Amylasen

Amylasen sind Enzyme, die Stärke in Zucker abbauen. Stärke ist eine Form komplexer Kohlenhydrate, bestehend aus Glukosemolekülen, die über glykosidische Bindungen verknüpft sind. Amylasen wirken, indem sie die Bindungen zwischen diesen Glukoseeinheiten spalten und Stärke in einfachere Zucker wie Maltose, Dextrin und Glukose umwandeln. Diese kleineren Zucker lassen sich von Organismen deutlich leichter resorbieren. Amylasen spielen eine wesentliche Rolle in zahlreichen biologischen Prozessen, einschließlich des Kohlenhydratstoffwechsels. Darüber hinaus werden sie in der industriellen Herstellung, z. B. in der Brauerei, Bäckerei, Textilindustrie und in Wasch- und Reinigungsmitteln, breit eingesetzt.

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Arten von Amylasen

Amylasen werden anhand der hydrolysierten Bindungstypen und der entstehenden Produkte klassifiziert. Die wichtigsten Amylase-Typen sind:

• α-Amylase (EC 3.2.1.1): α-Amylase ist der häufigste Amylase-Typ und kommt in Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen vor. Sie wirkt auf interne α-1,4-glykosidische Bindungen in Stärkemolekülen und spaltet diese in kleinere Fragmente wie Dextrine, Maltose und Glukose. α-Amylase wirkt endo-aktiv, d. h. sie kann Bindungen an zufälligen Stellen innerhalb des Stärkemoleküls spalten; daher ist α-Amylase eine Endoamylase. Sie zeigt ihre optimale Aktivität bei neutralem bis leicht alkalischem pH-Wert und ist ein Schlüsselenzym u. a. in der Brauindustrie sowie in der 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 zur α-Amylase – Stärkemoleküle vom nicht reduzierenden Ende der Kette aus, indem sie α-1,4-glykosidische Bindungen spaltet und Maltose freisetzt. Sie wirkt exo-aktiv (d. h. sie entfernt jeweils zwei Glukoseeinheiten von den nicht reduzierenden Enden der Stärkekette), wodurch β-Amylase eine Exoamylase ist. β-Amylase ist zudem für die Stärkeverzuckerung in der Brau- und Backindustrie relevant.

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

• γ-Amylase (EC 3.2.1.3): γ-Amylase ist weniger verbreitet als α- und β-Amylase und wird überwiegend von Mikroorganismen, einschließlich Pilzen, produziert. Dieses Enzym hydrolysiert sowohl α-1,4- als auch α-1,6-glykosidische Bindungen und spaltet Stärke, Glykogen sowie verwandte Polysaccharide zu Glukosemolekülen. γ-Amylase gehört – wie β-Amylase – zur Familie der Exoamylasen. γ-Amylase kann unter stärker sauren 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-glukosidische Bindungen sukzessive von den nicht reduzierenden Enden der Ketten und setzen β-D-Glukose frei. Die meisten Enzymformen können 1,6-α-D-glukosidische Bindungen rasch hydrolysieren, wenn die nächste Bindung in der Sequenz 1,4 ist; einige Präparationen hydrolysieren zudem 1,6- und 1,3-α-D-glukosidische Bindungen in anderen Polysacchariden.

Quellen von Amylasen

Amylasen werden von einer Vielzahl von Organismen produziert, darunter:

• Pflanzen: Samen enthalten viele Amylasen, insbesondere während der Keimung. Samen speichern Stärke als Kohlenhydratreserve; während der Keimung bauen Amylasen diese ab, um Energie für den sich entwickelnden Pflanzenembryo bereitzustellen.
• Tiere: Die Hauptquellen von Amylase bei Säugetieren sind die Speicheldrüsen und das Pankreas. Speichelamylase (Ptyalin) beim Menschen (native humane α-Amylase) initiiert die Stärkeverdauung in der Mundhöhle, und die Pankreasamylase setzt diese im Dünndarm fort.
• Mikroorganismen: Amylasen werden aus Bakterien, Pilzen und Hefen gewonnen. Mikrobielle Amylasen eignen sich aufgrund der einfachen Herstellung, Kosteneffizienz und vielfältigen funktionellen Eigenschaften besonders für industrielle Anwendungen. Spezies wie Aspergillus (native Aspergillus oryzae α-Amylase), Bacillus (native Bacillus amyloliquefaciens α-Amylase) und Saccharomyces werden häufig zur Produktion industrieller Amylasen eingesetzt.
• 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 von Amylasen und ihrer Fähigkeit, Stärke abzubauen, werden sie heute in zahlreichen Bereichen eingesetzt. Zu den wichtigsten Anwendungen zählen:

Lebensmittel- und Getränkeindustrie

• Backwaren: Amylasen werden in der Backindustrie eingesetzt und dem Brotteig zugesetzt, um die Hefegärung zu unterstützen sowie die Weichheit und Haltbarkeit von Backwaren zu verbessern. Durch die Umwandlung von Stärke in Zucker stellen Amylasen eine kontinuierliche Versorgung mit vergärbaren Zuckern bereit, die von Hefen zu Kohlendioxid umgesetzt werden, wodurch der Teig aufgeht.
• Brauen: Während der Fermentation in der Brauerei wandeln Amylasen die Stärke in Getreide wie Gerste in Zucker um. Diese Zucker werden anschließend durch Hefen zu Alkohol vergoren. α-Amylase und β-Amylase sind zudem maßgeblich für das richtige Verhältnis von vergärbaren zu nicht vergärbaren Zuckern im Endprodukt, was Geschmack und Alkoholgehalt des Bieres beeinflusst.
• Zuckerherstellung: Amylasen in der Zuckerindustrie, wie α-Amylase und Glucoamylase (native Rhizopus sp. Glucoamylase), bauen Stärke aus Rohstoffen wie Mais und Kartoffeln zu einfacheren Zuckern ab, um z. B. Glukose-Fruktose-Sirup (HFCS) herzustellen. Dieser enzymatische Prozess ermöglicht höhere Ausbeuten und Reinheiten, maximiert die Stärkeausnutzung und ist effizienter sowie nachhaltiger als die Säurehydrolyse. Zudem reduzieren Amylasen den Energiebedarf, da hohe Temperaturen und aggressive Chemikalien entfallen.

Wasch- und Reinigungsmittelindustrie

Amylasen werden in Wasch- und Geschirrspülmitteln eingesetzt, da sie stärkehaltige Flecken, z. B. aus Saucen, Kartoffeln oder Pasta, abbauen. Amylasen entfernen diese Flecken effektiver, indem sie die Stärkemoleküle in wasserlösliche Zucker zerlegen, die ausgewaschen werden können.

Textilindustrie

Amylasen werden in der Textilindustrie eingesetzt, um stärkehaltige Schlichtemittel während bzw. nach dem Webprozess aus Geweben zu entfernen. Schlichten schützen Fasern vor Beschädigungen beim Weben, müssen jedoch vor dem Färben oder der Ausrüstung entfernt werden. Amylasen hydrolysieren die Stärke, sodass sie leicht ausgespült werden kann – für ein saubereres Finish und eine bessere Farbstoffaufnahme.

Zellstoff- und Papierindustrie

Amylasen werden in der Zellstoff- und Papierindustrie eingesetzt, um Stärkebeschichtungen zu modifizieren und die Papierqualität zu verbessern. Stärke wird Papier häufig zugesetzt, um die Festigkeit zu erhöhen; überschüssige Stärke kann jedoch die Flexibilität reduzieren. Amylasen werden benötigt, um überschüssige Stärke abzubauen und dadurch die Qualität des Endprodukts zu verbessern, indem Festigkeit und Bedruckbarkeit erhöht werden.

Biokraftstoffproduktion

Amylasen sind für Biokraftstoffe wie Ethanol von zentraler Bedeutung. In der Biokraftstoffproduktion werden pflanzliche Rohstoffe wie Mais oder Weizen einer enzymatischen Verzuckerung (Saccharifizierung) unterzogen, bei der Amylasen Stärke in vergärbare Zucker umwandeln. Diese Zucker werden anschließend durch Hefen oder andere Mikroorganismen zu Ethanol fermentiert. Der Einsatz von Amylasen erhöht die Ausbeute, da Stärke schneller abgebaut wird und Energie eingespart werden kann.

Abwasserbehandlung

Amylasen verbessern die Abwasserbehandlung, indem sie stärkehaltige Verunreinigungen in einfachere Zucker abbauen, die von Mikroorganismen in Behandlungssystemen leicht metabolisiert werden. Dieser enzymatische Abbau reduziert den biochemischen Sauerstoffbedarf (BSB), verhindert Sauerstoffzehrung in Gewässern und schützt aquatische Organismen. In Belebtschlammsystemen beschleunigen Amylasen zudem die mikrobielle Umsetzung, indem sie große Stärkemoleküle spalten, wodurch der Abbau organischer Substanz beschleunigt und die Behandlungseffizienz erhöht wird.

Biotechnologie und Forschung

Amylasen werden in vielfältigen biotechnologischen Anwendungen und Forschungsstudien eingesetzt, z. B. zur Untersuchung der Enzymkinetik, im Protein Engineering und bei der Analyse metabolischer Signal- und Stoffwechselwege. Darüber hinaus werden Amylasen in Diagnostik-Kits verwendet, um Stärkegehalte in Lebensmitteln oder biologischen Proben zu bestimmen.

Pharmazeutische Industrie

Amylasen spielen eine wichtige Rolle in der pharmazeutischen Industrie. Sie werden häufig in Verdauungsenzympräparaten eingesetzt, insbesondere für Personen mit unzureichender endogener Produktion von Pankreasamylase. Solche Präparate können den Abbau von Stärke erleichtern und die Nährstoffresorption bei Verdauungsstörungen verbessern. Amylasen sind zudem in der Arzneimittelherstellung nützlich, da sie stärkehaltige Hilfsstoffe modifizieren können, sodass sich Arzneiformen leichter lösen und eine verbesserte Wirksamkeit erzielt werden kann.

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

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