Einsatz von Enzymen in der Stärkeverarbeitung

Enzyme sind Biokatalysatoren, die von lebenden Zellen gebildet werden, um spezifische biochemische Reaktionen zu katalysieren, und finden Anwendung in zahlreichen Bereichen, darunter organische Synthese, klinische Analytik, Pharmazeutika, Wasch- und Reinigungsmittel, Lebensmittelherstellung und Fermentation. In diesem Beitrag geben wir einen kurzen Überblick über den aktuellen Kenntnisstand zu industriell relevanten Enzymen in der Stärkeverarbeitungsindustrie. Industriell wird Stärke zur Herstellung verschiedener Verbindungen eingesetzt. Einige davon werden chemisch hergestellt, andere ausschließlich enzymatisch. Enzyme zur Stärkeverarbeitung werden anhand ihres Wirkmechanismus in zwei Gruppen eingeteilt. Die erste Gruppe umfasst Hydrolasen, die glykosidische Bindungen unter Wasserverbrauch endo- oder exo-spaltend hydrolysieren. Die zweite Gruppe umfasst Glucanotransferasen, die eine glykosidische α-1,4-Bindung spalten und neue glykosidische α-1,4- oder α-1,6-Verknüpfungen bilden.

Bedeutung von Stärke

Stärke ist das wichtigste Reservekohlenhydrat höherer Pflanzen und liegt in Form wasserunlöslicher Granula vor. Es handelt sich um ein heterogenes Polysaccharid, das aus zwei hochmolekularen Komponenten besteht: Amylose und Amylopektin. Diese beiden Polymere unterscheiden sich in Struktur und physikalischen Eigenschaften. Stärkehaltige landwirtschaftliche Biomasse kann als leistungsfähiges Substrat zur Herstellung verschiedener wichtiger bioaktiver Verbindungen bzw. Produkte dienen, z. B. flüssiger oder gasförmiger Kraftstoffe, Futterproteine und Chemikalien, wobei Mais, Weizen, Hafer, Reis, Kartoffeln und Maniok als wesentliche Substrate eingesetzt werden. Stärke ist ein bedeutender Bestandteil der menschlichen Ernährung und kann zudem chemisch und enzymatisch zu einer Vielzahl unterschiedlicher Produkte verarbeitet werden, wie Stärkehydrolysaten, Glukosesirupen, Fruktose, Maltodextrin-Derivaten oder Cyclodextrinen, die in der Lebensmittelindustrie verwendet werden.

Typen von Enzymen zur Stärkeverarbeitung

Da das Stärkepolymer eine komplexe Struktur aufweist, ist für den Abbau in kleinere Einheiten bzw. für die Übertragung oligo-glykosidischer Bindungen oder die Bildung neuer Bindungen eine Enzymkombination erforderlich. Die wichtigsten Enzyme, die üblicherweise in der Biotechnologie und auch in der Stärkeverarbeitung eingesetzt werden, werden als Amylasen bezeichnet. In einer Klassifikation werden Stärke-enzymatische Systeme in zwei Gruppen eingeteilt: a) Hydrolasen, die glykosidische Bindungen unter Wasserverbrauch 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 Enzymen zur Stärkeverarbeitung in der Lebensmittelindustrie sind in Tabelle 1 dargestellt.

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

Anwendung	Enzyme
Stärkeverflüssigung	α-Amylase
Stärkeverzuckerung	α-Amylase, Glucoamylase, Pullulanase, Isoamylase, maltogene Amylase
Bäckereindustrie	α-Amylase
Anti-Staling (Verzögerung der Brotalterung)	α-Amylase, β-Amylase, Pullulanase, debranching Enzyme, branching Enzyme, maltogene Amylase, Glucoamylase, Cyclodextrin-Glucanotransferasen
Produktion von Cycloamylose	α-Glucanotransferasen

Anwendungen von Amylasen

Amylasen verfügen über zahlreiche potenzielle Anwendungen in einer Reihe industrieller Prozesse, darunter die Herstellung von Glukose und Fruktose zur Sirupproduktion, die industrielle Ethanolproduktion unter Einsatz verschiedener stärkehaltiger Rohstoffe wie Mais, Weizen und Kartoffeln; der Weizmann-Prozess zur Herstellung von Aceton und Butanol durch amylolytische und saccharolytische Aktivitäten; die Milchsäureproduktion aus Maltose und Dextrose, die aus hydrolysierter Maisstärke gewonnen werden; die Verflüssigung in Kombination mit der Gelatinierung viskoser Stärkegranula in der Zuckerindustrie; moderne Brotbackverfahren; Anwendungen in der Molekularbiologie; die Behandlung von Abwässern aus der Stärkeverarbeitung usw. Amylasen, insbesondere alkalische Amylasen, werden in Wasch- und Reinigungsmitteln eingesetzt. In gewissem Umfang werden Amylasen auch verwendet, um die diastatische Aktivität von Mehl zu ergänzen und die Verdaulichkeit bestimmter Futtermittelkomponenten zu verbessern.

Literatur

Verwandte Dienstleistungen

Industrielle Enzymproduktion

Verwandte Produkte

Anwendungen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie
Gesundheit, Ernährung und Diätetik

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R.K. Pandey, L. Tewari. Microbial Enzymes involved in starch Processing industries. Scholarly Journal of Biological Science. Vol. 4(1), pp. 1-3, January 2015.
S. Esmaeili, Zohreh Noorolahi. APPLICATION OF STARCH PROCESSING ENZYMES IN FOOD TECHNOLOGY-A REVIEW. September 2017, Carpathian Journal of Food Science and Technology. 9(3):114-127.