1

Food Toxicology

Somchai Yanarojana

Department of Pharmacology,

Faculty of Science, Mahidol university

Toxicant - the specific poisonous chemical.

Xenobiotic - man-made substance and/or produced by but not normally found in the body.

Toxicology

What is toxicology? The study of the effects of poisons.

Poisonous substances

are produced by plants, animals, or bacteria.

Phytotoxins Zootoxins

Bacteriotoxins

Toxicology is arguably the oldest scientific discipline, as the earliest humans had to recognize which plants were safe to eat.

Most exposure of humans to chemicals is via naturally occurring compounds consumed from food plants.

Humans are exposed to chemicals both inadvertently and deliberately.

Toxicology • The science that deals with the adverse effects of

chemicals on living organisms and assesses probability of their occurrence.

Food toxicology

is the study of the nature, properties, effects, and detection of toxic substances in food, and their disease manifestation in humans.

2

Swiss physician Paracelsus (1493-1541)

credited with being “the father of modern toxicology.”

“All substances are poisons: there is none which is not a poison. The right dose differentiates a poison from a remedy.”

The Dose Makes the Poison

An apparently nontoxic chemical

can be toxic at high doses. (Too

much of a good thing can be

bad).

Highly toxic chemicals can be life

saving when given in appropriate

doses. (Poisons are not harmful

at a sufficiently low dose).

Lethal Doses

Source: Marczewski, A.E., and Kamrin, M. Toxicology for the citizen, Retrieved August 17, 2000

from the World Wide Web: www.iet.msu.edu/toxconcepts/toxconcepts.htm.

Approximate Lethal Doses of Common Chemicals

(Calculated for a 160 lb. human from data on rats)

Chemical Lethal Dose

Sugar (sucrose) 3 quarts

Alcohol (ethyl alcohol) 3 quarts

Salt (sodium chloride) 1 quart

Herbicide (2, 4-D) one half cup

Arsenic (arsenic acid) 1-2 teaspoons

Nicotine one half teaspoon

Food poison (botulism) microscopic

3

• Acute vs. Chronic

• Allergic (hypersensitivity)

• Idiosyncratic (e.g. G6PD def.)

• Local vs. Systemic

• Reversible vs. Irreversible

Type of Toxic Response Acute Toxicity:

(short-term exposure)

T I M E : M i n u t e s o r H o u r s

T h r e s h o l d C o n c e n t r a t i o n

B l o

o d

o r

T i s

s u

e

C

o n

c e

n t r

a t i o

n

S Y M P T O M S

Chronic Toxicity:

(repeated exposures)

x

T h r e s h o l d c o n c e n t r a t i o n

S Y M P T O M S

T I M E : W e e k s , m o n t h s , y e a r s

B l o

o d

o r

T i s

s u

e

C o

n c

e n

t r a t

i o n

x

x

x

x

x

x

x

Examples : Chronic Effects

• Carcinogens: – Cause cancer

• Mutagens: – Cause mutations in an organism’s genetic material

• Teratogens: – cause birth defects in offspring following exposure of a

pregnant female

4

Dose-response relationship: LEAD

Decreased erythrocyte delta-ALAD activity

Increased zinc protoporphyrin

Anemia

CNS effects

Decreased peripheral nerve conductivity

Nervous paralysis, lead colics

Foodborne Diseases

Infections

Poisonous

Animal

Tissues

Poisonous

Plant

Tissues

Chemical

Poisoning

Intoxications

Microbial

Intoxications

Other Neurotoxins Enterotoxins

Toxicoinfection Invasive Infection

Intestinal

Mucosa

Systemic Other

Tissues or

Organs

(Muscle,

Liver, Joints,

Fetus, Other) Mycotoxins

(Fungal

Toxins)

Algal Toxins Bacterial

Toxins

Diarrhogenic Emetic Enterotoxins Neurotoxins Other

Food-borne illness

• term used to describe the adverse health effects associated with the consumption of

– biological, (including parasites)

– chemical and

– physical hazards in food.

• More than 200 diseases are spread through food

Food-borne illness

• Each day millions of people become ill and thousands die from a preventable food-borne disease

• WHO estimate: Worldwide 5 – 10% of the population suffer from food-borne illnesses annually

• Food-borne diseases are increasing worldwide

5

Food Poisoning

• Most food-borne diseases food poisoning

• any condition in which a food causes a toxic reaction

• Generally: affecting the stomach and intestines = gastrointestinal disease resulting from bacterial (or sometimes viral) contamination of foods

Food Poisoning

• Other causes:

– fungal spoilage mycotoxins

– a toxin naturally present in the food

– pesticide residues

– contamination with industrial chemicals

– a toxin acquired by the food as a result of

natural accident (such as contamination

of fish or shellfish by ‘red tide’)

6

High-Risk Foods

• Cooked poultry

• Cooked meats

• Dairy produce (milk, cream, etc.)

• Soups, sauces and stocks

• Shellfish, sea food

• Cooked rice • Dishes containing eggs.

Low-Risk Foods

• Dried or pickled Foods

• Chemically-preserved foods

• Foods with high sugar content

• Food with high salt content

Ten Main Reasons for Outbreak of Food Poisoning 1. Food prepared too far in advance, and stored at warm temperature.

2. Cooling food too slowly prior to refrigeration.

3. Not reheating food to high enough temperatures to destroy food

poisoning bacteria.

4. The use of cooked food contaminated with food poisoning bacteria.

5. Under cooking.

6. Not thawing frozen poultry and meat for sufficient length of time.

7. Cross-contamination from raw food to cooked food.

8. Storing hot food below 63ºC.

9. Infected food handlers.

10. Use of leftovers.

Bacterial Food Poisoning

• contamination of foods with bacteria that do not cause any obvious spoilage,

• food is still apparently fit to eat,

• but may contain hazar-dous amounts of harmful organisms or toxins

Bacterial Food Poisoning (2)

or

• sufficient numbers of bacteria to cause an infection

• Some bacteria already have infected the animal or plant

7

Symptoms

• in other cases there may be a delay of several days, or even weeks, before there are any signs of infection

• The symptoms poisoning range from mild diarrhea, through severe diarrhea and vomiting, to potentially life-threatening illness.

• In some cases the symptoms develop within a few hours of eating the contaminated food

Food-poisoning Organisms

• With most food-poisoning organisms, an intake of several thousand is required for infection,

• but consumption of as few as 10 of the virulent entero-haemorrhagic E.coli strain 0157 can cause life-threatening illness.

Causes Of Food Poisoning

• The way animals are raised + crops cultivated

• The way in which the food is handled and prepared

• esp. lack of food hygiene + personal hygiene

• Inadequate cooking of contaminated raw food (under-cooking)

Bacillus cereus: causes the "Fried Rice Syndrome"

Causes ... (2)

• Inadequate reheating

• Keeping cooked food at temperatures that favor the growth of bacteria

• Cross-contamination between raw and cooked food

• Poor personal hygiene in food handlers

8

Major food-borne illnesses

• Salmonellosis

• Campylo-bacteriosis

• E.coli infection, esp. E.coli O157

• Listeriosis

• Cholera

(WHO ranking)

Special case: Botulism

Salmonellosis

• Transmitted through contaminated poultry, eggs, and certain other foods

• Also found on citrus fruits

• Causes abdominal pain, fever, nausea and vomiting, and diarrhea

Incubation period is 8 to 48 hours, and an attack may last from three to seven days

Salmonella

• Usually destroyed by adequate cooking

• Some types can lead to typhoid fever

• The bacteria survives in dried food

Campylobacter jejuni

• probably most common bacterial cause of gastroenteritis worldwide

• incidence of human campylobacter infections has been steadily increasing

Gastroenteritis inflammation of the lining membrane of the stomach and the intestines

characterized especially by nausea, vomiting, diarrhea, and cramps

9

Campylobacter jejuni

• Bacteria, which is naturally part of the intestinal microflora

• Can be caused by cross-contamination during food preparation

Campylobacteriosis

• Most people who become ill develop diarrhea,

• cramping, abdominal pain and fever

• Symptoms: anywhere from 2 to 5 days after consuming a contaminated food

Campylobacteriosis

• Poultry (raw chicken) is recognized as the primary pathway

• other sources include unpasteurized milk and non-chlorinated water

• common in cattle, pigs and other animals

Control of Campylobacter

• Aim: to develop strategies to control campylobacter in the food supply "from farm to fork"

• campylobacter can be reduced: natural feed ingredients (additive) caprylic acid

• naturally found in coconut and breast milk antifungal and antibacterial properties

10

Escherichia coli Infection

• Some 5 million E. coli bacteria normally inhabit intestinal tract

• Vital to processing vitamins in the diet

• Several strains are pathogenic and cause gastroenteritis

• Strain E. coli 0157:H7 potentially fatal form of food poisoning

E. coli 0157:H7

• Outbreaks in the US

linked to spinach and other leafy vegetables

• E.coli 0157:H7 probably originates from cattle

Botulism

• Caused by a toxin produced by the bacteria Clostridium botulinum

• especially dangerous because a large number of people can be poisoned by eating a batch of contaminated food

• derived from the soil, grows in many meats and vegetables

• Develops in anaerobe conditions such as canned food

Food contaminant

• Food contaminant (สารปนเปอนในอาหาร) – สารเคมใดๆ กตามทมในอาหาร และมผลเสยตอสขภาพของผทรบประทาน

อาหาร

• ทมา – ธรรมชาต - aflatoxin – ตกคางจากกระบวนการผลต - ยาฆาแมลง – ปนเปอนในสงแวดลอม - โลหะหนก – การเตมแตงโดยมนษย - สารกนบด สารฟอรมาลน

สผสมอาหาร สารใหความหวาน

11

Aflatoxin

• มาจากเชอรา Aspergillus flavus

• Aflatoxin (af-luh-tok-sin) มาจาก A. flavus toxin • พบไดทไหน

– ถว เชน ถวลสง

– พบไดในธญพช (grain) อนๆ เชน ขาว ขาวโพด ขาวฟาง

• การปนเปอนของสาร aflatoxin พบไดทวไป สงทแตกตางกนคอ ระดบทปนเปอน (ตงแต 1 μg/kg จนถง 12 mg/kg)

• Outbreak: India (1970s, molded corn)

Malaysia (1995, contaminated noodle)

Aflatoxin

• ปรมาณ aflatoxin ในคนไทย

– ในผใหญ พบ 5-2510 mg AF equivalent/ml และพบผทไดรบพษสงสดในกรงเทพ (วารสารกรมวทย 2537)

– ในเดก พบ 1.2-59.0 pg/mg ของ albumin มคาเฉลยท 18.8 pg/mg (วารสารโรคมะเรง 2552)

– ป 2547 (2004) ตรวจพบถวลสงในเขตกรงเทพมปรมาณ aflatoxin เกนกวามาตรฐานถงรอยละ 56.5

(Proceedings of KU annual conference ป 2005)

พษของ Aflatoxin

• Metabolite ทมพษมากทสดคอ aflatoxin B1 ทจบกบ DNA หรอ RNA และท าใหการสงเคราะหโปรตนในเซลลผดปกต

• พษเฉยบพลน

– Aflatoxicosis – vomiting, abdominal pain,

pulmonary edema,

fatty infiltration & necrosis of liver

• พษเรอรง

– เปนตนเหตใหเกด mutation ของยน p53 (tumor suppressor gene)

– Hepatocellular carcinoma

วธการตรวจหาระดบ Aflatoxin

• ซรม – Aflatoxin-albumin adduct

(เปน aflatoxin ทไดรบกอนเจาะเลอด 2-3 เดอน)

• ปสสาวะ – Aflatoxin-N7-guanine adduct

(เปน aflatoxin ทไดรบเมอ 24-48 ชวโมงทผานมา)

– Aflatoxin M1

12

ยาฆาแมลง (Insecticides)

• แบงตาม chemical structure

– Organophosphate, Carbamate – SCPM252

• Malathion, Parathion

• Hyperactivity of parasympathetic system (Cholinergic toxicity by inhibiting cholinesterase enzyme)

• Acute: miosis (มานตาหดเลก), salivation, urination, diarrhea

• Chronic: delayed neurotoxicity

– Organochlorine

• DDT

• พษตอระบบประสาท (CNS depression & excitation)

Pesticide poisoning

• ดดซมไดดเมอไดรบโดยการกน

• อาจไดรบจากทางผวหนง หรอการสดดม

• เกดการสะสมจากอาหาร

ไดรบจากการประกอบอาชพ

เปน accidental poisoning

หรอเปน self-poisoning (suicide)

โลหะหนกในอาหาร • ปรอท แคดเมยม ตะกว ดบก สารหน ทองแดง สงกะส และเหลก

ทมา Jarup, Br Med Bull 2003

Cadmium • ทมา

– ควนบหร

– อาหาร (ทางหลกในผทไมสบบหร)

– การปนเปอนในสงแวดลอม เชน จงหวดตาก (พ.ศ. 2549)

• พษ – Kidney damage เรมจาก tubular dysfunction ตามดวย

irreversible tubular damage

– Long term exposure => low bone density & fracture

=> Itai-itai (ouch-ouch) disease (โรคอไต อไต)

พบในญปนในชวงป ค.ศ. 1950s

13

Mercury • ทมา

– อาหาร โดยเฉพาะจากปลา • ปลาบางชนดมปรอทสงเชน ปลาทนา ปลากระพง ปลาฉลาม

– จาก dental amalgam

• การปนเปอน – Minamata disease (โรคมนามาตะ) ในญปนในชวงป ค.ศ. 1950s ท

เกดจากการปนเปอนในปลา

– ในอรก ในชวงป ค.ศ. 1970s ทเกดจากการปนเปอนในเมลดธญพช (grain)

Mercury • พษ

– Nervous system damage • เรมตนเกด parestesias & numbness ทมอและเทา • ตอมามปญหาดานการมองเหนและการไดยน

– High dose => ตายภายใน 2-4 สปดาหหลงจากมอาการ – มผลตอการเจรญเตบโตของทารกในครรภ

• ทารกมความไวตอปรอทมากกวาผใหญ

• หญงมครรภควรหลกเลงการรบประทานปลาทมปรอทสง

Arsenic • ทมา

– ปนเปอนในแหลงน า

– น าดมและอาหาร

• พษเฉยบพลน (ไดรบในปรมาณมาก) – อาการทางระบบทางเดนอาหาร ระบบหวใจ และระบบประสาท และตายใน

ทสด

– ในผรอดชวต จะม bone marrow depression, haemolysis, hepatomegaly, polyneuropathy และ encephalopathy

Arsenic • พษเรอรง

– เพมความเสยงในการเปน cancer ไดแก cancer ทปอด ไต กระเพาะปสสาวะ และผวหนง

– ม skin lesion เชน hyperkeratosis มการเปลยนแปลงของ pigmentation

14

วตถเจอปนอาหาร (Food additive)

• สารกนบด (preservative)

• Formalin

• สผสมอาหาร (food coloring)

• สารใหความหวาน (artificial sweetener)

Myth or Scientific evidences ?

สารกนบด (Food preservative)

• Sodium benzoate,

สารกลม paraben (p-hydroxybenzoic acid),

BHA (butylated hydroxyanisole),

BHT (butylated hydroxytoluene)

• Food allergy

– Chronic urticaria (idiosyncratic reaction)

แตเปนการศกษาทออกแบบไมด ท าใหไมมหลกฐาน ทแนชด

สารกนบด (Food preservative) • สารกลม Paraben ผลตอการเพม breast cancer incidence

และการเกด male infertility

– Paraben • มฤทธเปน weak estrogenic activity (in vitro)

และ androgen antagonist activity (in vitro)

[จบกบ estrogen และ androgen receptor]

• ยบยง mitochondrial respiratory capability

• ยบยงการสราง testosterone และขดขวาง male reproductive function ในสตวทดลอง

ฟอรมาลน (Formalin)

• ใชฆาเชอโรค (germicide) และฆาเชอรา (fungicide) และเปนน ายาดองศพ

• พบในปลา อาหารทะเล ผก

• การบรโภค formalin ท าใหระคายเคองและปวดแสบปวดรอนทปากและคอ ปวดทองอยางรนแรง อาเจยน อจจาระรวง หมดสต และตายในทสด

• ผทมความไวตอสารนจะแสดงอาการปวดศรษะ หายใจตดขด แนนหนาอก

15

สผสมอาหาร (Food coloring)

• Erythrosine (FD&C Red #3) – ยบยงการเปลยน thyroxine เปน triiodothyronine ท าใหเกด

hyperstimulation ของ thyroid gland

– FDA ถอเปน carcinogen

– แตใชในปรมาณทนอยท าใหเชอวาไมนาเปนปญหาทรายแรงตอสขภาพ จงยงมการใชกนอย

• Tartrazine (FD&C Yellow #5) – Chronic urticaria (idiosyncratic reaction)

– Asthma (idiosyncratic reaction)

– พ.ศ. 2549 พบในชาจากประเทศมาเลเซย

สผสมอาหาร (Food coloring)

• Three most widely used dyes

– Red 40, Yellow 5, and Yellow 6

– contaminated with cancer-causing substances

• http://www.cbsnews.com/8301-504763_162-20009228-10391704.html

สารใหความหวาน (Artificial sweetener)

• Saccharin – Sweet’N Low®

• Aspartame

– Equal®, sweetener in Diet soda i.e. Diet Coke®

• Sodium cyclamate

– sweetener in Diet soda i.e. Coke Zero®

• Sucralose – Splenda®

• Steviol glycoside (Stevioside) – Stevia (หญาหวาน)

Artificial sweeteners

• Non-digestible sugar substitute = calorie free

• Saccharin 300 times sweeter than sugar

Aspartame 180 times sweeter than sugar

Cyclamate 30-50 times sweeter than sugar

Sucralose 600 times sweeter than sugar

Stevioside 40-300 times sweeter than sugar

• Health concern => Cancer!!!

16

Saccharin

• 1972 – Saccharin ท าใหเกด bladder cancer ในหนทดลอง สงผลใหผลตภณฑทม saccharin ตองตดค าเตอนในฉลาก

• Saccharin ไมถก metabolize ไมถก activate ไมไปท าใหเกด DNA adduct จงคาดวา saccharin ท าใหเกด structural disturbance

• แตจากการทไมพบความเชอมโยงระหวาง saccharin และการเกดมะเรงในการศกษาทางระบาดวทยา (human epidemiological studies) ในชวงระยะเวลาถง 20 ป

• 2001 – US FDA ประกาศวา “Safe for consumption”

Aspartame

• Aspartame Aspartic acid +

Phenylalanine +

Methanol +

Diketopiperazine

• Aspartic acid

– อาจท าใหเกด brain damage จากการเพมขนของ aspartate (excitatory neurotransmitter) ในเลอด

– แตไมพบผลพษจาก aspartic acid ทเปน metabolite ของ aspartame ในมนษย

Hydrolysis

Aspartame • Phenylalanine

– อาจมผลตอผทเปน phenylketonuria (PKU) ทไมสามารถ metabolize phenylalanine ได

– นม (milk) มระดบของ aspartic acid มากกวาน าอดลมกระปองถง 13 เทา มระดบของ phenylalanine มากกวาน าอดลม 6 เทา

• Methanol – ท าใหเกด metabolic acidosis และ ocular damage

– แตตองดมน าอดลมทม aspartame 240-600 ลตร

• Diketopiperazine – มในระดบทต ามาก ไมท าใหเปนพษ

Sweetener & Cancer

• มรายงานวา ท าใหเกด cancer ในสตวทดลอง • ไมมรายงานจากการศกษาทางระบาดวทยาในมนษยวา การไดรบ

aspartame, cyclamate, sucralose หรอ stevioside มความเชอมโยงระหวางกบการเกดมะเรง