Az akrilamid és az akrolein expozíciójának vizsgálata élelmiszer és emberi biomonitoring segítségével
1 Tanulmányok az akrilamid és az akrolein expozíciójáról élelmiszer és emberi biomonitoring segítségével D386. Értekezés, amelyet a Kaiserslauterni Műszaki Egyetem Kémiai Tanszéke hagyott jóvá tudományos fokozat megszerzésére a természettudományok doktora, előadta Meike Rünz élelmiszer-vegyész. Elke Richling A tudományos vita időpontja:
3 Ennek a munkának a kísérleti részét 2013 áprilisától 2017 februárjáig a kémiai tanszéken végezték, a Kaiserslauterni Műszaki Egyetem élelmiszer-kémiai és toxikológiai szakterületére, Dr. Prof. Elke Richling lépett fel. A vizsgabizottság elnöke: Prof. Dr. Helmut Sitzmann 1. előadó: Prof. Dr. Elke Richling 2. Riporter: Prof. Dr. Dr. Dieter Schrenk
5 Tartalomjegyzék I. Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék. I Rövidítések listája. V absztrakt. X rövid összefoglaló. XI 1 Bevezetés A tudás állapota Általános alapelvek Kockázatértékelés Környezeti és emberi biomonitoring Hő által kiváltott élelmiszer-szennyező anyagok Akrilamid Fizikai-kémiai tulajdonságok Oktatás Ipari szintézis Exogén képződés Endogén képződés Élelmiszerszintek Az élelmiszer szintjét befolyásoló tényezők Toxikokinetika Felszívódás és eloszlás Metabolizmus Kiválasztás Toxikodinamika Akut toxicitás Neurotoxicitás Reprodukciós toxicitás Fejlődési toxicitás Genotoxikus Az expozíció értékelése Az expozíció értékelése környezeti monitorozással Az expozíció értékelése az emberi biomonitoring alkalmazásával Kockázat jellemzése és kockázatkezelés Akrolein Fizikai-kémiai tulajdonságok Oktatás Ipari szintézis Exogén képződés Endogén képződés Élelmiszerszintek Az élelmiszer szintjét befolyásoló tényezők. 52
6 II Tartalomjegyzék Toxikokinetika Felszívódás és eloszlás Metabolizmus Kiválasztás Toxikodinamika Akut toxicitás Szubkrónikus toxicitás Krónikus toxicitás Genotoxicitás és mutagenitás Karcinogenitás Expozíció-értékelés Expozíció-értékelés környezeti monitorozással Expozíció-értékelés humán biomonitorozással Kockázat-jellemzési kérdések Eredmények és megbeszélés HPLC-ESI-Acrylamide-MS/MS és az akroleinnal társított merkapturinsavak a vizeletben Humán vizsgálat I. A súlyfejlődés elemzése Az aktivitási naplók elemzése Élelmiszer elemzése Akrilamid Akrolein fehérje Asparagin A napi étrend bevitelének kiszámítása Akrilamid bevitel Erősen melegített ételek bevitele Fehérje bevitel Asparagin bevitel Szénhidrát bevitel Zsír bevitel Energia bevitel elemzés a tesztalany vizeletének szobai levegő akrolein elemzése vizeletmennyiségek savas akroleinnal társult merkapturinsavak
7 Tartalom-jegyzék 4.3 4.3 Az akrolein felszabadulásának vizsgálata, humán vizsgálat II. A magas hőmérsékletű táplálék napi beviteli mennyiségének kiszámítása Nem étrendi exogén akrolein-expozíciós források meghatározása A tesztalany vizeletének elemzése Vizeletérfogatok Kreatinin-Akrolein-asszociált merkapturinsavak Összefoglaló anyagok Eszközök Eszközök Fogyóeszközök Kémiai módszerek Akrilamid meghatározása élelmiszer mintában Mintamérés Módszer kidolgozása Módszer validálás HPLC és ESI pos-ms/ms paraméterek Kalibrációs vonalak Akrilamid és akroleinnal társult merkapturinsavak meghatározása vizeletben Mintakészítés Minta mérés módszer kidolgozás Módszer validálás HPLC és ESI neg-ms/ms paraméterek Kalibrációs vonalak Tápanyag- és energiaszintek becslése élelmiszerekben Prodi alkalmazásával 5.8 Szakértői Kreatinin meghatározása vizeletben A kísérlet előkészítése A kísérlet végrehajtása N-acetil-S- (3-oxopropil) -cisztein szintézise Az akrolei meghatározása n-asszociált merkapturinsavak kálium-foszfát pufferben A minta előkészítése A minta mérése Számítások és statisztikák Az AUC Anderson-Darling teszt kiszámítása Páros és páros t-teszt Wilcoxon teszt
8 IV Tartalomjegyzék Mann-Whitney U-teszt Információk a humán vizsgálatokról Humán vizsgálat I Jogi jóváhagyás Témák felvétele Orvosi előzetes vizsgálat Élelmiszer-szűrés (akrilamid-tartalom) Kiegészítő információk Humán tanulmány II Jogi engedély tantárgyak felvétele Orvosi előzetes vizsgálat Bibliográfia melléklet CV. i publikációk listája. iii Köszönetnyilvánítás. v magyarázat. vii
9 Rövidítések listája V Rövidítések listája 8-OHdG AA AA-Hb AAMA AAMA-SO AC Ade AGE AKR ALARA ALDH AO AUC BfR BHA BHT BMDL BMI BSO BVL CA CAD CE CEMA CEP CHO cll c max CO 2 c predose CRP CUR c washout 8-hydroxydeyguan Akrilamid-akrilamid-hemoglobin addukt N-acetil-S- (2-karbamoil-etil) -L-cisztein N-acetil-S- (2-karbamoil-etil) -L-cisztein-S-oxid akrolein-adenin fejlett glikációs végtermékek aldo-keto-reduktáz Minél alacsonyabb, mint ésszerűen elérhető, olyan alacsony, mint ésszerűen elérhető Aldehid-dehidrogenáz-amino-oxidáz A görbe alatti görbe alatti terület Szövetségi Kockázatértékelési Intézet Butil-hidroxi-anizol-butil-hidroxi-toluol A referencia-dózis referencia-dózisának alacsonyabb megbízhatósági határértéke alacsonyabb megbízhatósági határ Test-tömeg-index Bution-szulfoximinnesen aktivált Federal Institute for Consumer Protection and Food Safety disszociációs gáz ütközési energia ütközési energia N-acetil-S- (2-karboxi-etil) -L-cisztein sejt intrittspotenciális sejt belépési potenciál A kínai törpehörcsög petefészkei kínai hörcsög petefészek krónikus limfocita leukémia maximális koncentráció szén-dioxid kezdeti koncentráció C-reaktív fehérje függönygáz függönygáz koncentráció kimosási fázis után
17 2. bevezető nem elegendő adat az expozíciós biomarkerek százalékos kiválasztódásáról. Az akrolein kiválasztásának feltételezett százalékos aránya HPMA-ként 24 óra alatt meghatározta az átlagos napi akrolein-expozíciót, amely 2,1-24 µg/testtömeg-kg (SKLM, 2012). Az emberi biomonitorozással becsült expozíció nem csak az akrolein táplálékbevitelét tükrözi, hanem az endogén képződésből és más exogén akroleinforrásokból származó expozíciót is. Tisztázni kell, hogy az ételek milyen mértékben járulnak hozzá az akrolein-expozíció biomarkereinek kiválasztódásához más exogén akrolein-forrásokhoz és/vagy endogén képződéshez képest.
32 17 A tudás állapota 13. ábra: Akrilamid metabolizmusa, AA: akrilamid, AAMA: N-acetil-S- (2-karbamoil-etil) -L-cisztein, AAMA-SO: N-acetil-S- (2-karbamoil-etil) -L- cisztein-S-oxid, Ade: adenin, DHPA: 2,3-dihidroxi-propánamid, DHPS: 2,3-dihidroxi-propánsav, DNS: dezoxiribonukleinsav, EH: epoxid-hidroláz, GA: glicidamid, GAMA: N-acetil-S- (2-karbamoil) -2-hidroxietil) -L-cisztein, GSH: glutation, GST: glutation-S-transzferáz, Gua: guanin, Hb: hemoglobin, izogama: N-acetil-S- (1-karbamoil-2-hidroxietil) - L-cisztein [módosítva (EFSA, 2015a), kiegészítve (Sumner és mtsai, 2003; Doerge és mtsai, 2005a; Tareke és mtsai, 2006)]
35 A tudás állapota 20 A CO 2 kibocsátásának ábrázolása. Pontos tanulmányok, amelyek bizonyítják ezt a lebomlási utat, még nem léteznek. Az akrilamid és a glicidamid konjugálása glutationnal és lebomlás merkapturinsavakká Az epoxid hidrolízis mellett az akrilamid és a glicidamid méregtelenítése a glutationnal való reakcióval és az azt követő anyagcserével a megfelelő merkapturinsavakká is történik (lásd 14. ábra). 14. ábra: AAMA és AAMA-SO képződése akrilamidból, valamint GAMA és izo-gama képzése glicidamidból, AA: akrilamid, AAMA: N-acetil-S- (2-karbamoil-etil) -L-cisztein, AAMA-SO: N- Acetil-S- (2-karbamoil-etil) -cisztein-S-oxid, DiP: dipeptidáz, GA: glicidamid, GAMA: N-acetil-S- (2-karbamoil-2-hidroxietil) -L-cisztein, GGT: -glutamil-transzpeptidáz, Glu: glutaminsav, Gly: glicin, GSH: glutation, GST: glutation-S-transzferáz, izo-gama: N-acetil-S- (1-karbamoil-2-hidroxietil) -l-cisztein, NAT: N-acetiltranszferáz [módosítva (Duda-Chodak et al., 2016)]
62 47 A tudás állapota 19. ábra: Az akrolein glükózból való képződésének feltételezett útjai [módosítva (Stevens és Maier, 2008)] Képződés aminosavakból és más amino-vegyületekből Formáció metioninból Az akrolein hő által kiváltott képződését a metionin aminosav Strecker-bomlása ( lásd a 20. ábrát). A Maillard-reakció során a metionin és a dikarbonil-vegyület átalakulhat Schiff-bázissá, amely hidrolízissel metionális Strecker-aldehiddé válik. A Methional tovább reagálhat a metántiolra és az akroleinre a retro-Michael hasítás révén (Stevens és Maier, 2008). 20. ábra: Az akrolein képződésének feltételezett útja metioninból, R1 és R2: alkil- vagy alkenilcsoport [módosítva (Stevens és Maier, 2008)]
70 55 A tudás állapota 24. ábra: Akrolein anyagcsere. AC: akrolein, AC-GSH: AKR: aldo-keto-reduktáz, ALDH: aldehid-dehidrogenáz, CEMA: N-acetil-S- (2-karboxi-etil) -L-cisztein, DNS: dezoxiribonukleinsav, EH: epoxid-hidroláz, FMO: flavin- függő mono-oxigenáz, glicidaldehid-MA: N-acetil-S- (2-karboxi-2-hidroxietil) -L-cisztein, GSH: glutation, GST: glutation-S-transzferáz, HPMA: N-acetil-S- (3- hidroxi-propil) -L-cisztein, OPMA: N-acetil-S- (3-oxopropil) -L-cisztein, OPMA-SO: N-acetil-S- (3-oxopropil) -L-cisztein-S-oxid, a -oh-pdg: α-hidroxi-1n2-propano-2-dezoxiguanozin, -OH-PdG, -Hidroxi-1N2-propano-2'-dezoxiguanozin, Δ: in vivo kimutatható [módosítva (Parent és mtsai. 1998; Stevens és Maier, 2008)]
72 57 A tudás állapota fejezet). A glicidaldehid-merkapturinsav glicidaldehidből történő képződésének mechanizmusát a 25. ábra mutatja, az akrolein alapú mechanizmushoz hasonlóan. 25. ábra: HPMA és CEMA képződése akroleinból és glicidaldehid-MA glicidaldehidből, AC: akrolein, AKR: aldo-keto-reduktáz, ALDH: aldehid-dehidrogenáz, CEMA: N-acetil-S- (2-karboxietil) -L- cisztein, DiP: dipeptidáz, FMO: flavin-függő monooxigenáz, glicidaldehid-MA: N-acetil-S- (2-karboxi-2-hidroxietil) -L-cisztein, GGT: -glutamil-transzpeptidáz, Glu: glutaminsav, Gly: glicin, GSH: glutation, GST: glutation-S-transzferáz, HPMA: N-acetil-S- (3-hidroxi-propil) -L-cisztein, NAT: N-acetil-transzferáz, OPMA: N-acetil-S- (3-oxopropil) - L-cisztein, OPMA-SO: N-acetil-S- (3-oxopropil) -L-cisztein-S-oxid [módosítva (Horvath et al., 1992; Stevens és Maier, 2008)]