Einfluss thermischer Lebensmittelverarbeitung auf die Bildung karzinogener Verbindungen: Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und heterozyklische aromatische Amine (HCA)

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe umfassen eine heterogene Stoffgruppe von über hundert lipophilen Verbindungen mit nachgewiesenen genotoxischen, mutagenen und karzinogenen Eigenschaften. Strukturell bestehen sie aus zwei oder mehr kondensierten Benzolringen, die in unterschiedlichen geometrischen Anordnungen verknüpft sind. PAK entstehen bei der unvollständigen Verbrennung und Pyrolyse von organischem Material in einem weiten Temperaturbereich von 250°C bis 900°C. Der bekannteste und toxikologisch leitende Vertreter ist Benzo[a]pyren (BaP), das von der Internationalen Agentur für Krebsforschung (IARC) in Gruppe 1 als eindeutig krebserregend für den Menschen eingestuft ist.

PAK gelangen auf zwei Hauptwegen in die Nahrungskette: durch Umweltimmissionen (industrielle Verbrennungsabgase, die sich auf landwirtschaftlichen Kulturen wie Getreide, Obst und Gemüse ablagern) sowie durch industrielle und häusliche Garverfahren (traditionelles Heiß- und Kalt-Räuchern mit Holzrauch, direktes Rauchgastrocknen, Rösten von Kaffee und Kakao sowie Grillen). Aufgrund des kanzerogenen Risikos hat die Europäische Kommission strenge Höchstgehalte normiert (u.a. Verordnung EU Nr. 835/2011 und aktuelle Verordnung EU 2023/915). Kontrolliert werden Grenzwerte für Benzo[a]pyren sowie für die Summe von vier Leitsubstanzen (PAK4: BaP, Chrysen, Benzo[a]anthracen, Benzo[b]fluoranthen) in Fetten, Ölen, Räucherwaren und Säuglingsnahrung.

Die Anreicherung von PAK in zubereiteten Speisen hängt maßgeblich von der gewählten Hitzemethode ab. Die höchsten Schadstoffkonzentrationen entstehen beim traditionellen Grillen über glühender Holzkohle auf offenem Rost. Hierbei tropft geschmolzenes Fett direkt in die Glut (Temperaturen von 500–800°C) und pyrolysiert schlagartig. Der aufsteigende Rauch ist stark mit flüchtigen PAK angereichert und schlägt sich unmittelbar auf dem Grillgut nieder. Durch den Einsatz geschlossener Grillschalen, Elektrogrills oder das Braten in der Pfanne wird der direkte Fettkontakt mit der Hitzequelle unterbunden, was den Benzo[a]pyren-Gehalt um bis zu 90 % senkt. Untersuchungen belegen, dass stark verkohlte Geflügelhaut BaP-Werte von über 130 μg/kg aufweisen kann, während indirekt gegartes Fleisch Werte unter 0,5 μg/kg zeigt. Marinaden mit Zwiebeln, Knoblauch, Rosmarin und polyphenolreichem Bier hemmen die PAK-Adsorption zusätzlich um über 50 %.

Heterozyklische aromatische Amine stellen eine Familie potenter alimentärer Mutagene dar, die bei der Hochtemperaturbehandlung proteinreicher Lebensmittel, insbesondere Muskel- und Fischfleisch, entstehen. Im Gegensatz zu den PAK stammen HCA nicht aus äußerem Rauch, sondern bilden sich intrinsisch in der Kruste des Garguts. Sie entstehen durch komplexe Maillard-Reaktionen zwischen freien Aminosäuren, reduzierenden Zuckern und dem im Muskelgewebe vorhandenen Kreatin bzw. Kreatinin bei Temperaturen von über 150–200°C. Zu den toxikologisch bedeutsamsten Vertretern gehören PhIP (2-Amino-1-methyl-6-phenylimidazo[4,5-b]pyridin), 8-MeIQx und IQ, die im Ames-Test eine vielfach höhere mutagene Potenz als Benzo[a]pyren aufweisen.

Bislang wurden über 25 verschiedene heterozyklische aromatische Amine in erhitzten Lebensmitteln nachgewiesen. Die Hauptquellen in der menschlichen Ernährung sind gebratenes, gegrilltes oder geröstetes Rind-, Schweine-, Geflügel- und Fischfleisch. Erhebliche Konzentrationen finden sich zudem in krossem Frühstücksspeck (Bacon), Fleischextrakten, industriellen Brühwürfeln und Bratensaucen, die aus eingedicktem Bratensatz zubereitet werden. In pflanzlichen Lebensmitteln (abgesehen von stark gerösteten Sojaprodukten) kommen HCA praktisch nicht vor, da das für die Bildung unverzichtbare Kreatin bzw. Kreatinin in pflanzlichen Geweben fehlt.

Die quantitative Bildung von HCA wird primär von Garzeit, Oberflächentemperatur, Feuchtigkeit und der Dichte an Vorläufersubstanzen bestimmt. Unterhalb von 150°C verläuft die HCA-Synthese minimal, steigt jedoch zwischen 200°C und 300°C exponentiell an. Das Pan-Braten von Geflügel bei 190°C erzeugt etwa 30 ng/g PhIP, während eine Erhöhung auf 250°C oder direktes Grillen die Konzentration auf über 300 ng/g verzehnfachen kann. Auch die Fleischart spielt eine Rolle: Rind- und Schweinefleisch neigen aufgrund ihres Aminosäure- und Kreatingehalts zu höheren MeIQx-Konzentrationen als weißes Fleisch. Im Gegensatz dazu verhindern wasserbasierte, schonende Garmethoden wie Kochen, Dämpfen und Schmoren unter 100°C die HCA-Bildung nahezu vollständig.

Sowohl PAK als auch HCA sind Prokarzinogene, die erst durch körpereigene Enzyme des Cytochrom-P450-Systems (insbesondere CYP1A1, CYP1A2) und Phase-II-Enzyme (NAT2, SULT) toxikologisch bioaktiviert werden. Dabei entstehen hochreaktive Epoxide und Ester, die kovalente DNA-Addukte bilden und Mutationen in Schlüsselgenen wie TP53 auslösen. Epidemiologische Studien belegen ein gesteigertes Risiko für Kolon-, Magen- und Mammakarzinome bei hohem Konsum stark gebräunter Fleischwaren. Praktische Präventionsregeln in der Küche bieten verlässlichen Schutz: Verbrannte Fleischpartien konsequent entfernen, Grillgut auf Schalen statt über offener Glut garen, Fleisch vorab mit kräuter- und polyphenolreichen Marinaden (Rosmarin, Thymian, Knoblauch, Zitronensaft) behandeln und stets mit reichlich ballaststoff- und sulforaphanreichem Gemüse kombinieren, um körpereigene Entgiftungsenzyme zu aktivieren.