Anwendung von Enzymen in der Stärkeverarbeitung

Enzyme sind Biokatalysatoren, die von lebenden Zellen produziert werden, um spezifische biochemische Reaktionen hervorzurufen, die in vielen Bereichen Anwendung finden, darunter organische Synthese, klinische Analytik, Pharmazeutika, Waschmittel, Lebensmittelproduktion und Fermentation. In diesem Artikel stellen wir kurz das aktuelle Verständnis der industriell wichtigen Enzyme in der Stärke verarbeitenden Industrie vor. In der Industrie wird Stärke zur Herstellung verschiedener Verbindungen verwendet. Einige davon werden durch chemische Methoden hergestellt, andere ausschließlich durch Enzyme. Stärke verarbeitende Enzyme werden basierend auf ihrer Funktionsweise in zwei Gruppen eingeteilt. Die erste Gruppe sind Hydrolasen, die glykosidische Bindungen durch Wasser als Endo- und Exoenzyme hydrolysieren. Die zweite Gruppe sind Glucanohydrolasen, die eine glykosidische α-1,4-Bindung spalten und neue glykosidische α-1,4- oder α-1,6-Bindungen erzeugen.

Bedeutung von Stärke

Stärke ist ein wichtiges Reservekohlenhydrat höherer Pflanzen und liegt in Form von wasserunlöslichen Granulaten vor. Es handelt sich um ein heterogenes Polysaccharid, das aus zwei hochmolekularen Bestandteilen namens Amylose und Amylopektin besteht. Diese beiden Polymere besitzen unterschiedliche Strukturen und physikalische Eigenschaften. Die landwirtschaftliche Biomasse, die Stärke enthält, kann als potentes Substrat für die Herstellung verschiedener wichtiger bioaktiver Verbindungen oder Produkte wie flüssige oder gasförmige Brennstoffe, Futterproteine und Chemikalien verwendet werden, wobei Mais, Weizen, Hafer, Reis, Kartoffeln und Maniok als wichtige Substrate dienen. Stärke als wichtiger Bestandteil der menschlichen Ernährung kann auch chemisch und enzymatisch zu einer Vielzahl unterschiedlicher Produkte wie Stärkehydrolysate, Glukosesirupe, Fruktose, Maltodextrinderivate oder Cyclodextrine verarbeitet werden, die in der Lebensmittelindustrie Verwendung finden.

Arten von stärkeverarbeitenden Enzymen

Da das Stärkepolymer eine komplexe Struktur aufweist, ist eine Kombination von Enzymen erforderlich, um es in kleinere Teile zu zerlegen, oligo glykosidische Bindungen zu übertragen oder neue Bindungen zu schaffen. Die wichtigen Enzyme, die üblicherweise im Bereich der Biotechnologie und auch bei der Stärkeverarbeitung eingesetzt werden, werden als Amylasen bezeichnet. In einer Kategorie werden Stärkenzyme in zwei Gruppen eingeteilt: a) Hydrolasen, die glykosidische Bindungen durch Wasser auf zwei Arten – endo und exo – hydrolysieren; b) Glucanotransferasen, die eine α-1,4-Bindung spalten und neue α-1,4- oder α-1,6-Bindungen erzeugen.

Die meisten kommerziellen Anwendungen von stärkeverarbeitenden Enzymen in der Lebensmittelindustrie sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1. Kommerzielle stärkeverarbeitende Enzyme. (S. Esmaeili, et al. 2017)

Anwendung	Enzyme
Stärkeverflüssigung	α-amylase
Stärkeverzuckerung	α-amylase, Glucoamylase, Pullulanase, Isoamylase, maltogene Amylase
Backindustrie	α-amylase
Anti-Altbackenheit	α-amylase, β-amylase, Pullulanase, debranchierende Enzyme, verzweigende Enzyme, maltogene Amylase, Glucoamylase, Cyclodextrin-Glucanotransferasen
Cycloamylose-Herstellung	α-Glucanotransferasen

Anwendungen von Amylasen

Amylasen haben viele potenzielle Anwendungen in einer Reihe von industriellen Prozessen, darunter die Herstellung von Glukose und Fruktose für Sirup, industrielle Ethanolproduktion unter Verwendung verschiedener stärkehaltiger Materialien wie Mais, Weizen und Kartoffeln; Weizmann-Prozess zur Herstellung von Aceton und Butanol durch amylolytische und saccharolytische Aktivitäten; Milchsäureproduktion durch Maltose und Dextrose, die aus hydrolysierter Maisstärke gewonnen werden; die Verflüssigung zusammen mit der Gelatinierung von viskosen Stärkegranulaten in der Zuckerindustrie; in modernen Brotbacktechniken; in der Molekularbiologie; Behandlung von Abwässern aus der Stärkeverarbeitung, usw. Amylasen, insbesondere alkalische Amylasen, werden in Waschmitteln eingesetzt. Bis zu einem gewissen Grad werden Amylasen auch verwendet, um die diastatische Aktivität von Mehl zu ergänzen und die Verdaulichkeit einiger Futtermittelzutaten zu verbessern.

Referenzen

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R.K. Pandey, L. Tewari. Mikrobielle Enzyme, die in der Stärkeverarbeitungsindustrie eingesetzt werden. Scholarly Journal of Biological Science. Bd. 4(1), S. 1-3, Januar 2015.
S. Esmaeili, Zohreh Noorolahi. ANWENDUNG VON STÄRKEVERARBEITUNGSENZYMEN IN DER LEBENSMITTELTECHNOLOGIE – EIN ÜBERBLICK. September 2017, Carpathian Journal of Food Science and Technology. 9(3):114-127.