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)
Godesberger Allee 142-148, 53175 Bonn
Tel. 0228/372031, Fax 0228/376150
E-Mail FEI@fei-bonn.de
Bund für Lebensmittelrecht u. Lebensmittelkunde e.V. (BLL)
Godesberger Allee 142-148, 53175 Bonn
Tel. 0228/81 993-137, Fax 0228/81993-200
E-Mail jgelbert@bll.de oder bll@bll.de
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
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
E-Mail: office@ilu-ev.de
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
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
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
Entwicklung
sensitiverer Biomarker zur Bewertung DNA schädigender Wirkungen unter realistischen
Expositionsbedingungen, d.h. bei submikromolarer Blutkonzentration.
Einfluss
der Lebensmittelmatrix auf die Bioverfügbarkeit von AA in Versuchstier und Mensch.
aussagekräftiger
Tierversuche (Expositions- und Effektmonitoring mit chronischer Acrylamid-Exposition
weit unterhalb 1 mg/kgKG und Tag.
Universität
Kaiserslautern
Fachbereich Chemie, Fachrichtung Lebensmittelchemie/Umwelttoxikologie
Prof. Dr. Gerhard Eisenbrand/Dr. Matthias Baum
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