Evaluation of acrylamide in foods and development of some strategies for its reduction

Abstract

Although the presence of acrylamide in foods was detected a decade ago, public concern about this issue, and in general about food health, seems to have increased in recent years. Acrylamide is a toxic human carcinogen present mainly in foods from plant origin and subjected to transformation processes in which temperatures above 120 °C are reached, such as frying and baking. Foods that mostly contribute to the intake of acrylamide are: French fries and chips, coffee and coffee substitute, biscuits, bread, pastries, battered and breaded products, breakfast cereals ..., being children and adolescents the most exposed population. From a chemical point of view, acrylamide is formed mainly from the reaction, during thermal processing, between asparagine and reducing sugars, as an intermediate product of the Maillard reaction. In the last decade, both health authorities and the scientific community have made great efforts in scientifically establishing limits of toxicity as well as exploring strategies aimed at reducing acrylamide formation. The purpose of this doctoral thesis is framed in this last sense. On the one hand, our work has been focused on searching new strategies for acrylamide mitigation, in two different types of food: fried potatoes and battered products. The effect of an emerging frying technique, named hot air frying, as well as pre-frying treatments, were studied in fried potatoes. In the case of batters however, the strategy consisted in modifying their composition by adding a hydrocolloid, chitosan, after having tested its potential in model systems. Furthermore, the effect of chitosan addition on the physical properties of the batter formulations and on the quality of the final product was evaluated. Finally, acrylamide bioaccessibility of the food products with the highest acrylamide content was addressed. These food products were subjected to an in vitro gastrointestinal simulation in order to study how acrylamide content progressed throughout the digestion process. Results showed that air fried potatoes as well as chitosan addition to batter formulations reduced the formation of acrylamide by about 90 and 60 %, respectively. The modification of the characteristics of chitosan (molecular weight and deacetylation degree) conditioned its ability to reduce the formation of acrylamide. Furthermore, the incorporation of chitosan to batters reduced the absorption of fat during frying. Chitosan increased viscosity and consistency of batters but, the color and texture of the fried products were not significantly altered. The total replacement of wheat flour by rice flour allowed to obtain gluten-free batters with similar viscosity, when adding chitosan. This new formulation could be adjusted to gluten-free battered products. The simulation of in vitro digestion showed a significant increment of acrylamide after the gastric stage in a wide range of foods. However, acrylamide bioaccessibility (after the intestinal stage) was reduced until pre-digestion levels or even lower in chips and French fries.

Si bien es verdad que la presencia de acrilamida en alimentos se detectó hace más de una década, la preocupación por parte del consumidor, no sólo por este tema si en la alimentación saludable en general, parece haberse incrementado en los últimos años. La acrilamida es un tóxico posible carcinógeno humano presente principalmente en alimentos derivados de materias primas de origen vegetal y sometidos a procesos de transformación en los que se alcanzan temperaturas por encima de 120 ºC como la fritura y horneado. Los alimentos que contribuyen mayoritariamente a la ingesta de acrilamida son: patatas fritas (tipo French fries y chips), café y substituto de café, galletas, pan, bollería, rebozados y empanados, cereales de desayuno¿, siendo la exposición al tóxico superior por parte de población infantil y adolescente. Desde un punto de vista químico, la acrilamida se forma principalmente a partir de la reacción entre la asparagina y azúcares reductores durante el procesado térmico, como producto intermedio de las reacciones de Maillard. En la última década, tanto las autoridades sanitarias como la comunidad científica han puesto un gran empeño en establecer científicamente los límites de toxicidad y en la búsqueda de estrategias orientadas a reducir su formación. El cometido de esta tesis doctoral se enmarca en este último sentido. Por un lado, se ha trabajado en la búsqueda de nuevas estrategias para la reducción de acrilamida, en dos tipos de alimentos distintos: patatas fritas y masas de productos rebozados. En patatas fritas se estudió el efecto de una técnica emergente de fritura, concretamente la fritura por aire caliente, junto con tratamientos previos a la fritura. En masas de rebozados, en cambio, se optó por modificar la composición de estos, adicionando un hidrocoloide, el quitosano, después de haber ensayado su potencial en sistemas modelo. Además, se evaluó el efecto de la incorporación de quitosano sobre las propiedades físicas de la masa de rebozado y sobre la calidad del producto final. Por último y no por ello menos importante, se abordó la problemática de la acrilamida sobre la salud humana desde el punto de vista de su bioaccesibilidad. Para ello, se seleccionaron los productos con mayor contenido en acrilamida dietética y se sometieron a una simulación gastrointestinal in vitro con el fin de conocer los cambios experimentados por el tóxico durante este proceso y determinar su bioaccesibilidad. Los resultados mostraron que la fritura de patatas por aire caliente, así como la incorporación de quitosano a las masas de rebozado reducían la formación de acrilamida alrededor de un 90 y 60 %, respectivamente. La modificación de las características del quitosano (en cuanto a masa molecular y grado de desacetilación) condicionó su capacidad de reducir la formación de acrilamida. La incorporación de quitosano redujo la absorción de grasa durante la fritura de las masas. Si bien aumentó la viscosidad y consistencia de éstas, no se vio alterado significativamente el color y la textura del producto final frito. La substitución total de harina de trigo por harina de arroz permitió obtener masas de rebozado sin gluten con semejante viscosidad, al adicionar quitosano. Esta nueva formulación podría ser adaptada a productos rebozados sin gluten. La simulación de digestión in vitro mostró aumentos significativos de acrilamida tras la fase gástrica en una amplia gama de alimentos. Sin embargo, la bioaccesibildad de acrilamida (tras la fase intestinal) se redujo hasta niveles previos a la digestión o incluso menores, en patatas fritas tipo chips y tipo French fries.

Si bé és veritat que la presència d'acrilamida en aliments es va detectar fa més d'una dècada, la preocupació per part del consumidor, no només per aquest tema si no en l'alimentació saludable en general, sembla haver-se incrementat en els últims anys. L'acrilamida és un tòxic possible carcinogen per a l'èsser humà present principalment en aliments derivats de matèries primeres d'origen vegetal i sotmesos a processos de transformació en els quals s'assoleixen temperatures majors a 120 ºC, com el procés de fregida o al forn. Els aliments que contribueixen majoritàriament a la ingesta d'acrilamida són: creïlles fregides (tipus French fries i chips), cafè i substitut de cafè, galetes, pa, brioixeria, arrebossats i empanats, cereals d'esmorzar ..., sent l'exposició al tòxic superior per part de població infantil i adolescent. Des d'un punt de vista químic, l'acrilamida es forma principalment a partir de la reacció entre l'asparagina i sucres reductors durant el processat tèrmic, com producte intermedi de les reaccions de Maillard. En l'última dècada, tant les autoritats sanitàries com la comunitat científica han posat un gran esforç a establir científicament els límits de toxicitat i en la recerca d'estratègies orientades a reduir la seva formació. La comesa d'aquesta tesi doctoral s'emmarca en aquest últim sentit. D'una banda, s'ha treballat en la recerca de noves estratègies per a la reducció d'acrilamida, en dos tipus d'aliments diferents: creïlles fregides i masses de productes arrebossats. En creïlles fregides es va estudiar l'efecte d'una tècnica emergent de fregit, concretament el fregit per aire calent, juntament amb tractaments previs al fregit. En masses d'arrebossats, en canvi, es va optar per modificar la composició d'aquests, addicionant un hidrocol·loide, el quitosà, després d'haver assajat el seu potencial en sistemes model. A més, es va avaluar l'efecte de la incorporació de quitosà sobre les propietats físiques de la massa d'arrebossat i sobre la qualitat del producte final. Finalment i no per això menys important, es va abordar la problemàtica de l'acrilamida sobre la salut humana des del punt de vista de la seva bioaccesibilidad. Per a això, es van seleccionar els productes amb major contingut en acrilamida dietètica i es van sotmetre a una simulació gastrointestinal in vitro per tal de conèixer els canvis experimentats pel tòxic durant aquest procés i determinar la seva bioaccesibilidad. Els resultats van mostrar que el fregit de creïlles per aire calent, així com la incorporació de quitosà a les masses d'arrebossat reduïen la formació d'acrilamida al voltant d'un 90 i 60%, respectivament. La modificació de les característiques del quitosà (quant a massa molecular i grau de desacetilación) va condicionar la seva capacitat de reduir la formació d'acrilamida. La incorporació de quitosà va reduir l'absorció de greix durant el fregit de les masses. Si bé va augmentar la viscositat i consistència d'aquestes, no es va veure alterat significativament el color i la textura del producte final fregit. La substitució total de farina de blat per farina d'arròs va permetre obtenir masses d'arrebossat sense gluten amb semblant viscositat, en addicionar quitosà. Aquesta nova formulació podria ser adaptada a productes arrebossats sense gluten. La simulació de digestió in vitro va mostrar augments significatius d'acrilamida després de la fase gàstrica en una àmplia gamma d'aliments. No obstant això, la bioaccesibildad d'acrilamida (després de la fase intestinal) es va reduir fins a nivells previs a la digestió o fins i tot menors, en creïlles fregides tipus chips i tipus French fries.