Dannelse af akrylamid og andre bruningsprodukter

Transkript

1 Dannelse af akrylamid og andre bruningsprodukter Rikke V. Hedegaard og Leif H. Skibsted, Fødevarekemi, Institut for Fødevarevidenskab, Det biovidenskabelige fakultet, Københavns Universitet Kort indledning Varmebehandling har været en central del i tilberedningen af vores mad siden mennesker blev i stand til at kontrollere ild for omkring år siden. I køkkenet i dag er processer som kogning, bagning eller stegning, medvirkende til både fysiske og kemiske ændringer, der fører til forandringer i struktur, udseende, smag og lugt af vores madvarer. Varmebehandling påvirker dog også biotilgængeligheden af mange næringsstoffer, og medvirker endvidere til ødelæggelse af bakterier og visse toksiner, der kan være skadelige for mennesker (Ames, 2007). Kemien bag disse ændringer af varmebehandlede fødevarer er meget kompleks, og involverer mange forskellige kemiske reaktioner, da fødevarer er komplekse matricer, som består af flere faser. De væsentligste byggesten tilhører tre hovedgrupper; fedt, kulhydrat og proteiner, og de tilstedeværende udgangsstoffer i madvaren samt opvarmningsbetingelserne, vil være afgørende for, hvilke reaktioner, der bliver dominerende. I de fleste tilfælde vil det ikke kun være én type af kemiske reaktioner, der forløber, men flere. Blandt de vigtigste i forbindelse med dannelse af farve og smag kan nævnes tre: 1) oxidationsprocesser hovedsageligt vedrørende fedt og proteiner, 2) karamellisering af sukkerstoffer, og 3) den såkaldte Maillardreaktion, der især involverer kulhydrater og proteiner. Maillardreaktionen er vigtig under opvarmning af de fleste fødevarer med markant indflydelse på udvikling af farvestoffer og flere hundrede forskellige aroma- og smagsstoffer. Den farve og smag, vi finder i varmebehandlede fødevarer, kan i mange tilfælde tillægges Maillardreaktionen, og nogle velkendte eksempler er karamel fremstillet af mælk og sukker, ristet brød og friturestegte kartofler. Den brune farve af øl, chokolade, kaffe og ahornsirup skyldes tilsvarende processer. Smagen af stegt kød, kiks, knækbrød, og bagværk generelt er også eksempler på, hvor vigtig Maillardreaktionen er i mange af vores tilberedte fødevarer. Lugten af popkorn er velkendt, og man kan sige, at farve og smag af produkter af Maillardreaktionen er kendt af nok alle. Den bidrager til forventningen og glæden ved at spise, men i forbindelse med varmebehandling dannes ved Maillardreaktionen i mange tilfælde uønskede stoffer, der er skadelige for vores helbred, og vores viden omkring Maillardreaktionen er stadig mangelfuld. Emnet egner sig til undervisning, idet reaktionerne foregår under velkendte betingelser og ofte kan følges med sanserne eller simple instrumentelle metoder. Dannelse af akrylamid i vore fødevarer har haft megen opmærksomhed, og dannelsen af stoffet akrylamid i opvarmende fødevarer vil blive sat i relation til kemien bag Maillardreaktionen i udvalgte dagligdagsprodukter. Kort om Maillardreaktionen i mad Maillardreaktionen dækker over det netværk af reaktioner med udgangspunkt i reaktive carbonyl-grupper og aminogrupper, og i fødevarer sker denne type reaktion ofte i forbindelse med opvarmning. Sukkermolekylers carbonylgruppe reagerer med aminosyrers aminogruppe, men ligesom ved karamellisering er det en ikke-enzymatisk reaktion (Nursten, 2005). I fødevarer findes frie aldehyder og ketoner i reducerende sukkerarter som glukose, fruktose, maltose og laktose. De frie aminogrupper findes i aminosyrer, men også i større molekyler såsom peptider, proteiner. De mange mulige udgangsstoffer, og de talrige efterfølgende reaktioner, der er involveret i Maillardreaktionen medfører kompleksitet og skaber nødvendigheden for en simplificeret tilgang i undervisning, og Maillardreaktionen opdeles ofte i tre faser: 30 LMFK-bladet, nr. 6, november 2010

2 1) en indledende fase, hvor sukkermolekylernes carbonylgruppe reagerer med aminosyrernes aminogrupper, og via en Schiff-base danner N-substituerede glycosylaminer under vandfraspaltning. Den ustabile glycosylamin undergår en såkaldt Amadoriomlejring, hvorved der dannes ketosaminer. Ketoser som fruktose reagerer også og omlejrer ved en såkaldt Heyns omlejring til en tilsvarende aldosamin. 2) I en mellem fase sker en dehydrering og fragmentering af sukkerne samt nedbrydning af aminosyrer ved den såkaldte Strecker nedbrydning. TABEL 1. Indhold af akrylamid i udvalgte produkter i μg/kg (ppb). (FAO/WHO, 2006; Fødevarestyrelsen, 2007). FØDEVARER 3) I en sidste fase dannes melanoidiner de endelige produkter af Maillardreaktionen, som er mørkebrune nitrogenholdige polymerer med kompleks struktur og ringe opløselighed. Aminosyren er bestemmende for den resulterende lugt/smag af produkter af Maillardreaktionen. Ved Maillardreaktionen dannes også krydsbindinger mellem proteinerne med medfølgende strukturændringer. Proteiner har frie aminogrupper i den N-terminale aminosyre og aminosyresidekæden af lysin og arginin. ε-aminogruppen fra lysin er mere reaktiv end guanidino-gruppen i arginin. Aminosyren Lysin er en essentiel aminosyre, og Maillardreaktionen fører til tab i næringsværdien. Pentosesukkere er mere reaktive end hexosesukkere, som igen er mere reaktive end disakkarider. Også aminosyrer har forskellig reaktivi- AKRYLAMID INDHOLD (PPB) Kartoffelprodukter Chips/pommes frites Kartofler < 50 Morgenmadsprodukter Majsflager Bageriprodukter og kiks Gingerbread (honningbrød) < Brød < Ristet brød (toast) Cerealier Knækbrød < Popcorn (søde og saltede) Ris og nudler Stegte nudler Stegte ris 3-67 Fisk og kød Fisk og fiskeprodukter < 2-39 Kød/kyllingeprodukter < Kakaoprodukter Chokoladeprodukter < Kakaopulver < Drikkevarer Kaffe (ristet) Kaffeekstrakt/pulver Ristet te (hoji-cha) and Oolong Tea < Øl < 30 LMFK-bladet, nr. 6, november

3 tet med forskellig grad af bruning som resultat. ph og temperatur har ligeledes stor indflydelse på reaktionens forløb, og eftersom der fraspaltes vand i Maillardreaktionen, vil opvarmning og udtørring fremme reaktionen. Høj ph fremmer Maillardreaktionen, da det er den frie aminogruppe, der reagerer. Figur 1. Dannelse af akrylamid i fødevarer. Dannelse af akrylamid i fødevarer I forbindelse med opvarmningen af madvarer kan der også dannes stoffer, der kan være skadelige for mennesker. Et eksempel herpå er stoffet akrylamid, der blev opdaget af en gruppe svenske forskere i 2002 i kulhydratholdige fødevarer udsat for opvarmning. Siden dette fund har man dog fået mere indsigt i dannelsen og i elimineringen af akrylamid fra opvarmede fødevarer. Dyreforsøg har klart vist, at akrylamid er kræftfremkaldende. WHO, US-EPA og EC har beregnet en livstidsrisiko for at få kræft på grund af indtagelse af akrylamid fra madvarer, og har fundet ud af at udsættelse for den danske middeleksponering vil føre til en risiko på ud af en million. Akrylamid er kendt i industrien, hvor dens polymer (polyakrylamid) bruges til fremstilling af geler til elektroforese, og indenfor byggebranchen hvor akrylamid bliver brugt som en hærdende og vandafvisende fugemasse. Akrylamid har været undersøgt i forbindelse med undersøgelser af arbejdsmiljøet ved byggeri, og man har længe kendt til akrylamids neurotoksicitet, men akrylamid er dog ikke neurotoksisk i de niveauer, man normalt finder i mad. Akrylamid findes også i tobaksrøg, hvor det dannes under forbrænding af tobakken. Mekanistiske studier har nu kædet dannel se af akrylamid i fødevarer sammen med Maillardreaktionen, og det har vist sig, at udgangsstofferne er aminosyren asparagin og en carbonylgruppe (Mottram et al., 2002; Stadler et al., 2002). Der forskes forsat i dannelses- og elimineringsmekanismer for akrylamid. En mulig mekanisme er en kondensation af asparagin og carbonylgruppen i en reducerende sukkerart som glukose, hvorved der dannes en Shiff-base, som i stedet for en Amadoriomlejring decarboxylerer, og efterfølgende nedbrydes til en imin og akrylamid (Figur 1) (Hedegaard et al., 2008a). Mindre end 1 % af udgangsstofferne i en fødevare, der undergår den indledende kondensation, danner akrylamid, men det er alligevel nok til, at der kan dannes bekymrende mængder af akrylamid i en række fødevarer. Stivelseholdige produkter (som brød, morgenmadsprodukter og kartoffelprodukter)tilberedt ved ristning eller bagning, har høje akrylamidindhold, og derudover indeholder kaffe, chokolade og kakao acrylamid, som dannes under ristningen af bønnerne. For de fleste ikke-rygere kommer det højeste indtag af akrylamid fra følgende produkter: kartoffelprodukter, chips, kaffe, kager, brød og morgenmad- 32 LMFK-bladet, nr. 6, november 2010

4 sprodukter, og eksempler på indholdet i udvalgte der niveauet igen ved en meget høj temperatur fødevarer kan ses i Tabel 1. Akrylamidindtaget (> C afhængigt af produktet). Den relative fra kaffe udgør ca. 1/5 af det samlede akrylamidindtag, overflade af et produkt påvirker også ind- og for individer med et højt kaffeindtag holdet af akrylamid, da temperaturen i overfladen kan andelen være væsentlig større. Der er endnu af et produkt under en opvarmningsproces ikke nogle grænseværdier for hvor meget er højere end inde i produktet. akrylamid, der må være i fødevarer, men EU vil Akrylamid dannes især i produktets overflade, indføre guideline-værdier. og produkter med en stor overflade i forhold til Det Europæiske Agentur for Fødevaresikkerhed volumen vil indeholde mere akrylamid i forhold (EFSA) har i maj 2008 konkluderet, at vores viden til produkter med en mindre overflade, og der er omkring akrylamid, både med hensyn til eksponering således ofte mere akrylamid i boller end i brød, af europæerne gennem kosten samt hvor- selvom der er anvendt samme dej. Dannelse af dan akrylamid virker i kroppen, stadig er meget akrylamid er karakteriseret ved vand-fraspaltning. mangelfuld. Der mangler især viden om, hvor Det er imidlertid ikke vandindholdet, men meget vi eksponeres gennem vores individuelle vandaktiviteten der er afgørende. Dette forhold tilberedning af fødevarer i køkkenet, da hid- kan udnyttes til en diskussion af vandbinding og tidige værdier af akrylamid bestemt i industrielt forskel mellem vandindhold (koncentration) og fremstilet mad ikke tager højde for, hvor meget vandaktivitet. En lavere vandaktivitet fører til vi selv bruner vores kartofler eller rister vores mere akrylamid (Hedegaard et al., 2007), og under brød. Alligevel er det blevet forsøgt at estimere en bage- eller stegeproces fordamper vand fra den daglige eksponering, og for europæer ser produktet, og dermed ændres både vandindholdet den ud til at være mellem 0,3 0,8 μg/(kg kropsvægt)/dag og vandaktiviteten af produktet. Akrylamid (WHO, 2010), og med en gennemsnitlig vil dannes i stigende grad mod slutningen af en værdi på 0,5 μg/kg kropsvægt/dag (Svensson varmebehandlingsproces, hvor produktet ofte et al., 2003). tørrer ud i overfladen. Ud fra disse værdier kan man konkluderer, Der er flere muligheder for at mindske indholdet at margenen mellem eksponering og det niveau, af akrylamid i et givet produkt, og en simpel man mener giver kræft, er omkring 300 for mennesker tilgang kan være at ændre procesbetingelserne for med et gennemsnitligt indtag, og 75 for varmebehandlingen, og tilberede produktet ved lav mennesker med et højt indtag af akrylamid. Hvis temperatur i længere tid og formindske udtørring man sammenligner med andre kendte fødevareforureninger, i overflader som stegeskorpe og brødskorpe. er dette en lille margen, og man bør Dannelse af akrylamid er også ph afhængig, og derfor holde øje med udviklingen af vores viden ved lav ph dannes der mindre, hvilket udnyttes i både omkring eksponeringen og sundhedsrisikoen kartoffelprodukter, hvor dypning af kartoflerne i af akrylamid. svag syre inden friteringen mindsker indholdet af Der er mange parametre, der påvirker dannelsen akrylamid (Pedreschi et al., 2007). Mængden af og nedbrydning af acrylamid, og gene- udgangsstofferne asparagin og det reaktive i en relt kræves en temperatur på over 120 C for at sukkerart aldehyd er naturligvis også vigtig for, akrylamid dannes. Niveauet af akrylamid, man hvor meget akrylamid der kan dannes, og ved at finder i en given madvarer, afspejler en balance minimere indholdet af udgangsstoffer minimeres mellem, hvad der dannes, og hvad der elimineres også niveauet af akrylamid. Ved at vælge kartof- under opvarmningen og den efterfølgende felsorter med et lavere indhold af asparagin el- lagring. Der er snarere tale om en steady state ler være opmærksom på udvikling af sukkerindgangspunkt end en ligevægt, hvad vil være et godt udholdet i kartofler, kan man reducere indholdet for en diskussion af disse begreber. af akrylamid i produkter som chips og pommes Ved lav temperatur kræves en længere opvarmningstid frites betydeligt. Under lagring af kartofler ved 4 for at nå samme niveau af akrylamid i et C nedbrydes mere stivelse til glukose, end hvis produkt som ved en højere temperatur, dog fal- de opbevares ved en lidt højere temperatur på LMFK-bladet, nr. 6, november

5 Figur 2. Enzymatisk omdannelse af asparagin C. Hvis det ikke er muligt at vælge et råmateriale med et lille indhold af glukose eller anden reducerende sukkerarter eller asparagin kan man i nogle produkter (fx kartoffelprodukter og brød) modificere indholdet af asparagin ved tilsætning af enzymet Asparaginase (Pedreschi et al., 2008). Asparaginase virker ved at omdanne asparagin til asparaginsyre, som ikke kan omdannes til akrylamid (Figur 2). Andre komponenter i maden kan også påvirke indholdet af akrylamid, såsom salt, glycin, gær, og antioxidanter. Det er blandt andet blevet vist, at antioxidanter fra rosmarin og grøn te kan mindske indholdet af akrylamid i hvedeboller, hvis det blev tilsat dejen inden bagning (Hedegaard et al., 2008b). Mekanismen bag er endnu ikke klar, men kan skyldes at frie radikaler dannet som mellemprodukter ved Maillardreaktionen hæmmes i deres videre reaktion. I Irland anvendes natriumhydrogenkarbonat ( Baking soda ) i stedet for sammensatte bagepulvere med en sur komponent til hvedebrød. Et velegnet forsøg til undervisning er at bage hvedebrød med almindeligt bagepulver og med NaHCO 3 under i øvrigt ens betingelser. Mål ph i en opslæmning af brød i vand og diskuter, hvordan det mon påvirker akrylamid dannelsen. Dannelse af andre Maillardreaktionsprodukter i maden og i kroppen (AGE) Nogle af de reaktioner vi kender i opvarmede fødevarer er også fysiologiske relevante, eftersom Maillardreaktionsprodukter også dannes i kroppen. Det er de samme grundlæggende mekanismer, der under lidt andre betingelser end ved opvarmning af fødevarer er relevante også ved de lavere temperaturer. Glukose er en let tilgængeligt reducerende sukkerart i kroppen, der medvirker til dannelse af Maillardreaktionsprodukter eller også kaldet Advanced Glycation End products (AGE) i kroppen. I kroppen foregår reaktioner dog meget langsommere grundet den lavere temperatur, og de patologiske konsekvenserne af Maillard-kemi i kroppen ses mest i væv med en lang turn over af proteiner. Dannelse af AGE i kroppen er involveret i flere sygdomsforløb og i ældning, og bidrager til komplikationer i forbindelse med sukkersyge såsom grå stær, skader på nethinden, nedsat nyrefunktion, forstyrrelse af blodkar og hjerte-karsygdomme (Vinson and Howard, 1996). Dannelse af AGE i kroppen ses især ved fejlernæring og livstilssygdomme med forhøjet blodsukker. Et tværdisciplinært forskningssamarbejdet på Københavns Universitet er for nyligt sat i gang (under UNIK-programmet). Der forskes i, hvor- 34 LMFK-bladet, nr. 6, november 2010

6 dan forskellige faktorer påvirker risikoen for at udvikle livsstilssygdommene, og her er dannelse af AGE produkter i opvarmet fødevare også inkluderet. Tilsyneladende er både AGE dannet i kroppen og indtaget gennem kosten problematisk. Måling af Maillardreaktionsprodukter i mad Maillardreaktionen kan følges ved flere analysemetoder, enten hvor man generelt ser på stofferne som en helhed, eller hvor et enkelt stof dannet i forbindelse med Maillardreaktionen som akrylamid analyseres. Det er simpelt at følge brunfarvningen visuelt, når man rister toastbrød (se Figur 3) eller bager kartofler i ovnen. Jo mere fremtræden Maillardreaktionen er, jo brunere bliver brød eller kartofler, for til sidst at ende i sorte og brændte nuancer. Man kan også følge selve Maillardreaktionen spektrofotometrisk ved 360 og 420 nm (Nursten, 2005). Der er fundet en lineær sammenhæng mellem indholdet af akrylamid af pommes frites og deres farve ved måling af komponent a* (redness chromatic parameter of the CIE Labcolor scale) i temperatur intervallet C (Pedreschi et al., 2005), så indholdet i akrylamid vil stige i takt med udviklingen af farven. Derudover kan reaktionen følges ved måling af fluorescence, der udvikler sig i forbindelse med dannelsen af mellemprodukterne. Fluorescence har en højere sensitivitet end farvemåling, da farvestoffer også dannes i forbindelse med andre reaktioner en Maillardreaktionen (Nursten, 2005). Hvis man ønsker at følge dannelsen af specifikke smagsstoffer eller andre stoffer dannet i forbindelse med Maillardreaktionen, kræver det, at man benytter forskellige separationsteknikker såsom Solid Phase Extraction (SPE) og/eller High Performance Liquid Chromatography (HPLC). Akrylamid kan måles ved hjælp af HPLC med en efterfølgende Mass Spectrometry (MS) detektion, og en HPLC-MS/MS metode (Nielsen et al., 2006) anvendes bland andet af de danske myndigheder til kontrol af fødevarer. Til undervisningsformål kan et termostateret varmeskab anvendes til ristning af brød. Indstil varmeskabet ved temperaturer fra 100 C og med 5 C interval. Skiver af toastbrød kan anvendes, Figur 3. Brunfarvning af hvedetoast ved risting i ovn ved 200 C, og udtagning hver 3. minut. og efter samme opvarmningstid bedømmes farven visuelt på en 0 til 10 skala. Ved at afbilde logaritmen af graden af bruning mod 1/T kan man få et estimat af aktiveringsenergien efter Arrhenius ligning for bruningsreaktionen. Har man adgang til egentlig farvemålingsudstyr kan det udføres mere kvantitativt. Referencer Ames, J. M., 2007, Evidence against dietary advanced glycation endproducts being a risk to human health: Molecular Nutrition & Food Research, v. 51, no. 9, p Hedegaard, R. V., H. Frandsen, K. Granby, A. Apostolopoulou, and L. H. Skibsted, 2007, Model studies on acrylamide generation from glucose/asparagine in aqueous glycerol: Journal of Agricultural and Food Chemistry, v. 55, no. 2, p Hedegaard, R. V., H. Frandsen, and L. H. Skibsted, 2008a, Kinetics of formation of acrylamide and Schiff base intermediates from asparagine and glucose: Food Chemistry, v. 108, no. 3, p LMFK-bladet, nr. 6, november

7 Hedegaard, R. V., K. Granby, H. Frandsen, J. Thygesen, and L. H. Skibsted, 2008b, Acrylamide in bread. Effect of prooxidants and antioxidants: European Food Research and Technology, v. 227, no. 2, p Mottram, D. S., B. L. Wedzicha, and A. T. Dodson, 2002, Acrylamide is formed in the Maillard reaction: Nature, v. 419, no. 6906, p Nielsen, N. J., K. Granby, R. V. Hedegaard, and L. H. Skibsted, 2006, A liquid chromatography-tandem mass spectrometry method for simultaneous analysis of acrylamide and the precursors, asparagine and reducing sugars in bread: Analytica Chimica Acta, v. 557, no. 1-2, p Nursten, H., 2005, The Maillard Reaction Chemistry, Biochemistry and implications The Royal Society of Chemistry. Pedreschi, F., K. Kaack, and K. Granby, 2008, The effect of asparaginase on acrylamide formation in French fries: Food Chemistry, v. 109, no. 2, p Pedreschi, F., K. Kaack, K. Granby, and E. Troncoso, 2007, Acrylamide reduction under different pretreatments in French fries: Journal of Food Engineering, v. 79, no. 4, p Pedreschi, F., P. Moyano, K. Kaack, and K. Granby, 2005, Color changes and acrylamide formation in fried potato slices: Food Research International, v. 38, no. 1, p Stadler, R. H., I. Blank, N. Varga, F. Robert, J. Hau, P. A. Guy, M. C. Robert, and S. Riediker, 2002, Acrylamide from Maillard reaction products: Nature, v. 419, no. 6906, p Svensson, K., L. Abramsson, W. Becker, A. Glynn, K. E. Hellenas, Y. Lind, and J. Rosen, 2003, Dietary intake of acrylamide in Sweden: Food and Chemical Toxicology, v. 41, no. 11, p Vinson, J. A., and T. B. Howard, 1996, Inhibition of protein glycation and advanced glycation end products by ascorbic acid and other vitamins and nutrients: Journal of Nutritional Biochemistry, v. 7, no. 12, p WHO. Health implications of acrylamide in food. Joint FAO/WHO consultation, Geneva, Switzerland, June Ref Type: Internet Communication 36 LMFK-bladet, nr. 6, november 2010