylamid in Lebensmitteln mit [13C3]-Acrylamid als internem Standard und Detektion durch LC/MS entwickelt. Außerdem wurde eine GC/MS-Methode zur Bestimmung von Acrylamid mit einer Festphasenextraktion an Extrelut-Säulen (Kieselgel) im Verlauf der Probenaufar­beitung entwickelt. Die Ergebnisse der entwickelten Methoden wurden mit einer GC/MS-Methode aus der Literatur verglichen. Die quantitative Bestimmung von Acryl­amid in denselben Proben (Kartoffelchips, Butterkekse) mit allen drei Methoden ergab gut übereinstimmende Werte. Mit 4 µg/kg lag die Nachweisgrenze der neuen LC/MS-Methode sogar unterhalb der Nachweisgrenze der GC/MS-Methoden. Durch weitere Optimierung der Probenaufarbeitung konnten auch problematische Proben wie Kaffee und Kakao gut analysiert werden. Weiterhin wurde eine Bestimmungsmethode für Acrylamid über HPLC/Fluoreszenzdetektion entwickelt. Prinzip ist die Überführung von Acrylamid in fluoreszierende Derivate, die mittels HPLC/Fluoreszenzdetektion ana­lysiert werden. Die Methode zeigte zwar in Modellan­sätzen gute Ergebnisse, warf aber beim Einsatz in komplexen Matrices noch Probleme auf.

Zur Aufklärung von Bildungsmechanismen von Acrylamid wurden Versuche mit wasserarmen wie auch mit wässrigen Modellsystemen durchgeführt. Ersteres bestand aus Kieselgel mit 10 % Wassergehalt, bei letzterem wurden die Proben bei pH 5 und 7 in verschlossenen Gläsern erhitzt. Es wurde gezeigt, dass aus Asparagin allein nahezu kein Acrylamid entstand, während bei der Erhitzung von Asparagin mit Glucose oder Fructose große Mengen Acrylamid (ca. 10000 µmol/mol Asparagin) gebildet wurden. Zucker wie Lactose und Saccharose hatten ein geringeres Potenzial zur Acrylamid­bildung (6000 - 8000 µmol/mol Asparagin). Wurde Asparagin durch Cystein, Threonin oder Methionin ersetzt, so entstanden in Gegenwart von Glucose nur sehr geringe Mengen Acrylamid. Die Untersuchung der Acrylamidbildung in Abhängigkeit von der Temperatur, der Erhitzungsdauer und dem pH-Wert ergab, dass bei einem pH-Wert von 5 die Acrylamidbildung bei 160 °C begann, bei pH 7 jedoch schon bei 140 °C. Bei pH 7 war die gebildete Menge an Acrylamid in allen Proben höher als bei pH 5. Die Bildung von Acrylamid setzte nach einer Induktionsperiode von 5 min ein, stieg dann kräftig und anschließend nur noch langsam an. Bei der Erhitzung von Asparagin mit Carbonylverbindungen hatten Brenztraubensäure und Hydroxyaceton das größte Potenzial zur Acrylamidbildung. Aus der Beobachtung heraus, dass a-Hydroxycar­bonylverbindungen und a-Oxocarbonsäuren mit Asparagin mehr Acrylamid bildeten als a-Dicarbonylverbindungen, wurde abgeleitet, dass neben dem Strecker-Abbau auch der Weg über die Amadori-Verbindung von Asparagin mit a-Hydroxycarbo­nylverbindungen zum Acrylamid führt. In beiden Mechanismen spielt jedoch 3-Aminopropionamid eine Schlüsselrolle als Intermediat der Acrylamidbildung.

Das enorm hohe Potenzial von 3-Aminopropionamid zur Acrylamidbildung hat seine Ursache in der leichten thermischen Eliminierung von Ammoniak. 3-Aminopropion­amid wurde damit als der Acrylamid-Vorläufer identifiziert, welcher die höchsten jemals publizierten Ausbeuten an Acrylamid lieferte. Nach Entwicklung einer Methode zur quantitativen Bestimmung von 3-Aminopropionamid in Lebensmitteln wurde die Verbindung erstmals in Kartoffeln, später dann auch in anderen Lebensmitteln, nach­gewiesen. Ferner wurde ein biochemischer Bildungsweg aus Asparagin durch Decarb­oxylasen aufgezeigt. Neben der biochemischen wurde auch die thermische Bildung von 3-Aminopropionamid aus Asparagin gezeigt: Bei der Erhitzung von Asparagin / Glucose wurde zuerst 3-Aminopropionamid und erst dann Acrylamid gebildet, was den Charakter von 3-Aminopropionamid als Vorläufer von Acrylamid unterstreicht, Die thermische Bildung kann durch einen Strecker-Abbau von Asparagin in Gegen­wart einer a-Dicarbonylverbindung erfolgen. Letztere kann beispielsweise als Abbau­produkt aus reduzierenden Zuckern bei der Erhitzung gebildet werden. Bei der Strecker - Reaktion könnte als Intermediat auch 3-Hydroxypropionamid formuliert werden, wobei für dessen Bildung jedoch ein Reduktionsschritt erforderlich ist. Daher ist es fraglich, ob diese Verbindung bei der thermischen Behandlung von Lebensmitteln entsteht. Alternativ zum Strecker-Abbau ist die Bildung von 3-Amino­propionamid auch über die direkte Reaktion von Asparagin mit a-Hydroxy-Carbonyl­verbindungen (z.B. reduzierenden Zuckern) möglich. Die zunächst gebildete Amadori-Verbindung enolisiert zum Enaminol, welches durch eine oxidative Decarboxylierung und anschließende Hydrolyse 3-Aminopropionamid und eine Dicarbonylverbindung bilden kann. Letztere kann erneut mit Asparagin reagieren und über einen Strecker-Abbau 3-Aminopropionamid liefern. 3-Aminopropionamid bildet dann Acrylamid durch thermische Eliminierung von Ammoniak.

Aus diesen Ergebnissen kann die Möglichkeit abgeleitet werden, den Strecker-Abbau von Asparagin so zu steuern, dass vorwiegend der Strecker-Aldehyd des Asparagins (3-Oxopropionamid) und nur in geringem Maße sein biogenes Amin (3-Aminopropionamid) entsteht. Aus ersterem kann auf direktem Wege kein Acrylamid entstehen. Eine Bildung wäre nur durch Reduktion von 3-Oxopropionamid in 3-Hydroxypropionamid möglich, welches durch Eliminierung von Wasser Acrylamid liefern könnte. Einerseits ist jedoch fraglich, ob die dafür erforderliche Reduktion unter den Bedingungen der Erhitzung stattfindet und andererseits ist das Acrylamid-Bildungspotenzial von 3-Hydroxypropionamid wesentlich geringer als das von 3-Aminopropionamid.

Bindungsstudien mit Glutathion zeigten, dass Acrylamid unter den Bedingungen der Lagerung von Lebensmitteln mit der SH-Gruppe des Glutathions und/oder mit der Aminogruppe reagieren kann. Ob diese Bindung an Lebensmittelbestandteile temporär oder permanent ist oder ob Acrylamid aus solchen Addukten durch Erhitzen wieder freigesetzt werden kann, muss noch untersucht werden.

Deutsche Forschungsanstalt für Lebensmittelchemie (DFA)
Prof. Dr. P. Schieberle/PD Dr. P. Köhler
Lichtenbergstr. 4, 85748 Garching
Tel.: 089/289-13265   Fax: 089/289-14183
E-Mail: Peter.Schieberle@lrz.tum.de und Peter.Koehler@lrz.tu-muenchen.de

 

Untersuchungen zur Minimierung von Acrylamid in kohlenhydratreichen Getreidelebensmitteln

Dr. Uta Tietz, Annedore Habel, Annette Lehrack und Dr. Monika Springer
Institut für Lebensmittel- und Umweltforschung e.V., Nuthetal

Rohstoffe und Rezepturbestandteile

Der Vergleich verschiedener Rohstoffe (Weizen, Roggen, Mais, Reis, Hafer) bestätigte, dass der Asparagingehalt ein wesentlicher Faktor für die Acrylamidbildung ist. Getreide mit geringem Asparagingehalt unter 100 mg/kg (Mais, Reis, Weizen) sind beim Extru­sionsprozess unkritisch und führen zu Acrylamidgehalten, die sehr deutlich unter dem Signalwert liegen. Dagegen führten Extrusionsversuche mit verschiedenen Roggenvoll­kornmehlen zu einer signifikanten Acrylamidbildung. Die Untersuchungen zum Einfluss von Zutaten und technologischen Varianten wurden deshalb mit Roggenvollkornmehlen durchgeführt, um eindeutige Effekte zu realisieren.

Der Einfluss von Rezepturbestandteilen bei der Backwarenherstellung wurde in Bezug auf ein definiertes Modellsystem mit Roggenvollkornmehl im gesteuerten Waffelback­automat untersucht.

Der Zusatz von reduzierenden Zuckern und seine Wirkung auf die Acrylamidbildung ist aus der Literatur ausreichend bekannt.

Möglichkeiten zur Senkung des teils sehr hohen Acrylamidgehalts in Diabetikerproduk­ten, verursacht durch den Einsatz von Fructose, sind mit dem Austausch von Fructose durch Isomalt oder Sorbit gegeben.

Die Abhängigkeit der Acrylamidbildung vom pH-Wert kann als geeigneter Weg zur Reduzierung der Acrylamidgehalte genutzt werden. Ähnliche Effekte lassen sich mit Komponenten erzielen, die die Wasseraktivität beeinflussen. Hierfür hat sich die Ver­wendung von Zutaten als geeignet erwiesen, die für Backwaren und Extrusionserzeug­nisse häufig zur Anwendung kommen: Citronensäure, Ascorbinsäure, Salz oder Glycerol.

Insbesondere bei der Anwendung von organischen Säuren im Konzentrationsbereich von 0,5 bis 2 % wurde ein signifikanter Einfluss auf den Acrylamidgehalt festgestellt. Die reduzierten Acrylamidgehalte konnten bei der Herstellung von Braunen Lebkuchen bestätigt werden. Mit dem Zusatz von Säuren bzw. dem Austausch des Triebmittels Ammoniumbicarbonat (ABC-Trieb, Hirschhornsalz) durch Spezialbacktriebmittel bei der Lebkuchenherstellung wurden Möglichkeiten zur Acrylamidminimierung im sensorisch vertretbaren Bereich aufgezeigt.

Weitere Zutaten, die sich mindernd auf die Acrylamid-Bildung auswirkten, sind Kochsalz, Kaliumchlorid und Glycerol. Mischungen aus 1 bis 1,5 % NaCl oder KCl und Citronen- oder Ascorbinsäure erscheinen geeignet, um eine Reduktion des Acrylamidgehalts zu erzielen. Diese Effekte konnten sowohl in Backwaren (Modellsystem und Braune Lebkuchen), in Extrudaten als auch bei der Cornflakesherstellung nachgewiesen werden.

Backprozess

Die Verfahrensbedingungen, denen eine Backware während ihres Herstellungsprozes­ses unterliegt, spielen bei der Acrylamidbildung eine erhebliche Rolle. Es konnte gezeigt werden, dass Backtemperatur, Einwirkdauer, Art der Wärmeübertragung und die Produktfeuchte die entscheidenden technisch-technologischen Parameter darstellen. Genaue Messungen des Backklimas und eine definierte Einstellung der Ofenfeuchte sowie gezielte Temperatur-Zeitprofile führten zu einer verringerten Acrylamidbildung im Backprozess.

Vorgestellt wurden Untersuchungen an Braunen Lebkuchen mit zweistufigen Backver­fahren. Nach Stabilisierung der Krume/Oberfläche innerhalb einer verkürzten Backzeit wird dem Produkt die Feuchtigkeit bis zur Lagerstabilität mittels alternativer Verfahren entzogen. Hierfür wurden Mikrowellenenergie und Vakuumkühlung getestet.

Diese gesplitteten Verfahrensführungen bieten Ansatzpunkte für Produkte mit den gewünschten sensorischen Merkmalen bei gleichzeitig geringerer thermischer Belastung. Konkrete Verfahrensführungen und Anlagenkonzepte sind gemeinsam mit dem Maschinen- und Anlagenbau zu erstellen.

Weitere Untersuchungen zeigten, dass eine Nachbehandlung von fertig gebackenen Produkten mit Feuchtigkeit (Konditionierung) zu einer Acrylamidreduzierung führen kann, ein Effekt, der bei der Konditionierung von Lebkuchen im Anschluss an den Backprozess genutzt wird.

Extrusions- und Röstprozesse

Acrylamid bildet sich insbesondere bei Einsatz von Extrudern mit hohem thermischem und mechanischem Energieeintrag. Dabei wurde ermittelt, dass mit steigender Tempe­ratur (> 170 °C) und mit niedriger Feuchte (< 17 %) eine drastische Erhöhung des Acryl­amidgehalts einhergeht. Bereits geringe Unterschiede der Extrusionsfeuchte von 1 % beeinflussen den Acrylamidgehalt sehr deutlich.

Doppelschneckenextruder haben aufgrund der intensiven Durchmischung der Rezeptur­bestandteile und des hohen mechanischen Energieeintrages ein höheres Potenzial zur Acrylamid-Bildung als Einschneckenextruder. Bei dem Verfahren der Gelatinierung wirkt sich nur der Prozessschritt der Nachbehandlung (Trocknung, Frittieren, Rösten) nach­teilig auf die Acrylamidbildung aus. Die Gelatinierung selbst erfolgt bei niedrigen Tempe­raturen (90 bis 100 °C) und beinhaltet damit nicht das Risiko hoher Acrylamidbildung.

Bei der Cornflakesherstellung ist der Röstprozess die für die Acrylamidbildung kritische technologische Stufe. Dabei entsteht Acrylamid auch aus Rohstoffen mit geringem Asparagingehalt. Zusätze wirken sich in analoger Weise aus wie beim Extrusions­prozess. Die gezielte Rezepturentwicklung ist ein wichtiger Weg, den Acrylamidgehalt in Cornflakes zu minimieren. Darüber hinaus kann durch Variation des Röstprozesses die Acrylamidbildung beeinflusst werden. Ein kurzer Röstprozess bei höheren Temperaturen ist günstiger als längeres Erhitzen bei niedrigerer Temperatur. Die Restfeuchte der Produkte sollte einen Grenzwert von 3 % nicht unterschreiten.

Resümee

Die Forschungsergebnisse liefern Ansatzpunkte, um mittels Rohstoffauswahl, Rezeptur­gestaltung und Technologieführung Produkte mit deutlich verminderten Acrylamidge­halten bei sensorisch erwünschter Charakteristik herstellen zu können.

Die Erkenntnisse zu den Minimierungspotenzialen, die sowohl anhand von Modellunter­suchungen als auch mit konkreten Lebensmittelsystemen gewonnen wurden, sind auf die unternehmensspezifische Technologie zu adaptieren. Für den Maschinen- und Anla­genbau wurden Konzepte erarbeitet, die in einem Nachfolgeprojekt in konkrete Anlagen­systeme und Prozessführungen umgesetzt werden können.

ILU Institut für Lebensmittel und Umweltforschung e.V.
Dipl.-Ing P. Kretschmer/Dr. U. Tietz
Arthur-Scheunert-Allee 40-41, 14558 Nuthetal OT Bergholz-Rehbrücke
Tel.: 033200/89-0          Fax: 033200/89-220
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Untersuchungen zur Minimierung von Acrylamid in Kartoffelerzeugnissen

Dr. Norbert Haase
Bundesforschungsanstalt für Ernährung und Lebensmittel, Institut für Getreide-, Kartoffel- und Stärketechnologie, Detmold

Verschiedene Kartoffelprodukte können bei intensivem bzw. häufigem Verzehr signifi­kante Beiträge zur Acrylamid-Exposition der Verbraucher liefern, da sie per se ein erheb­liches Acrylamid-Bildungspotenzial beinhalten. Ursache hierfür sind hohe Konzentrationen der beiden hauptsächlichen Precursoren (Asparagin und reduzierende Zucker), wobei aber stets die reduzierenden Zucker als limitierende Größe wirken. Auch die Zubereitungsform spielt in diesem Zusammenhang eine Rolle, da verschiedene Kartoffelprodukte im Rahmen des Herstellungsvorganges bis auf eine geringe Restfeuchte ausgetrocknet werden, so dass günstige Voraussetzungen für die Acrylamidbildung gegeben sind.

In der systematischen Betrachtung der Kartoffelprodukte ist grundsätzlich zwischen denjenigen Erzeugnissen, die vom Konsumenten selbst oder aber in der Gastronomie in einen verzehrsfähigen Zustand versetzt werden müssen (z.B. Pommes frites), und anderen Erzeugnissen zu unterscheiden, die dem Konsumenten verzehrsfertig angeboten werden (z.B. Knabberartikel). Bei der ersteren Produktkategorie bestehen nur wenige Ansatzpunkte für eine systematische Reduzierung des Acrylamidniveaus. Die Herstellung sämtlicher Kartoffelprodukte ist traditionell eng mit dem Rohstoff verknüpft, da Kartoffeln zahlreichen inneren und äußeren Einflussfaktoren unterliegen (u. a. Sorte, Pflanzenbehandlung, Wasserverfügbarkeit, Standort, Witterung etc.).

Rohstoff: Exemplarische Untersuchungen haben größere Schwankungsbreiten für die produktrelevanten Inhaltsstoffe erkennen lassen. Dieses betraf sowohl verschiedene Sorten als auch Düngungseinflüsse, Anbaujahre und Lagerhaltung. Jede einzelne Partie war dabei von Ungleichmäßigkeiten in der Rohstoffzusammensetzung gekennzeichnet, so dass in letzter Konsequenz eine permanente Schwankung der jeweiligen Produkt­qualität anzutreffen ist. Gelingt es, diesen Sachverhalt im Vorfeld der Produktion einzugrenzen, sei es durch eine optimierte Sortenpolitik, durch geänderte Anbau­strategien oder durch eine verbesserte Ernte- und Lagerungsstrategie, ist damit ein erhebliches Minimierungspotenzial hinsichtlich einer Acrylamid-Ausprägung gegeben. Negative Qualitätsveränderungen der Produkte sind dabei nicht zwingend zu erwarten.

Pommes frites werden industriell ausschließlich in vorfrittierter Form angeboten. Da die eigentliche Acrylamidbildung erst bei der verzehrsfertigen Zubereitung einsetzt, wurden bereits 2002 die Zubereitungsempfehlungen auf den Umverpackungen für vorfrittierte Pommes frites geändert. Die Schnittform hatte insbesondere aufgrund des Oberflächen-Volumen-Verhältnisses eine deutliche Wirkung auf den Acrylamidgehalt. Feinschnittware mit 6 x 6 oder 8 x 8 mm Querschnitten wies in diesem Zusammenhang signifikant höhere Acrylamidwerte als ein Grobschnitt mit 14 x 14 mm auf. Damit individuell davon abweichende Zubereitungsverfahren dennoch kein übermäßig hohes Acrylamid-Risiko bedingen, wurde eine zeitliche Verlängerung der Blanchierphase bzw. die Einführung einer Auslaugungsphase untersucht. Beide Maßnahmen führten zu deutlichen Reduktionen beider Precursoren (Asparagin und reduzierende Zucker).

Kartoffelchips müssen weitgehend trocken sein, um die produkttypische Knusprigkeit gewährleisten zu können. In Abhängigkeit vom Trockenmassegehalt und von der Frittiertemperatur sind damit unterschiedliche Frittierzeiten erforderlich. Erwar­tungsgemäß führte die höchste Temperatur zur schnellsten Austrocknung. Auch setzte die Acrylamidbildung eher ein. Der Acrylamidgehalt nahm im Endprodukt über den gesamten Messbereich in Form eines exponentiellen Verlaufs zu. Da bei einer Frittiertemperatur von 140 °C wesentlich länger als bei 200 °C frittiert werden musste, um die angestrebte Restfeuchte von weniger als drei Prozent zu erreichen, war damit das Produkt aus Temperatur und Zeit bei der niedrigsten Frittiertemperatur am höchsten. Ab einer Öltemperatur von 170 °C kam es zu einer überproportional anstei­genden Acrylamidbildung, die sich oberhalb von 200 °C verlangsamte, absolut aber weiter zunahm (bis 220 °C).

Eine über das eigentliche Frittierziel hinaus reichende Frittierzeit führte bei höheren Frittiertemperaturen (180 und 190 °C) zu einem Anstieg der Acrylamidwerte. Interes­santerweise kam es zu einer Erhöhung des Fettgehaltes in den Kartoffelchips, während die jeweils optimale Frittierzeit trotz Anpassung an die jeweilige Temperatur so gut wie keinen Unterschied erkennen ließ.

Ein Temperaturgradient in der Friteuse (heißer Einlaufs- und rel. kühler Auslaufs­bereich) zeigte bei Gradienten von 10 °C bis 40 °C keine signifikanten Auswirkungen auf Farbe und Textur. Der Fettgehalt war deutlich erhöht, während gleichzeitig die Acrylamidbildung fast linear abnahm.

Hingegen machte sich ein rasches Abkühlen nach Verlassen der Friteuse nur bei der hohen Temperaturvariante (190°C) positiv im Sinne einer reduzierten Acrylamidbiidung bemerkbar.

Bei drastischer Herabsetzung der Frittiertemperatur im letzten Frittierabschnitt (Vakuum-Friteuse) konnte der Acrylamidgehalt erheblich gesenkt werden. In Abhängig­keit von den gewählten Prozessparametern schwankte jedoch die Produktqualität. Die orientierenden Ergebnisse lassen aber erwarten, dass bei entsprechender Optimierung des Prozessablaufes Produktqualitäten erzielt werden können, die sich nicht wesentlich von den gegenwärtig am Markt befindlichen unterscheiden. Das Niveau des Acrylamid­gehalts lag in den Versuchen deutlich unterhalb des gegenwärtigen Ist-Zustandes.

Eine andere Möglichkeit zur Reduzierung der Acrylamidgehalte betrifft die Reduzie­rung der Precursoren im Vorfeld der Friteuse. Bereits eine kurzzeitige Wässerung bei 50 °C reichte aus, um den Zuckergehalt (sowohl reduzierende Zucker als auch Saccharose) merklich abzusenken. Bei Überschreiten der Verkleisterungstemperatur von ca. 60 °C setzte eine weitere Reduktion ein. Auch bei frei verfügbarem Aspara­gin gab es eine entsprechende Reduktion. Die Farbe des Fertigproduktes wurde heller, und der Acrylamidwert sank ab. Der Zusatz verschiedener Kalzium- und Kaliumsalze (Sulfat- und Chloridform) ergab keine weiteren Reduktionspotenziale bei Zucker und Asparagin. Jedoch war in einigen Fällen so gut wie kein Acrylamid mehr nachzuweisen. Allerdings muss die optimale Konzentration im Einzelfall ermittelt werden, da bei zu hoher Konzentration eine bittere Geschmacksnote auftrat.

Jede der geschilderten Einzelmaßnahmen für die einzelnen Bereiche beinhaltet ein erhebliches Minimierungspotenzial, doch dürfte für die Praxis eine Kombination verschiedener Schritte am erfolgreichsten sein, da die Besonderheiten jeder einzel­nen Rohstoffpartie ein zusätzliches Unsicherheitsmoment mit sich bringen. Nicht zuletzt ist dabei auch auf die organoleptische Qualität der Produkte zu achten, die bei bestimmten Einzelmaßnahmen negativ beeinflusst werden kann. Insgesamt eröffnen sich sowohl für die Lebensmittel- als auch für die Maschinenbauindustrie zahlreiche Ansatzpunkte mit dem Ziel einer dauerhaften Acrylamidabsenkung in den Kartoffelprodukten (u. a. Kontroll- und Bewertungsverfahren, Adaption spezieller Techniken, Mess- und Regeltechnik).

 

Bundesforschungsanstalt für Ernährung und Lebensmittel
komm. Leiter: Min.-Dirig. F. Johannes
Institut für Getreide-, Kartoffel- und Stärketechnologie
Prof. Dr. M. G. Lindhauer/Dr. N. U. Haase
Schützenberg 12, 32756 Detmold
Tel.: 05231/741-420       Fax: 05231/741-100
E-Mail: m.lindhauer@bagkf.de und potato@bagkf.de

 

Bedeutung des Frittierfettes und der Frittieranlagenkonzeption für die Acrylamid-gehalte in frittierten Produkten

Prof. Dr. Ernst H. Reimerdes, Dr. Knut Franke
Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. (DIL), Quakenbrück

Ein wesentlicher Bereich unserer bekannten und geschätzten Lebensmittelqualität hängt mit Prozessen beim Braten und Frittieren zusammen. Dazu zählen die Ausbildung der Bräunung und des Geschmacks aber auch Textur und Verzehrs­fähigkeit. Lange war diese „Genuss'"-Welt in Ordnung, bis vor 3 Jahren festgestellt wurde, dass in diesen hochwertigen Produkten abhängig von Art und Form des Erhitzens Acrylamid, bekannt als toxikologisch nicht unbedenkliche Industriechemi­kalie, gebildet wird. Es wurde sehr schnell klar, dass hier für die Lebensmittelher­steller ein multifaktorielles System unterschiedlichster, zu berücksichtigender Variablen vorliegt. Dazu zählen u. a. Temperatur und Dauer der Erhitzung, das Übertragungsmedium, die Gehalte an Precursoren für Qualitätsentwicklung aber auch Acrylamidbildung, die Anlagenkonzeption sowie die Vorbehandlung von Rohstoffen. Erst die Berücksichtigung und Beherrschung aller relevanten Variablen ermöglicht die nachhaltige Reduzierung der Acrylamidbildung in Lebensmitteln. Speziell beim Frittieren spielen die Vorgänge an der Grenzfläche zwischen Produktoberfläche und Erhitzungsmedium Frittierfett eine wesentliche Rolle. Im Rahmen des Projektes konnte nachgewiesen werden, dass bei Pommes frites ein erheblicher Anteil des aus dem Vorfrittieren mitgeführten Fettes in der Friteuse ausgetauscht wird. So konnte gezeigt werden, dass durch den Zusatz z.B. von W/O-Emulsionen mit Glutamin­lösung als wässrige Phase zu dem Frittierfett eine stärkere Bräunung der Pommes frites bei geringeren Acrylamidgehalten erreichbar ist.

Die im Projekt konzipierte und gebaute Multifunktionsfriteuse ermöglicht das Frittieren in einem geschlossenen System, so dass die Atmosphäre über dem Frittierfett (Kopfraum) in einem weiten Druckbereich von 0,1 bar bis 8 bar Absolutdruck kontrollierbar ist. Entsprechend lässt sich die Wasserabdampfung aus dem Produkt und damit der Temperatur-Feuchte-Verlauf in der Grenzfläche (Produktkruste) beeinflussen. So können durch Frittieren bei einem Überdruck im Bereich von 1 bis 4 bar geringere Acrylamidgehalte bei vergleichbarer Bräunung der Pommes frites (traditionelles Frittieren mit Umgebungsdruck) erreicht werden. Die aktive Beein­flussung der Kopfraumatmosphäre stellt somit eine Möglichkeit dar, die Acrylamid­bildung beim Fertigfrittieren von Pommes frites über entsprechende Anlagenkonzepte zu steuern.

Die Bedeutung der Vorgänge an der Grenzfläche zwischen Produkt und Frittierfett für die Acrylamidbildung und damit für die Kontrolle der Acrylamidminimierung konnte auch anhand der lokalen Verteilung von Acrylamid in frittierten Kartoffelprodukten mit sehr hohen Gehalten in den äußersten Schichten demonstriert werden. Als eine Möglichkeit des gezielten Eingriffs in diese Vorgänge wurde das Coating der Produktoberfläche mit Citronensäure- und Milchsäurelösungen zur Senkung des pH-Wertes identifiziert. Durch eine Reduzierung des pH-Wertes lässt sich die Acrylamidbildung deutlich reduzieren. Auch das Coating mit einer Kochsalzlösung zur Veränderung der Wasseraktivität und der Ionenstärke in der Grenzfläche bewirkt eine Verringerung der Acrylamidbildung in den Pommes frites, wobei insbesondere höhere Salzkonzentrationen im Coating (ab 10%) zu einer deutlichen Reduzierung führen. Damit ist ein Ansatzpunkt für einen gezielten Eingriff in die Vorgänge an der Produktoberfläche gegeben.

Als weitere, sehr effektive Möglichkeit zur Steuerung der Wasserabdampfung wurde die Vorbehandlung der Pommes frites mittels Vortrocknung vor dem Fertigfrittieren mit entsprechend angepasster Fertigfrittierzeit erarbeitet. Mit zunehmender Vortrocknung wird der Acrylamidgehalt der fertigfrittierten Pommes Frites bei ver­gleichbarer Qualität geringer, so dass sich hier ein erhebliches Potential zur Acrylamidreduzierung ergibt. Werden sowohl Salzcoating als auch Vortrocknung angewendet, wird deutlich, dass die Vortrocknung einen größeren Einfluss als das reine Coating mit Salz bezüglich der Acrylamidreduzierung hat. Gerade bei mittleren Salzkonzentrationen im Coating (5 bis 9 %) lassen sich aber auch synergistische Effekte aus beiden Vorbehandlungen erkennen und eine Reduzierung des Acrylamidgehaltes gegenüber dem konventionellen Frittieren erreichen.

Ein aus diesen Ergebnissen zur Vorbehandlung mittels Coating und Vortrocknung entwickeltes Simulationsmodell ermöglicht die Vorhersage der optimalen Bedingun­gen für eine umfassende Reduzierung des Acrylamidgehaltes in Pommes frites (Minimierungsansatz). Bei einem sensorisch akzeptablen Salzgehalt von ca. 5 % im Coating ergibt sich eine berechnete Acrylamidreduzierung um 70 %. Mit der optimalen Vorbehandlung der Pommes frites basierend auf diesem Simulations­modell konnte eine Verringerung der Acrylamidgehalte um 65 bis 75 % auch experimentell nachgewiesen werden. Dabei sind die Effekte umso deutlicher, je stärker die Bräunung der Pommes frites ausgeprägt ist. Bezüglich der Einordnung des Minimierungsansatzes mittels Coating und Vortrocknung in die industrielle Herstellung von Pommes frites wurde gezeigt, dass die technologisch günstigere Vortrocknung der Pommes frites vor dem Vorfrittieren schneller zu dem gewünschten Masseverlust führt. Nach entsprechend angepassten Einstellungen für das Vorfrittieren und Fertigfrittieren konnte der Effekt bezüglich der Acrylamidreduzierung bei vergleichbarer Qualität der fertigen Pommes frites bestätigt werden.

Im Rahmen der analytischen Charakterisierung des frittierten Produkts im Zusam­menhang mit dem Frittierprozess wurden Regressionsgleichungen abgeleitet, die eine sehr genaue Vorhersage der erwartenden Acrylamidgehalte in Pommes frites in Abhängigkeit der Gehalte an reduzierenden Zuckern, Asparagin sowie der Frittierzeit ermöglichen. Das ist eine wesentliche Grundlage für die bessere Steuerung von Frittierprozessen in Abhängigkeit von den Precursorgehalten des Ausgangsproduktes unter dem Aspekt der Acrylamidminimierung gerade auch in den Bereichen Haushalt und Gastronomie.

Somit konnten im Rahmen der prozessorientierten Arbeiten des Deutschen Instituts für Lebensmitteltechnik e.V., in deren Fokus die Untersuchung des Einflusses vom Erhitzungsmedium (speziell Frittierfett) und Anlagenkonfiguration einschl. Prozess­gestaltung standen, validierte und verallgemeinerungsfähige Ergebnisse für diesen Bereich erarbeitet werden. Diese liefern eine Reihe von Ansätzen zur Beeinflussung der Vorgänge an der Grenzfläche Produkt/Frittierfett, die die Herstellung von acrylamid­reduzierten Pommes frites mit standardisierter Qualität ermöglichen. Zusätzlich wird dieses Know-how für die Bewertung/Beurteilung von Frittieranlagen im Hinblick auf die Herstellung von Qualitätsprodukten mit verringertem Acrylamidgehalten für die Industrie zur Verfügung stehen.

Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V.(DIL)
Prof. Dr. E. H. Reimerdes/Dr. K. Franke
Prof.-von-Klitzing-Str. 7, 49610 Quakenbrück
Tel.: 05431/183-0          Fax: 05431/183-114
E-Mail: e.reimerdes@dil-ev.de und k.franke@dil-ev.de

 


Toxikologie von Acrylamid:

Konzentrations-/Wirkungsbeziehungen von Acrylamid und Glycidamid in Humanblut

Prof. Dr. Gerhard Eisenbrand und Dr. Matthias Baum
Universität Kaiserslautern, Fachbereich Chemie; Fachrichtung Lebensmittelchemie, Umwelttechnologie

Wie in Tierversuchen gezeigt, besitzt Acrylamid kanzerogenes Potenzial. Ungeklärt ist jedoch, welche Wirkmechanismen der kanzerogenen Wirkung zu Grunde liegen und die Bedeutung für den Menschen. Es gilt als gesichert, dass Glycidamid (2,3-Epoxypropan­amid, GA) das ultimale genotoxische Kanzerogen ist. Im Stoffwechsel wird es durch das Enzym CYP 2E1 aus AA generiert. GA kann kovalent mit der DNA reagieren und bildet hauptsächlich Addukte mit dem N7 der DNA Base Guanin.

Im Rahmen dieser Studie wurde zunächst die Fähigkeit von AA bzw. GA zur Induktion von Mutationen am Hypoxanthin-phosphoribosyl-transferase-locus in V79-Zellen im Vergleich zu den bekannten Kanzerogenen Benzo[a]pyren-7,8-dihydrodiol-9,10-epoxid (BPDE) und a-Acetoxy N-Nitrosodiethanolamin (a-A-NDELA) untersucht. HPRT-mutierte Zellen wurden durch Behandlung mit 6-Thioguanin selektiert. Nach 10-13 Tagen wurde die Mutationsfrequenz (Mutationen pro 106 Zellen) bestimmt. AA induzierte keine HPRT-Mutationen bei allen untersuchten Konzentrationen, während für GA eine Erhöhung der Mutationsfrequenz bei 800 µM beobachtet wurde, B[a]P-7,8-DH und a-A-NDELA induzierten Mutagenität bei um 1-2 Größenordnungen niedrigeren Konzentrationen.

Das Ausmaß der DNA-Schädigung wird wesentlich durch aktivierende und desaktivie­rende Stoffwechselwege beeinflusst. Wir benutzen daher menschliches Blut als Modell­system um die dosisabhängige Schädigung der DNA in Lymphocyten durch genotoxi­sche Stoffe zu untersuchen.

Als Testsystem zum Nachweis der DNA-Schäden dient die Einzelzell-Gelelektrophorese (Comet-Assay). Durch zusätzliche Behandlung der präparierten DNA mit dem Reparatur­enzym Formamidopyrimidin glycosylase (FPG) wurde die Sensitivität des Testsystems erhöht. Die so genannte „Tail lntensity" (TI) dient dabei als Maß für die DNA-Schädigung.

Frisch entnommenes und heparinisiertes Blut wurde für 1, 2 oder 4 Stunden mit AA oder GA inkubiert. AA induzierte bis zur höchsten getesteten Konzentration (6000 µM) unter diesen Bedingungen keine DNA-Schäden, während GA nach FPG Behandlung erste DNA-Schäden bei 10 µM Blutkonzentration (4 h Inkubationszeit) induzierte.

B[a]P-7,8-DH-9,10-epoxid und a-Acetoxy-NDELA induzierten Genotoxizität bei mit GA in etwa vergleichbaren Konzentrationen.

Acrylamid und Glycidamid reagieren mit nucleophilen Zentren in Biomolekülen. Wir haben daher die konzentrations- und zeitabhängige Bildung von Addukten mit „unkritischen" Blutbestandteilen untersucht. Hierzu wurden Methoden zur Bestimmung von Addukten von AA und GA mit dem endständigen Valin am Hämoglobin etabliert, um den konzentrations- und zeitabhängigen Verlauf der Reaktion nach Inkubation von Humanblut mit AA oder GA zu erfassen. Nach 4 h Inkubationszeit wurde für AA bei 0,3 µM signifikante Adduktbildung beobachtet, während bei GA die Adduktbildung erst bei 3 µM signifikant war. Hierbei wurden in den Blutproben der einzelnen Probanden Hintergrundgehalte im Bereich von 30-40 pmol/g Hb für das AA Addukt sowie zwischen 5 und 40 pmol/g Hb für das GA Addukt gefunden.

Weiterhin wurde durch Inkubation von Blut mit 14C-Acrylamid gezeigt, dass nach 4 h etwa 30 - 40 % der Radioaktivität an Erythrocyten und Plasmaproteine gebunden werden.

Zusammenfassend zeigt sich, dass etwa 30 - 40 % einer gegebenen AA-Konzentration innerhalb von 4 Stunden an „nichtkritische Blutbestandteile“ gebunden werden. Hb-AA-Val Addukte sind geeignete Biomarker zur Abschätzung von AA Expositionen. Die Adduktbildung am endständigen Valin des Hämoglobins verläuft konzentrations- und zeitabhängig, wobei die Reaktivität von GA bei annähernd 1/3 der Reaktivität von AA liegt. AA zeigt in keinem der verwendeten Testsysteme Genotoxizität, während GA im HPRT-Test mit V79-Zellen bei 800 µM mutagen war. BPDE und a-A-NDELA waren bereits bei um 1-2 Größenordnungen niedrigeren Konzentrationen mutagen. Im Comet Assay nach FPG Behandlung zeigt GA bei 10 µM Blutkonzentration ein mit BPDE und a-A-NDELA vergleichbares genotoxisches Potenzial. Insgesamt setzt die genotoxische Wirkung von GA im Vergleich zur Adduktbildung am Hb erst bei 3-fach höheren Konzentrationen ein.

Weiterer Forschungsbedarf besteht vor allem hinsichtlich

Universität Kaiserslautern
Fachbereich Chemie, Fachrichtung Lebensmittelchemie/Umwelttoxikologie
Prof. Dr. Gerhard Eisenbrand/Dr. Matthias Baum
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