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Exogene und endogene Einflussfaktoren auf die Bildung von Acrylamid-Expositionsbiomarkern

  • Acrylamid ist eine α,β-ungesättigte Carbonylverbindung, die beim Erhitzen von Lebensmitteln durch die Maillard-Reaktion aus Aminosäuren wie Asparagin und reduzierenden Zuckern gebildet wird. Da für diese prozessbedingte Lebensmittelkontaminante neuro- und gentoxische Effekte beschrieben sind und die mittlere alimentäre Exposition in Europa auf 0,4–1,9 μg/kg KG/d geschätzt wurde, ist Acrylamid von Bedeutung für die Risikobewertung von Lebensmitteln. Acrylamid und sein gentoxischer Metabolit Glycidamid werden zu den Mercaptursäuren N-Acetyl-S-(2-carbamoylethyl)-L-cystein (AAMA) bzw. N-Acetyl-S-(2-hydroxy-2-carbamoylethyl)-L-cystein (GAMA) metabolisiert, die als renale Biomarker zur Abschätzung der internen Exposition Verwendung finden. Frühere Befunde deuteten bereits auf eine potentielle endogene Bildung hin, die einer Acrylamid-Exposition von 0,2–0,7 µg/kg KG entsprach und somit nennenswert zur Biomarker-Ausscheidung beitragen kann, die exogen durch Acrylamid-Aufnahme durch Lebensmittel, Tabakrauch oder Exposition am Arbeitsplatz beeinflusst werden kann. Um diese verschiedenen Einflussfaktoren weiter zu untersuchen, wurden zwei Humanstudien durchgeführt. Im Rahmen einer Duplikat-Studie unter streng kontrollierten Bedingungen wurde die Toxikokinetik der Mercaptursäuren und Hämoglobin-Addukte nach Acrylamid-Aufnahme durch den Verzehr von Kaffee (0,15–0,17 µg/kg KG/d) bzw. hitzebehandelten Lebensmitteln (14,1–15,9 μg/kg KG/d) in sechs Probanden untersucht. Während der Kaffeekonsum nur zu einer leicht erhöhten Mercaptursäure-Antwort führte, konnte die renale Ausscheidungskinetik nach Aufnahme von 14,1–15,9 μg/kg KG/d Acrylamid erfasst werden. Weitere sechs Probanden erhielten eine Acrylamid-minimierte Diät, die eine Acrylamid-Aufnahme von 0,05–0,06 µg/kg KG/d nicht überschritt (Washout), und zusätzlich einen einmaligen Bolus von 1 μg/kg KG 13C3D3-Acrylamid. Am Ende des 13-tägigen Washout wurde ein AAMA-Level erfasst, das einer Hintergrundbelastung von 0,3–0,4 µg/kg KG/d entsprach, während die Ausscheidung von 13C3D3-Acrylamid als 13C3D3-AAMA innerhalb von 72–96 h praktisch abgeschlossen war, welches die Hypothese einer anhaltenden endogenen Acrylamid-Bildung in vivo unterstützt. Dies wurde durch Modell-Reaktionen untermauert, die eine Acrylamid-Bildung unter physiologischen Bedingungen zeigten. Eine zweite Duplikat-Studie mit Gemischtköstlern und Veganern befasste sich mit dem Einfluss der Ernährung und Lebensstils auf die Acrylamid-Exposition und Ausscheidung von AAMA, GAMA sowie Tabakrauch-Expositionsbiomarkern. Die mittlere Acrylamid-Aufnahme betrug 0,32±0,19 µg/kg KG/d, es zeigten sich jedoch deutliche Variabilitäten zwischen den Tagen und den Probanden. So nahmen Veganer mehr Acrylamid auf (0,38±0,23 µg/kg KG/d) als Gemischtköstler (0,26±0,10 µg/kg KG/d). Die Ausscheidungskinetik von AAMA und GAMA im Urin stimmte im Wesentlichen mit der jeweiligen alimentären Acrylamid-Aufnahme überein. Erhöhte Werte konnten auf eine umwelt-bezogene Belastung mit Tabakrauch zurückgeführt werden.
  • Acrylamide is a α,β-unsaturated carbonyl compound formed during the Maillard reaction by heating of food from certain amino acids like asparagine and reducing sugars. As for this process-related food contaminant several toxicological effects like neurotoxicity and genotoxicity are described and the mean human dietary exposure has been estimated to range from 0.4–1.9 μg/kg bw/d within European citizens, acrylamide is of relevance for risk assessment of food. Acrylamide and its genotoxic metabolite glycidamide are both degraded to the mercapturic acids N-acetyl-S-(2-carbamoylethyl)-L-cysteine (AAMA) and N-acetyl-S-(2-hydroxy-2-carbamoylethyl)-L-cysteine (GAMA), respectively, which are used as urinary biomarker to assess the internal exposure to acrylamide. Previous findings in humans and rats suggest a potential endogenous formation of acrylamide equivalent to an exposure of 0.2–0.7 µg/kg bw which may add a remarkable amount to the biomarker excretion caused by different exogenous acrylamide sources like food, environmental tobacco smoke or workplace exposure. To further assess these different factors influencing the biomarker of exposure, two human (intervention) were performed. Within a duplicate diet study under strictly controlled conditions, toxicokinetics of the short-term urinary AAMA and GAMA as well as long term hemoglobin adducts were investigated in six volunteers after acrylamide intake via coffee consumption (0.15–0.17 µg/kg bw/d) and heat-treated foods (14.1–15.9 μg/kg bw/d). Whereas coffee consumption only resulted in a slightly enhanced urinary mercapturic acid response, excretion kinetics were monitored after intake of heat-treated foods. Six further volunteers were on acrylamide minimized diet throughout the whole study period not exceeding an acrylamide intake of 0.05–0.06 µg/kg bw/d. In addition, these volunteers received a bolus of 1 μg/kg bw 13C3D3-acrylamide once. At the end of the 13-day washout period, an urinary AAMA baseline level equivalent to a background exposure of 0.3–0.4 µg/kg bw/d was observed whereas excretion of 13C3D3-acrylamide as 13C3D3-AAMA was practically completed within 72–96 h which provides compelling support for the hypothesis of a sustained endogenous acrylamide formation in vivo. These findings were further substantiated by model reactions showing that acrylamide can be formed at physiological conditions. A second study focused on the influence of nutritional and lifestyle preferences on human acrylamide exposure. Consumed foods and urinary biomarker excretion indicative for acrylamide respective tobacco smoke exposure were monitored in omnivores and vegans. Overall mean acrylamide intake was 0.32±0.19 µg/kg bw/d with marked inter-day and inter-volunteer variabilities. Vegans ingested more acrylamide (0.38±0.23 µg/kg bw/d) than omnivores (0.26±0.10 µg/kg bw/d). Excretion kinetics of urinary AAMA and GAMA were essentially concordant with the respective dietary intake or enhanced levels could be traced back to environmental tobacco smoke exposure.

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Metadaten
Author:Katharina Goerke
URN:urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-67142
DOI:https://doi.org/10.26204/KLUEDO/6714
Advisor:Elke Richling
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2022/01/16
Year of Publication:2022
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2022/01/12
Date of the Publication (Server):2022/01/17
Number of page:VIII, 295
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Chemie
DDC-Cassification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 540 Chemie
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)