Fachinformationen - Chemie in der Nahrung


Chemische Verunreinigungen in Nahrungsmitteln


Die ausreichende Versorgung mit Nahrungsmitteln ist eines der grundlegenden menschlichen Bedürfnisse. Eine dauerhafte Existenz des Einzelnen sowie ein geordnetes Gemeinwesen ist ohne eine gesicherte Verfügbarkeit von Nahrung und Trinkwasser nicht vorstellbar.
Mangelhafte Qualität und Verknappung von Nahrungsmitteln sind ein großes Problem in Entwicklungs- und Schwellenländern. Im Zuge des florierenden Welthandels können Qualitätsprobleme in importstarken Schwellenländern wie China oder Indien sehr schnell zu einem Problem für die gesamte Welt werden. Dies zeigte sich beim Melamin-Skandal mit über 300.000 betroffenen Kindern. Im Jahr 2008 wurde aus kriminellen Gründen Milchpulver mit Melaminharz, einem Kunststoff auf Basis von 2,4,6-Triamino-s-Triazin (oder anderer Aminoverbindungen), verunreinigt um einen höheren Proteingehalt vorzutäuschen. Etwa 50.000 Kinder im Alter unter drei Jahre mussten stationär behandelt werden. In der südwestlich gelegenen Provinz Guizhou wurden drei Lebensmittelhersteller ermittelt, die ihren Milchprodukten - auch nach dem großen Melaminskandal des vergangenen Jahres und nach mindestens 6 Todesfällen - weiterhin illegal Melamin zusetzten (Promed 02.02.2010). In zahlreichen Ländern mussten Nahrungsmittel wegen Verdachtes auf Melamin-Verunreinigung aus dem Handel genommen werden; betroffen waren beispielsweise Thailand, Südkorea, USA, Kanada, die Niederlande, Ungarn und die Slowakei.

Nahrung als Risiko
Unter den folgenden Bedingungen können Nahrungsmittel mit einem Gesundheitsrisiko einhergehen:

Radikalbildner
Moleküle oder Atome mit ungepaarten Elektronen werden als Radikale bezeichnet. Radikale sind außerordentlich reaktionsfreudig und können auf diese Weise leicht Biomoleküle des Körpers verändern. Durch chemische Umwandlungen an sensiblen Strukturen, zum Beispiel der menschlichen DNA, können dauerhafte Schäden hervorgerufen werden, bis hin zur Induktion maligner Zellen. Ein Zusammenhang zwischen der Ernährung und vermehrter Bildung reaktiver Sauerstoffmoleküle (freie Radikale) wurde beispielsweise bei Acrylamid-haltigen Nahrungsmitteln nachgewiesen (Naruszewicz 2009). Werden stärkehaltige Lebensmittel bei hohen Temperaturen zubereitet, so können sich gesundheitsschädliche Substanzen bilden. Aus der Aminosäure Asparagin entsteht Acrylamid. Dieses wiederum kann mit Abbauprodukten von Fett zu Glycidamid reagieren. Durch moderne Analysemethoden lassen sich bereits Mengen von 0,3-1,5 µg pro Kg nachweisen. Glycidamid wirkt noch stärker mutagen und kanzerogen als Acrylamid. Abhängig ist der Schadstoffgehalt unter anderem von den verwendeten Fettarten. Gerade das als besonders gesund geltende Sonnenblumenöl ist problematisch. Kartoffelchips, die in Sonnenblumenöl frittiert wurden, lassen sich besser verkaufen, da dem Konsumenten suggeriert wird, dass solche Chips gesünder seien als herkömmliche Produkte. Sonnenblumenöl weist jedoch einen hohen Gehalt an ungesättigten Fettsäuren auf, die mit dem Sauerstoff der Luft Hydroperoxide bilden. Hydroperoxide wiederum fördern die Bildung von Glycidamid. Das Frittieren in Kokosfett oder Palmöl gilt als weniger bedenklich (Granvogl 2008, Gargas 2009).

Bisphenole
Plastikprodukte wie Trinkflaschen, Behälter für Nahrungsmittel, Innenbeschichtungen von Dosen u.v.a. enthalten u.a. Bisphenol A (BPA) zur Aushärtung. BPA ist eine östrogenähnliche chemische Verbindung, die bis 2009 für weitgehend gesundheitsneutral gehalten wurde. Neuere, von der chemischen Industrie unabhängige Untersuchungen dieser Produkte zeigen aber, dass ihre Auswirkungen auf die Gesundheit, insbesondere der von Kindern, weitaus weniger harmlos ist, als bisher vermutet wurde. In Untersuchungen an Ratten konnte gezeigt werden, dass eine Belastung trächtiger Tiere beim weiblichen Nachwuchs zu Störungen im Östrogenhaushalt führt. Eine Ursache hierfür könnte die (schwache) Bindungsaffinität zum Östrogenrezeptor sein. Auch nicht-Östrogenrezeptor-vermittelte Eigenschaften werden vermutet, besonders im Hinblick auf Langzeiteffekte.

Antibiotika
Antibiotikarückstände in Milch und Fleisch sind bereits seit Langem Gegenstand öffentlicher Diskussionen. Seit Jahrzehnten werden Antibiotika an junge Nutztiere verfüttert, um sie von Infektionen zu schützen und damit indirekt ihr Wachstum zu fördern. Etwa 70% der jährlichen US-amerikanischen Antibiotikaproduktion werden an Rinder, Schweine und Geflügel verfüttert. Neu sind Erkenntnisse über Antibiotikarückstände in pflanzlichen Lebensmitteln. Auch Bioprodukte sind betroffen, u.a. Getreide, Kartoffeln und Salat. Entsprechende Untersuchungen wurden durch die Universität von Minnesota durchgeführt. Da etwa 90% der verfütterten Antibiotika über die Fäkalien oder mit dem Urin der Tiere ausgeschieden werden, können diese Stoffe über den Weg der Naturdüngung auf die Felder und damit in pflanzliche Nahrungsmittel gelangen. Durch Niederschläge können Verunreinigungen von der Erde in Binnengewässer oder ins Grundwasser gelangen. Besonders häufig finden sich Belastungen mit dem Sulfonamid Sulfamethazin. In den USA werden schätzungsweise etwa 9,2 Mio. Hektar Ackerland - besonders bei ökologischem Anbau - mit Naturdünger gedüngt. Studien zeigen, dass durch sorgfältiges Kompostieren tierischer Abfälle die Antibiotikabelastung bei der Verwendung von Naturdünger gesenkt werden kann. Eine direkte Gesundheitsgefahr für den Verbraucher besteht bei Spuren von Antibiotika in Nahrungsmitteln wahrscheinlich (!) nicht, jedoch zeigen diese Kontaminationen wie schwierig es ist, ein hochkomplexes System wie die Landwirtschaft zu verstehen oder gar steuern zu wollen. Auch mögliche Langzeiteffekte, zum Beispiel im Hinblick auf Multi-Antibiotikaresistenzen lassen sich derzeit noch nicht einschätzen. In der Europäischen Union wurde 2006 die Verwendung von Antibiotika als Nahrungszusatz bei der Tieraufzucht verboten.


Risikoeinschätzung

Die Weltgesundheitsorganisation hat 1995 den Begriff der Risiko-Analyse u.a. im Hinblick auf Inhaltsstoffe von Nahrungsmitteln definiert. Eine Risiko-Analyse beinhaltet die Aspekte Risikoeinschätzung (risk-assessment), Risikomanagement sowie die Kommunikation des Risikos.

Zunächst müssen die zu einem Stoff vorhandenen toxikologischen Daten berücksichtigt werden. Diese Daten beinhalten Ergebnisse der einmaligen und wiederholten Applikation bei Versuchstieren, Untersuchung des Einflusses auf die Reproduktionsfähigkeit und Tests auf mutagene und embryotoxische Effekte. Daraufhin wird der untersuchte Stoff den Versuchstieren in steigender Dosierung verabreicht und u.a. die mittlere letale Dosis (LD50) bestimmt, also diejenige Stoffmenge, bei deren Zufuhr 50% der Versuchstiere eingehen. Der nächste Schritt besteht darin, gründlich zu evaluieren, in welcher Menge der untersuchte Stoff in der menschlichen Nahrung enthalten ist und in welchen Mengen und über welche Zeiträume er regelmäßig eingenommen wird. Die Risikoeinschätzung ist ein Prozess, in dem es darum geht, auf dem Boden der jeweils vorhandenen Daten ein Risikoprofil zu erstellen. Jede Risikoeinschätzung wird jedoch erschwert durch eine Vielzahl von Unwägbarkeiten und durch die stets vorhandenen Lücken im verfügbaren Wissen. In mancherlei Hinsicht handelt es sich sogar um Extrapolationen von Extrapolationen. Von den Wirkungen auf Tiere wird auf Effekte beim Menschen geschlossen, von den vermuteten Kurzzeiteffekten bei Menschen wird durch weitere Extrapolation auf mögliche Langzeiteffekte geschlossen. Als „Sicherheitsnetz“ dienen beim Risk-Assessment die folgenden bestimmte Grundannahmen:


Genotoxische Substanzen
Während für die Mehrzahl der Gifte eine klare Wirkungs-Dosis-Beziehung besteht, existieren für genotoxische Stoffe keine Schwellenwerte, das heißt, hier es gibt keine per se ungefährlichen Konzentrationen. Auch kleinste Mengen genotoxischer Substanzen können zu irreversiblen Veränderungen führen. Irreversible Veränderungen können sich leicht zu erheblichen unerwünschten Effekten addieren.
Die Kommunikation von Risiken spielt bei Substanzen, die zu irreversiblen Veränderungen führen können, eine besondere Rolle, da in der Öffentlichkeit der Wunsch besteht, Risiken auf Null abzusenken, was aus prinzipiellen Gründen jedoch nie nicht möglich ist. Bei nicht-genotoxischen Carcinogenen mit Angriffspunkten außerhalb des Zellkerns und nicht-irreversiblen Veränderungen kann eher mit Schwellenwerten gerechnet werden. Jedoch werden auch bei genotoxischen Substanzen gelegentlich Schwellenwert(-ähnliche) Effekte beobachtet (Hayashi 2005).


Risikoeinschätzung für Kinder
Kinder machen ein Drittel der Weltbevölkerung aus. Kinder – besonders in den frühen Entwicklungsphasen – sind z.T. vulnerabler gegenüber schädigenden Faktoren als Erwachsene. Die Einschätzung möglicher Gesundheitsrisiken durch verunreinigte Nahrungsmittel gestaltet sich äußerst schwierig. Eine Vielzahl von Unterschieden zu Erwachsenen muss berücksichtigt werden, z.B. Kinder

Zum Beispiel existieren deutlich unterschiedliche Grenzwerte im Hinblick auf die Bleibelastung. Noch bei weniger als 10µg/dl Blut muss bei Kindern mit neuropsychologischen Schäden gerechnet werden, während Verhaltensänderungen bei Erwachsenen erst ab 40 µg/dl zu erwarten sind (Hayahi 2009, Guzelian 1992). Auch eine Beurteilung carcinogener Effekte kann u.a. wegen der wesentlich höheren Lebenserwartung von Kindern nicht nach den gleichen Kriterien erfolgen wie bei Erwachsenen. Von besonderer Bedeutung beim Risk-Assessment für Kinder sind daher die Ergebnisse der embryonaltoxischen Tests, der genotoxischen Langzeittests und Akkumulationsuntersuchungen. Noch mehr als bei Erwachsenen müssen bei Kindern großzügig bemessene Sicherheitskoeffizienten in das Risk-Assessment einfließen.

Die folgenden Grundannahmen fließen hierbei ein:

Ob die beschriebenen klassischen Adjustierungen mittels Korrekturfaktoren, wie sie in den Ingenieurwissenschaften zur Anwendung kommen, hinreichend sind, bleibt fraglich. Daher besteht ein erheblicher Bedarf an neuen Ansätzen.

Neue Ansätze
Ausgehend von den klassischen Parametern der Pharmakokinetik wie Messung der Absorption, Distribution, Metabolismus und Exkretion können mittels spezieller Algorithmen aus Daten Hypothesen über Stoffeigenschaften generiert werden, die dann mit den tatsächlichen Eigenschaften verglichen und in einem fortlaufenden Prozess (z.B. mehrdimensional mittels artificial neural networks, ANN) angepasst werden (QSAR, Quantitative Structure-Activity Relationship). Auf diese Weise können oft brauchbare Aussagen über Eigenschaften von Substanzen aus Strukturähnlichkeiten abgeleitet werden (Dohnal 2005).

Fazit
Eine Verbesserung der Sicherheit von Nahrungsmitteln und die Einschätzung von Risiken ist ein hochkomplexes Problem, bei dem zunehmend aufwendige Methoden angewendet werden, z.B. Nutzung von ANNs und Durchführung von QSAR-Analysen. Die globale Gewährleistung ausreichender Mengen sauberen Trinkwassers und gesundheitlich unbedenklicher Nahrungsmittel ist eine der zentralen Herausforderungen dieses Jahrhunderts.


Literatur

 

MD, 23.10.2012



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