L – cisteina în contextul preocupărilor actuale privind siguranţa alimentelor

Va prezentam mai jos lucrarea pe care am prezentat-o la a XX-a editie a simpozionului ASMP care a avut loc la Bucuresti (20 octombrie 2011). Articolul integral, in limba engleza, poate fi descarcat de aici:56823cdc08ae1e63f1ee1fe2

POPA NICOLAE CIPRIAN *, TAMBA-BEREHOIU RADIANA-MARIA**

* SC Farinsan SA, Gradistea, Comana, Giurgiu (cipnpopa@yahoo.com)

** U.S.A.M.V.B., Facultatea de Biotehnologii, Str. Marasti, 59, sector 1, Bucuresti, (radianatamba@yahoo.com)

Cisteina (acid α – amino-β-tiopropionic) a fost izolată în anul 1810 de către Wollaston din calculii renali. Ea se găseşte în proporţii variabile în diferite proteine de origine vegetală şi animală (0,8 % în zeină, 2,3 % în gliadina grâului, 12,5 % în insulină, 1,1 % în proteinele musculare etc). Alţi compuşi cu formulă structurală similară sau derivaţi ai aminoacidului sunt: acidul tiazolidincarbonic, cistina şi taurina[1]. Cisteina este un aminoacid neesenţial, deoarece poate fi sintetizat în organim pornind de la metionină. Metionina este transmetilată la homocisteină care în prezenţa cistationinsintetazei condensează cu serina, formând cistationină. Aceasta este hidrolizată enzimatic de cistationază la cisteină şi homoserină. Cistationinsintaza este localizată în ficat şi este o enzimă dependentă de fosfopiridoxal. Catabolismul cisteinei se poate realiza fie prin decarboxilare, cu formare de tioetanolamină, fie prin oxidarea grupării tiolice cu formare de acid cistein sulfinic[2].

L cisteina reprezintă cea mai importantă sursă de intrare a sulfului în metabolismul celular, fiind implicată în biosinteza unor compuşi precum : L – metionina, biotina, tiamina, conezima A etc. De asemenea, joacă un rol important în activitatea unor metal enzime dependente de Fe sau S, aşa cum sunt aconitaza, citocromii sau L serin dehidrataza din E. coli[3]. L cisteina este implicată în mecanismele de pliere şi asmblare a proteinelor, contribuind semnificativ prin intermediul punţilor disulfidice la stabilitatea acestora. Este component principal din structura unor compuşi precum tioredoxina şi glutationul, cu funcţie de reducere a stresului oxidativ la nivel celular.

L cisteina în aluat. Premise teoretice

Agenţii reducători sunt utilizaţi în cazul făinurilor care prezintă reţele glutenice puternice, pentru reducerea timpilor de fermentare şi frământare a aluaturilor, precum şi pentru ajustarea anumitor proprietăţi reologice ale acestora, în vederea obţinerii unor făinuri cu caracteristici vâsco-elastice speciale. Făinurile care necesită adăugarea de agenţi reducători dau în general produse cu volum mic, miez dens, porozitate nedezvoltată şi aromă slabă[4].

Actualele ipoteze care descriu mecanismul de acţiune a agenţilor reducători în aluat se bazează pe lucrările lui Sullivan şi colab. (1940) respectiv, Frater şi colab. (1960). Astfel, activitatea acestora implică reducerea legăturilor -S-S- intramoleculare, împiedicându-le să participe la reacţiile de interschimb sulfhidril-disulfid. Ca urmare, reţeaua glutenică se formează mai repede şi conţine un număr mai mic de legături intermoleculare[5]^,[6].

L-cisteina şi derivaţii săi sunt folosiţi pe scară largă în panificaţie, în cantităţi de până la 90 ppm. Asupra mecanismelor de acţiune a acesteia în aluat au fost emise o serie de teorii. Una dintre acestea consideră că cisteina, care conţine o grupare -SH, desface punţile disulfidice din structura proteinelor glutenice. O a doua teorie consideră că cisteina interferează cu legăturile disulfidice, prin faptul că reacţionează cu radicalii sulfidici, rezultaţi în urma ruperii fizice a legăturilor S-S în timpul frământării, diminuând astfel refacerea lor[7]^,[8],[9]

Reacţia este terminată în momentul în care unul dintre cei doi radicali formaţi în urma ruperii legăturilor disulfidice acceptă ionul de hidrogen de la molecula de cisteină, iar celălalt radical se leagă cu restul de cisteină rămas, conform mecanismului de mai jos:

R-S-S-R* + CYS-SH ® R-S-S-CYS + R*-SH

R-S-S-CYS + CYS-SH ® CYS-S-S-CYS + R-SH

În acest caz, se pot reface numai jumătate din legăturile disulfidice desfăcute. După Tsen cisteina acţionează numai în timpul frământării şi nu acţionează în timpul dospirii[10].

Anumite opinii au încercat să minimizeze rolul schimburilor sulfhidril-disulfidice în formarea reţelei glutenice. Rolul principal în formarea aluatului l-ar avea astfel legăturile stabilite între resturile de tirozină de la nivelul moleculelor proteice. La baza acestei teorii stă faptul că aceste tipuri de legături, sub formă isoditirozinică şi ditirozinică, au fost identificate într-o gamă vastă de proteine vegetale şi animale (rezilina, elastină, colagen). Agenţii oxidanţi adăugaţi în aluat facilitează formarea acestor structuri, pe când agenţii reducători de tipul cisteinei sau glutationului le inhibă, prin intermediul activităţii lor de eliminare a radicalilor liberi din sistem[11]. Un astfel de mecanism de acţiune al cisteinei confirma observaţiile unor cercetări anterioare. Interschimburile sulfhidril – disulfid sunt reacţii lente care pot fi inhibate în anumite condiţii de extrudare a aluatului (folosindu-se un aluat subhidratat şi timpi de frământare mici). Totuşi, în astfel de sisteme, adaosul de cisteină era corelat cu o scădere a numărului de legături intramoleculare la nivelul unui mare număr de agregate proteice ale făinii. Prin urmare, nu formarea legăturilor disulfidice era inhibată de adaosul de cisteină, ci alte tipuri de legături[12]. Cercetări mai recente contrazic însă acest ultimo mecanism sau îi minimalizează importanţa. Din punct de vedere cantitativ, numărul de legături dintre resturile de tirozină din moleculele glutenice este mult prea redus pentru a explica formarea reţelei glutenice, comparativ cu numărul legăturilor disulfidice[13]^,[14].

Efectele adaosului de cisteină la făină sunt evidente, în accentuarea proprietăţilor fluide ale aluatului: scade capacitatea acestuia de a acumula energie, duritatea, rezistenţa la extensie şi creşte adezivitatea şi extensibilitatea acetuia[15].

Originea L – cisteinei şi problemele culturale

Există o controversă intensă în lumea occidentală cu privire la utilizarea L-cisteinei în panificaţie. Ea nu are la bază potenţiale efecte negative la adresa sănătăţii umane, dar se considera că originea ei este în dezacord cu filozofia alimentară vegană şi cu prescripţiile Shariei musulmane. Cultul mozaic a exprimat prin intermediul unei analize realizate de un rabin, o opinie interesantă referitor la utilizarea L – cisteinei în alimentaţie. S-a considerat L–cisteina “kosher”, cu condiţia să nu provină de la cadavre umane sau să fi făcut anterior obiectul unui scarificiu religios¹⁶. În consecinţă, problemele legate de utilizarea L – cisteinei îşi pot găsi rezolvarea prin interpretarea indicaţiilor prezente în literatura halachică. Spre exemplu, Tora conţine indicaţii explicite referitoare la necesitatea ca oamenii să consume doar grâne maturate, iar funcţiunile cisteinei în aluat corespund acestor indicaţii*. Din punct de vedere a tradiţiilor iudaice, statutul ingredientelor folosite în prepararea hranei corespund statutului materiei prime din care acestea provin¹⁶. Spre exemplu, chametz se referă la calitatea alimentelor obţinute prin fermentaţia cerealelor în mediu apos. Dacă glutamatul monosodic este obţinut prin fermentarea glucozei din grâu, atunci acesta trebuie considerat ca fiind chametz (această categorie de alimente nu pot fi consumate în perioada paştelui evreiesc). În plus, anumite proprietăţi ale produselor alimentare bogate în cisteină erau cunoscute şi utilizate încă din timpurile talmudice. Gemara (una din cărţile componente ale Talmudului) relatează că Rav Abbah (175 – 247) folosea o reţetă pe bază de macerat de pui în scopuri medicinale, iar în evul mediu, Rambam (1135 – 1204) i-ar fi prescris prinţului Al-Afdal de la curtea lui Saladin, o reţetă similară pentru tratarea astmului bronşic (tratamentul acesti boli se face şi în ziua de astazi, folosind derivati ai cisteinei)[16].

În ciuda acestui fapt, multe site-uri de internet evreieşti consideră alimentele care conţin L – cisteină ca fiind “non-kosher”.

L- cisteina nu este singurul aditiv alimentar aflat în această situaţie. Controverse similare au ca obiect gelatina, cheagul utilizat în industria brânzeturilor, praful de oase folosit sporadic încă la albirea zahărului, agenţi de glazulare precum şelacul şi ceara de albine, coloranţi precum roşul de coşenilă etc.

Genul acesta de discuţii indică existenţa unei dimensiuni suplimentare, pe care ştinţele alimentelor trebuie să se pregătească s-o exploareze. Consumatorul nu este interesat doar de siguranţa sa fizică în relaţia cu un aliment, ci şi de sănătatea sa spirituală, incluzând aici şi potenţialele efecte psihologice (emoţionale şi mentale) pe care le pot induce natura anumitor ingrediente. O tentativă de integrare holistică a elementelor privitoare la siguranţa alimentară, cu cele referitoare la efectele psihologice şi spirituale ale consumului alimentelor, se regăsesc la nivelul conceptului de “stare de bine”. Alimentele trebuie să urmărească asigurarea stării de bine a consumatorilor, aşa cum arta urmăreşte catharsisul.

Piaţa mondială de L cisteină este estimată la 5000 de tone pe an, fiind aprovizionată ca urmare a unui amestec de diverse tehnologii de obţinere, care includ: hidroliza keratinei, sinteza chimică şi fermentaţia.[17]^,[18] Deşi pentru majoritatea aminoacizilor au fost puse la punct tehnologii de biosinteză, pentru L cisteină, L – leucină, L – histidină şi L – tirozină, calea principală de obţinere a rămas extracţia din hidrolizate proteice. În cazul cisteinei se utilizează extracţia din hidrolizate de keratină provenite din păr uman sau pene de animale[19].

Dintre tehnologiile de biosinteză utilizate la scară industrială o amintim pe ce folosită de Ajinomoto Co. Inc. din Japonia, care presupune hidroliza asimetrică a acidului DL-2-amino-Δ2-tiazolin-4-carboxilic la L – cisteină, prin intermediul unor enzime secretate de bacterii din genul Pseudomonas. De asemenea, Wacker Chemie (2001) a implementat la nivel industrial o metodă de obţinere a L – cisteinei, prin intermediul unei mutante E coli, folosind ca principală sursă de carbon glucoza¹⁷.

Au mai fost propuse biotehnologii de sinteză a L-cisteinei pornind de la L – serină, prin intermediul unor culturi specifice de E. coli, Salmonella typhimurium şi Corynebacterium glutamicum. Căi specifice pentru biosinteza de L – cisteină din L – metionină au fost studiate în cazul Saccharomyces cerevisiae, Lactococcus lactis, Pseudomonas putida.¹⁷ În general, aceste căi de biosinteză implică asigurarea unei aprovizionări optime cu precursori, iar acest demers este în cazul L – cisteinei destul de dificil. L – serina este greu de obţinut prin fermentaţie directă, datorită instabilităţii sale metabolice, fiind convertită rapid în compuşi precum glicina şi piruvatul. La acestea se adaugă probleme specifice căilor metabolice, de sinteză a cisteinei în microorganismele amintite, care limitează posibilitatea folosirii acestor tehnologii la nivel industrial.

Valoarea pieţei de L – cisteină este estimată la 55 de milioane de dolari, având o rată de creştere de 4 % pe an¹⁷. Aproximativ 30 % din L – cisteina produsă pe plan mondial este utilizată pentru obţinerea derivaţilor săi farmacoterapeutici (N-acetilcisteina şi S-carboximetilcisteina, ambele având acţiune mucolitică). Pe lângă folosirea L – cisteinei ca agent de tratare a făinurilor, în industria de morărit şi panificaţie, se mai utilizează intens în industria producerii hranei animale. Rolul ei în hrana pentru animale, este acela de îmbogăţire a aromei de carne din aceste produse. Un consum mai mic, dar constant, se înregistrează în industria cosmetică, fiind un preparat de bază în cremele anti-aging.

Din totalul L – cisteinei obţinute pe plan mondial, la nivelul anului 2004, doar 12 % era obţinută prin procedee fermentative. Rata de creştere anuală cotei de piaţă pentru L-cisteina de origine microbiană era estimată la 10 %.

Procesul convenţional de obţinere a cisteinei implică hidroliza acidă (HCl > 20 %) a keratinei la temperaturi mari (100 ⁰C, timp de 6 ore) şi formarea de dimeri de cisteină (L,L – cistină). L,L-cistina este puţin solubilă şi poate fi precipitată uşor prin neutralizarea pH-ului. Ulterior, prin reducere electrolitică ea poate fi scindată la L-cisteină. Procesul are însă o serie de implicaţii asupra mediului înconjurător, destul de greu de gestionat. Pentru obţinerea unui kilogram de cisteină sunt necesari 27 de kilograme de acid clorhidric, cantităţi care presupun utilizarea unor mari resurse de apă. În comparaţie, metoda de biosinteză aplicată de Wacker Chemie, necesită doar 1 kilogram de acid clorhidric, pentru obţinerea unui kilogram de L – cisteină. În ciuda acestui fapt, L – cisteina obţinută pe cale fermentativă este mai scumpă decât cea convenţională şi este preferată în primul rând de industria farmaceutică şi cea cosmetică, industrii capabile să transfere aceste costuri la nivelul unor produse cu valoare adăugată mai mare decât industria alimentară.

Unul dintre factorii care determină interesul industriei farmaceutice pentru L – cisteina microbiană este şi teama, adânc înrădăcinată în psihologia consumatorilor, referitoare la riscurile implicate de consumul anumitor produse de origine animală, capabile să transmită maladii prionice de tipul bolii Creutzfeldt-Jakob (encefalopatia spongiformă). Experţii Comisiei Europene s-au aplecat asupra acestei probleme în anul 2000, la cererea unor organizaţii de producători din industria cosmetică. Acestia solicitau modificarea directivei 76/768/EEC care interzicea folosirea de celule, ţesuturi sau produse de origine umană în fabricaţia cosmeticelor comercializate pe Piaţa Comună, astfel încât aminoacizii obţinuţi prin hidroliza acidă a keratinei să poată fi totuşi utilizaţi.

Concluzia experţilor a fost că aminoacizii obţinuţi prin hidroliza keratinei pot fi consideraţi siguri pentru consumul uman, atâta timp cât nu sunt contaminaţi cu alte materii care prezintă risc crescut de transmitere a encefalopatiei spongiforme umane (EST). Concluzia s-a bazat pe următoarele premise, care pot fi extrapolate şi produselor alimentare:

– prionii asociaţi cu EST nu au fost identificaţi niciodată în păr;

– procesul de obţinere implică o serie de condiţii de inactivare care permit reducerea numărului de unităţi infecţioase, la un nivel mai mic chiar decât cel agreat deja în legislaţia UE, în ceea ce priveşte procesul de fabricaţie a gelatinei alimentare (gelatina alimentară este obţinută din oase de animale, care conţin măduvă, material cu un risc ridicat de transmitere a bolii Creutzfeldt-Jakob);

– condiţiile severe de hidroliză, în asociere cu testele obligatorii, privind lipsa de peptide la nivelul preparatelor pe bază de L – cisteină, pot garanta excluderea proteinelor prionice transmisibile din acestea[20];

Experţii Comisiei Europene au fost chemaţi să răspundă ulterior (2006) şi întrebărilor legate de siguranţa aditivării cu acest aminoacid a biscuiţilor pentru copiii de vârste mici (3 – 12 luni). Deşi acest aminoacid era agreat pentru utilizarea în tratarea făinii, evaluările realizate considerându-l acceptabil din punct de vedere toxicologic, el nu fusese menţionat în lista aditivilor acceptaţi în formularea hranei pentru sugari şi copii mici. Biscuţii pentru copii trebuie să aibă un conţinut controlat de glucide şi de grăsimi. Faptul determină însă creşterea gradului de fragilitate a biscuiţilor, inducând un risc suplimentar de sufocare. Utilizarea L – cisteinei sau a derivatului său clorhidrat permite optimizarea caracteristicilor texturale ale produselor crocante şi reducerea riscului amintit.

Doza uzuală de L – cisteină este de max. 1 g/kg de făină. Extrapolat la nivelul cantităţilor medii de biscuiţi pe care le consumă zilnic un copil de vârstă mică, cantitatea de cisteină ingerată este echivalentul a 6 mg/zi. Această cantitate reprezintă doar 2 % din cantitatea totală de cisteină pe care o furnizează zilnic unui copil întreaga sa dietă (296 mg). În consecinţă, grupul de experţi a conchis că utilizarea L – cisteinei în produsele pentru bebeluşi nu prezintă nici un risc la adresa siguranţei acestora şi că nu este în contradicţie cu recomandările anterioare ale Comisiei Europene. Recomandările prevedeau ca adăugarea de aminoacizi în hrană copiilor să fie făcută doar în scopul îmbunătăţirii valorii nutritive a acesteia[21].

Explicaţia anterioară poate fi aplicată şi în cazul expunerii la acest aminoacid a adulţilor, în urma consumului de produse de morărit şi panificaţie. Evaluarea corectă a cantităţilor de L – cisteină sau derivaţi ai acesteia, furnizate de filiera alimentară morărit – panificaţie este destul de dificilă. Pe de o parte, L- cisteina este adăugată în moară, iar pe de altă parte, amelioratorii utilizaţi în brutării conţin şi ei cantităţi variabile de L – cisteină. Putem bănui o corelaţie liniară între valoarea acestui consum şi calitatea recoltelor româneşti, situaţie în care adaosul de L- cisteină pe kilogramul de făină este puţin probabil să depăşească în medie 0,05 – 0,1 grame. Cantităţile de L – cisteină pot fi mult mai mari în cazul biscuiţilor, produse la care caracteristicile reologice ale aluaturilor sunt aduse la valorile necesare proceselor de fabricaţie, prin tratamente cu proteaze şi agenţi reducători.

Consumul mediu zilnic de pâine pe cap de locuitor era estimat de Econtext.ro pentru anul 2010 la 0,26 kg[22]. Dacă admitem un consum specific mediu de 0,75 kg de făină pentru kilogramul de produs finit, atunci cantitatea de L –cisteină corespunzătoare acestui consum este de 9,75 – 19,5 miligrame. Adică, de 25 – 50 de ori mai mică decât cantitatea uzuală zilnică de L-cisteină sau derivaţi ai acesteia folosită în scopuri terapeutice pentru tratarea diferitelor afecţiuni.

Noi direcţii de utilizare a L-cisteinei în industria alimentară.

L – cisteina şi conţinutul de acrilamidă din alimente. Acrilamida este o substanţă potenţial carcinogenă, care se formează atunci când alimentele bogate în amidon sunt coapte, fierte sau prăjite. Primele supoziţii cu privire la efectul carcinogen al acrilamidei au apărut în 2002. Oamenii de stiinta de la Swedish Food Administration au raportat un nivel neaşteptat de mare de acrilamida, mai ales în alimentele bogate în glucide[23], cu care erau hrăniţi şoarecii de laborator,

Mecanismul formării acrilamidei, implică produşii de degradare Strecker ai aminoacizilor asparagină şi metionină şi produşii dicarbonilici formaţi în reacţia Maillard. Compuşii dicarbonilici pot apărea şi ca urmare a autooxidării α – hidroxi-cetonelor.

O serie de studii au arătat că acrilamida se formează din asparagină şi glucoză la temperaturi cuprinse între 100 şi 170 de grade Celsius, printr-un mecanism care implică o serie de N-glicozide. Studiile efectuate la nivelul produselor alimentare accesibile europenilor, au arătat niveluri ale concentraţiei acrilamidei foarte diferite, în produse precum: pâine, cereale pentru mic dejun, cafea, biscuiţi, produse instant pentru copii, cartofi prăjiţi etc.

Moleculele de acrilamidă conţin legături nesaturate, susceptibile de atacuri nucleofile, aşa cum este adiţia Michael. Acrilamida interacţionează covalent “in vivo” cu substanţe nucleofile celulare, predominant cu grupările sulfhidril ale glutationului redus şi ale proteinelor[24].

Acrilamida este absorbită în organism pe toate căile şi este distribuită în toate ţesuturile. Metabolizarea ei se realizează de către sistemul citocrom P 450 2E1, la un epoxid, anume: glicidamidă. Glicidamida este de asemenea, supusă atacului nucleofil, la nivelul ciclului epoxidic, de către grupările sulfhidril sau amino ale proteinelor (respectiv aminoacizilor), sau de către moleculele de apă. Totodată, se poate întâmpla ca glicidamida să interacţioneze nucleofil cu ADN–ul, formând aducţi. Formarea de aducţi cu ADN este de natură să confirme potenţialul toxic mutagen al acestei substanţe.

Calea majoră de metabolizare a acrilamidei, presupune mai întâi conjugarea acesteia cu glutationul redus şi formarea unei propionamide a acidului mercapturic. Glicidamida, obţinută prin adiţie de oxigen, sub acţiunea citocrom P450, suferă o serie de hidrolize metabolice, în urma cărora se obţin produşi derivaţi ai acidului mercapturic, eliminaţi prin urină. Aceşti metaboliţi din urină servesc ca markeri biochimici pentru evaluarea expunerii la acrilamidă.

Potenţialele strategii de scădere a conţinutului de acrilamidă din alimente pot fi reduse la două abordări majore: fie la eliminarea precursorilor de acrilamidă, fie la reducerea interferenţei acestora cu reacţia Maillard[25].

Reacţia Maillard este însă responsabilă pentru formarea aromei, gustului şi culorii caracteristice a alimentelor, astfel încât reducerea formării acrilamidei fără afectarea specificaţiilor produselor finite este o provocare majoră. Pe de altă parte, cel puţin în cazul cartofilor, este valabilă şi abordarea agronomică, care presupune eliminarea precursorilor de acrilamidă (cum ar fi asparagina), la nivelul soiurilor utilizate în industria alimentară. Această strategie este însă subminată de constrângerile legale existente, precum şi de reticenţa consumatorilor faţă de soiurile modificate genetic.

Analiza cantitativă a acrilamidei, în unele produse alimentare disponibile pe piaţa românească, a relevat faptul că cele mai mari concentraţii de acrilamidă se găsesc în probele de cartofi prăjiţi, fiind urmate de probele de chips-uri, biscuiţi, pop-corn şi pâine[26].

Variaţiile concentraţiilor de acrilamidă în produsele alimentare prelucrate la nivel casnic se datorează atât conţinutului diferit în precursori ai acrilamidei, cât şi condiţiilor de prelucrare culinară, ce intervin prin următorii parametri: blanşizare (opărire/fierbere), condimentare, timpul şi temperatura de prăjire, tipul şi calitatea uleiului utilizat la prăjire, modalitatea de prelucrare culinară (pre-prăjire, prăjire în ulei, prăjire în abur, coacere, microunde).

Spre exemplu, pâinea feliată este caracterizată de valori ale conţinutului de acrilamidă sub limita de cuantificare a metodei, dar prăjirea acesteia induce creşteri ale concentraţiei de acrilamidă după o relaţie dependentă de timpul şi temperatura procesului de prelucrare termică. De asemenea, există o dependenţă a conţinutului în acrilamidă de gradul de extracţie al făinii, valorile cele mai mari obţinându-se pentru pâinea graham, care conţine în compoziţia sa tărâţe de grâu. Această dependenţă este explicabilă pe seama variaţiei aminoacidului asparagină cu gradul de extracţie al făinii (este mai scăzut în făina albă decât în tărâţe)²⁶.

În ultimii ani au fost patentate mai multe metode care utilizează L – cisteina sau compuşi tiolici, pentru reducerea conţinutului de acrilamidă din alimente.

Flukiger şi Salih au propus în 2009 o metodă de tratare a produselor alimentare, care urmează a fi prelucrate termic, cu o soluţie alcalină de cisteină sau glutation.

Compuşii tiolici reacţionează în mediu alcalin cu acrilamida, la nivelul legăturilor duble de carbon din molecula acesteia, formând un compus nou, netoxic, S – (3-amino – 3 – oxipropil) – cisteina (vezi imaginea)[27]. Anterior, Barry şi colab. propuseseră o metodă similară, care presupunea contactul alimentelor înainte de tratarea termică, cu o soluţie de clorură de calciu şi L – cisteină[28].

Nu doar compuşii tiolici au fost recomandaţi pentru reducerea conţinutului de acrilamidă din produsele tratate termic, precum pâinea. Un studiu publicat în 2004 arăta că bicarbonatul acid de sodiu poate să scadă cu până la 60% cantitatea de acrilamidă din turta dulce. În acelaşi timp însă, carbonatul acid de amoniu creşte puternic rata de formare a acrilamidei[29]. În 2005, o cercetare realizată de cercetători chinezi, arăta că pe lângă cisteină şi glicina sau lizina au efecte puternice de inhibare a formării acrilamidei în sisteme apoase. În cazul snacks-urilor porvenite din făină de grâu, lizina şi glicina au chiar efecte inhibatoare mai puternice decât cisteina [30]. Efectul inhibitor al glicinei şi al cisteinei asupra formării acrilamidei este confirmat şi de o cercetare britanică din 2009. Valina, alanina, fenilalanina, triptofanul, glutamina şi leucina nu influenţează sau chiar stimulează formarea acrilamidei, iar pe lângă glicină şi cisteină efecte semnificative de atenuare au fost observate şi în cazul triptofanului şi prolinei (în cazul acestor doi aminoacizi, efectele asupra reducerii conţinutului de acrilamidă au fost chiar mai mari, decât în cazul glicinei şi cisteinei)[31].

Compuşii tiolici acţionează împotriva acrilamidei şi in vivo. Astfel, un test realizat pe embrioni de broască (Xenopus laevis), expuşi unor diverse concentraţii de acrilamidă, a arătat că L – cisteina şi glutationul redus au efecte atât împotriva malformaţiilor induse de acrilamidă, cât şi împotriva mortalităţii embrionilor. N-acetilcisteina are efect doar asupra mortalităţii embrionilor, iar glicina nu are nici un efect protectiv[32].

Bisulfitul de sodiu, L – cisteina, N-acetilcisteina şi glutationul redus au fost eficiente în reducerea conţinutului de acrilamidă din sucul de măsline (prelucrate prin tratamente alcaline), înclzit la 120⁰C, timp de 30 de minute. Rezultate promiţătoare au fost obţinute şi în cazul argininei şi usturoiului (una dintre legumele bogate în cisteină)[33].

Pâna în prezent, cercetatorii au identificat o lista relativ mare de extracte din plante capabile să reducă continutul de acrilamide din alimente, iar produse enzimatice specifice, precum Preventase de la DSM si Acrilaway de la Novozyme, au aparut deja pe piaţă si sunt destul de eficiente (reduc continutul de acrilamida cu pana la 90 %, mecanismul acestora fiind bazat pe conversia asparaginei, un precursor al acrilamidei, la o forma inactivă pentru ciclul de reacţii care duce la formarea acesteia in alimente).

Efectele L – cisteinei asupra altor categorii de contaminanţi din alimente. Majoritatea contaminanţilor alimentari îşi exercită efectele toxice sau antinutritive la nivelul unor grupări chimice specifice, capabile să interacţioneze cu compuşi implicaţi în anumite căi metabolice. Blocarea reactivităţii acestor grupări prin intermediul funcţiunilor tiolice ale unor aminoacizi, peptide sau proteine, este una dintre căile utilizate pe larg pentru inhibarea toxicităţii anumitor contaminanţi. Deoarece compuşii tiolici sunt substanţe puternic nucleofile, aceştia au o afinitate puternică pentru situsurile electrofile nesaturate din structura unor toxici alimentari diverşi, precum: aflatoxinele, sesquiterpenele lactonele (elefantropina şi partenina), uretanul, compuşii carbonilici, quinonele şi chiar compuşii halogenaţi[34] . Boyacioğlu şi colab. au publicat în 1993 un studiu prin care arătau printre altele, că L – cisteina are un efect moderat de scădere a conţiutului de DON din pâinea integrală de grâu. Alături de bisulfitul de sodiu şi fosfatul de amoniu, tratamentele cu L – cisteină asigurau o reducere a conţinutului de DON între 38 şi 46 %[35]. Un derivat al cisteinei, anume N-acetilcisteina, în doze de 800 mg/kg de furaj, a fost capabilă să reducă efectele toxice ale aflatoxinei B, atunci când era adăugat în hrana puilor[36].

Cisteina şi glutationul fac parte din categoria substanţelor capabile să stopeze formarea nitrozaminelor, elaborate endogen la nivelul stomacului şi a tubului digestiv, aşa cum sunt: N-nitrozodimetilamina, N-nitrozo-piralidina şi N-nitrozopiperidina[37].

Efecte toxice ale L – cisteinei în organism.

Totuşi, anumite studii au arătat că L – cisteina poate avea efecte negative în organismul animal atunci când este administrată în doze foarte mari. Dilger şi colab. au introdus în hrana puilor, furaje tratate cu o cantitate de 30 g/kg L –cisteină şi au identificat o serie de modificări ale stării de sănătate a acestora, precum acidoza metabolică şi creşterea nivelului de stress oxidativ din organism[40]. Într-un studiu anterior, ei investigaseră efectele suplimentării dietei cu cantităţi extreme de aminoacizi cu sulf, la mai multe specii. Au constatat că excesul de L – cisteină, în doze de 7,5 ori mai mari decât recomandările nutriţionale, pot determina după cinci zile de administrare o creştere a mortalităţii puilor cu 50 %. În toate variantele de administrare (de 2,5 – 10 ori, peste recomandările nutriţionale), administrarea L – cisteinei a suprimat creşterea puilor. Creşterea puilor a fost reluată, iar mortalitatea redusă, în situaţia în care în furaje s-a adăugat carbonat acid de potasiu. De asemenea, adăugarea apei oxigenate în apa de băut a scăzut semnificativ mortalitatea. În cazul şoarecilor tineri sau porcilor, cărora li s-au administrat doze similare de L – cisteină, nu au fost identificate modificări semnificative ale ratei mortalităţii, dar creşterea a fost suprimată drastic. Pentru nici una dintre cele trei specii analizate nu s-au înregistrat simptome similare la excesul de cistină din hrană[41].

În literatura de specialitate sunt citate o serie de interferenţe a L-cisteinei cu medicaţia terapeutică, administrată în cazul unor boli. Astfel, L – cisteina potenţează activitatea medicamentelor administrate pentru reducerea tensiunii arteriale. De asemenea, ea poate provoca supresia imunităţii, crescând astfel sensibilitatea faţă de anumite boli[42].

Au fost sesizate situaţii în care L – cisteina a inactivat insulina administrată diabeticilor. Totodată, se consideră că L – cisteina potenţează toxicitatea monoglutamatului de sodiu, în cazul persoanelor suferinde de boala restaurantelor chinezeşti[43]. În cazul pacienţilor bolnavi de cistinurie (boală caracterizată de reabsorbţia tubulară diminuată şi excreţia urinară excesivă a aminoacizilor dibazici: lizina, arginina, ornitina si cistina; cistina fiind cea mai putin solubila dintre aminoacizii naturali, excretia ei marită predispunând la formarea de calculi renali, ureterali si biliari), administrarea L – cisteinei are efect negativ.

O serie de opinii includ L – cisteina în categoria excitotoxinelor. Acestea sunt substanţe care au funcţii fiziologice de neurotransmiţători (în general aminoacizi sau derivaţi ai acestora) şi care la concentraţii mari pot supraactiva receptorii specifici de la nivelul celulei nervoase. Procesul se traduce printr-o stimulare excesivă a celulelor nervoase, care se poate solda cu distrugerea acestora. Cea mai cunoscută substanţă cu efect excitotoxic este monoglutamatul de sodiu.

În 1990 Olney şi colab. au constatat că administrarea sistemică la şoareci imaturi a L- cisteinei este corelată cu distrugeri ale celulelor nervoase din cortexul cerebral, hipocampus, talamus şi striatum. Neurotoxicitatea L – cisteinei este în opina autorilor mediată tot de receptorii de glutamat (subtipul N-methil-D-aspartat), iar amploarea ei creşte în prezenţa ionilor de bicarbonate, la concentraţii fiziologice[44].

Mecanismele prin care L – cisteina poate produce neurotoxicitate poti fi foarte diferite: creşterea concentraţiei extracelulare de glutamate, ca urmare a creşterii ratei de eliberare sau a inhibării biodegradării acestuia, chelatarea cationilor de zinc care poate conduce la deblocarea canalelor cationice a receptorilor de glutamat, modularea redox a grupărilor tiolice funcţionale, creşterea afinităţii agoniştilor, metabolismul derivaţilor oxidativi ai L- cisteinei cu proprietăţi excitotoxice, precum acidul L – cisteinsulfinic sau cistein-α – carbamatul. Reactivitatea chimică a grupării tiolice a cisteinei poate induce toxicitate pe calea autooxidării, prin formarea de specii reactive de oxigen[45].

Multe din dubiile legate de potenţialul toxic al L – cisteinei sunt induse de asocierea nivelului ridicat de homocisteină din organism cu o serie de maladii neurodegerative şi cardiovasculare. Homocisteina este implicată într-o multitudine de reacţii de transsulfurare (ca de exemplu sinteza cisteinei din organism), remetilare (în sinteza metioninei), transmetilarea ADN-ului, proteinelor şi lipidelor, biosinteza unor neurotransmiţători sau hormoni. Homocisteina oxidează un mare număr de analogi ai L – glutamatului (acid L – homocisteinsulfinic, acid homocisteic) şi L – aspartatului (acid L-cisteinsulfinic, acid cisteic) care au efecte excitotoxice chiar mai mari decât ale homocisteinei[46]. Homocisteina potenţează autooxidarea particulelor lipoproteice LDL, iniţind astfel tromboza sau formarea placii de aterom.

Concluzii

Utilizarea L – cisteinei şi a derivaţilor săi în panificaţie, permite optimizarea potenţialului tehnologic al făinurilor şi valorificarea superioară a acestora, prin produse cu valoare adăugată mare. Controversele legate de utilizarea acestui aditiv în alimentaţia umană sunt în primul rând de natură culturală şi religioasă şi vor fi probabil depăşite în momentul în care tehnologiile fermentative de obţinere al L – cisteinei se vor generaliza la nivelul pieţii.

Există un potenţial de extindere a utilizării L – cisteinei în industria alimentară, în scopul reducerii gradului de contaminare cu o serie de substanţe cu potenţial carcionogen, precum acrilamida şi micotoxinele.

Nu există date despre potenţiale efecte toxice ale L – cisteinei la dozele uzuale care sunt folosite în industria de panificaţie. În medicină, L – cisteina şi derivaţii ei sunt utilizaţi în multiple scopuri terapeutice, de detoxifiere a organismului.

Singurele efecte toxice ale L – cisteinei în organismele animale au fost experimentate la doze care exced de mai multe ori maximele recomandărilor nutriţionale.

Potenţialul excitotoxic al L – cisteinei este cea mai mare ameninţare la adresa statutului de aditiv sigur al acesteia. Deşi mecanismele care au loc la nivelul receptorilor de glutamat de pe celula nervoasă nu sunt încă bine elucidate, numărul studiilor care adună dovezi în favoarea potenţialului excitotoxic al L – cisteinei este în creştere. Totuşi, nu este clar încă, în ce măsură cantităţile de L – cisteină adăugate în hrană, pe parcursul procesării ei, pot interfera la nivelul acestor mecanisme.

[1] Dumitru I.F., 1980, Biochimie, Ed. Didactică şi Pedagogică Bucureşti, pg. 23 – 29.

[2] Dumitru I.F., 1980, Biochimie, Ed. Didactică şi Pedagogică Bucureşti, pg. 776 – 780.

[3] Cicchillo RM, Baker MA, Schnitzer EJ, Newman EB, Krebs C, Booker SJ (2004) Escherichia coli L-serine deaminase requires a [4Fe-4S] cluster in catalysis. J Biol Chem 279:32418–32425

[4] Popa, N.C., Tamba Berehoiu, R., Câmpeanu, Gh., Tăpăloagă, P., Stan, V., Iancu, A., 2006, The influence of L – cystein containing upon strong flours, Roumanian Biotechnological Letters., vol. XI., p. 2549 – 2561.

[5] Sullivan, B.; Howe, M.; Schmalz, F. D.; Astleford, G. R., The action of oxidizing and reducing agents on flour. Cereal Chem. 1940, 17, 507-528.

[6] Frater, R.; Hird, J. F. R.; Moss, H. J.; Yates, J. R. A role for thiol and disulphide groups in determining the rheological properties of dough made from wheaten flour. Nature 1960, 186, 451-454.

[7] Kilborn, R.H., Tipples, K.H., 1973, Factors affecting mechanical dough development. I. Effect of mixing intensity and work input, Cereal Chem. 49:34.

[8] Kilborn, R.H., Tipples, K.H., 1973, Factors affecting mechanical dough development. III. Mechanical efficiency of laboratory dough mixers, Cereal Chem. 50:50.

[9] Kilborn, R.H., Tipples, K.H., 1973, Factors affecting dough development. IV. Effect of cysteine, Cereal Chem. 50:70.

[10] Tsen, C.C., Anderson, J.A., 1963, Determination of sulfhydryl and disulfide groups in glour and their relation to wheat quality, Cereal Chem 40:314 – 322.

[11] Katherine A. Tilley, Rachel E. Benjamin, Katherine E. Bagorogoza, B. Moses Okot-Kotber, Om Prakash, Haidoo Kwen, Tyrosine Cross-Links: Molecular Basis of Gluten Structure and Function, J. Agric. Food Chem. 2001, 49, 2627−2632

[12] Koh, B. K.; Karwe, M. V.; Schaich, K. M. Effects of cysteine on free radical production and protein modifica-tion in extruded wheat flour. Cereal Chem. 1996, 73, 115-122.

[13] E. Peñaa, A. Bernardoa, C. Solerb, N. Jouve, Do tyrosine crosslinks contribute to the formation of the gluten network in common wheat (Triticum aestivum L.) dough?, Journal of Cereal Science, Volume 44, Issue 2, September 2006, Pages 144-153.

[15] Alessandro Angioloni, Marco Dalla Rosa, Effects of cysteine and mixing conditions on white/whole dough rheological properties, Journal of Food Engineering, Volume 80, Issue 1, May 2007, Pages 18-23

[16] Rabbi ZusheYasef Blech, Like mountains hanging by a hair. Kosher issues in L – Cysteine, MK News and Views Volume IV, Issue 6 – Lag B’Omer Edition – Iyar, 5763 / May 2003.

*aici autorul se înşeală. Procesele care au loc la maturizarea grânelor şi făinii sunt în primul rând de natură oxidativă, deci de formare a punţilor disulfidice. Efectul cisteinei în aluat este acela de reducere (desfacere) a acestor punţi. Pe de altă parte, tratamentele cu cisteina asigura o valorificare optimă a potenţialului tehnologic al făinurilor, ceea ce poate fi interpretat ca fiind în spiritul îndemnului din Tora la care face referire autorul.

[17] Ikeda M (2003) Amino acid production process. In: Scheper T,Faurie R, Thommel J (eds) Advances in biochemical engineering/biotechnology, vol. 79. Springer, Berlin Heidelberg New York, pp 1–35

[18] Rainer Höfer, Sustainable Solutions for Modern Economies, Royal Society of Chemistry, 2010

[19] Masaru Wada, Hiroshi Takagi, Metabolic pathways and biotechnological production of L-cysteine, Appl Microbiol Biotechnol (2006) 73:48–54

[20] http://ec.europa.eu/health/scientific_committees/consumer_safety/opinions/sccnfp_opinions_97_04/sccp_out122_en.htm

[21] http://www.efsa.europa.eu/en/efsajournal/pub/390.htm

[24] Tamba Berehoiu Radiana, Popa N.C., 2006, Toxicologia în biotehnologii (cap. 15.) dinTratat de Biotehnologie II, Ed. Tehnică, Bucureşti.

[25] Raquel Medeiros Vinci, Frédéric Mestdagh, Bruno De Meulenaer, Acrylamide formation in fried potato products – Present and future, a critical review on mitigation strategies, doi:10.1016/j.foodchem.2011.08.001

[26] Anca Irina Burlacu Prisăcaru, 2009, Cercetări privind prezenţa acrilamidei în alimentele prelucrate termic, Teză de doctorat, Facultatea de Farmacie, Universitatea de Medicină şi Farmacie „Gr. T. Popa” Iasi

[27] Flukiger Rudolf, Salih Erdjan, 2009, Methods to limit acrylamide in heated foods, United States Patent Application Publication, Pub. No.:US2009/0022862 A1

[28] Barry şi colab., 2008, Method for reducing acrylamide formation in thermally processed food, Patent No. US7,393,550 B2

[33] Francisco Javier Casado, Antonio Higinio Sánchez, Alfredo Montaño, Reduction of acrylamide content of ripe olives by selected additives, Food Chemistry, Volume 119, Issue 1, 1 March 2010, Pages 161-166

[34] Faruk Bozoglu, Different mycotoxin inactivation applications, and their inactivation mechanisms, Proc. Nat. Sci, Matica Srpska Novi Sad, 117, 27—35, 2009

[37] Tiberiu Mogoş, Carmen Dondoi, 2008, Carcinogeneza de origine alimentară, Medicina Modernă, vol. XV, nr. 1

[38] http://www.ammunotec.com/glutathione.html

[42] L – cysteine & Hypertension, http://www.livestrong.com/article/494657-l-cysteine-hypertension/

[43] http://www.ndhealthfacts.org/index.php?title=L-Cysteine

[44]JW Olney, C Zorumski, MT Price, J Labruyere, L-cysteine, a bicarbonate-sensitive endogenous excitotoxin, Science 4 May 1990: Vol. 248 no. 4955 pp. 596-599

[45] Wlodek L., Causes of L-cysteine neurotoxicity, Acta Biologica Cracoviensia / Zoologia year: 2002, vol: 44, number: , pages: 15-24

[46] Russell L. Blaylock, A possible central mechanism in autism spectrum disorders, part 2, immunoexcitotoxicity, Althernative Therapies in Health and Medicine, Jan/Feb 2009, 15, 1, pg. 60 – 67.