Amylasen

Amylasen sind Enzyme, die Stärke in Zucker abbauen. Stärke ist eine Art komplexes Kohlenhydrat, ein Kohlenhydrat, das aus Glukosemolekülen besteht, die durch glykosidische Bindungen verbunden sind. Amylasen wirken, indem sie die Bindungen zwischen diesen Glukoseeinheiten brechen und Stärke in einfachere Zucker wie Maltose, Dextrin und Glukose umwandeln. Diese kleineren Zucker sind für Organismen viel einfacher aufzunehmen. Amylasen spielen eine wesentliche Rolle in vielen Aspekten der Biologie, einschließlich des Kohlenhydratstoffwechsels. Sie werden auch in der Fertigungsindustrie, wie z.B. in der Brauerei, beim Backen, in der Textilindustrie und bei Reinigungsmitteln, weit verbreitet eingesetzt.

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Arten von Amylasen

Amylasen werden basierend auf den Arten von Bindungen, die sie hydrolysieren, und den Produkten, die sie erzeugen, kategorisiert. Die Haupttypen von Amylasen sind:

• α-Amylase (EC 3.2.1.1): α-Amylase ist die häufigste Art von Amylase und kommt in Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen vor. Sie wirkt auf interne α-1,4-glykosidische Bindungen in Stärkemolekülen und zerlegt sie in kleinere Fragmente wie Dextrine, Maltose und Glukose. α-Amylase wirkt in einer endo-aktiven Weise, was bedeutet, dass sie Bindungen an zufälligen Stellen innerhalb des Stärkemoleküls spalten kann, daher ist α-Amylase eine Endoamylase. Sie arbeitet am besten bei neutralem bis leicht alkalischem pH-Wert und ist ein Schlüsselenzym in Industrien wie Brauerei, Lebensmittel- und Textilverarbeitung.

Abb. 1: Struktur und enzymatische Wirkung von α-Amylasen. A. Bacillus licheniformis α-Amylase (PDB-Code: 1BLI). B. α-Amylasen katalysieren die Hydrolyse interner α-1,4-glykosidischer Bindungen in Polysacchariden zu niedermolekularen Produkten wie Glukose, Maltose und Maltotriose-Einheiten.

• β-Amylase (EC 3.2.1.2): β-Amylase kommt hauptsächlich in Pflanzen und einigen Mikroben vor, jedoch nicht in Tieren. β-Amylase spaltet im Gegensatz zu α-Amylase Stärkemoleküle am nicht reduzierenden Ende der Kette und bricht α-1,4-glykosidische Bindungen auf, um Maltose zu öffnen. Sie wirkt exo-aktiv (d.h. sie entfernt zwei Glukoseeinheiten von den nicht reduzierenden Enden der Stärkekette), wodurch β-Amylase eine Exoamylase ist. β-Amylase ist auch nützlich für die Stärkesaccharifizierung in der Brau- und Backindustrie.

Abb. 2: Struktur und enzymatische Wirkung von β-Amylasen. A. Bacillus cereus β-Amylase (PDB-Code: 1VEM). B. β-Amylasen oder maltogene Amylasen wirken am nicht reduzierenden Ende von Stärke, Glykogen und verwandten Polysacchariden und Oligosacchariden, um β-Maltose (zwei Glukoseeinheiten) durch Inversion zu spalten.

• γ-Amylase (EC 3.2.1.3): γ-Amylase ist weniger verbreitet als α- und β-Amylase und wird hauptsächlich von Mikroorganismen, einschließlich Pilzen, produziert. Dieses Enzym hydrolysiert sowohl α-1,4- als auch α-1,6-glykosidische Bindungen und hydrolysiert Stärke, Glykogen und verwandte Polysaccharide in Glukosemoleküle. γ-Amylase ist, wie β-Amylase, ein Mitglied der Exoamylase-Familie. γ-Amylase kann unter saurerem Bedingungen als andere Amylasen arbeiten und wird daher in bestimmten industriellen Reaktionen eingesetzt.

Abb. 3: Struktur und enzymatische Wirkung von γ-Amylasen. A. Thermoactinomyces vulgaris γ-Amylase (PDB-Code: 2DFZ). B. γ-Amylasen hydrolysieren terminale 1,4-α-D-glucosidische Bindungen nacheinander von den nicht reduzierenden Enden der Ketten und setzen β-D-Glukose frei. Die meisten Formen der Enzyme können schnell 1,6-α-D-glucosidische Bindungen hydrolysieren, wenn die nächste Bindung in der Sequenz 1,4 ist, und einige Präparate dieses Enzyms hydrolysieren 1,6- und 1,3-α-D-glucosidische Bindungen in anderen Polysacchariden.

Quelle der Amylasen

Amylasen werden von einer Vielzahl von Organismen produziert, einschließlich:

• Pflanzen: Samen sind voller Amylasen, insbesondere während der Keimungsphase. Samen speichern Stärke als Kohlenhydratspeicher, und während der Keimung bauen Amylasen sie ab, um Energie für den sich entwickelnden Pflanzenembryo bereitzustellen.
• Tiere: Die Hauptquellen von Amylase bei Säugetieren sind die Speicheldrüsen und die Bauchspeicheldrüse. Speichelenzym Amylase (Ptyalin) bei Menschen (native menschliche α-Amylase) beginnt die Stärkeverdauung im Mund, und die Bauchspeicheldrüsenamylase setzt sie im Dünndarm fort.
• Mikroorganismen: Amylasen stammen von Bakterien, Pilzen und Hefen. Mikrobielle Amylasen sind aufgrund ihrer einfachen Produktion, Kosteneffektivität und vielfältigen funktionalen Rollen ideal für den industriellen Einsatz geeignet. Arten wie Aspergillus (native Aspergillus oryzae α-Amylase), Bacillus (native Bacillus amyloliquefaciens α-Amylase) und Saccharomyces werden häufig zur Herstellung industrieller Amylasen verwendet.
• Insekten: Einige Insekten, insbesondere solche, die sich von stärkehaltigen Materialien wie Getreide und Blättern ernähren, produzieren Amylasen, um pflanzliche Stärke effizient zu verdauen.

Anwendungen von Amylasen

Aufgrund der Vielfalt der Amylasen und ihrer Fähigkeit, Stärke abzubauen, werden sie jetzt in vielen Bereichen eingesetzt. Einige der wichtigsten Anwendungen sind:

Lebensmittel- und Getränkeindustrie

• Backen: Amylasen werden in der Backindustrie eingesetzt, wo sie dem Brotteig hinzugefügt werden, um die Hefefermentation zu unterstützen und die Weichheit und Haltbarkeit von Backwaren zu verbessern. Durch die Umwandlung von Stärke in Zucker bieten Amylasen eine kontinuierliche Versorgung mit fermentierbaren Zuckern, die die Hefe in Kohlendioxid umwandelt und den Teig aufgehen lässt.
• Brauerei: Während der Fermentation von Bieren wandeln Amylasen die Stärke in Getreide wie Gerste in Zucker um. Diese Zucker werden dann von Hefe fermentiert, um Alkohol zu produzieren. α-Amylase und β-Amylase sind auch dafür verantwortlich, das richtige Verhältnis von fermentierbaren zu nicht fermentierbaren Zuckern im Endprodukt aufrechtzuerhalten, was den Geschmack und den Alkoholgehalt des Bieres beeinflusst.
• Zuckerproduktion: Amylasen in der Zuckerindustrie, wie α-Amylase und Glucoamylase (native Rhizopus sp. Glucoamylase), bauen Stärke aus Pflanzen wie Mais und Kartoffeln in einfachere Zucker ab, um hochfruktosehaltigen Maissirup zu produzieren. Dieser enzymatische Prozess führt zu höheren Erträgen und einer höheren Reinheit des Zuckers, maximiert die Nutzung von Stärke und ist effizienter und nachhaltiger als die Säurehydrolyse. Amylasen sparen auch Energie, indem sie die Notwendigkeit hoher Temperaturen und aggressiver Chemikalien beseitigen.

Reinigungsmittelindustrie

Amylasen werden in Wasch- und Geschirrspülmitteln eingesetzt, da sie stärkehaltige Flecken, wie sie von Saucen, Kartoffeln oder Pasta stammen, abbauen. Amylasen in Reinigungsmitteln entfernen diese Flecken effektiver, da sie die Stärkemoleküle in lösliche Zucker zerlegen, die waschbar sind.

Textilindustrie

Amylasen in der Textilindustrie entfernen stärkehaltige Größenmittel aus Stoffen während des Webens. Größenmittel schützen die Fasern vor Beschädigungen während des Webprozesses, müssen jedoch vor dem Färben oder Veredeln entfernt werden. Amylasen hydrolysieren die Stärke und spülen sie leicht aus, um ein saubereres Finish und eine bessere Farbabgabe zu erzielen.

Zellstoff- und Papierindustrie

Amylasen werden in der Zellstoff- und Papierindustrie eingesetzt, um die Stärkebeschichtung zu modifizieren und die Papierqualität zu verbessern. Stärke wird häufig dem Papier hinzugefügt, um die Festigkeit zu erhöhen, aber überschüssige Stärke kann die Flexibilität verringern. Amylasen sind erforderlich, um überschüssige Stärke zu entfernen, wodurch die Qualität des Endprodukts verbessert wird, indem seine Festigkeit und Druckfähigkeit erhöht werden.

Biofuelproduktion

Amylasen sind entscheidend für Biokraftstoffe wie Ethanol. Bei der Biokraftstoffproduktion durchlaufen pflanzliche Materialien wie Mais oder Weizen eine enzymatische Saccharifizierung, bei der Amylasen Stärke in fermentierbare Zucker umwandeln. Diese Zucker werden dann von Hefe oder anderen Mikroorganismen zu Ethanol fermentiert. Der Einsatz von Amylasen in der Biokraftstoffproduktion erhöht die Erträge, indem sie die Stärke schneller abbauen und Energie sparen.

Abwasserbewirtschaftung

Amylasen verbessern die Abwasserbehandlung, indem sie Störstoffe aus Stärke in einfachere Zucker abbauen, die von Mikroorganismen in Behandlungssystemen leicht metabolisiert werden können. Dieser enzymatische Abbau reduziert den biologischen Sauerstoffbedarf (BOD), verhindert die Sauerstoffverarmung in Gewässern und schützt das aquatische Leben. In aktivierten Schlamm-Systemen beschleunigen Amylasen auch die mikrobielle Verdauung, indem sie große Stärkemoleküle abbauen, was den Abbau organischer Stoffe beschleunigt und die Behandlungseffizienz verbessert.

Biotechnologie und Forschung

Amylasen werden in einer Vielzahl von biotechnologischen Anwendungen und Forschungsstudien eingesetzt. Zum Beispiel werden sie in der Untersuchung der Enzymkinetik, der Proteinengineering und der Stoffwechselwege verwendet. Amylasen werden auch in Diagnosetests verwendet, um den Stärkegehalt in Lebensmitteln oder biologischen Proben zu messen.

Pharmaindustrie

Amylasen spielen eine wichtige Rolle in der Pharmaindustrie. Sie werden häufig in Verdauungszusätzen für Menschen verwendet, die nicht genügend Bauchspeicheldrüsenamylase produzieren. Diese Ergänzungen können es Menschen mit Verdauungsproblemen erleichtern, Stärke abzubauen und Nährstoffe effektiver aufzunehmen. Amylasen sind auch nützlich in der Arzneimittelherstellung. Sie helfen, stärkehaltige Inhaltsstoffe so zu modifizieren, dass Medikamente leichter aufgelöst werden und effektiver sind.

Abb. 4: Anwendungen von Amylase (Lim et al., 2023).

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