Acrylamide formation and fate: influence of oxidized lipids, amino compounds, and mercaptans
- Autores: Rosa María Delgado Sánchez
- Directores de la Tesis: Rosario Zamora Corchero (dir. tes.), Francisco Javier Hidalgo García (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2011
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Carmen Ortiz Mellet (presid.), Vincenzo Fogliano (secret.), Tomas Davidek (voc.), María del Carmen Dobarganes García (voc.), María Teresa Morales Millán (voc.)
- Materias:
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- Resumen
La acrilamida (2-propenamida) es una amida usada de forma generalizada para sintetizar poliacrilamida. Este polímero tiene numerosas aplicaciones: acondicionador de suelos, en tratamientos de aguas residuales, en cosmética, papel, industrias textiles, en el laboratorio como soporte sólido para la separación de proteínas por electroforesis, etc. La acrilamida monomérica también se usa ampliamente en investigación como agente alquilante para la modificación selectiva de los grupos SH de las proteínas y para estudios de fluorescencia de residuos de triptófano en proteínas.
Dada la generalidad de su uso, la exposición a acrilamida es un factor de riesgo que ha sido objeto de numerosos estudios. En este sentido, la exposición a acrilamida se ha relacionado con su capacidad de producir neurotoxicidad, genotoxicidad, carcinogenicidad, etc. En 1994, la acrilamida fue clasificada por la IARC (International Agency for Research on Cancer) en el Grupo 2A como probable cancerígeno en humanos. No obstante, a partir del descubrimiento de la formación de acrilamida en alimentos, se ha iniciado un importante esfuerzo investigador a escala mundial con el objetivo de entender su formación y, en lo posible, mitigar su presencia.
Hoy en día existe un amplio consenso de que la reacción de Maillard es una de las rutas principales de formación de acrilamida en alimentos. La reacción ocurre por degradación de asparagina en presencia de azúcares como consecuencia de reacciones aminocarbonilo. No obstante, estudios recientes han mostrado que otros compuestos carbonílicos, en particular los compuestos carbonílicos producidos como consecuencia de la oxidación lipídica, también son capaces de convertir asparagina en acrilamida. Sin embargo, estos estudios preliminares ni han profundizado en el mecanismo de la reacción ni en el papel de estos compuestos carbonílicos en las distintas reacciones que contribuyen a la formación y eliminación de la acrilamida en alimentos.
El objetivo general de esta Tesis ha sido analizar el papel que los lípidos oxidados, los amino compuestos y los mercaptanos tienen en las rutas de formación y eliminación de la acrilamida con el fin último de entender los diversos mecanismos implicados que son responsables de la presencia de este tóxico en alimentos procesados térmicamente.
Los distintos estudios llevados a cabo se han encaminado en tres direcciones. Por una parte se ha identificado el mecanismo por el que los lípidos oxidados, tomando como modelo el 2,4-decadienal, son capaces de convertir asparagina en acrilamida. Por otra parte se han caracterizado los mecanismos por los que amino compuestos y mercaptanos son capaces de adicionarse a acrilamida, produciendo su desaparición. Finalmente, se han analizado las distintas reacciones que tienen lugar como consecuencia de la adición de nucleófilos a alimentos con objeto de mitigar la formación de acrilamida.
La conversión de asparagina en acrilamida por lípidos oxidados tiene lugar en dos etapas principales. La primera es la descarboxilación del aminoácido y la segunda es la conversión de la 3-aminopropionamida formada en acrilamida. Los rendimientos de la reacción dependen tanto de las condiciones de reacción como de la estructura del lípido oxidado, y la energía de activación de la reacción es considerablemente alta.
La descarboxilación de la asparagina ocurre sólo en presencia de compuestos carbonílicos que son capaces de formar una imina con el grupo alfa amino del aminoácido. Esta imina es entonces descarboxilada para formar un iluro tras la pérdida de dióxido de carbono a partir de una 5-oxazolidinona intermedia. Finalmente el iluro se convierte en una imina conjugada formada entre la 3-aminopropionamida y el compuesto carbonílico. Este mecanismo fue confirmado con experimentos de deuteración. La energía de activación de la descarboxilación de la asparagina producida por el 2,4-decadienal fue de 81 kJ/mol.
Aunque la 3-aminopropionamida formada puede ser convertida en acrilamida en ausencia de lípidos, la energía de activación de la reacción es muy elevada. En presencia de 2,4-decadienal, la energía de activación de la reacción baja porque se produce un cambio en el mecanismo de la eliminación producida. Así, en ausencia de lípidos, la desaminación se produce a través de la conversión de la amina en una sal de amonio cuaternario seguida de una eliminación de Hofmann. En presencia del lípido, la amina se transforma en un ion imonio que es el intermedio en la formación de la acrilamida. Esta reacción es favorecida por la aromatización del lípido, que produce 2-pentilpiridina. La detección de este último compuesto en la mezcla de reacción y la similaridad de las energías de activación de esta reacción y de la eliminación de 3-(alquilamino)propionamidas confirmó el mecanismo propuesto.
Al comparar las dos etapas de descarboxilación y eliminación se observa que ambas requieren condiciones de reacción diferentes y también tienen energías de activación diferentes. Por tanto, las condiciones requeridas para la conversión de asparagina en acrilamida son en cierto sentido intermedias entre las condiciones requeridas para una y otra etapa. No obstante, la etapa de descarboxilación parece ser el paso clave en la conversión de asparagina en acrilamida en presencia de 2,4-decadienal.
Una vez formada, la acrilamida no es un compuesto estable y reacciona con facilidad con compuestos nucleofílicos. No obstante, las reacciones son más complejas de lo inicialmente supuesto. Así, la acrilamida sufre la adición de amino compuestos para dar lugar al correspondiente aducto de Michael. Esta es una reacción reversible y el aducto de Michael es capaz de producir de nuevo acrilamida. No obstante, aunque la reacción es reversible, la energía de activación de la formación del aducto es menor que la de su eliminación para producir acrilamida (44 kJ/mol vs. 52 kJ/mol en la reacción entre acrilamida y butilamina). Por esta razón, el equilibrio está desplazado hacia la formación del aducto de Michael. Sin embargo, si el aducto está presente, la acrilamida no será determinada pero será producida de nuevo por un simple calentamiento.
Los mercaptanos también se adicionan rápidamente a la acrilamida para producir los correspondientes aductos. A diferencia de lo observado con los amino compuestos, esta reacción no es reversible en las condiciones ensayadas y su energía de activación es muy reducida. En presencia de oxígeno se produce un mecanismo alternativo: los mercaptanos se convierten rápidamente en radicales que polimerizan e inducen la polimerización de la acrilamida. Esta última reacción es inhibida en presencia de antioxidantes, lo que sugiere que los antioxidantes pueden proteger a la acrilamida de su destrucción y aumentar de esa forma su concentración. Este efecto puede, de alguna manera, contrarrestar la capacidad reductora de acrilamida sugerida para los antioxidantes como consecuencia de su habilidad de inhibir la formación de compuestos carbonílicos en alimentos.
Cuando los grupos amino y sulfhidrilo de amino compuestos y mercaptanos, respectivamente, están simultáneamente presentes en la misma molécula, la energía de activación de la reacción de eliminación de la acrilamida baja. Más aún, la energía de activación es más pequeña cuanto más cercanos están ambos grupos en la molécula. Esta energía de activación es la que va a determinar la capacidad de eliminar acrilamida por distintos nucleófilos, existiendo una correlación entre la energía de activación y la desaparición de la acrilamida.
Cuando los nucleófilos se añaden a mezclas de asparagina y compuestos carbonílicos (carbohidratos o productos de la oxidación lipídica), se producen otras reacciones además de la adición de los compuestos nucleofílicos a la acrilamida formada. En esta Tesis se ha estudiado la adición de dos tipos de compuestos nucleofílicos: derivados de lípidos y derivados de aminoácidos.
La capacidad mitigadora de los aminofosfolípidos se debe tanto a la habilidad de su grupo amino de reaccionar con los compuestos carbonílicos como a su capacidad de adicionarse al doble enlace carbono carbono de la acrilamida. De hecho, la fosfatidiletanolamina tiene un comportamiento muy similar a la del aminoácido glicina. Además, las lecitinas comerciales de soja y huevo han mostrado capacidad de reducir la formación de acrilamida en sistemas modelo.
Cuando se añaden aminoácidos a las mezclas de asparagina con compuestos carbonílicos la reacción se complica porque se forman nuevos compuestos carbonílicos por reacciones aminocarbonilo. Entre ellos, los aldehídos de Strecker y los alfa-cetoácidos son capaces de convertir asparagina en acrilamida en sistemas modelo. Los rendimientos de esta reacción pueden ser mayores o menores que los rendimientos de la reacción entre asparagina y carbohidratos (o lípidos oxidados). Por esta razón, la adición de aminoácidos a mezclas de asparagina y carbohidratos (o lípidos oxidados) puede aumentar, en algunos casos, la formación de acrilamida.
Además de la presencia de nucleófilos, los compuestos carbonílicos presentes tienen un papel muy importante en la cantidad de acrilamida formada no sólo porque son capaces de degradar la asparagina sino porque son inhibidores de las reacciones de adición de los nucleófilos a la acrilamida formada.
Los resultados obtenidos en esta Tesis demuestran que la cantidad de acrilamida determinada en un alimento es el resultado de diversas reacciones de formación y eliminación que han sido caracterizadas y en las que la presencia de compuestos carbonílicos y nucleófilos tienen un papel muy importante. Por tanto, la acrilamida determinada en cada alimento será función de la presencia de estos compuestos en el mismo y del tipo de tratamiento térmico al que tenga que ser sometido durante su procesado.
