α-Amylase

Alpha-Amylase (α-Amylase, E.C.3.2.1.1) ist ein Enzym, das die Hydrolyse von internen α-1,4-glycosidischen Bindungen in Stärke und Glykogen katalysiert und dabei Glucose-, Maltose- und Maltotriose-Einheiten erzeugt. Es ist die Hauptform der Amylase, die im Menschen und anderen Säugetieren vorkommt. Es wird auch von vielen Pilzen ausgeschieden und ist in Samen vorhanden, die Stärke als Nahrungsreserve enthalten. Amylasen gehören zu den wichtigsten Enzymen und sind von großer Bedeutung für die Biotechnologie, da sie eine Klasse industrieller Enzyme darstellen, die etwa 25 % des weltweiten Enzymmarktes ausmachen und potenzielle Anwendungen in einer Vielzahl von industriellen Prozessen wie Lebensmittel-, Fermentations-, Textil-, Papier-, Reinigungsmittel- und Pharmaindustrie haben.

Quellen

Amylasen sind weit verbreitet in Tieren, Pilzen, Pflanzen und kommen auch in den einzelligen Eukaryoten, Bakterien und Archaeen vor. Ptyalin, eine speicheldrüsliche α-Amylase (α-1,4-α-D-glucan-4-glucanohydrolase), ist eines der wichtigsten Enzyme im Speichel. Es ist bekannt, dass es hauptsächlich an der Einleitung der Verdauung von Stärke in der Mundhöhle beteiligt ist. Pilzquellen von α-Amylase beschränken sich auf terrestrische Isolate, hauptsächlich auf Aspergillus-Arten und nur auf wenige Arten von Penicillium, wobei P. brunneum eine davon ist. Die pilzliche Quelle, die überwiegend für die kommerzielle Produktion von α-Amylase verwendet wird, sind die Stämme von Aspergillus spp. Aspergillus oryzae, A. niger und A. awamori sind die am häufigsten verwendeten Arten für die kommerzielle Produktion unter mehreren anderen. α-Amylase kann von verschiedenen Bakterienarten produziert werden, aber für kommerzielle Anwendungen wird α-Amylase hauptsächlich aus der Gattung Bacillus gewonnen. α-Amylasen, die aus Bacillus licheniformis, Bacillus stearothermophilus und Bacillus amyloliquefaciens produziert werden, finden potenzielle Anwendungen in einer Reihe von industriellen Prozessen wie in der Lebensmittel-, Fermentations-, Textil- und Papierindustrie. Pflanzenquellen wurden bisher nicht als bedeutende Quelle für diese Enzyme betrachtet.

Struktur

Trotz der großen Unterschiede in den Eigenschaften mikrobieller α-Amylasen liegen ihre Molekulargewichte normalerweise im gleichen Bereich von 40-70 kDa, während das höchste Molekulargewicht von α-Amylasen, 210 kDa, für Chloroflexus aurantiacus berichtet wurde. Das niedrigste Molekulargewicht von α-Amylase wurde mit 10 kDa für Bacillus caldolyticus angegeben. α-Amylasen aus verschiedenen Organismen teilen etwa 30 % Identität in der Aminosäuresequenz und gehören alle zur gleichen Glycosyl-Hydrolase-Familie 13 (GH-13-Familie von Proteinen).

Die Amylase hat eine dreidimensionale Struktur, die in der Lage ist, an Substrate zu binden und durch die Wirkung hochspezifischer katalytischer Gruppen den Bruch der glycosidischen Bindungen zu fördern. Die menschliche α-Amylase ist ein klassisches calciumhaltiges Enzym, das aus 512 Aminosäuren in einer einzigen Oligosaccharidkette mit einem Molekulargewicht von 57,6 kDa besteht. Das Protein enthält 3 Domänen: A, B und C. Diese Domänen sind allgemein in allen α-Amylasen zu finden. Die A-Domäne bildet die Kernstruktur mit einem (β/α)8-Fass. Die B-Domäne besteht aus einem Blatt von vier antiparallelen β-Strängen mit einem Paar antiparalleler β-Stränge. Lange Schleifen sind zwischen den β-Strängen zu beobachten. Innerhalb der B-Domäne befindet sich die Bindungsstelle für Ca²⁺-Na⁺-Ca²⁺. Die Domäne C, die aus acht β-Strängen besteht, ist zu einer globulären Einheit zusammengefügt, die ein griechisches Schlüsselmotiv bildet. Sie enthält auch die dritte Ca²⁺-Bindungsstelle in Verbindung mit der Domäne A. Auf der C-terminalen Seite der β-Stränge des (β/α)8-Fasses in der Domäne A befindet sich die aktive Stelle.

Produktion

Die Unterwasserfermentation (SmF) und die Feststofffermentation (SSF) sind die beiden Hauptmethoden, die für die kommerzielle Produktion von α-Amylase verwendet werden. SmF verwendet frei fließende flüssige Substrate wie Melasse und Brühen. Die in der Fermentation erzeugten Produkte werden in die Fermentationsbrühe ausgeschieden. Die Substrate müssen ständig aufgefrischt werden, da sie relativ schnell verbraucht werden. Diese Fermentationstechnik ist für Mikroorganismen geeignet, die einen hohen Feuchtigkeitsgehalt für ihr Wachstum benötigen, wie Bakterien. SmF wird hauptsächlich für die Extraktion von sekundären Metaboliten verwendet, die in flüssiger Form verwendet werden müssen. SSF ist eine Methode, die für Mikroben verwendet wird, die weniger Feuchtigkeit für ihr Wachstum benötigen. Die in dieser Methode häufig verwendeten festen Substrate sind Kleie, Bagasse und Papierbrei. Der Hauptvorteil besteht darin, dass nährstoffreiche Abfallmaterialien leicht recycelt und als Substrate in dieser Methode verwendet werden können. Daher wird SSF als vielversprechende Methode für die kommerzielle Produktion von Enzymen angesehen.

Industrielle Anwendung

Die am weitesten verbreiteten Anwendungen von α-Amylasen sind in der Stärkeindustrie, die für die Hydrolyse von Stärke im Stärkeverflüssigungsprozess verwendet werden, der Stärke in Fructose- und Glukosesirupe umwandelt. Der Einsatz von Enzymen in der Formulierung von Reinigungsmitteln verbessert die Fähigkeit der Reinigungsmittel, hartnäckige Flecken zu entfernen und macht das Reinigungsmittel umweltfreundlich. Amylasen sind die zweite Art von Enzymen, die in der Formulierung von enzymatischen Reinigungsmitteln verwendet werden, und 90 % aller flüssigen Reinigungsmittel enthalten diese Enzyme. Die Textilindustrie verwendet umfangreich Alpha-Amylasen, um die Stärke zu hydrolysieren und zu solubilisieren, die dann aus dem Stoff gewaschen wird, um die Steifheit der Endprodukte zu erhöhen. Mehr als 70 % des Brotes in den USA, Russland und europäischen Ländern enthalten Alpha-Amylase. Amylasen spielen eine wichtige Rolle in Backwaren. Diese Enzyme können dem Brotteig hinzugefügt werden, um die Stärke im Mehl in kleinere Dextrine abzubauen, die anschließend von der Hefe fermentiert werden. Die Zugabe von α-Amylase zum Teig führt zu einer Erhöhung der Fermentationsrate und einer Verringerung der Viskosität des Teigs, was zu Verbesserungen im Volumen und in der Textur des Produkts führt.

Referenzen