Bromelain

Bromelain gehört zu den Thiolproteasen und ist ein proteolytisches Enzym, das aus Ananas gewonnen wird und hauptsächlich in Stängeln und Früchten vorkommt. Je nach Extraktionsort wird Bromelain in Stängel‑Bromelain (EC 3.4.22.4 bzw. EC 3.4.4.24) und Frucht‑Bromelain (EC 3.4.22.5) unterteilt. Aufgrund seiner hohen biokatalytischen Aktivität findet Bromelain mit der fortschreitenden Verbesserung der Enzymreinigungstechnologien breite Anwendung in verschiedenen Industriebereichen. In der biochemischen Industrie kann Bromelain zur Herstellung von Käse, Gelatine und hydrolysierten Proteinen eingesetzt werden. In der Lebensmittelindustrie wird Bromelain als Lebensmittelzusatzstoff zur Fleischzartmachung und zur Bierklärung verwendet. In der pharmazeutischen Industrie wird Bromelain zur Behandlung von Ödemen und verschiedenen Entzündungen eingesetzt, da es Fibrin sowie Blutgerinnsel lösen kann. Bromelain ist für normales Gewebe unschädlich und beeinträchtigt Hauttransplantationen nicht, weshalb es sich für die Behandlung kleinflächiger tiefer Verbrennungen eignet.

Molekularstruktur

Bromelain ist ein Enzymsystem, das aus einer Vielzahl von Enzymen mit unterschiedlichen Molekulargewichten und Molekularstrukturen besteht, darunter mindestens fünf proteolytische Enzyme. Darüber hinaus weisen einige Bromelain‑Präparationen auch Phosphatase‑, Peroxidase‑, Cellulase‑, Glycosidase‑Aktivitäten sowie nichtproteinogene Bestandteile auf. Bromelain ist ein Glykoprotein mit einem Oligosaccharid in seiner Molekularstruktur, das aus Xylose, Fucose, Mannose und N‑Acetylglucosamin besteht. Ishihara und Yasuda et al. leiteten jeweils die Struktur des Oligosaccharidmoleküls von Bromelain ab.

Abbildung 1. Die von Ishihara und Yasuda et al. postulierte Molekularstruktur des Oligosaccharidmoleküls von Bromelain.

Eigenschaften

Der isoelektrische Punkt von Bromelain liegt bei 9,55, und die maximale Absorptionswellenlänge der Enzymlösung beträgt 280 nm. Aufgrund der Zusammensetzung aus mehreren Enzymmolekülen ist das katalytische Substratspektrum von Bromelain vielfältig. Es kann Proteine, Peptide, Ester und Amide spalten; seine proteolytische Aktivität ist mehr als zehnmal höher als die von Papain. Die für die Katalyse wesentliche funktionelle Gruppe ist nicht das Oligosaccharid, sondern die Sulfhydrylgruppe in der Peptidkette. Darüber hinaus sind die Carboxyl‑ und Hydroxylgruppen in der Molekularstruktur von Bromelain ebenfalls unabhängig von der Enzymaktivität. Die katalytische Aktivität von Bromelain wird durch pH‑Wert, Temperatur, Metallionen, EDTA und Reduktionsmittel beeinflusst. Der optimale pH‑Wert des Enzyms beträgt 7,1; der stabilste pH‑Bereich liegt bei 3,9–4,2; die optimale Reaktionstemperatur beträgt 55 °C. Mg²⁺ und Ca²⁺ wirken in hohen Konzentrationen hemmend auf die Bromelain‑Aktivität, in niedrigen Konzentrationen hingegen aktivitätsfördernd. EDTA kann die für die Bromelain‑Reaktion erforderlichen Metallionen chelatieren und dadurch die Aktivität von Bromelain reduzieren. Cystein‑Hydrochlorid erhöht innerhalb eines bestimmten Konzentrationsbereichs die Reaktionsgeschwindigkeit.

Stabilität

Bromelain ist ein Multi‑Enzym‑System. Aufgrund der unterschiedlichen Stabilität der einzelnen Enzyme ist die Anpassungsfähigkeit von Bromelain an Veränderungen der Umgebungsbedingungen sehr begrenzt, was die industrielle Herstellung zweifellos erheblich einschränkt. Zahlreiche Faktoren beeinflussen die Stabilität von Bromelain, darunter Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Bromelain kann sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Temperaturen inaktiviert werden. Der Aktivitätsverlust beträgt bei 4 °C über 6 Monate 5 %–10 %, bei Raumtemperatur liegt er bei bis zu 10 %–15 %. Unter Hochtemperaturbedingungen erhöht ein hoher Wassergehalt der Luft die strukturelle Flexibilität von Bromelain; die Autohydrolyse wird verstärkt, wodurch der Denaturierungsprozess beschleunigt wird. Bestimmte Metallionen, organische Carboxylate, Monosaccharide usw. können Bromelain in gewissem Umfang stabilisieren; dieser Effekt beruht auf der Stabilisierung seiner dreidimensionalen Konformation. Zudem bindet unmodifiziertes Polyethylenglykol nicht an Bromelain und verhindert im Reaktionssystem die Bindung von Bromelain an das katalytische Substrat, wodurch die Enzymaktivität reduziert wird. Wird Bromelain jedoch mit durch Bernsteinsäureanhydrid aktiviertem Polyethylenglykol chemisch modifiziert, ist die Stabilität des modifizierten Enzyms im Vergleich zu nativem Bromelain deutlich verbessert.

Anwendungen

• Anwendung von Bromelain im medizinischen Bereich

Bromelain zeigt eine gute Wirkung bei der Prävention und Behandlung von Diarrhö bei monogastrischen Tieren. Bromelain nutzt seine proteolytische Funktion, um die Rezeptoraktivität pathogener Stämme im Darmtrakt von Tieren zu hemmen und dadurch deren in vivo-Adhärenz zu reduzieren. In den meisten Fällen wird Bromelain in einem bestimmten Verhältnis mit anderen Arzneimitteln kombiniert, um optimale klinische Ergebnisse zu erzielen. Chlorpheniramin ist ein Antiallergikum, das in Kombination mit Bromelain ausgeprägte antiinflammatorische Effekte zeigt und eine histaminbedingte Erhöhung der Kapillarpermeabilität verhindert. Bei chronischer Prostatitis des Mannes ist die Behandlung mit Antibiotika plus magensaftresistenten Bromelain‑Tabletten signifikant wirksamer als Antibiotika allein.

• Anwendung von Bromelain in der Lebensmittelindustrie

Bromelain ist eine Thiolprotease, die direkt mit myofibrillären Proteinen interagiert, Fibrin und Bindegewebe hydrolysiert, Proteine zu niedermolekularen Peptiden und Aminosäuren abbaut, Muskelfilamente und Sehnenstrukturen aufbricht und Fleisch dadurch zart und weich macht. Die Verwendung von Bromelain zur Hydrolyse von Kollagen zur Herstellung von Gelatine kann Lebensmittel verdicken und emulgieren, den Anteil leicht verdaulicher und resorbierbarer Bestandteile erhöhen und eine therapeutische Wirkung entfalten.