FURAN W ŻYWNOŚCI: POWSTAWANIE, OZNACZANIE, POBÓR Z DIETY, MOŻLIWOŚCI REDUKCJI ZAWARTOŚCI

Transkrypt

1 BROMAT. CHEM. TOKSYKOL. XLI, 2008, 3, str Bolesław Kowalski, Marta Łobacz, Dorota Kowalska, Witold Bekas FURAN W ŻYWNOŚCI: POWSTAWANIE, OZNACZANIE, POBÓR Z DIETY, MOŻLIWOŚCI REDUKCJI ZAWARTOŚCI Katedra Chemii Wydziału Nauk o Żywności Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Kierownik: prof. zw. dr hab. B. Kowalski Hasła kluczowe: furan, węglowodany, aminokwasy, kwas askorbinowy, polinienasycone kwasy tłuszczowe, karotenoidy, Headspace-GC/MS, mikro-ekstrakcja do fazy stałej-gc/ms. Key words: furan, carbohydrates, aminoacids, ascorbic acid, polyunsaturated fatty acids PUFA, carotenoids, Headspace-GC/MS, solid phase microextraction-gc/ MS. Furan (C 4 H 4 O) jest bezbarwną i lotną (temp. wrzenia 31 o C) cieczą nierozpuszczalną w wodzie. Jest on substancją stosowaną w przemyśle chemicznym, w syntezie tetrahydrofuranu, pirolu i tiofenu, a także w produkcji lakierów, środków czyszczących, stabilizatorów, farmaceutyków i preparatów zwalczających insekty. Furan powstaje w wielu procesach wytwarzania i obróbki kulinarnej żywności i z tego względu jest on przedmiotem zainteresowania technologów, toksykologów i chemików żywności. Publikowane w latach prace z zakresu chemii i analizy żywności podają liczne, często ilościowe przykłady występowania furanu (1, 2) w produktach spożywczych, poddawanych obróbce cieplnej takich, jak: kawa, mięso w puszkach, konserwy mięsne i warzywne, mięso gotowane i pieczone, smażone wyroby ziemniaczane, pieczywo itp. Najlepszym pojedynczym źródłem informacji na temat występowania furanu i jego pochodnych w żywności podsumowującym osiągnięcia w tym zakresie do r jest przeglądowa praca Magi (3). Do połowy lat 90. problem furanu w żywności uważano za dobrze rozpoznany i ze względu na jego lotność bez szczególnego znaczenia. Od połowy lat 90. obserwowany jest ponowny wzrost zainteresowania obecnością furanu w żywności. Zainteresowanie to wynika z: rozwoju metod analitycznych pozwalających na precyzyjne oznaczanie nawet śladowych ilości furanu w różnych produktach spożywczych; licznych przypadków stwierdzających obecność furanu w żywności produkowanej i konsumowanej w dużych ilościach oraz w żywności specjalnego przeznaczenia np. dla dzieci/niemowląt; poznawania i ujawniania faktów świadczących o toksycznym i potencjalnie rakotwórczym działaniu furanu na organizm człowieka. Zawartość furanu w żywności przetworzonej. Doniesienia o potencjalnym kancero- i cytogennym wpływie furanu na zdrowie człowieka,

2 220 B. Kowalski i inni Nr 3 spowodowały wdrożenie programów badań i monitorowania furanu w żywności. Na szczególną uwagę zasługują prace inicjowane, kontrolowane, wykonywane i finansowane przez: U.S. Food and Drug Administration (FDA) i European Union Food Safety Authority (EFSA) (4, 5, 6).W oparciu o różnorodne badania, przeprowadzone na zwierzętach laboratoryjnych, furan został zaliczony przez Międzynarodową Agencję Badań nad Rakiem (IARC) do grupy 2B tj. związków przypuszczalnie kancerogennych dla ludzi (possibly carcinogenic to humans). Postulowany jest genotoksyczny mechanizm działania furanu oraz przypuszczalny udział tego związku w indukowaniu schorzeń nowotworowych wątroby i nerek zwierząt doświadczalnych. Raporty relacjonujące wyniki monitorowania zawartości furanu w żywności są od 2004 r. powszechnie dostępne (4, 5, 6, 7). Furan może powstawać w wyniku przemian aminokwasów (alaniny, cysteiny), mieszanin aminokwasów i węglowodanów, witamin (kwasu askorbinowego, dehydroaskorbinowego, tiaminy), polinienasyconych kwasów tłuszczowych (PUFA) i karotenoidów (8, 9, 10). Powstawanie furanu z nienasyconych kwasów tłuszczow y c h. Możliwość powstawania furanu z nienasyconych kwasów tłuszczowych nie powinna dziwić. Wiadomo, że jedna z pochodnych furanu, 5-pentylofuran, jest znanym markerem jełczenia tłuszczów. Powstające w początkowej fazie tego procesu wodoronadtlenki ulegają katalizowanemu jonami metali przejściowych rozkładowi dając w wyniku nienasycone aldehydy w tym cytotoksyczny 4-hydroksy-2-nonenal (4-HNE), który uważany jest za prekursora furanu (8, 9). Badania nienasyconych kwasów tłuszczowych, oleinowego, linolowego i linolenowego wykazały, że furan powstaje tylko podczas ogrzewania w atmosferze utleniającej kwasów linolowego i linolenowego, a nie powstaje z kwasu oleinowego. Kwas linolenowy tworzy cztery razy więcej furanu niż kwas linolowy. Taką samą tendencję obserwowano badając triacyloglicerole tych kwasów. Katalityczna obecność jonów Fe +2 /Fe +3 powodowała kilkakrotny wzrost stężenia furanu powstającego z wolnych kwasów tłuszczowych. Podczas ogrzewania triacylogliceroli w obecności FeCl 3 powstawało mniej furanu (10). Stwierdzono również, że dodatek przeciwutleniaczy (np. tokoferoli) redukował stężenie furanu powstającego z PUFA aż o 70%. Powstawanie furanu z węglowodanów i z kwasu askorbinowego. Węglowodany, szczególnie redukujące, są związkami, które w obecności aminokwasów ulegają reakcji Maillard a. Kolejne przemiany chemiczne przejściowych produktów tej reakcji powodują powstawanie aldotetroz, które ulegając dehydratacji mogą wytworzyć 3-furanon, co po redukcji i dehydratacji może dawać furan (8, 9, 10). Istnienie alternatywnych dróg prowadzących do powstania furanu z węglowodanów potwierdzają badania prowadzone ze znakowanymi atomami węgla w cząsteczkach glukozy. Wykazano, że najwięcej, bo aż 50% furanu powstaje w reakcji, w której produktem pośrednim była aldotetroza. W wyniku reakcji, w których produktami pośrednimi są 2-deokso-3-ketoaldotetroza lub 2-deoksoaldotetroza powstaje odpowiednio po 10% furanu. Pozostałe 30% furanu powstawało z udziałem atomów węgla pochodzących z rozkładu obecnych w próbce aminokwasów np. seryny. Ilość furanu jaka powstaje w wyniku rozkładu cukrów prostych zależy od

3 Nr 3 Furan w żywności 221 ich rodzaju. Najwięcej furanu powstaje w wyniku rozkładu D-erytrozy. Tworzy ona ośmiokrotnie więcej furanu niż glukoza czy fruktoza. Kwas askorbinowy jest związkiem chemicznym, który w żywności bardzo łatwo utlenia się i hydrolizuje tworząc kwas 2,3-diketoglukonowy (DKG) lub w wyniku hydrolizy, β-eliminacji i dekarboksylacji tworzy się 3-deoksypentozuloza (DP). Związki te, po kolejnych przekształceniach tworzą aldotetrozę lub 2-deoksoaldotetrozę, które są prekursorami furanu w przemianach cukrów (8, 9). Jednym ze związków powstających w wyniku rozkładu kwasu askorbinowego jest kwas 2-furanowy, jego dekarboksylacja prowadzi do powstawania furanu (8, 9). Furan może powstawać także z kwasu dehydroaskorbinowego i z kwasu izoaskorbinowego Obydwa kwasy dają dziesięciokrotnie więcej furanu niż kwas askorbinowy, z którego z kolei powstaje znacząco więcej furanu niż z cukrów prostych. Sole sodowe kwasu askorbinowego tworzą mniej furanu niż sam kwas. Katalityczny dodatek jonów Fe +3 do środowiska reakcji zwiększa ilość powstającego furanu z soli sodowych kwasu w porównaniu z samym kwasem askorbinowym, ale nie wpływa na efektywność tworzenia furanu z kwasu dehydroaskorbinowego (10). Powstawanie furanu z aminokwasów. Niektóre aminokwasy, jak seryna i cysteina, w wyniku przemian chemicznych są zdolne do tworzenia acetaldehydu i glikoaldehydu. Powstawanie tych aldehydów z aminokwasów może odbywać się w wyniku reakcji Strecker a, a następnie dekarboksylacji, dehydratacji i eliminacji cząsteczki amoniaku. Konsekwencją powstawania acetaldehydu i glikoaldehydu, a następnie ich kondensacji aldolowej i reakcji cyklizacji jest powstawanie furanu (9). Inne aminokwasy, jak kwas asparaginowy, alanina i treonina, zdolne są do tworzenia furanu w obecności cukrów redukujących. Powstawanie furanu z karotenoidów. Powstawanie furanu z karotenoidów nie jest w literaturze dokładnie opisane. Najprawdopodobniej ich przemianę w furan można opisać za pomocą mechanizmu rodnikowego. Powstające w wyniku tych reakcji 2-metylo- i 3-metylofurany mogą tworzyć się z karotenoidów dzięki obecności w ich strukturze grup metylowych (10). Metody oznaczania furanu w żywności. Furan jako niskowrząca ciecz (temp. 31 o C) może być oznaczany za pomocą metody GC. Opracowane są dwa chromatograficzne sposoby badania obecności furanu w żywności: metoda oparta na analizach gazu pobieranego z przestrzeni nad próbką (Headspace-GC/MS) i metoda oparta na mikro-ekstrakcji do fazy stałej GC/MS (SPME-GC/MS). W obu metodach stosowana jest detekcja za pomocą spektrometrii masowej (MS). Granica oznaczenia ilościowego sięga 1 ng/g. W metodzie pierwszej zaproponowanej przez FDA (4) próbki do badań są przygotowywane w postaci roztworu. Następnie są one ogrzewane w temp. 80 o C przez minimum 30 min. w zamkniętych pojemnikach. Po ustaleniu się równowagi między fazą ciekłą a gazową, faza gazowa jest pobierana i przenoszona do analizatora GC. Wykrywanie furanu może być nieselektywne, np. za pomocą fotometrii płomieniowej (FID Flame Ionization Detection), lub za pomocą spektrometrii mas (MS). W trakcie analizy GC/MS kontrolowany jest stosunek masy do ładunku powstałego z cząsteczki furanu jonu, (m/z) równy 39 i 68. Oznaczenie ilościowe zawartości furanu w próbce żywności dokonywane jest na podstawie standardowych krzywych dodatku wzorca (Standard Addition Curve). Stosowanym wzorcem wewnętrznym jest

4 222 B. Kowalski i inni Nr 3 izotopowo znakowany furan d 4, dla którego kontroluje się jon o m/z 72 (11). Niestety, metoda ta posiada kilka wad. Furan w żywności powstaje w wyniku jej ogrzewania, a próbka żywności przeznaczona do badania tą metodą jest ogrzewana. Oznacza to, że furan może tworzyć się w trakcie analizy, dlatego czas przygotowania próbek do analizy powinien być krótki. Senyuva i Gokmen (12) podają przykłady powstawania furanu podczas przygotowywania próbek (zielona kawa, przecier pomidorowy, sok pomarańczowy) do analizy. Z powodu małych próbek (5 g), wymagana jest ich bardzo dobra homogenizacja. Mała masa cząsteczkowa furanu powoduje, że nawet detekcja za pomocą spektrometru mas może nie być wystarczająco specyficzna. Granica oznaczenia ilościowego metody Headspace-GC/MS jest większa od 1 ng/g, a limit detekcji utrzymany jest na poziomie 0,1 ng/g (12) i zależy od rodzaju żywności. Druga metoda, mikro-ekstrakcja do fazy stałej (SPME-GC/MS) została zaproponowana przez Ho i współpr. (13 ). Podobne prace prowadzili Goldman i współpr. (14). Po odpowiednim przygotowaniu próbek, w końcowym etapie pojemniki są automatycznie mieszane przez 30 min. w temp. 30 C. Desorpcja następuje w 90 C na kolumnie CP-Pora-Bond-U capillary column. Jako włókna SPME stosowano Carboxen TM /polidimetylo siloxan (grubość filmu 85 μm). Bardzo ważnym czynnikiem w detekcji zawartości furanu w żywności jest czas. Po otwarciu słoika z badaną żywnością obserwowano spadek stężenia furanu. W ogrzewanych przez 5,5 godz. próbkach utrata analitu wynosiła aż 85%, a w nieogrzewanych 50% (14). Niedawne doniesienia (15) wskazują, że precyzja metody SPME-GC/MS została znacząco poprawiona przez wprowadzenie pułapki jonów. Granica detekcji furanu sięga 8 70 pg/g, a granica oznaczeń ilościowych od 30 do 250 pg/g w zależności od rodzaju próbki żywności. Pobór furanu w diecie. Niewielka liczba publikowanych prac i trudności metodyczne powodują, że oceny ilości furanu wprowadzanego z żywnością do organizmu mają charakter szacunkowy i dotyczą tylko specyficznych rodzajów żywności i specyficznych grup konsumenckich. Według danych EFSA dzienny pobór furanu przez dzieci karmione przetworami pakowanymi w słoiki wynosi w granicach od 0,2 do 26 μg/kg m.c. To samo źródło podaje, że dzienny pobór furanu przez dorosłych żywiących się produktami z puszek i słoików wynosi od 1,2 do 23 μg/osobę. Z piwem do organizmu przedostaje się od 1,3 do 50 μg/osobę w zależności od spożycia. Najwięcej furanu wprowadzają do organizmu miłośnicy kawy od 2,4 do 116 μg/osobę dziennie. Możliwości obniżania zawartości furanu w żywności. Technologiczne możliwości redukcji zawartości furanu w produkowanej żywności są bardzo ograniczone. Najwięcej furanu powstaje w żywności wytwarzanej w hermetycznych opakowaniach, poddawanej sterylizacji czy pasteryzacji w temperaturze zdeterminowanej wymogami bezpieczeństwa mikrobiologicznego wyrobów. Liczne i różnorodne prekursory furanu w surowcach (cukry, witaminy, NNKT, niektóre aminokwasy) nie mogą być usuwane bez drastycznego pogorszenia walorów żywieniowych i zdrowotnych wytwarzanej żywności. Wykorzystanie wysokiej lotności furanu do jego usuwania także napotyka na silne ograniczenia. Rozszczelnienie hermetycznych opakowań żywności prowadzące do usunięcia furanu po procesie utrwalania jest niedopuszczalne ze względów mikrobiologicznych i gwarantowanych okresów trwałości. W przypadku kawy usuwanie furanu przez odparowanie

5 Nr 3 Furan w żywności 223 czy wydmuchiwanie gazem obojętnym pozbawiałoby produkt specyficznego tak cenionego przez konsumentów aromatu. Ze stosowanych współcześnie i perspektywicznych metod redukcji zawartości furanu w żywności właściwie pozostaje tylko pośrednia interwencja w mechanizmie jego powstawania. Można tutaj wymienić obniżanie stężenia tlenu w atmosferze otaczającej przetwarzany produkt, stosowanie dopuszczalnych przeciwutleniaczy i zmiataczy rodników (tokoferole, mannitol), właściwy materiałowo dobór aparatury i sprzętu, dodatek czynników redukujących (siarczyny, SO 2 ). Opóźnianie procesów autooksydacji PUFA, przekształcania się kwasu askorbinowego w furfural, blokowanie reakcji Maillard a i innych procesów zachodzących w ogrzewanej żywności oraz jej właściwe pakowanie ogranicza liczbę i koncentrację prekursorów furanu pośrednio zmniejszając jego stężenie w finalnym wyrobie. Nie bez znaczenia są jak się wydaje nawyki kulinarne i żywieniowe tzn. unikanie spożywania pokarmów bezpośrednio z opakowania technologicznego, unikanie zbędnego pośpiechu w przygotowywaniu porcji uprzednio hermetycznie pakowanych, właściwa obróbka temperaturowa potraw, unikanie zbędnych pokrywek naczyń. B. Kowalski, M. Łobacz, D. Kowalska, W. Bekas FURAN IN FOODS: FORMATION, ANALYTICAL DETERMINATION, DIETARY INTAKE, REDUCTION OF CONTENTS PIŚMIENNICTWO 1. Person T., von Sydow E.: Aroma of canned beef: Gas chromatographic and mass spectrometric analysis of the volatiles. J. Food Sci., 1973; 38: Stofelsma J., Sipma G., Kettenes D.K., Pypker J.: New volatile components of roasted coffee. J. Agricult. Food Chem., 1968; 16: Maga J.: Furan in foods. CRC Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 1979; 4: FDA: Exploratory data on furan in food i Determination of furan in foods, i EFSA: Report on the CONTAM PANEL on provisional findings of furan in foods Koeter H.B.: Report on the scientific panel on contaminants in the food chain on provisional findings of furan in foods. EFSA Journal, 2004; 137: Crews C., Castle L.: A review of the occurrence, formation and analysis of furan in heat-processed foods. Trends in Food Science and Technology, 2007; 18: Peres Locas C., Yaylayan V.A.: Origin and mechanistic pathways of formation of the parent furan a food toxicant. J. Agricult. Food Chem. 2004; 52: Yaylayan V.A.: Precursors, formation and determination of furan in food. J. Consumer Protection and Food Safety, 2006; 1: Bęcalski A., Seaman S.: Furan precursors in food: A model study and development of a simple headspace method for determination of furan. Journal AOAC International, 2005; 88: Bęcalski A., Forsyth D., Casey V., Lau B. P-Y., Pepper K., Seaman S.: Development and validation of a headspace method for determination of furan in food. Food Additives and Contaminants 2005; 22: Senyuva H.Z., Gokmen V.: Analysis of furan in foods. Is headspace sampling a fit-forpurpose technique? Food Additives and Contaminants, 2005; 22: Ho I-Pin, Yoo S.J., Tefera S.: Determination of furan levels in coffee using automated solid-phase microextraction and gas chromatography mass spectrometry. Journal of AOAC International, 2005; 88: Goldman T., Perisset A., Scanlan F., Standler R.H.: Rapid determination of furan in heated foodstuffs by isotope dilution solid phase micro-extraction-gas chromatography mass spectrometry (SPME-GC-MS). Analyst, 2005; 130: Altaki M.S., Santos, Galceran M.T.: Analysis of furan in foods by headspace SPME-GC-Ion Trap MS. Journal Chromatography A, 2007; 1146: Adres: Warszawa, ul. Nowoursynowska 159 C.