Acrylamid
Acrylamid gehört zur Gruppe der Amide.
Eigenschaften
Zu REACH-Verordnung und sonstigen Vorschriften siehe GESTIS-Link (Tabelle).
Acrylamid ist leicht löslich in Wasser, in Alkoholen und in Aceton. Es wird durch Alkali leicht abgebaut, außerdem ist die Verbindung lichtempfindlich.
Herstellung
Die Herstellung erfolgt durch partielle Hydrolyse von Acrylnitril, welches mit Wasser in Gegenwart eines Kupfer-Katalysators reagiert. Mit Mikroorganismen, die Nitril-Hydratase enthalten (Brevibacterium R312, Pseudomonas chlororaphis B-23, Arthrobacter sp. J-1), wird Acrylnitril unter milden Bedingungen hydrolysiert. Die Nitto Chemical Industry Co., Ltd. (Japan) benutzt dazu den Stamm Rhodococcus rhodochrous J-1; Informationen zur Herstellung siehe Nitril-Hydratase.
Vorkommen in Lebensmitteln
Die Entdeckung von Acrylamid als Prozesskontaminante in Lebensmitteln erfolgte eher zufällig im Rahmen einer schwedischen Studie zur Etablierung von Hämoglobin-Addukten als Biomarker für eine beruflich bedingte Acrylamid-Exposition. Nachdem Acrylamid-Hämoglobin-Addukte auch in Kontrollpersonen ohne bekannte Acrylamid-Exposition gefunden wurden, vermutete man Lebensmittel als mögliche Expositionsquelle[1,2]. Im April 2002 wurde schließlich von einer schwedischen Arbeitsgruppe der Nachweis geführt, dass Acrylamid beim Erhitzen (Frittieren, Backen, Braten, Rösten) verschiedenster stärkehaltiger Lebensmittel mit geringem Wassergehalt unbeabsichtigt als Prozesskontaminante entstehen kann[3]. In der Folge dieser Entdeckung wurde weltweit in zahlreichen Lebensmitteln, vor allem in Kartoffelchips, Pommes Frites oder Knäckebrot, Acrylamid in hohen Konzentrationen gefunden (bis in den mg/kg-Bereich). Aber auch in Getreideprodukten, Brot, Keksen bis hin zu Kaffeepulver und Kakaoerzeugnissen wurden erhebliche Konzentrationen an Acrylamid entdeckt. Dabei ist es unerheblich, ob die Herstellung des Lebensmittels industriell, in der Gastronomie oder im Haushalt erfolgt ist. Jedoch konnten bereits seit dem Bekanntwerden des Vorkommens von Acrylamid in Lebensmitteln durch stetige Überwachung und Überarbeitung der Rohstoffe, Rezepturen und Technologien die Gehalte bei vielen Produktgruppen zum Teil deutlich gesenkt werden. Die in Deutschland produzierenden Kartoffelchipshersteller veröffentlichen die Wirksamkeit der bereits seit Frühjahr 2002 bis heute durchgeführten weitreichenden Minimierungsmaßnahmen in Form einer regelmäßig aktualisierten Wochenmittelwertgrafik[4,5].
Eine weitere wichtige Expositionsquelle für Acrylamid stellt Tabakrauch dar. Im gefilterten Hauptstrom einer Zigarette wurden 1,1–2,3 μg Acrylamid nachgewiesen[6].
Bildungsmechanismen in Lebensmitteln
Die Prozesskontaminante Acrylamid entsteht unbeabsichtigt bei der Verarbeitung oder Zubereitung von Lebensmitteln und wurde erstmals im April 2002 in Lebensmitteln nachgewiesen. Bereits kurz nach der Entdeckung von Acrylamid als Prozesskontaminante in erhitzten, stärkehaltigen Lebensmitteln wurden in der Literatur verschiedene Bildungsmechanismen für dessen Bildung vorgeschlagen.
Bildung durch thermische Behandlung
Der quantitativ vorrangige Mechanismus bei der Bildung von Acrylamid geht bei der thermischen Behandlung (über 120 °C) von Lebensmitteln als ein Nebenprodukt der Maillard-Reaktion zwischen Aminosäuren und reduzierenden Zuckern, wie Glucose oder Fructose, aus. Die höchsten Acrylamid-Gehalte werden in Anwesenheit der Aminosäure Asparagin gebildet, wobei auch Methionin und Glutamin Acrylamid generieren können[7,8]. Modellstudien haben ferner gezeigt, dass Fructose im Vergleich zu Glucose zur Bildung größerer Mengen Acrylamid führt[9].
Der genaue Mechanismus der Acrylamid-Bildung blieb längere Zeit ungeklärt. Inzwischen weiß man, dass der erste Schritt in der Entstehung von Acrylamid die Bildung einer Schiffschen Base zwischen einer Carbonyl-Gruppe (z. B. aus Glucose) und der α-Amino-Gruppe des Asparagins darstellt. Unter Einwirkung von Hitze kann diese Schiffsche Base im Sinne einer Strecker-Reaktion decarboxylieren. Die entstehende Zwischenstufe kann auf zwei Arten weiterreagieren. Die decarboxylierte Schiffsche Base kann zu 3-Aminopropionamid (3-APA) hydrolysiert werden, welches über die Elimination von Ammoniak unter Hitzeeinwirkung zu Acrylamid abgebaut werden kann. Alternativ kann die decarboxylierte Schiffsche Base direkt unter Bildung eines Imins und Acrylamid zerfallen[10,11].
Bildung durch enzymatische Decarboxylierung und thermische Desaminierung
Als eine weitere Möglichkeit der Acrylamid-Generierung außerhalb der Maillard-Reaktion gilt die enzymatische Decarboxylierung (mit dem Enzym Decarboxylase) von Asparagin zu 3-Aminopropionamid und die anschließende thermische Desaminierung zu Acrylamid unter Hitzeeinwirkung[12]. 3-Aminopropionamid kann somit als das biogene Amin von Asparagin betrachtet werden und wird auch in rohen Lebensmitteln auf diesem biochemischen Weg (z. B. Fermentation) aus Asparagin gebildet. Asparagin kann folglich auch in Abwesenheit reduzierender Zucker Acrylamid bilden. Dies erklärt die Anwesenheit von Acrylamid in fast allen trocken erhitzten Lebensmitteln, da freies Asparagin in kleinen Mengen stets vorhanden ist.
Bildung im Rahmen der Lipid-Degradation
Ein weiterer Bildungsmechanismus für Acrylamid geht von Triacylglycerolen aus, die bei Temperaturen von über 200 °C Glycerol freisetzen, welches dann zu Acrolein dehydriert wird. Die oxidativ aus Acrolein entstehende Acrylsäure kann anschließend in Gegenwart eines Stickstoff-Donors wie Ammonium oder Aminosäuren zu Acrylamid umgesetzt werden[13,14]. Acrylsäure kann außerdem aus dem Gerüst verschiedener Aminosäuren oder durch Pyrolyse von Glucose über Methylglyoxal gebildet werden, sodass die Bildung von Acrylamid aus Peptiden oder Kohlenhydraten möglich ist, jedoch nicht der bevorzugte Bildungsweg darstellt[14].
Minimierungsstrategien in Lebensmitteln
Im Rahmen des Risikomanagements zur Minimierung der Acrylamid-Gehalte in Lebensmitteln wurde vom Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit (BVL) bereits kurz nach der Entdeckung von Acrylamid als Prozesskontaminante im Lebensmittel das Signalwertkonzept entwickelt (siehe Signalwert). Durch dieses Minimierungskonzept konnten die Acrylamid-Gehalte in Lebensmitteln wirkungsvoll gesenkt werden[15,16].
Auf internationaler Ebene hat der Europäische Ernährungsverband FoodDrinkEurope (FDE, ehemals CIAA) in den vergangenen Jahren fortlaufend unter Mithilfe der deutschen und europäischen Süßwaren- und Knabberartikelhersteller und in enger Zusammenarbeit mit der Europäischen Kommission umfangreiche Informationsmaterialien in Form eines „Werkzeugkasten“-Systems (sogenannte Toolbox) erarbeitet, das Verfahren zur Reduzierung des Acrylamid-Gehaltes in Keksen, Brot, Frühstückscerealien, Kartoffelchips und Pommes Frites aufzeigen. Diese Informationen richten sich insbesondere an kleine und mittlere Unternehmen und nennen Wege, mit denen die Acrylamid-Gehalte erfolgreich reduziert werden können. In 2013 hat FoodDrinkEurope die letzte Version der dem aktuellen Wissensstand angepassten Toolbox mit Ansatzpunkten und Maßnahmen zur Reduzierung von Acrylamid in verschiedenen Lebensmittelgruppen veröffentlicht[17].
Inzwischen setzt die Europäische Kommission – insbesondere im Hinblick auf die Regulierung von Acrylamid in Lebensmitteln – auf ein flexibles Konzept zur Minimierung der Acrylamid-Gehalte. Dabei sollen „Best Practice“-Leitfäden (sogenannte „Codes of Practice“) der Europäischen Fachverbände aufgegriffen und die Verbindlichkeit für die Branchenbeteiligten erhöht werden. Daneben sollen auch die früheren „indicative values“ (siehe Signalwert) als Referenzwerte für die erfolgreiche Implementierung von Minimierungsmaßnahmen in das Regulierungsvorhaben einfließen (zukünftig sogenannte „Benchmarks“). Der Ansatz der Europäischen Kommission trägt der Vielfalt der betroffenen Produkte und Einflussfaktoren bei der Entstehung von Acrylamid Rechnung und ist somit nach Auffassung der Lebensmittelwirtschaft eine geeignete Grundlage für eine fortlaufende europaweite Minimierung. So sollen beispielsweise unter anderem Kartoffelsorten mit wenig Stärke verarbeitet werden und mit Einweichen oder Blanchieren die Stärke vor dem Frittieren ausgewaschen werden. Außerdem muss mit möglichst niedrigen Temperaturen gegart und Pommes oder Brot nur so stark gebräunt werden wie eben nötig[18].
Stoffwechsel
Acrylamid kann im Organismus durch Cytochrom P-450 2E1 metabolisch in das reaktivere und mutagene Glycidamid umgewandelt werden, welches in der Alkylierung von DNA reaktiver als Acrylamid ist. Diesem Metaboliten wird der entscheidende Beitrag zur Cancerogenität von Acrylamid zugeschrieben[19,20]; siehe auch Glycidamid. Die Reaktion mit Glutathion (GSH) führt zur Exkretion des Acrylamids in Form des Mercaptursäure-Derivats[21,22].
Toxikologie
Kristalle und Staub reizen Haut, Augen, Atemwege und Lunge.
Zur Bewertung der Acrylamid-Exposition bzw. zur Ermittlung der inneren Acrylamid-Belastung wird in der Arbeitsmedizin die Bestimmung von Acrylamid-Addukten mit der Aminosäure Valin im Hämoglobin herangezogen, wobei durch Michael-Addition von N-terminalem Valin an Acrylamid ein N-(2-Carbamoylethyl)valin gebildet wird.
Acrylamid ist neurotoxisch und verursacht in Ratten Neuropathien ab Dosen von 0,5 mg/kg Körpergewicht[23]. Neurotoxische Effekte wurden bei Arbeitern festgestellt, die hohen Acrylamid-Belastungen am Arbeitsplatz ausgesetzt waren[24].
Acrylamid ist cancerogen in der Ratte, wobei Dosen unterhalb 0,5 mg/kg Körpergewicht bislang in keiner Studie eine erhöhte Tumorinzidenz gezeigt haben[25]. Untersuchungen zu Gentoxizität und Mutagenität von Acrylamid bei Nagern zeigen Effekte im Wesentlichen erst oberhalb einer Dosis von 30–50 mg/kg Körpergewicht[26,27]. In-vitro-Gentoxizitätstests und Mutagenitätstests lieferten zum Teil widersprüchliche Ergebnisse. Untersuchungen an Acrylamid-exponierten Arbeitern in der Kunststoffherstellung ergaben keine Hinweise auf ein erhöhtes Krebsrisiko[28-30]. Eine Fall-Kontroll-Studie an schwedischen Tumorpatienten, in der auf einen Zusammenhang zwischen dem Verzehr potentiell Acrylamid-belasteter Lebensmittel und dem Auftreten bestimmter Tumoren geprüft wurde, ergab ebenfalls keine Hinweise auf ein erhöhtes Krebsrisiko durch Acrylamid, wobei die durchgeführten epidemiologischen Studien auf Grund der interviewbasierten Durchführung lediglich als „begrenzt aussagefähig“ bewertet werden[31].
Von der International Agency for Research on Cancer (IARC) der Weltgesundheitsorganisation (WHO) wurde Acrylamid bereits 1994 als „wahrscheinlich krebserregend für den Menschen“ (Gruppe 2A) eingestuft[32]. Die Cancerogenität wurde 2011 in einer Langzeitstudie mit Ratten, die zwei Jahre mit Acrylamid über Trinkwasser exponiert wurden, belegt[33]. 2005 leitete das Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives (JECFA) ein mögliches Gesundheitsrisiko aus den vorliegenden Expositionsdaten ab[34]. In einer Bewertung von 13 epidemiologischen Studien aus den Jahren 2009 und 2010 kam das Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) zum Schluss, dass ein kausaler Zusammenhang zwischen der Acrylamid-Aufnahme und einer Krebserkrankung beim Menschen weder angenommen noch ausgeschlossen werden kann. Möglicherweise ist das Risiko einer Krebserkrankung bei der gegebenen Aufnahmemenge praktisch kaum nachweisbar[35]. Die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) kam in ihrem Gutachten 2015 zum Schluss, dass die errechneten margins of exposure (MOE) Anlass zur Besorgnis im Hinblick auf Tumorbildung geben[36].
Zur besseren Beschreibung der Toxikokinetik von Acrylamid beim Menschen wurden in den letzten Jahren (seit 2015) vermehrt Humanstudien mit bestimmten Biomarkern durchgeführt. Hierbei wurde in sogenannten Duplikatsstudien eine Korrelation zwischen alimentärer Acrylamid-Aufnahme und entsprechender Ausscheidung der Biomarker gefunden. Es zeigte sich zum einen, dass ein Großteil des oral aufgenommenen Acrylamids dosisabhängig durch Konjugation von Acrylamid und Glycidamid mit Glutathion zu Mercaptursäuren metabolisiert wird, die renal ausgeschieden werden und dass eine Bildung von DNA-Addukten zum anderen erst bei sehr hoher Exposition zu erwarten ist. Des Weiteren konnte inzwischen das Vorliegen eines Basislevels an den als Biomarkern verwendeten Mercaptursäuren bestätigt werden, was auf eine endogene Bildung von Acrylamid im Organismus hindeutet[37,38].
Recht
Für die Verwendung als Flockungsmittel bei der Trinkwasseraufbereitung und zur Herstellung von Bedarfsgegenständen aus Copolymeren wurden Grenzwerte festgelegt, die auf der Basis der guten Herstellungs- und Verwendungspraxis ermittelt wurden. Die Trinkwasserverordnung sieht für den Übergang von Acrylamid aus Flockungsmitteln einen Grenzwert von 0,1 μg/L Trinkwasser vor. Für Bedarfsgegenstände, welche unter Verwendung Acrylamid-haltiger Polymere hergestellt wurden, gilt nach der Bedarfsgegenständeverordnung dagegen, dass Acrylamid in Lebensmitteln, die mit solchen Gefäßen etc. in Berührung kommen, nicht nachgewiesen werden darf (Nachweisgrenze 10 μg/kg)[39].
Um die Acrylamid-Gehalte in Lebensmitteln zu verringern bzw. zu überwachen, hat die EU-Kommission die Verordnung (EU) 2017/2158 „zur Festlegung von Minimierungsmaßnahmen und Richtwerten für die Senkung des Acrylamidgehalts in Lebensmitteln“ erlassen[40]. Sie betrifft Unternehmen der Lebensmittelkette wie Lebensmittelhersteller, Bäckereien, Restaurants und Imbissbetriebe. Die Verordnung verpflichtet Lebensmittelunternehmer, je nach Art ihres Betriebs verbindliche Maßnahmen zur Reduzierung des Acrylamid-Gehalts zu ergreifen. Mit der Acrylamid-Verordnung gelten bestimmte Richtwerte (sogenannte „Benchmarks“) für die einzelnen betroffenen Lebensmittel. Werden die Richtwerte überschritten, so sollen die Behörden gemeinsam mit dem Hersteller das Acrylamid-Management überprüfen und gegebenenfalls anpassen.
Erstmals wurden damit Regelungen zum Umgang mit Prozesskontaminanten in Lebensmitteln festgeschrieben und im europäischen Recht verankert. Die Verordnung gilt seit dem 11.04.2018.
Verwendung
Ungefähr 99,9 % des innerhalb der EU hergestellten monomeren Acrylamids wird zur Herstellung von Polyacrylamiden eingesetzt. Polyacrylamide finden als Dispersions- und Flockungsmittel unter anderem in der Trinkwasseraufbereitung Anwendung. Darüber hinaus können hochmolekulare Polyacrylamide chemisch durch Einführung nicht-ionischer, anionischer oder kationischer Gruppen für verschiedene Zwecke modifiziert werden und demnach als Ionentauscher, Verdickungsmittel oder Hilfsmittel in der Papierindustrie eingesetzt werden. Daneben kommt Acrylamid bei der Synthese von Farben, als Co-Polymer für verschiedene Kunststoffe (unter anderem bei der Herstellung von Brandschutzglas) sowie als Abdichtmittel in der Bauindustrie zum Einsatz. In der Forschung wird Acrylamid zur Herstellung von Polyacrylamid-Gelen für die Elektrophorese. Die Jahresproduktion (Stand 2011) an Acrylamid in der Europäischen Union wird auf 150000–200000 Tonnen geschätzt[41].
Die Verwendung des Mehrkomponentenklebers Rhoca-Gil als Dichtungsmasse bei Wassereinbrüchen während des Baus des Hallandsas-Tunnels und das folgende Fischsterben führten zur Einstellung des Vertriebs von Rhoca-Gil und intensiven Untersuchungen der Toxizität und des Vorkommens von Acrylamid.
Analytik
Aufgrund der guten Löslichkeit von Acrylamid in Wasser wird aus dem Probenmaterial üblicherweise ein wässriger Extrakt (Ultraschallbad, Homogenisator) hergestellt, welcher durch Festphasenextraktion weiter aufgereinigt wird. Die Quantifizierung von Acrylamid in Lebensmitteln ist in der verfügbaren Literatur vielfältig beschrieben[2,39,42-46] und erfolgt zumeist durch GC-MS bzw. LC-MS, häufig unter Verwendung von Isotopen-markierten internen Standards, z. B. 13C3-Acrylamid, D3-Acrylamid, oder mittels Elektrospray-Ionisation (ohne Derivatisierung). Die gaschromatographische Bestimmung von Acrylamid kann z. B. nach Bromierung durchgeführt werden[47].
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Wilson, K.; Walker, J., Hrsg., Principles and Techniques of Practical Biochemistry, 5. Aufl., University Press: Cambridge, (2002)
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Übersetzungen:
| E | acrylamide |
| F | acrylamide |
| I | acrilammide |
| S | acrilamida |