Toksikan yang Terbentuk karena Pengolahan Pangan
advertisement
Modul 7 Toksikan yang Terbentuk karena Pengolahan Pangan E Prangdimurti, FR Zakaria dan NS Palupi Tujuan Instruksional Khusus Setelah menyelesaikan topik 7 ini, mahasiswa diharapkan mampu menjelaskan, menghubungkan, dan menganalisis faktor-faktor dalam pengoahan pangan yang dapat berpengaruh negatif terhadap kesehatan Pendahuluan Proses pengolahan pangan dapat meningkatkan nilai gizi bahan pangan, namun di lain pihak dapat menyebabkan terbentuknya komponen-komponen yang bersifat toksik bagi tubuh. Pada modul ini hanya membahas mengenai pengaruh negatif atau komponen toksik yang timbul akibat pengolahan pangan dan dampaknya bagi kesehatan. Tidak semua komponen toksik dibahas dalam modul ini. Komponen toksik yang dibahas yaitu heterosiklik amin (HA), polisiklik aromatik amin (PAH) dan akrilamid (ACA) yang terbentuk karena adanya pemanasan dengan suhu yang tinggi, seperti dibakar, dipanggang atau digoreng. Komponen toksik yang lain yaitu N-nitroso compound (NNC) yang dapat terbentuk karena fermentasi, dan komponen toksik yang berasal dari kontaminan dalam rantai pangan seperti MCPD (monochloro dipropanediol) dan dioksin. A. Heterosiklik Amines (HAs) Heterosiklik Amines (HAs) atau disebut juga Heterosiklik Aromatik Amin (HAAs) umumnya terdapat pada pangan berprotein tinggi (daging, ikan) yang terkena pemanasan yang tinggi. Kondensat asap yang diperoleh dari ikan yang dibakar memperlihatkan mutagenisitas pada sistem model pengujian Salmonella typhimurium TA9. Dengan model pengujian yang sama, bagian yang gosong dari daging dan ikan menunjukkan aktivitas mutagenisitas yang lebih tinggi. Mutagenisitas berbagai daging kaleng dan seafood beberapa kali lebih besar daripada bahan mentahnya. Komposisi bahan dan perlakuan yang diberikan memberi variasi yang besar dalam hal mutagenisitas. Ada 20 macam HAs yang mutagen dan/atau karsinogen yang diisolasi dari berbagai pangan yang diproses dengan panas. Komponen yang bersifat mutagenik ditemukan baik pada makanan matang maupun hasil pirolisis protein atau asam amino. Komponen ini dimetabolisasi oleh sitokorom P450 yang mengubah grup amino menjadi hidroksiamino, kemudian setelah esterifikasi menghasilkan senyawa yang dapat berikatan dengan DNA. Pada suhu 150 – 200oC kecepatan reaksi pembentukan HAs jauh meningkat, namun pada suhu relatif rendah 37-60oC HAs terbentuk setelah beberapa minggu. Akan tetapi dalam sistem model (buatan) semakin lama pemanasan terjadi Modul e-learning ENBP topik 7 Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan IPB 2007 1 penurunan kadar HAs karena terdekomposisi. Keberadaan lipid dan logam Fe dapat mempercepat pembentukan HAs, begitu pula kondisi Aw rendah. HAs dibagi menjadi 2 kelompok, yaitu : 1. Kelompok amino-carbolines merupakan hasil pirolisis protein atau beberapa asam amino. ditemukan pada produk-produk daging dan ikan yang dipanggang, dibakar dan digoreng, atau proses pemanasan suhu tinggi >300oC. Pada suhu >300oC, produk-produk pirolisis asam amino/protein lebih dominan dibandingkan turunan quinoline juga ditemukan pada glutamate, lisin, fenilalanin, triptofan, ornitin dan kreatin yang mengalami pirolisis. Produk pirolisis protein, antara lain: AαC, MeAαC, Harman Produk pirolisis asam amino, antara lain: Trp-P-1, Trp-P-2, Glu-P-1, Glu-P-2, Phe-P-1, Orn-P-1 Beberapa carbolines terbukti memiliki aktivitas mutagenik, tetapi umumnya karsinogen lemah. Gambar 7.1. Beberapa senyawa amin heterosiklik 2. Kelompok turunan quinolines, quinoxalines dan pyridines Amin heterosiklik ini ditemukan pada daging dan ikan matang, daging panggang oven dan daging goreng. Terbentuk pada suhu yang lebih rendah (150-200oC). Dibagi menjadi 2 golongan yaitu tipe IQ dan tipe non-IQ. IQ kependekan dari 2-amino-3-methylimidazo[4,5-f]quinoline. Modul e-learning ENBP topik 7 Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan IPB 2007 2 Struktur umum tipe IQ memiliki gugus 2-aminoimidazole dan dihasilkan dari pemanasan antara kreatin, asam amino, dan gula, sehingga dapat dihasilkan dari reaksi antara produk Maillard dengan kreatin. Sedangkan struktur umum tipe non-IQ mengandung gugus 2-aminopiridin, dan dihasilkan dari pemanasan asam amino seperti L-triptofan dan L-asam glutamate. Dalam daging dan ikan yang telah dimasak umumnya ditemukan senyawasenyawa amin heterosiklik seperti amino imidazoquinolines (IQ), amino imidazoquinoxalines (IQx), dan amino imidazopyridines (PhIP). Contoh tipe IQ: IQ, MeIQ, sedangkan tipe non IQ: PhIP, DMIP, TMIP PhIP dan MeIQx adalah yang paling banyak ditemukan dalam makanan, keduanya dipakai sebagai model untuk food carcinogenesis Terlalu sering mengkonsumsi daging yang dimasak hingga matang sekali berpotensi terkena kanker Mutagenik sangat kuat, beberapa karsinogenik pada tikus, dan genotoxic Meski bersifat genotoksik kuat, efek buruknya dapat mudah dihilangkan oleh bahan-bahan alami seperti bawang (onion), kol putih, bakteria asam laktat. Klorofilin, suatu turunan klorofil yang larut air, terbukti dapat mengikat keberadaan beberapa amin heterosiklik dalam saluran pencernaan sehingga tidak terserap ke dalam tubuh. B. Polycyclic Aromatic Hidrocarbons (PAHs) PAHs merupakan komponen kimia yang terdiri dari cincin-cincin aromatik yang saling bergabung, tidak mengandung heteroatom atau substituen. PAHs merupakan polutan organik yang paling tersebar luas. Dihasilkan terutama karena pembakaran tidak sempurna dari bahan bakar berkarbon seperti kayu, batubara, diesel, lemak atau tembakau. PAHs juga banyak terdapat pada pangan yang diasap (smoked foods). Beberapa PAHs diketahui bersifat karsinogen, dan menyebabkan beberapa masalah kesehatan. Menurut International Union on Pure and Applied Chemistry (IUPAC), PAHs yang paling sederhana adalah phenanthrene dan anthracene. • Molekul yang lebih kecil, seperti benzene naphthalene, secara formal bukan PAH karena hanya punya 1 dan 2 cincin aromatik. • PAH dengan 3 cincin atau lebih memiliki kelarutan dalam air yang rendah dan tekanan uap yang rendah. Semakin tinggi BM, kelarutan dalam air dan tekanan uapnya menurun. Kebanyakan PAHs bersifat lipofilik • PAH dengan 2 cincin lebih larut dalam air dan lebih volatil. Oleh karena sifatsifatnya yang berbeda, PAHs ditemukan di tanah, air dan udara. PAHs juga dapat ditemukan sebagai partikel yang tersuspensi dalam air dan udara. • PAHs yang paling banyak adalah terdiri dari 5-6 cincin. PAHs yang terbentuk hanya dari 6 cincin disebut alternant PAHs. Alternant PAHs tertentu disebut “benzenoid” PAHs. • “Small” PAHs mengandung hingga 6 cincin aromatik, “Large” PAHs memiliki lebih dari 6 cincin aromatic. Toksisitas PAHs sangat tergantung pada strukturnya; isomerisasi dapat mengubahnya menjadi non toksik atau sangat toksik. Jadi, PAHs yang sangat karsinogenik bisa berukuran kecil atau besar. Benzo[a]pyrene merupakan karsinogen kimiawi yang pertama kali ditemukan, dan merupakan salah satu Modul e-learning ENBP topik 7 Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan IPB 2007 3 karsinogen yang terdapat dalam asap rokok. Ada 7 komponen PAH yang dianggap karsinogen pada manusia yaitu benz[a]anthracene, benzo[a]pyrene, benzo[b]fluoranthene, benzo[k]fluoranthene, chrysene, dibenz[a,h]anthracene, and indeno[1,2,3-cd]pyrene. PAH yang paling banyak terdapat dalam makanan adalah BaP (benzo(a)pyrene) dan BaA (benzo(a)antracene). BaP merupakan PAH yang karsinogen pada manusia. Untuk menganalisis keberadaan PAHs, sebagai biomarker pada manusia adalah urinary 1-hydroxypyrene. PAHs memiliki spektrum absorbansi UV yang sangat khas, sehingga berguna untuk identifikasi. Kebanyakan PAHs juga berfluoresens. PAH dalam daging asap : PAH yang diisolasi dari produk asap sebagian besar ber-BM < 216 Regulasi Jerman : kandungan BaP dalam daging asap tidak boleh > 1 ng/g Kisaran konsentrasi BaP dalam ham, bacon, frankfruters : 0,4 s/d 56,5 ng/g PAH dalam produk ikan : Seafood segar (tidak diasap) mengandung sejumlah kecil PAH yang berasal dari air laut yang tercemar Ikan lebih cepat mengeksresi PAH daripada moluska (kerang). Kerang dari perairan yang terkena polusi minyak dapat mengandung PAH 215 ng/g Ikan asap mengandung PAH lebih banyak daripada ikan segar. Selama penyimpanan BaP dalam produk dapat menurun karena terdegradasi Gambar 7.2. Berbagai bentuk PAHs C. N-Nitroso Compounds (NNCs) Yang termasuk NNCs yaitu senyawa-senyawa N-nitrosamines dan Nnitrosamides. Prekursor pembentukan NNCs adalah nitrit atau nitrogen oksida, dan amin sekunder atau N-alkilamida. Nitrit bereaksi dengan amina atau amida untuk Modul e-learning ENBP topik 7 Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan IPB 2007 4 membentuk senyawa N-nitrosamina dan N-nitrosamida di dalam lambung atau kondisi asam. Nitrat dalam sayuran dapat direduksi menjadi nitrit oleh bakteri di mulut. Sedangkan nitrit umumnya ditambahkan sebagai bahan tambahan pangan pada daging yang diawetkan (di-curing), seperti sosis, corned. Pangan biasanya mengandung 10 ng/g, sedangkan daging/ikan yang di-curing dan diasap mengandung ratusan ng/g. Nitrit dapat dengan mudah terdekomposisi dalam lingkungan asam membentuk nitrosating agents yang sangat reaktif, yaitu NO+ , N2O3 dan HNO2O3+. Nitrosating agen ini akan bereaksi dengan senyawa amina dan amida yang terdapat dalam pangan membentuk NNCs, yaitu : - N-nitroso-dimetilamin (paling karsinogenik) - N-nitroso-dietilamin - N-nitroso-pirolidine - N-nitroso-piperidine Nitrosating agents (species) dapat diikat oleh asam askorbat. Selain berasal dari makanan, nitrosamines juga terdapat dalam asap rokok. Pada produk yang diasap, terdapat bentuk nitrosamina lain yaitu N-nitrosotiazolidin yang merupakan hasil reaksi antara aldehid (dari asap), amin dalam bahan pangan dan nitrit. Ada sekitar 300-an NNCs yang sudah diuji, dan 90%nya bersifat karsinogenik. Proses mutagenesis dikarenakan N-nitrosamin dimetabolisme oleh Sit-P450 menjadi intermediet yg tidak stabil dan dapat terdekomposisi spontan menjadi senyawa pengalkilasi DNA (elektrofil) sehingga terbentuk o-metil-deoxy guanosin (oMe-dG) yang dapat berakibat mutasi (Gambar 7.3) Gambar 7.3. Mutagenesis yang diakibatkan oleh senyawa N-nitroso (NNC) Modul e-learning ENBP topik 7 Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan IPB 2007 5 Ada 6 grup pangan yang mengandung NNCs: 1. Daging yang di-curing (sosis, corned) 2. Ikan dan daging yang diasap 3. Produk pangan yang sewaktu dikeringkan terekspos oleh NO hasil pembapembakaran, contoh : malt yang digunakan untuk produksi bir dan wiski 4. Pikel, terutama pikel sayuran dimana mikroba yang terlibat dapat mereduksi nitrat (V) menjadi nitrat (III) 5. Pangan yang disimpan dalam kondisi yang disukai oleh kapang penghasil Nitrosamin 6. Produk yang terkontaminasi NNCs yang terbentuk karena adanya kontak antara pangan dengan wadahnya (contoh : karet dari botol susu) D. Akrilamid (ACA) Pada tahun 2000-2002 peneliti Swedia menemukan adanya senyawa ACA pada produk pangan dan feses manusia. ACA terutama terdapat dalam makanan berpati yang diproses dengan panas (produk gorengan, grilled dan dibakar). ACA terbentuk terutama pada suhu antara 120-140oC, dan terdegradasi di atas suhu 200oC. Kadarnya tinggi dalam kentang goreng, irisan kentang (potato chips), roti dan sereal sarapan, serta minuman kopi. Makanan kaya karbohidrat yang digoreng atau dibakar seperti sereal dan kentang goreng mengandung ratusan microgram per kilogram makanan. Diperkirakan asupannya pada manusia dewasa berkisar 0.3 – 0.8 μg/kg BB/hari. Asupannya pada anak-anak kemungkinan 2-3 kali lebih besar dibandingkan orang dewasa jika berdasarkan pada berat badan. ACA juga dapat berasal dari senyawa-senyawa precursor seperti akrolein dan asam akrilat. Akrolein secara structural mirip dengan akrilamid. Akrolein terbentuk dalam minyak selama proses penggorengan. Dapat juga berasal dari degradasi termal pati, gula, protein, dan asam amino. Oleh karena itu akrolein banyak ditemukan pada produk gorengan. Akrolein dengan adanya penambahan atom oksigen berubah menjadi asam akrilat. Adanya substitusi gugus NH3 terhadap asam akrilat mengakibatkan pembentukan akrilamid. Akrolein Æ Asam akrilat Æ Akrilamid Pembentukannya bertahap, diawali oleh reaksi Maillard antara asparagin dan gula pereduksi, disertai panas tinggi (missal penggorengan). Asparagin, asam amino bebas utama dalam sereal dan kentang, adalah komponen penting (krusial) dalam produksi akrilamid melalui mekanisme degradasi Strecker reaksi Maillard. Selain asparagin, asam amino glutamine juga dapat mengakibatkan pembentukan ACA meskipun kekuatannya jauh lebih rendah. Konsentrasi ACA dalam kentang goreng dan panggang meningkat dengan meningkatnya kadar fruktosa dan glukosa produk, sehingga direkomendasikan kadar gula pereduksi < 1 g/kg untuk produk-produk pangan tersebut. Perendaman potongan kentang ke dalam larutan asidulan asam sitrat 1% dan 2% selama 1 jam sebelum penggorengan dapat menghambat pembentukan akrilamid sebesar 73% dan 80% pada kentang goreng. ACA digolongkan sebagai “Probable human carcinogen” oleh International Agency for Research on Cancer (IARC) tahun 1994, dan terbukti karsinogen pada hewan rodensia. Telah lama diketahui bahwa pemberian akrilamid pada hewan percobaan menghasilkan pembentukan tumor pada berbagai organ (antara lain paruparu, kulit, tiroid, kelenjar mammary, uterus, clitory gland). Glycidamide merupakan turunan epoksi dari akrilamid dan metabolit primer akrilamid. Uji mutagenisitas menggunakan gen beberapa galur bakteri tidak selalu memberi hasil yang konsisten, sedangkan glicidamid konsisten menunjukkan mutagenesis. ACA juga memiliki aktivitas neurotoxic, yaitu rusaknya protein yang terlibat dalam transduksi sinyal Modul e-learning ENBP topik 7 Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan IPB 2007 6 sehingga terjadi kehilangan refleks dan disfungsi CNS. Terhadap sistem reproduksi, ACA juga memperlihatkan efek toksiknya. ACA sangat reaktif berinteraksi dengan grup tiol dari asam amino, enzim-enzim dan DNA. Gambar 7.4. Pembentukan akrilamid E. Dioxin Dioxin adalah nama umum untuk sekelompok polychlorinated dibenzodioxins (PCDDs). Dioxin, yang merupakan anggota komponen organik terhalogenasi, diketahui terakumulasi dalam tubuh manusia dikarenakan sifatnya yang lipofilik. Dioxin termasuk teratogen, mutagen, dan diduga carcinogens untuk manusia. Struktur dasar dioxin terdiri dari 2 cincin benzen yang digabungkan oleh dua jembatan oksigen. Atom klorin menempel pada struktur dasar pada 8 posisi yang berbeda, yaitu posisi 1-4 dan 6-9. Toksisitas dioxin tergantung pada jumlah dan posisi atom klorin. Dioxin yang paling toksik yaitu 2,3,7,8 tetrachlorodibenzo-pdioxin (TCDD), menjadi sangat terkenal sebagai kontaminan Agent Orange, herbisida yang digunakan dalam perang Vietnam. Dioxin memasuki rantai pangan terutama melalui konsumsi ikan, daging dan produk susu karena dioxin bersifat larut lemak. Gambar 7.5. Struktur dasar dioxin Modul e-learning ENBP topik 7 Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan IPB 2007 7 Dioxin diserap ke dalam tubuh terutama melalui asupan lemak, dan terakumulasi di dalam tubuh hewan maupun manusia. Pada manusia, dioxin terklorinasi berada pada jaringan lemak, dan tidak segera dimetabolisasi maupun dieksresi. Dioxin dihasilkan dalam jumlah kecil jika suatu materi organik terbakar dengan keberadaan klorin, baik sebagai ion klorin atau sebagai komponen organoklorin. Sumber utama dioxin adalah pembakaran batubara, pencairan logam, asap truk diesel, pembakaran kayu yang telah diberi perlakuan. Gambar 7.6. Struktur 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) Gambar 7.7. Struktur dioxin lainnya Pada tahun 1994, U.S. EPA (Environmental Protection Agency) melaporkan bahwa dioxin adalah probable carcinogen, tapi mengakibatkan kanker (reproduksi dan sistem imun). TCDD adalah dibenzodioxin yang paling toksik, memiliki waktu paruh sekitar 8 tahun dalam tubuh manusia. Dioxins juga terakumlasi dalam rantai pangan. Hal ini berarti meskipun air terkontaminasi dalam jumlah kecil namun dapat terkonsentrasi hingga kadar yang membahayakan dalam rantai pangan karena waktu paruhnya yang panjang dan kelarutannya yang rendah. Efek lainnya yaitu : perkembangan abnormal dari enamel gigi anak, patologi pada Central Nervous System dan Peripheral Nervous System, kerusakan pada tiroid, kerusakan pada sistem imun, endometriosis dan diabetes. Modul e-learning ENBP topik 7 Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan IPB 2007 8 F. MCPD (monochloro dipropanediol) 3-Chloro-1,2-propanediol dibentuk jika ion klorida bereaksi dengan trigliserida dalam makanan dibawah kondisi tertentu, termasuk kondisi pengolahan pangan, pemasakan dan penyimpanan. Komponen ini ditemukan pada berbagai makanan, dan yang paling terkenal adalah dalam produk hidrolisat protein dan kecap kedelai yang dibuat dengan cara hidrolisis asam, sedangkan kecap kedelai yang difermentasi secara tradisional tidak mengandung MCPD. MCPD juga terdeteksi pada konsentrasi rendah pada produk sereal yang disangrai dan dibakar. Pembentukan MCPD dapat diminimalisir dengan memberlakukan GMP dalam pengolahan pangan. MCPD merupakan precursor 1,3-dichloro-2-propanol dalam hidrolisat protein. Dalam kecap kedelai, konsentrasi 1,3-dichloro-2-propanol jauh lebih rendah daripada MCPD. Senyawa propanol terklorinasi merupakan kontaminan dalam hidrolisat protein nabati. Proses penghilangan lemak dari protein nabati dengan cara hidrolisis oleh asam klorida mengakibatkan pembentukan 3-chloro-1,2-propanediol dan 1,3dichloro-2-propanol. 3-Chloro-1,2-propanediol menembus barrier antara darah dan testis serta darah dan otak, dan terdistribusi luas dalam cairan tubuh. Tikus yang menerima 3chloro-1,2-propanediol pada dosis 6.5 mg/kg BB per hari selama 9 hari mengalami penurunan yang signifikan untuk kadar RNA dan proteinnya dalam testis, dan perubahan ini paralel dengan peningkatan konsentrasi proteinase dan ribonuklease. Namun kadar DNA tidak berubah. MCPD menurunkan fertilitas pada tikus jantan. Pada dosis tinggi (10-20 mg/kg BB), terjadi perubahan morfologi sperma, dan pada dosis > 25 mg/kg, tikus dan mencit menunjukkan lesi CNS. Pada studi jangka pendek menggunakan dosis tinggi pada tikus dan mencit, ginjal merupakan organ target toksisitas. MCPD tidak bersifat genotoksik secara in vivo. LD50 dari 3-chloro-1,2-propanediol pada tikus adalah 150 mg/kg BB. MCPD tidak memperlihatkan efek toksik akut. Disimpulkan bahwa NOEL (No Observation Effect Level) untuk efek tumorigenik MCPD pada tikus adalah 1.1mg/kg BB/hari. Beberapa strategi untuk mengurangi kontaminasi pada produk akhir : Menurunkan konsentrasi lemak dan minyak pada bahan awal Mengontrol secara ketat hidrolisis oleh asam Membuang setiap chlorohydrins yang terbentuk selama hidrolisis asam, misalnya dengan pemberian perlakuan dengan alkali Referensi : 1. Sikorski, Z.E. 2004. The effect of processing on the nutritional value and toxicity of foods. Di dalam Dabrowski, W.M and Z.E. Sikorski (eds.) Toxins in Food. CRC Press. New York. 2. Bartoszek, A. 2005. Genotoxic food components. Di dalam Baer-Dubowska, W, A. Bartoszek and D. Malejka-Giganti (eds.) Carcinogenic and Anticarcinogenic Food Components. Taylor & Francis Group. New York. 3. Cross, A.J. and R. Sinha. 2005. Impact of food preservation, processing, and cooking on cancer risk. Di dalam Baer-Dubowska, W, A. Bartoszek and D. Malejka-Giganti (eds.) Carcinogenic and Anticarcinogenic Food Components. Taylor & Francis Group. New York. Modul e-learning ENBP topik 7 Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan IPB 2007 9