Effect of precursors and thermal processing on acrylamide formation in synthetic potato models. Validation with potato cultivars
Authors:   , Bachir Nivine 
Published: July 2024

(English) Acrylamide is a toxic compound and is classified as a probable human carcinogen. In recent decades, international organizations have established levels of safety for ingestion due to its harmful effects endangering human health. It is found in a variety of commonly consumed foods, such as bread, baby snacks/food, and French fries/potato chips. The present thesis focused on formulating simple synthetic potato-based models with different combinations of amino acids and sugars to study in depth the interaction of acrylamide’s precursors, the effect of temperature (170 and 190 ? ) and the method of cooking (deep frying vs air frying) on acrylamide formation after thermal treatment. Acrylamide, asparagine, and sugars were quantified using GC-FID, K-ASNAM kit, and HPLC; respectively. Results showed that reducing sugars (fructose and glucose) and asparagine were the major contributors to acrylamide formation after thermal processing. In addition, the synthetic prototype model of composition: (39-41%) water, (60%) potato starch, (0.07%) glucose, (0.04%) fructose, (0.11%) sucrose, (0.25%) glutamine, (0.6%) asparagine, (4.8%) sodium alginate, and agar-agar (1.2%) had the healthiest combination of sugars and amino acids after heat treatment since it does not contain acrylamide. We also highlighted the mitigation role played by glutamine in the synthetic models, which was also confirmed in our prototype model. All glutamine-based models as well as our prototype did not contain acrylamide, hence, glutamine was not considered a major contributor in Maillard reaction compared to other precursors. Moreover, sodium alginate showed to decrease the formation of acrylamide through the interference of sodium cation found in sodium alginate in the Maillard reaction steps. On the other hand, temperature did not have any statistical significance on acrylamide formation; contrarily to cooking technique where air frying significantly decreased the production of acrylamide compared to deep frying. Additionally, we applied the results obtained from simple models on potato cultivars (Agria, Kennebec, and Monalisa) in order to better understand these interactions but in real food matrix. Results revealed that all potato cultivars produced acrylamide after frying in different concentrations with the least amount detected in Monalisa.
Following that, for the purpose of facilitating the prediction of acrylamide for the food industry sector, we opted at adopting NIR spectroscopy after validating the results with GC-FID, and allocating acrylamide peaks in potato products. Hence, peaks at around 4439-4477 cm-1 were found to be present in common amongst all the samples, hence corresponding to acrylamide peak (standard acrylamide peak: 4439 cm-1). Moreover, the relationships between acrylamide and acrylamide precursors in the raw form (before thermal treatment) were illustrated for the three potato cultivars for example in Monalisa potato cultivar the linear regression equation was (Acrylamide concentration (µg/kg)=Glutamine (80.28)+Asparagine (58.57)+Glucose (38.25)+Sucrose (107.36)+fructose (204.83)+(-284.98)).
Finally, the proposed potato-starch based prototype might be considered as a healthy promising potato snack, along with the glutamine-based models; yet future work is needed to concentrate on their organoleptic characteristics.
(Español) La acrilamida es un compuesto tóxico y está clasificado como probable carcinógeno humano. En las últimas décadas, organismos internacionales han establecido niveles de seguridad para la ingestión. Se encuentra en una variedad de alimentos de consumo común, como pan, refrigerios/alimentos para bebés y patatas fritas. La presente tesis se ha centrado en formular modelos simples a base de patata para estudiar en profundidad la interacción de los precursores de la acrilamida (azucares y aminoácidos), el efecto de la temperatura (170 y 190 ? ) y el método de cocción (fritura tradicional vs fritura al aire). Acrilamida, asparagina, glutamina y azúcares (glucosa, fructosa y sacarosa) se cuantificaron mediante GC-FID; kit K- ASNAM y HPLC; respectivamente. Los resultados obtenidos en los diferentes modelos utilizados han mostrado que los azúcares reductores (fructosa y glucosa) y la asparagina han sido los principales contribuyentes a la formación de acrilamida después del procesamiento térmico; y que en la combinación usada de azucares y aminoácidos en el modelo sintético prototipo de composición: (39-41%) agua, (60%) almidón de patata, (0,07%) glucosa, (0,04%) fructosa, (0,11%) sacarosa, (0,25%) glutamina, (La asparagina al 0,6 %), el alginato de sodio (4,8 %) y el agar-agar (1,2 %) no ha permitido detectar acrilamida. Destacando el papel de mitigación que desempeña la glutamina en nuestros modelos, ya que en ninguno de las formulaciones se ha podido detectar acrilamida; por lo tanto, atendiendo a estos resultados no se la ha considerado un contribuyente importante en la reacción de Maillard en comparación con los otros precursores. Además, el alginato de sodio ha demostrado reducir la formación de acrilamida a través de la interferencia del catión sodio en algunos de los pasos de la reacción de Maillard. Las temperaturas utilizadas (170-190 ºC) no han tenido significancia estadística sobre la formación de acrilamida; al contrario de la técnica de cocción, donde la fritura al aire disminuyó significativamente (p<0.05) la producción de acrilamida en comparación con la fritura en aceite. Al aplicar los resultados obtenidos de modelos sintéticos simples a cultivares de patata (Agria, Kennebec y Monalisa), los resultados han indicado que todos los cultivares utilizados han producido acrilamida en diferentes concentraciones, siendo la variedad Monalisa la que ha producido menos cantidad de acrilamida. Posteriormente, con el fin de facilitar la predicción de acrilamida, optamos por aplicar la espectroscopia NIR después de validar los resultados con GC-FID encontrando que los picos de alrededor de 4439-4477 cm-1 presentes en todas las muestras, se correspondían con el pico de acrilamida patrón (4439 cm-1). Además, se han encontrado ¡relaciones entre la acrilamida y sus precursores antes del tratamiento térmico para los tres cultivares de patata. , La ecuación de regresión lineal para la variedad Monalisa fue (Concentración de acrilamida (µg/kg)=Glutamina (80.28)+Asparagina (58.57)+Glucosa (38.25)+Sacarosa (107.36)+fructosa (204.83)+(-284.98)). Finalmente, el prototipo propuesto basado en fécula de patata podría considerarse como un tentempié de patata prometedor y saludable, junto con los modelos basados en glutamina; sin embargo, se necesita trabajo futuro para concentrarse en sus características organolépticas.