Feruloylesterase

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Einleitung

Pflanzliche Biomasse ist eine hervorragende erneuerbare Quelle für Biopolymere. Sie eröffnet Möglichkeiten für die Entwicklung und Herstellung nachhaltiger Rohstoffe und Energieträger und fügt sich nahtlos in den Aufbau einer biobasierten Wirtschaft ein. Lignozellulosische Biomassen aus Landwirtschaft, Ernterückständen, forstwirtschaftlichen Reststoffen, Energiepflanzen und marinen Algen gelten als die erwarteten Rohstoffe für die moderne Bioethanol- und biochemische Produktion. Im Vergleich zur chemischen Umwandlung in der Bioethanolherstellung bietet die enzymatische Hydrolyse lignozellulosischer Biomasse zahlreiche Vorteile, darunter nicht-korrosive Prozessbedingungen, kein Substratverlust durch chemische Modifikation sowie eine höhere Umweltverträglichkeit usw.

Allerdings haben sich pflanzliche Zellwände evolutionär so entwickelt, dass sie externen Einflüssen widerstehen, einschließlich mechanischer, thermischer, chemischer und biologischer Belastungen. Um unterschiedliche Arten lignozellulosischer Materialien effizienter zu depolymerisieren, ist eine Reihe kohlenhydrataktiver sowie ligninabbauender Enzyme erforderlich. Feruloylesterasen (FAEs, auch als Ferulasäure-/Zimtsäureesterasen bezeichnet, EC 3.1.1.73) können Ferulasäurereste und Quervernetzungen aus Polysacchariden entfernen. Sie wirken als Hilfsenzyme (Accessory Enzymes) und erleichtern anderen Enzymen während der Biomassekonversion den Zugang zu ihren Wirkort(en). Neben ihrer Rolle in der Bioethanolproduktion finden FAE sowie ihre Hydrolyse- oder Transesterifizierungsprodukte Anwendungen in zahlreichen Bereichen der Biotechnologie, insbesondere als modifizierte natürliche Antioxidanzien oder als Vorstufen von Lebensmittelaromen. Daher besteht in Wissenschaft und Industrie ein erhebliches Interesse an der Identifizierung neuer FAEs mit neuartigen Eigenschaften.

Industrielle Anwendungen von FAEs

Aufgrund ihrer Fähigkeit, Hydroxyzimtsäuren aus pflanzlichen Zellwänden zu entfernen, spielt FAE eine wichtige Rolle in verschiedenen biotechnologischen Prozessen. Bis heute haben sich FAE-bezogene Anwendungen und Patente im Vergleich zu vor zehn Jahren nahezu verdoppelt. Im Folgenden betonen und beleuchten wir die Anwendung von FAE in fünf wesentlichen Bereichen: (1) Biomasseverarbeitung, (2) Zellstoff und Papier, (3) Herstellung von Ferulasäure und verwandten Feinchemikalien, (4) Futtermittel, (5) Würzmittel sowie alkoholische Getränke.

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

• Anwendung in der Biomasseverarbeitung

FAE wird als notwendiges Hilfsenzym für die Hydrolyse lignozellulosischer Biomasse in der Bioethanolproduktion und in weiteren Bioraffinerieprozessen anerkannt. Die Aktivität von FAEs in Kombination mit anderen Hydrolasen und Oxidasen an pflanzlicher Biomasse erhöht nicht nur den Abbau pflanzlicher Materialien und verbessert die Verfügbarkeit fermentierbarer Kohlenhydrate erheblich, sondern setzt auch toxische Ester und phenolische Verbindungen frei.

• Anwendungen in der Zellstoff- und Papierindustrie

Der Weißgrad ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal von Holzzellstoff und eng mit der Papierqualität verknüpft. Der Schlüsselschritt beim Bleichen besteht darin, Restlignin zu entfernen, um den Zellstoff aufzuhellen. Dieser Prozess erfordert gefährliche und kostenintensive Chemikalien und wirkt sich nachteilig auf die Umwelt aus. Im umweltfreundlichen biologischen Bleichprozess können FAEs in Kombination mit Xylanasen und Lignin-oxidasen eingesetzt werden, wodurch nicht nur der Energieverbrauch reduziert, sondern auch der chemische Sauerstoffbedarf (CSB) des Abwassers aus der Zellstoffherstellung signifikant gesenkt wird.

• Anwendung bei der Herstellung von Ferulasäure und verwandten Feinchemikalien

Ferulasäure und andere Hydroxyzimtsäuren sind phenolische Phytochemikalien, die in der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie breit eingesetzt werden.

Obwohl kommerziell verfügbare Ferulasäure derzeit überwiegend aus Reiskeimöl gewonnen wird, liegt der Schwerpunkt moderner Technologien auf der Nutzung von FAEs und anderen hydrolytischen Enzymen zur Herstellung von Ferulasäure. Neben der Hydrolyse können FAEs auch estergebundene Hydroxyzimtsäuren durch Umesterung (Ester-Austauschreaktion) zwischen der organischen Gruppe einer Esterfunktion (Donor) und der organischen Gruppe eines Alkohols (Akzeptor) synthetisieren.

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

• Anwendung in der Futtermittelindustrie

Die Faserverdaulichkeit ist ein grundlegendes Kriterium für Futtermittel. Eine unzureichende Verdauung kann das Wachstum der Tiere beeinträchtigen und immunologischen Stress verursachen, was letztlich die Rentabilität landwirtschaftlicher Betriebe begrenzt. Die Zugabe von FAEs oder eines Enzymgemischs mit FAE-Anteil kann die Verfügbarkeit von Enzymen zum Abbau der Hauptkette erhöhen und dadurch die Faserverdaulichkeit sowie die Bioverfügbarkeit von Phytonährstoffen verbessern.

• Anwendung in der Würzmittel- und alkoholischen Getränkeindustrie

FAE wird eingesetzt, um Fehlaromen/-gerüche zu entfernen und das Aroma verschiedener Würzmittel und alkoholischer Getränke zu verstärken. Geschmack und Geruch sind Schlüsselfaktoren für den Erfolg der Premiumindustrie für fermentierte Würzmittel und alkoholische Getränke. FAE kann im Verzuckerungsprozess in Form eines FAE-produzierenden Kōji (Reis-Pilzkultur als Starter) verwendet und zusammen mit Xylanase und Cellulase zugesetzt werden. Dadurch wird die Freisetzung von Ferulasäure aus den Zellwänden von Reis und anderen Getreiden erhöht, die anschließend während Fermentation und Reifung in aromatische Derivate umgewandelt wird.