Feruloylesterase

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Einführung

Pflanzenbiomasse ist eine ausgezeichnete erneuerbare Quelle für Biopolymere. Sie bietet die Möglichkeit zur Entwicklung und Produktion nachhaltiger Rohstoffe und Energie und passt perfekt zur Entwicklung einer biobasierten Wirtschaft. Lignocellulosehaltige Biomassen aus Landwirtschaft, Ernte, Forstabfällen, Energiepflanzen und marinen Algen werden alle als die erwarteten Rohstoffe für die moderne Bioethanol- und biochemische Produktion angesehen. Im Vergleich zur chemischen Umwandlung in der Bioethanolproduktion hat die enzymatische Hydrolyse von lignocellulosehaltiger Biomasse viele Vorteile, einschließlich der Verwendung nicht korrosiver Betriebsbedingungen; kein Substratverlust aufgrund chemischer Modifikation; umweltfreundlicher, usw.

Allerdings haben sich die Zellwände von Pflanzen entwickelt, um äußeren Faktoren, einschließlich mechanischem, thermischem, chemischem und biologischem Stress, zu widerstehen. Um verschiedene Arten von lignocellulosehaltigen Materialien effektiver zu depolymerisieren, sind eine Reihe von kohlenhydrataktiven und ligninwirksamen Enzymen erforderlich. Feruloylesterasen (FAEs, auch bekannt als Ferulasäure/Cinnamonsäureesterasen, EC 3.1.1.73) können Ferulasäurereste und Quervernetzungen von Polysacchariden entfernen. Sie fungieren als Hilfsenzyme, die anderen Enzymen helfen, ihre Wirkungsstätten während des Biomasseumwandlungsprozesses zu erreichen. Neben ihrer Rolle in der Bioethanolproduktion haben FAE und ihre hydrolytischen oder transesterifizierten Produkte Anwendungen in allen Bereichen der Biotechnologie, insbesondere als modifizierte natürliche Antioxidantien oder Vorläufer von Lebensmittelaromen. Daher haben Wissenschaft und Industrie ein erhebliches Interesse daran, neue FAEs mit neuen Eigenschaften zu entdecken.  

Industrielle Anwendungen von FAEs

Aufgrund ihrer Fähigkeit, Hydroxycinnamonsäure aus Pflanzenzellwänden zu entfernen, spielt FAE eine wichtige Rolle in verschiedenen biotechnologischen Prozessen. Bisher haben sich die FAE-bezogenen Anwendungen und Patente im Vergleich zu vor zehn Jahren fast verdoppelt. Hier betonen und heben wir die Anwendung von FAE in fünf Hauptbereichen hervor: (1) Biomassenverarbeitung, (2) Zellstoff und Papier, (3) Ferulasäure und verwandte Feinchemikalienproduktion, (4) Tierfutter, (5) Gewürze und alkoholische Getränke.

Abbildung 1. Schematische Übersicht über industrielle Anwendungen von FAEs (Dilokpimol, A.; et al.2016)

• Anwendung in der Biomassenverarbeitung

FAE wird als Hilfsenzym anerkannt, das für die Hydrolyse von lignocellulosehaltiger Biomasse für Bioethanol und andere Biorefinereien notwendig ist. Die Aktivität von FAEs in Kombination mit anderen Hydrolasen und Oxidasen auf Pflanzenbiomasse erhöht nicht nur den Abbau von Pflanzenmaterialien, sondern verbessert auch erheblich die Verfügbarkeit von fermentierbaren Kohlenhydraten und setzt toxische Ester und phenolische Verbindungen frei.

• Anwendungen in der Zellstoff- und Papierindustrie

Weißgrad ist ein wichtiges Merkmal von Holzstoff und steht in engem Zusammenhang mit der Qualität des Papiers. Der entscheidende Schritt beim Bleichen besteht darin, verbleibendes Lignin zu entfernen, um den Stoff weiß zu machen. Dieser Prozess verwendet gefährliche und teure Chemikalien und hat negative Auswirkungen auf die Umwelt. Im umweltfreundlichen biologischen Bleichprozess können FAEs in Kombination mit Xylanasen und Ligninoxidase eingesetzt werden, was nicht nur den Energieverbrauch reduziert, sondern auch die chemische Sauerstoffnachfrage (COD) des Zellstoffabwasser erheblich verringert.

• Anwendung in der Produktion von Ferulasäure und verwandten Feinchemikalien

Ferulasäure und andere Hydroxycinnamonsäuren sind phenolische Phytochemikalien, die in der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie weit verbreitet sind.

Obwohl die derzeit kommerziell produzierte Ferulasäure hauptsächlich aus Reisöl gewonnen wird, liegt der Fokus der modernen Technologie auf der Verwendung von FAEs und anderen hydrolytischen Enzymen zur Herstellung von Ferulasäure. Neben der Hydrolyse können FAEs auch estergebundene Hydroxycinnamonsäure durch die Ester-Austauschreaktion zwischen der organischen Gruppe einer Estergruppe (Donor) und der organischen Gruppe eines Alkohols (Akzeptor) synthetisieren.

Abbildung 2. Transferuloylierungsreaktion (Dilokpimol, A.; et al.2016)

• Anwendung in der Futtermittelindustrie

Faserverdaulichkeit ist das grundlegende Kriterium für Tierfutter. Unzureichende Verdauung kann das Wachstum von Tieren behindern und immunologischen Stress verursachen, was letztendlich die Rentabilität der Landwirte einschränkt. Die Zugabe von FAEs oder einer Mischung von Enzymen, die FAEs enthalten, kann die Verfügbarkeit von Hauptketten-abbauenden Enzymen verbessern, wodurch die Faserverdaulichkeit und die Bioverfügbarkeit von Phytonährstoffen erhöht werden.

• Anwendung in der Gewürz- und alkoholischen Getränkeindustrie

FAE wurde verwendet, um unerwünschte Geschmäcker/gerüche zu entfernen und das Aroma verschiedener Gewürze und alkoholischer Getränke zu verbessern. Geschmack und Geruch sind die Schlüsselfaktoren für den Erfolg der Premium-fermentierten Gewürz- und alkoholischen Getränkeindustrie. FAE kann im Saccharifizierungsprozess als FAE-produzierender Koji (Reis-Schimmelpilzkulturstarter) verwendet und zusammen mit Xylanase und Cellulase hinzugefügt werden, wodurch die Freisetzung von Ferulasäure aus den Zellwänden von Reis und anderen Getreiden erhöht wird, und schließlich in aromatische Derivate im Prozess der Fermentation und Reifung umgewandelt wird.