Erhitzungsbedingte Kontaminanten in Lebensmitteln

Acrylamid (Abb. 1) wurde erstmals 2002 von einer schwedischen Arbeitsgruppe in einer Vielzahl von Lebensmitteln nachgewiesen. Es entsteht unter anderem bei der Zubereitung bzw. Verarbeitung stärkehaltiger Lebensmittel bei hohen Temperaturen von über 120 °C (Braten, Backen, Frittieren oder Rösten) und geringer Feuchtigkeit bei der Reaktion von reduzierenden Zuckern (z. B. Glukose oder Fruktose) und bestimmten in Lebensmitteln natürlich vorkommenden Aminosäuren (vor allem Asparagin). Besonders hohe Gehalte an Acrylamid finden sich in Kartoffelprodukten wie Pommes frites und Kartoffelchips, in Cerealien, in Brot (vor allem Knäckebrot) sowie in Kaffee. Eine weitere wesentliche Expositionsquelle stellt die inhalative Exposition über Zigarettenrauch dar (auch durch Passivrauchen; [4‐6]).

In Säugetieren wird die Substanz hauptsächlich durch Cytochrom P450 2E1 (CYP2E1) zu Glycidamid umgesetzt, das ein deutlich höheres gentoxisches Potenzial als die Ausgangssubstanz aufweist. Hauptstoffwechselweg von Acrylamid und Glycidamid beim Menschen ist die Konjugation mit Glutathion. Die letztlich entstehenden Merkaptursäuren sind als Kurzzeitbiomarker im Urin nachweisbar [7, 8].

Toxikologisch besonders relevant ist die Fähigkeit von Acrylamid und vor allem des gebildeten Glycidamids, mit Thiol- sowie Aminogruppen (z. B. Glutathion, Hämoglobin) und mit Basen der Desoxyribonukleinsäure (DNA) zu reagieren. In der modernen Toxikologie werden Acrylamid- und Glycidamid-Hämoglobin-Addukte in den roten Blutkörperchen als Biomarker für die mittelfristige individuelle Exposition herangezogen. In bakteriellen Testsystemen und verschiedenen zellkulturbasierten Testsystemen erwies sich Acrylamid als gentoxisch, wobei N7-Glycidamid-Guanin- und N3-Glycidamid-Adenin-Addukte für die gentoxische Wirkung von Bedeutung sind. Gentoxische Effekte wurden auch in Nagetiermodellen bei Gaben hoher Acrylamidmengen beobachtet [9‐11].

Im Tierversuch erwies sich die Langzeitapplikation von hohen Dosen Acrylamid als kanzerogen, wobei Tumore in einer Vielzahl von Geweben/Organen, beispielsweise in den Brustdrüsen bei weiblichen Ratten und Mäusen, in der Schilddrüse bei der Ratte sowie in den Harderschen Drüsen (Tränendrüse) und der Lunge bei Mäusen auftraten. Dabei wurde als Referenzwert für die Wirkdosis ein BMDL₁₀-Wert („benchmark dose lower confidence limit 10 %“, siehe Infobox) von 0,17 mg/kg Körpergewicht und Tag für die Tumorentstehung in den Harderschen Drüsen von männlichen Mäusen als sensitivster Endpunkt berechnet [4]. Die International Agency for Research on Cancer (IARC) stufte Acrylamid in die Kategorie 2A als „wahrscheinlich krebserregend für den Menschen“ ein [12].

Die Aussagekraft der bisher durchgeführten epidemiologischen Studien bezüglich eines möglichen Zusammenhangs zwischen Acrylamidexposition und der Entstehung von Krebs beim Menschen ist bisher nicht ausreichend für die Beurteilung dieser Frage [4, 5]. Eine grundlegende Schwierigkeit besteht bei diesen Studien insbesondere in der Erfassung der langfristigen Acrylamidexposition. Auch eine erhöhte Krebsmortalität bei beruflich mit Acrylamid exponierten Arbeitern wurde bisher nicht beobachtet [4].

Eine aktuelle Expositionsabschätzung durch die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) ergab für Erwachsene eine durchschnittliche Acrylamidbelastung von 0,5 µg/kg Körpergewicht und Tag und für Vielverzehrer (95. Perzentil) von 1,0 µg/kg Körpergewicht und Tag. Da Kinder bezogen auf ihr Körpergewicht einen höheren Energie- und Nährstoffbedarf haben, sind sie im jungen Alter um einen Faktor von etwa 2 höher exponiert als eine erwachsene Person [4].

Ein toxikologisch unbedenklicher Schwellenwert kann für Acrylamid aufgrund der gentoxischen und kanzerogenen Eigenschaften nicht abgeleitet werden. Für Verbindungen mit solchen Effekten kann zur Abschätzung des Gefährdungspotenzials das sog. Margin-of-Exposure (MoE)-Konzept Anwendung finden (siehe Infobox). Für Acrylamid ergaben sich MoE-Werte von deutlich unter 1000 für alle Altersgruppen, wobei die Werte für Kinder und Kleinkinder niedriger sind als für Erwachsene [4]. Daher wird Acrylamid als gesundheitlich bedenkliche Substanz eingestuft, sodass es nach dem sog. As-low-as-reasonably-achievable (ALARA)-Prinzip bereits seit Jahren Bestrebungen gibt, die Acrylamidgehalte in Lebensmitteln zu minimieren.

In Deutschland wurde das Signalwertkonzept für bestimmte Lebensmittelgruppen mit dem Ziel eingeführt, die Acryamidgehalte in Lebensmitteln zu verringern. Dazu wurden in den jeweiligen Warengruppen die am höchsten belasteten Produkte identifiziert. Das 90. Perzentil wurde als Signalwert festgelegt. Wurde der Signalwert oder ein Gehalt von mehr als 1000 μg/kg (maximaler Signalwert) überschritten, so traten die Überwachungsbehörden der Länder in einen Minimierungsdialog mit den betroffenen Herstellern mit dem Ziel, den Acrylamidgehalt durch Änderungen der Rezeptur oder des Herstellungsverfahrens zu reduzieren.

Im Jahr 2011 führte die Europäische Kommission Richtwerte („indicative values“) ein, die auch in Deutschland die Signalwerte ablösen. Die Richtwerte sind in der Empfehlung der Kommission 2013/647/EU angegeben und betragen beispielsweise für verzehrfertige Pommes frites 600 µg Acrylamid/kg Produkt und für Kartoffelchips aus frischen Kartoffeln und aus Kartoffelteig 1000 µg/kg. Die EFSA stellte fest, dass eine zuverlässige europaweite Trendanalyse bezüglich einer Reduzierung des Acrylamidgehalts in Lebensmitteln aufgrund von Datenlücken und der nicht immer gegebenen Vergleichbarkeit von Ergebnissen aus verschiedenen Jahren nicht möglich ist. Dennoch zeigte ein Datensatz von Acrylamidmessungen aus 20 europäischen Ländern durchgeführt von Herstellern einen kontinuierlichen Abwärtstrend des Acrylamidgehalts in den Jahren 2002–2011 in Kartoffelchips [13]. Solch ein Trend war für andere Lebensmittelgruppen nicht erkennbar [4]. Zur Reduktion der individuellen Acrylamidexposition gilt weiterhin die Empfehlung, höher belastete Lebensmittel wie Pommes frites und Kartoffelchips nur in Maßen zu verzehren und auf eine schonende Zubereitung der Lebensmittel zu achten (Devise „Vergolden statt Verkohlen“). Zur Abschätzung der individuellen Acrylamidbelastung steht unter dem Link http://​www.​bfr.​bund.​de/​de/​acrylamid_​_​gesundheitliche_​bewertung_​durch_​das_​bfr-1134.​html ein Programm zur Bestimmung der täglichen mittleren Acrylamidaufnahme zur Verfügung (Acrylamidrechner).

Zu den Chlorpropandiolen zählen das 3‑Monochlorpropandiol (3-MCPD) und das 2‑Monochlorpropandiol (2-MCPD; Abb. 1). Charakteristisch für diese beiden Substanzen ist, dass sie ein Glyceringrundgerüst aufweisen, bei dem eine Hydroxylgruppe in Position 3 bzw. 2 durch ein Chloratom ersetzt ist. Die Fettsäureester bestehen aus dem Chlorpropandiol, das mit einem oder zwei Fettsäureestern (Mono- und Diester) verestert ist. Bei Glycidol handelt es sich um ein Glycerin, bei dem unter Ausbildung einer Epoxidstruktur ein Wassermolekül abgespalten wurde. Glycidylfettsäureester sind entsprechend Verbindungen aus Glycidol, das an der verbleibenden Hydroxylgruppe mit einer Fettsäure verestert ist.

MCPD- und Glycidylfettsäureester entstehen bei starker Erhitzung in fett- und kochsalzhaltigen Lebensmitteln. Sie werden insbesondere bei der Raffination von pflanzlichen Fetten und Ölen während der sog. Desodorierung gebildet. Bei diesem Schritt werden bei hohen Temperaturen unerwünschte Geruchs- und Geschmacksstoffe entfernt. Die größte Expositionsquelle stellen somit raffinierte Fette und Öle bzw. die Lebensmittel dar, bei deren Herstellung diese Fette und Öle verwendet werden (z. B. Margarine oder Säuglingsmilchnahrung). Weitere Lebensmittel wie gebackene/geröstete Getreide- und Kartoffelprodukte enthalten ebenfalls MCPD-Fettsäureester [14‐16]. Bereits 1978 waren unverestertes 3‑MCPD und andere Chlorpropanole als relevante Kontaminanten in Sojasauce identifiziert worden. Durch technologische Maßnahmen wurde eine deutliche Senkung dieser Gehalte erreicht, sodass Sojasauce als Expositionsquelle gegenwärtig nicht mehr relevant ist [17].

Furan (Abb. 1) ist eine heterozyklische, aromatische, leicht flüchtige Verbindung, die im Lebensmittel beim Erhitzen aus Kohlenhydraten, Aminosäuren, Ascorbinsäure und ungesättigten Fettsäuren entsteht [29]. Es wird insbesondere beim Rösten von Lebensmitteln oder bei Erhitzungsvorgängen in geschlossenen Gefäßen gebildet. Belastete Lebensmittelgruppen sind im Wesentlichen gerösteter Kaffee, Instantkaffee, Babygläschen, Suppen, Saucen sowie Fleisch- und Getreideprodukte [30, 31].

Furan wird im Magen-Darm-Trakt schnell resorbiert und insbesondere durch CYP2E1 in der Leber zu dem toxischen Metaboliten (2Z)-2-Butendial (cis-2-Buten-1,4-dial) verstoffwechselt. Dieser Dialdehyd reagiert mit Thiolen (z. B. Glutathion) und mit Aminogruppen von Proteinen. Zwar wurden DNA-Addukte mit dem Dialdehyd in vitro beobachtet; jedoch in vivo in furanbehandelten Ratten bisher nicht nachgewiesen [32]. Studien zur Gentoxizität von Furan lieferten keine eindeutigen Ergebnisse. Zwar erwies sich Furan selbst auch in Anwesenheit eines Systems zur externen Metabolisierung als nicht mutagen in In-vitro-Testsystemen [33], jedoch wurde sein reaktiver Aldehyd cis-2-Buten-1,4-dial positiv auf Mutagenität getestet [34, 35]. Die Kanzerogenität von Furan wurde in mehreren Langzeittierstudien untersucht. Die orale Gabe von Furan über 2 Jahre erhöhte die Inzidenzen unterschiedlicher Neoplasien in Versuchstieren. Deutlich war die Zunahme der Inzidenz von hepatozellulären Adenomen und Karzinomen bei Mäusen und Ratten beiderlei Geschlechts [33, 36]. In einer jüngeren Studie wurden außerdem Mesotheliome in Nebenhoden und Hoden bei Ratten beobachtet [33, 36]. Es ist derzeit jedoch unklar, welche Mechanismen die Kanzerogenität von Furan bedingen, wodurch die Abschätzung der Relevanz dieser Tierversuchsdaten für ein mögliches kanzerogenes Risiko beim Menschen erschwert wird. Die IARC stufte Furan als „möglicherweise krebserregend für den Menschen“ ein (Gruppe 2B; [37]).

Auf Basis der Gehaltsangaben für die oben genannten Lebensmittelgruppen sowie Expositionsdaten aus verschiedenen Ernährungsstudien schätzte die EFSA die durchschnittliche Exposition für Erwachsene, berechnet für verschiedene Länder, auf 0,03–0,59 µg Furan/kg Körpergewicht und für Vielverzehrer (95. Perzentil) auf 0,09–1,29 µg/kg Körpergewicht und Tag, wobei Kaffee die hauptsächliche Expositionsquelle von bis zu fast 90 % der Gesamtexposition darstellt. Für Kleinkinder beträgt die mittlere Exposition 0,05–0,31 µg Furan/kg Körpergewicht und Tag und bei hoher Exposition (95. Perzentil) 0,2–1,38 µg/kg Körpergewicht und Tag. Die EFSA verwies dabei auf die unzureichende Datenlage zu Furangehalten in wärmebehandelten Lebensmitteln. Es fehlen insbesondere analytische Daten zu den Gehalten vor und nach der Zubereitung von Nahrungsmitteln bei hohen Temperaturen [6]. Für eine abschließende Risikobewertung von Furan sind diese Daten sowie die oben erwähnten toxikologischen Daten zum Wirkmechanismus unabdingbar.

Auch wenn derzeit das gesundheitliche Gefährdungspotenzial von Furan nicht abschließend geklärt ist, könnte individuell die Furanexposition minimiert werden, indem vorwiegend frisch zubereitete Lebensmittel inklusive frisch zubereiteter Babynahrung und weniger Fertiggerichte und Konserven verzehrt werden. Da Furan eine leicht flüchtige Verbindung darstellt, wird weiterhin empfohlen, Fertiggerichte und Babygläschen im offenen Gefäß zu erwärmen und regelmäßig umzurühren. Darüber hinaus bleibt zu beachten, dass für Erwachsene der Kaffeekonsum die höchste Expositionsquelle für Furan darstellt.

Die unüberschaubar große Anzahl von Substanzen, die beim Erhitzen von Lebensmitteln entstehen können, stellt eine besondere Herausforderung bei der Bewertung erhitzungsbedingter Kontaminanten dar. So umfasst allein die Gruppe der aus der Maillard-Reaktion und der Lipidoxidation resultierenden erhitzungsbedingten Reaktionsprodukte mehrere hundert Verbindungen. Eine Risikobewertung aller Verbindungen ist jedoch nicht möglich, da von den meisten dieser Verbindungen derzeit nicht viel mehr als ihre chemische Struktur bekannt ist. Für eine aussagekräftige Risikobewertung ist allerdings ein umfassender Datensatz zur Toxizität und zu den Gehalten dieser Verbindungen in Lebensmitteln erforderlich. Die hier ausgeführten Beispiele (Acrylamid, MCPD- und Glycidylfettsäureester und Furan) haben in der jüngeren Vergangenheit gezeigt, dass es nach der Entdeckung einer bisher unbekannten Substanz in Lebensmitteln mehrere Jahre dauert, um die für eine Risikobewertung notwendigen Daten zu erheben. Es kann dann noch weitere Jahre dauern, bis geeignete Risikomanagementmaßnahmen greifen und die Gehalte in den Lebensmitteln tatsächlich abgesenkt werden können, da die entsprechenden technologischen Möglichkeiten zunächst identifiziert werden müssen.

Angesichts der großen Anzahl von Substanzen, die bisher noch nicht bewertet werden konnten, könnte in einem ersten Schritt zunächst eine Priorisierung der Stoffe nach ihrem möglichen Gefährdungspotenzial angestrebt werden. Ein interessanter Ansatz ist dabei die Nutzung von Computermodellen, die anhand der chemischen Struktur einer Verbindung eine Vorhersage zu deren Toxizität im Hinblick auf verschiedene relevante Endpunkte erlauben. Innerhalb der letzten Jahrzehnte sind verschiedene Computermodelle entwickelt worden, um In-silico-Vorhersagen für diverse Chemikaliencharakteristika zu ermöglichen. Alle diese Modelle basieren auf der Annahme, dass sich die physikochemischen und sogar die toxischen Eigenschaften von chemischen Verbindungen aus deren Molekülstruktur ableiten lassen. Für einen sog. Read-across-Ansatz werden spezielle Molekülstrukturen betrachtet, um bestimmte, nicht bekannte biologische Aktivitäten oder stoffliche Eigenschaften von wenig charakterisierten Verbindungen anhand der bekannten Eigenschaften von Verbindungen mit vergleichbarer Struktur vorherzusagen. Die Substanzen können dabei auf Basis struktureller Ähnlichkeiten gruppiert werden, die entweder gemeinsame funktionelle Gruppen, gemeinsame Ausgangsstoffe und/oder ähnliche Abbauprodukte oder ein bestimmtes festes Wirkmuster aufweisen.

Darüber hinaus wurden auch komplexe mathematische Methoden zur Vorhersage der „(quantitative) structure activity relationship“ ([Q]SAR) entwickelt [38]. Diese Computermodelle basieren auf den bereits experimentell erhobenen Daten gut untersuchter Substanzen. Was bereits vor etwa 50 Jahren mit einfachen Regressionsmodellen mit einem Vergleich von wenigen gleichartigen Verbindungen angefangen hat [39], entwickelte sich bis heute zu statistischen, komplexen Methoden basierend auf umfangreichen Datensätzen mit mehreren 1000 unterschiedlichen Molekülen. Trotzdem kann es aufgrund der Tatsache, dass sich die zugrunde liegenden mathematischen Algorithmen und die verschiedenen Trainingssets, mit denen die Modelle entwickelt worden sind, dazu kommen, dass es je nach angewandtem Modell zu einer unterschiedlichen Vorhersage bezüglich eines definierten Endpunkts kommt. Zur Verfügung stehende Endpunkte sind dabei beispielweise biologische Aktivitäten wie Mutagenität, Kanzerogenität, Hautsensibilisierung oder Entwicklungstoxizität oder physikochemische Eigenschaften wie Dichte und Siedetemperatur. (Q)SAR-Modelle finden bereits breite Anwendung in Wissenschaft, Industrie und behördlichen Einrichtungen.

Hinsichtlich der Vorhersage toxischer Eigenschaften existieren die derzeit besten Computermodelle für vor allem vergleichsweise einfache Endpunkte wie z. B. der Mutagenität. Dieser Endpunkt bildet die Fähigkeit einer Substanz ab, mit der DNA chemisch zu reagieren, sodass hier letztendlich die chemische Reaktivität durch das Modell bewertet werden muss. Hier sei jedoch angemerkt, dass nur die Verbindung an sich mithilfe der In-silico-Methoden analysiert wird. Potenziell toxische Metabolite, die in vivo gebildet werden, bleiben jedoch unberücksichtigt. Die Computermodelle zur Mutagenität haben auch nur eine Sensitivität und Spezifität von etwa 90 %, etwa 10 % aller Vorhersagen sind somit falsch. Noch deutlich schlechter ist die Vorhersagekraft von Computermodellen zu komplexen Endpunkten wie z. B. der Kanzerogenität. Die Krebsentstehung ist ein sehr komplexer multifaktorieller Prozess. Chemische Verbindungen könnten vielfältig auf diesen Prozess der Krebsentstehung einwirken (z. B. auf die Tumorinitiierung, -promotion oder -progression). Weitere Faktoren wie beispielsweise Speziesunterschiede können die Vorhersagekraft bezüglich der Kanzerogenität einer bestimmten Substanz weiter erschweren. Nichtsdestotrotz gibt es erste Ansätze, die Vorhersagekraft durch die Kombination verschiedener Modelle zu verbessern [3]. So kann die kombinierte Nutzung derartiger Computermodelle kurzfristig eine erste Abschätzung des toxischen Potenzials einer Substanz erlauben.

Diejenigen Substanzen, die beispielsweise mithilfe der Computermodelle als gentoxisch und kanzerogen eingestuft worden sind, können hiermit als höchst prioritäre Verbindungen für weiterführende Untersuchungen angesehen werden. Letztendlich dienen die In-silico-Verfahren jedoch lediglich einer Priorisierung der Vielzahl an identifizierten Kontaminanten in Lebensmitteln. Für eine umfassende aussagekräftige Risikobewertung sind eine vollständige Charakterisierung der Toxizität der jeweiligen Substanz sowie die Abschätzung der Exposition notwendig. Mithilfe von In-vitro- und tierexperimentellen Untersuchungen sind Aussagen zur Toxikokinetik, Mutagenität, Kanzerogenität und zur Organ‑, Reproduktions- und Entwicklungstoxizität sowie zu möglichen Wirkmechanismen zu treffen. Zur Bestimmung der Exposition sind die Gehaltdaten vor allem in hoch belasteten Lebensmitteln erforderlich. Insbesondere die tierexperimentellen Untersuchungen sowie die Etablierung von chemisch-analytischen Verfahren zur Quantifizierung der Substanzen und deren regelmäßige Gehaltmessungen in den verschiedenen Lebensmitteln sind sehr kostenintensive und zeitaufwendige Verfahren. Dennoch können erst auf Basis einer umfassenden aussagekräftigen Risikobewertung Maßnahmen für das Risikomanagement festgelegt werden, um einen bestmöglichen Verbraucherschutz zu gewährleisten.