Barwniki karmelowe w świetle badań naukowych, ze szczególnym uwzględnieniem ich toksyczności

ARTYKUŁ PRZEGLĄDOWY

Barwniki karmelowe w świetle badań naukowych, ze szczególnym uwzględnieniem ich toksyczności

Marta Buczkowska 1 , Kamila Paciorek 2 , Anna Kapcińska 2 , Michał Górski 3

1. Zakład Toksykologii i Ochrony Zdrowia w Środowisku Pracy, Katedra Toksykologii i Uzależnień, Wydział Nauk o Zdrowiu w Bytomiu, Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach
2. Drugie Koło Naukowe przy Zakładzie Toksykologii i Ochrony Zdrowia w Środowisku Pracy, Katedra Toksykologii i Uzależnień
3. Szkoła Doktorska Śląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach, Wydział Nauk o Zdrowiu w Bytomiu Śląski Uniwersytet Medyczny

Opublikowany: 2021-04-23
DOI: 10.5604/01.3001.0014.8497
GICID: 01.3001.0014.8497
Dostępne wersje językowe: pl en
Wydanie: Postepy Hig Med Dosw 2021; 75 : 246-264

 

Abstrakt

Barwniki karmelowe to jedne z najbardziej rozpowszechnionych na świecie dodatków do żywności, które podzielono na cztery klasy (I–IV), oznaczone odpowiednio symbolami E150 a-d. Poszczególne klasy karmeli różnią się właściwościami fizyko-chemicznymi oraz sposobem otrzymywania, co wpływa na powstawanie różnych związków, istotnych dla oceny bezpieczeństwa żywności. Przeprowadzono wiele badań wszystkich klas karmeli, w tym badania toksykokinetyczne, genotoksyczne, rakotwórcze oraz badania toksyczności reprodukcyjnej i rozwojowej, które nie wykazały ich szkodliwości, w dawkach nieprzekraczających ADI. Rośnie jednak liczba doniesień naukowych o możliwym działaniu toksycznym, obecnych w karmelach związków niskocząsteczkowych. Obecnie za ważne z toksykologicznego punktu widzenia oraz ze względu na możliwe stężenie w produkcie końcowym, uznaje się trzy związki: 5-HMF (występujący we wszystkich klasach), 4(5)-MeI (obecny w karmelu klasy III i IV) czy THI (obecny w karmelu klasa III). 4(5)-MeI działa neurotoksycznie, a w 2011 r. został uznany za związek o możliwym działaniu rakotwórczym dla człowieka (klasa 2B, wg IARC). W przypadku THI badania potwierdziły jego aktywność limfopeniczną, prawdopodobnie wtórną do działania immunosupresyjnego. W latach 80. ub. w. JECFA ustalił dopuszczalne stężenia 4(5)-MeI oraz THI w odniesieniu do klas karmeli, w których związki te mogą występować. Toksyczność 5-HMF nie została jednoznacznie potwierdzona, ale przeprowadzone badania wskazują, że związek ten nie jest obojętny dla organizmów żywych. Obecnie większość organizacji międzynarodowych i instytutów naukowych, uznaje te dodatki za bezpieczne dla konsumentów, ale jednocześnie naukowcy podkreślają potrzebę prowadzenia dalszym badań. Celem pracy jest przegląd dostępnego piśmiennictwa i doniesień dotyczących karmeli ze szczególnym uwzględnieniem ich charakterystyki toksykologicznej.

Przypisy

  • 1. Bauer-Marinovic M., Taugner F., Florian S., Glatt H.:Toxicity studies with 5-hydroxymethylfurfural and itsmetabolite 5-sulphooxymethylfurfural in wild-type miceand trans-genic mice expressing human sulphotransferases1A1 and 1A2. Arch. Toxicol., 2012; 86: 701–711
    Google Scholar
  • 2. Celik R., Topaktas M.: Genotoxic effects of 4-methylimidazoleon human peripheral lympho-cytes in vitro. DrugChem. Toxicol., 2018; 41: 27–32
    Google Scholar
  • 3. Chan P.C., Hill G.D., Kissling G.E., Nyska A.: Toxicity andcarcinogenicity studies of 4-methylimidazole in F344/Nrats and B6C3F1 mice. Arch. Toxicol., 2008; 82: 45–53 4 Durling L.J., Busk L., Hellman B.E.: Evaluation of theDNA damaging effect of the heat-induced food toxicant5-hydroxymethylfurfural (HMF) in various cell lines withdifferent activities of sulfotransferases. Food Chem. Toxicol.,2009; 47: 880–884
    Google Scholar
  • 4. (5)-methylimidazole in caramel model systems:A role of sulphite. Food Chem., 2013; 136: 1165–1168
    Google Scholar
  • 5. Elsinghorst P.W., di Salvo M.L., Parroni A., ContestabileR.: Inhibition of human pyridoxal ki-nase by 2-acetyl-4-((1R,2S,3R)-1,2,3,4-tetrahydroxybutyl) imidazole (THI).J. Enzyme Inhib. Med. Chem., 2015; 30: 336–340
    Google Scholar
  • 6. Elsinghorst P.W., Raters M., Dingel A., Fischer J., MatissekR.: Synthesis and application of 13C-labeled 2-acetyl-4-((1R,2S,3R)-1,2,3,4-tetrahydroxybutyl) imidazole (THI),an immunosuppressant observed in caramel food colorings.J. Agric. Food Chem., 2013; 61: 7494–7499
    Google Scholar
  • 7. European Food Safety Authority (EFSA): Refined exposureassessment for caramel colours (E 150a, c, d). EFSA J.,2012; 10: 3030
    Google Scholar
  • 8. European Food Safety Authority (EFSA): Scientificopinion on the re-evaluation of caramel col-ours (E 150a,b,c,d) as food additives. EFSA J., 2011; 9: 2004 9 Fennell T.R., Watson S.L., Dhungana S., Snyder R.W.:Metabolism of 4-methylimidazole in Fischer 344 rats andB6C3F1 mice. Food Chem. Toxicol., 2019; 123: 181–194
    Google Scholar
  • 9. marca 2012 r. ustanawiające specyfikacje dla dodatkówdo żywności wymienionych w załącznikach II i III dorozporządzenia (WE) nr 1333/2008 Parlamentu Europejskiegoi Rady (Dz.U. L 83 z 22.3.2012, s. 1)
    Google Scholar
  • 10. Fierens T., Van Holderbeke M., Cornelis C., Jacobs G.,Sioen I., De Maeyer M., Vinkx C., Vanermen G.: Caramelcolour and process contaminants in foods and beverages:Part II – Occur-rence data and exposure assessment of2-acetyl-4-(1,2,3,4-tetrahydroxybutyl)-imidazole (THI)and 4-methylimidazole (4-MEI) in Belgium. Food Chem.,2018; 255: 372–379
    Google Scholar
  • 11. Folmer D.E., Doell D.L., Lee H.S., Noonan G.O., CarberryS.E.: A U.S. population dietary exposure assessment for4-methylimidazole (4-MEI) from foods containing caramelcolour and from formation of 4-MEI through the thermaltreatment of food. Food Addit. Contam. Part A Chem. Anal.Control. Expo. Risk Assess., 2018; 35: 1890–1910
    Google Scholar
  • 12. Gobin S.J., Phillips J.A.: Immunosuppressive effects of2‐acetyl‐4‐tetrahydroxybutyl imidazole (THI) in the rat.Clin. Exp. Immunol., 1991; 85: 335–340
    Google Scholar
  • 13. Graf F.: Preparation of 4-methylimidazoles. U.S. PatentNo. 4,377,696A. U.S. Patent and Trademark Office,1983
    Google Scholar
  • 14. Hellwig M., Henle T.: Baking, ageing, diabetes: A shorthistory of the Maillard reaction. An-gew. Chem. Int. Ed.,2014; 53: 10316–10329
    Google Scholar
  • 15. Hengel M., Shibamoto T.: Carcinogenic 4(5)-methylimidazolefound in beverages, sauces, and caramel colors:Chemical properties, analysis, and biological activities. J.Agric. Food Chem., 2013; 61: 780–789
    Google Scholar
  • 16. Houben G.F, Abma P.M., van den Berg H., van DokkumW., van Loveren H., Penninks A.H., Seinen W., Spanhaak S.,Vos J.G., Ockhuizen T.: Effects of the colour additive caramelcolour III on the immune system: A study with humanvolunteers. Food Chem. Toxicol., 1992; 30: 749–757
    Google Scholar
  • 17. Houben G.F., van den Berg H., Kuijpers M.H., LamB.W., van Loveren H., Seinen W., Pen-ninks A.H.: Effects ofthe color additive caramel color III and 2-acetyl-4 (5)-tetrahydroxybutylimidazole(THI) on the immune system ofrats. Toxicol. Appl. Pharmacol., 1992; 113: 43–54
    Google Scholar
  • 18. Houben G.F., van Dokkum W., van Loveren H., PenninksA.H., Seinen W., Spanhaak S., Ock-huizen T.: Effectsof caramel colour III on the number of blood lymphocytes:A human study on caramel colour III immunotoxicityand a comparison of the results with data from ratstudies. Food Chem. Toxicol., 1992; 30: 427–430
    Google Scholar
  • 19. IARC Working Group on the Evaluation of CarcinogenicRisks to Humans: 4-Methylimidazole. W: SomeChemicals Present in Industrial and Consumer Products,Food and Drinking-Water. Inter-national Agency forResearch on Cancer. Lyon 2013 447–459
    Google Scholar
  • 20. Jang H.W., Jiang Y., Hengel M., Shibamoto T.: Formationof 4(5)-methylimidazole and its pre-cursors,α-dicarbonyl compounds, in Maillard model systems.J. Agric. Food Chem., 2013; 61: 6865–6872
    Google Scholar
  • 21. Jarosławski L., Zielonka R.: Karmel a kształtowaniebrązowej barwy żywności. Post. Nauki Technol. Przem.Rol.-Spoż., 2017; 72: 52–69
    Google Scholar
  • 22. JECFA (Joint FAO/WHO Expert Committee on FoodAdditives): Combined compendium of food additivespecifications. Caramel Colour. Monograph 11, 2011.http://www.fao.org/fileadmin/user_upload/jecfa_additives/docs/monograph11/additive-102-m11.pdf(02.05.2020)
    Google Scholar
  • 23. Jellum E., Børresen H.C., Eldjarn L.: The presence offuran derivatives in patients receiving fructose-containingsolutions intravenously. Clin. Chim. Acta, 1973; 47:191–201
    Google Scholar
  • 24. Karim F., Smith, J.S.: Formation of 4 (5)‐Methylimidazolein aqueous D‐glucose‐amino acids model system.J. Food Sci., 2016; 81: T268–T274
    Google Scholar
  • 25. Kim T.R., Kim S.U., Shin Y., Kim J.Y., Lee S.M., Kim J.H.:Determination of 4-methylimidazole and 2-acetyl-4()-tetrahydroxybutylimidazolein caramel color and processedfoods by LC-MS/MS. Prev. Nutr. Food Sci., 2013; 18: 263–268
    Google Scholar
  • 26. Kitts D.D., Wu C.H., Kopec A., Nagasawa T.: Chemistryand genotoxicity of caramelized su-crose. Mol. Nutr. Food.Res., 2006; 50: 1180–1190
    Google Scholar
  • 27. Kowalski S, Lukasiewicz M, Duda-Chodak A, ZięćG.: 5-Hydroxymethyl-2-furfural (HMF) – heat-inducedformation, occurrence in food and biotransformation– a review. Pol. J. Food Nutr. Sci., 2013; 63: 207–225
    Google Scholar
  • 28. Kroh L.W.: Caramelisation in food and beverages.Food Chem., 1994; 51: 373–379
    Google Scholar
  • 29. Lee C.H., Chen K.T., Lin J.A., Chen Y.T., Chen Y.A., WuJ.T., Hsieh C.W.: Recent advances in processing technologyto reduce 5-hydroxymethylfurfural in foods. Trends FoodSci. Technol., 2019; 93: 271–280
    Google Scholar
  • 30. Lee K.G., Jang H., Shibamoto T.: Formation of carcinogenic
    Google Scholar
  • 31. Lee Y.C., Shlyankevich M., Jeong H.K., Douglas J.S.,Surh Y.J.: Bioactivation of 5-hydroxymethyl-2-furaldehydeto an electrophilic and mutagenic allylic sulfuricacid ester. Biochem. Biophys. Res. Commun., 1995; 209:996–1002
    Google Scholar
  • 32. Lojková L., Klejdus B., Moravcová J., Kubáň V.: Supercriticalfluid extraction (SFE) of 4(5)-methylimidazole(4-MeI) and 2-acetyl-4(5)-(1,2,3,4)-tetrahydroxybutyl-imidazole(THI) from ground-coffee with high-performanceliquid chromatographic-electrospray mass spectrometricquan-tification (HPLC/ESI-MS). Food Addit. Contam.,2006; 23: 963–973
    Google Scholar
  • 33. MacKenzie K.M., Boysen B.G., Field W.E., Petsel S.R.,Chappel C.I., Emerson J.L., Stanley J.: Toxicity studies ofcaramel colour III and 2-acetyl-4(5)-tetrahydroxybutylimidazolein F344 rats. Food Chem. Toxicol., 1992; 30: 417–425
    Google Scholar
  • 34. Mateo-Fernández M., Alves-Martínez P., Del Río-Celestino M., Font R., Merinas-Amo T., Alonso-MoragaÁ.: Food safety and nutraceutical potential of caramelcolour class IV using in vivo and in vitro assays. Foods,2019; 8: 392
    Google Scholar
  • 35. Monien B.H., Frank H., Seidel A., Glatt H.: Conversionof the common food constituent 5-hydroxymethylfurfuralinto a mutagenic and carcinogenic sulfuric acidester in the mouse in vivo. Chem. Res. Toxicol., 2009; 22:1123–1128
    Google Scholar
  • 36. Moon J.K., Shibamoto T.: Formation of carcinogenic4(5)-methylimidazole in Maillard reaction systems. J.Agric. Food Chem., 2011; 59: 615–618
    Google Scholar
  • 37. Morita T., Uneyama C.: Genotoxicity assessment of4-methylimidazole: Regulatory perspec-tives. Genes Environ.,2016; 38: 20
    Google Scholar
  • 38. Murkovic M., Pichler N.: Analysis of 5-hydroxymethylfurfualin coffee, dried fruits and urine. Mol. Nutr. FoodRes., 2006; 50: 842–846
    Google Scholar
  • 39. National Toxicology Program, US Department ofHealth and Human Services, Public Health Service,National Institutes of Health: NTP technical report on thetoxicity studies of 2- and 4-Methylimidazole (CAS No. 693-98-1 and 822-36-6) administered in feed to F344/N ratsand B6C3F1 mice. Toxic. Rep. Ser., 2004; 67: 1–G12
    Google Scholar
  • 40. National Toxicology Program: NTP toxicology andcarcinogenesis studies of 5-(Hydroxymethyl)-2-furfural(CAS No. 67-47-0) in F344/N rats and B6C3F1 mice (gavagestudies). Natl. Toxicol. Program Tech. Rep. Ser., 2010; 554:7–13, 15–19, 21–31
    Google Scholar
  • 41. National Toxicology Program: Toxicology and carcinogenesisstudies of 4-methylimidazole (Cas No. 822-36-6) in F344/N rats and B6C3F1 mice (feed studies). Natl.Toxicol. Program Tech. Rep. Ser., 2007; 535: 1–274
    Google Scholar
  • 42. Norizadeh Tazehkand M., Topaktas M., Yilmaz M.B.:Assessment of chromosomal aberration in the bone marrowcells of Swiss Albino mice treated by 4-methylimidazole.Drug Chem. Toxicol., 2016; 39: 307–311
    Google Scholar
  • 43. Ohtoyo M., Machinaga N., Inoue R., Hagihara K., YuitaH., Tamura M., Hashimoto R., Chiba J., Muro F., WatanabeJ., Kobayashi Y., Abe K., Kita Y., Nagasaki M., ShimozatoT.: Component of caramel food coloring, THI, causes lymphopeniaindirectly via a key metabolic intermediate. CellChem. Biol., 2016; 23: 555–560
    Google Scholar
  • 44. Ohtoyo M., Tamura M., Machinaga N., Muro F., HashimotoR.: Sphingosine 1-phosphate lyase inhibition by2-acetyl-4-(tetrahydroxybutyl) imidazole (THI) underconditions of vitamin B6 defi-ciency. Mol. Cell. Biochem.,2015; 400: 125–133
    Google Scholar
  • 45. Rekha B., Velmurugan G., Freddy A.J., Anusha S., RamprasathT., Karthik K.V., Suresh S., Kulshrestha P., MithieuxG., Lyon A.R., Selvam G.S., Ramasamy S.: Chronicintake of 4-methylimidazole induces hyperinsulinemiaand hypoglycaemia via pancreatic beta cell hyperplasiaand glucose dyshomeostasis. Sci. Rep., 2018; 8: 17037
    Google Scholar
  • 46. Reproductive and Cancer Hazard Assessment BranchOffice of Environmental Health Hazard Assessment(OEHHA), California Environmental Protection Agency:No significant risk level (NSRL) for the proposition 65 carcinogen4-methylimidazole. 2011 https://oehha.ca.gov/media/downloads/crnr/010711nsrlrisk4ei.pdf
    Google Scholar
  • 47. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 231/2012 z dnia
    Google Scholar
  • 48. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady(WE) nr 1333/2008 z dnia 16 grudnia 2008 r. w sprawiedodatków do żywności (Dz.U. L 354 z 31.12.2008, s. 16)
    Google Scholar
  • 49. Schwab S.R., Pereira J.P., Matloubian M., Xu Y., HuangY., Cyster J.G.: Lymphocyte seques-tration through S1Plyase inhibition and disruption of S1P gradients. Science,2005; 309: 1735–1739
    Google Scholar
  • 50. Selim S., Chappel C.I., Schoenig G.P.: Absorption, distributionand excretion of the colour fraction of caramelcolour IV in the rat. Food Chem. Toxicol., 1992; 30: 445–451
    Google Scholar
  • 51. Sengar G., Sharma H.K.: Food caramels: A review.J. Food Sci. Technol., 2014; 51: 1686–1696
    Google Scholar
  • 52. Sivertsen T., Nygaard A.K., Mathisen G., FonnumF.: Effects of 4-methylimidazole on cerebral glutamatedecarboxylase activity and specific GABA receptor bindingin mice. Toxicol. Mech. Methods, 2009; 19: 214–218
    Google Scholar
  • 53. Spector R., Huntoon S.: Effects of caramel color(ammonia process) on mammalian vitamin B6 metabolism.Toxicol. Appl. Pharmacol., 1982; 62: 172–178
    Google Scholar
  • 54. Suiko M., Kurogi K., Hashiguchi T., Sakakibara Y., LiuM.C.: Updated perspectives on the cytosolic sulfotransferases(SULTs) and SULT-mediated sulfation. Biosci. Biotechnol.Biochem., 2017; 81: 63–72
    Google Scholar
  • 55. Surh Y.J., Liem A., Miller J.A., Tannenbaum S.R.: 5-Sulfooxy-methylfurfural as a possible ul-timate mutagenicand carcinogenic metabolite of the Maillard reactionproduct, 5-hydroxy-methylfurfural. Carcinogenesis, 1994;15: 2375–2377
    Google Scholar
  • 56. Surh Y.J., Tannenbaum S.R.: Activation of the Maillardreaction product 5-(hydroxymethyl)furfural to strongmutagens via allylic sulfonation and chlorination. Chem.Res. Toxicol., 1994; 7: 313–318
    Google Scholar
  • 57. Taş N.G., Gökmen V.: Maillard reaction and caramelizationduring hazelnut roasting: A multi-response kineticstudy. Food Chem., 2017; 221: 1911–1922
    Google Scholar
  • 58. Teixidó E., Núñez O., Santos F.J., Galceran M.T.:5-Hydroxymethylfurfural content in food-stuffs determinedby micellar electrokinetic chromatography. FoodChem., 2011; 126: 1902–1908
    Google Scholar
  • 59. Villamiel M., del Castillo M.D., Corzo N.: BrowningReactions. W: Food Biochemistry and Food Processing,red.: Y.H. Hui. Blackwell Publishing, Ames 2006, 71–100
    Google Scholar
  • 60. Vollmuth T.A.: Caramel color safety – An update. FoodChem. Toxicol., 2018; 111: 578–596
    Google Scholar
  • 61. Wang L., Ren B., Liu Y., Lu Y., Chang F., Yang L.: 2-acetyl-4-tetrahydroxybutylimidazole and 4-methylimidazole incaramel colours, vinegar, and beverages in China. FoodAddit. Contam. Part B Surveill., 2015; 8: 163–168
    Google Scholar
  • 62. Yamaguchi H., Masuda T.: Determination of4(5)-methylimidazole in soy sauce and other foods byLC-MS/MS after solid-phase extraction. J. Agric. FoodChem., 2011; 59: 9770–9775
    Google Scholar
  • 63. Yu P., Xu X.B., Yu S.J.: Comparative study of the effectof glucosamine and free ammonium on 4-methylimidazoleformation. J. Agric. Food Chem., 2015; 63: 8031–8036
    Google Scholar
  • 64. Zhou Z, Hu X, Hong X, Zheng J, Liu X, Gong D, ZhangG.: Interaction characterization of 5-hydroxymethyl-2-furaldehyde with human serum albumin: Bindingcharacteristics, conformational change and mechanism.J. Mol. Liq., 2020; 297: 111835
    Google Scholar

Pełna treść artykułu

Przejdź do treści