Inulinase

Inulinase ist eine Hydrolase, die in der Lage ist, β‑2,1‑D‑Fructosyl‑Glucosidbindungen zu hydrolysieren. Inulinase-sezernierende Mikroorganismen sind in der Natur weit verbreitet; zahlreiche Mikroorganismenarten können Inulinase produzieren und sekretieren. Unter definierten Temperaturbedingungen kann Inulinase Inulin zu Fructose bzw. Fructooligosacchariden hydrolysieren.

Abbildung 1. Proteinstruktur der Inulinase.

Herkunft

Inulin wurde erstmals nach seiner Isolierung aus Asteraceae (Korbblütlern) benannt. Inulin ist ein D‑Fructose-Polymer in Furanose-Konfiguration, das über β‑2,1‑glykosidische Bindungen dehydratisiert und polymerisiert ist; strukturell handelt es sich um ein lineares Fructan mit einem terminalen Glucoserest (G), der an das Ende der Fructosereste (F) gebunden ist. Es zählt zu den einfachsten Fructanen und wird als GFn abgekürzt. Darüber hinaus wurde berichtet, dass Inulin auch geringe Mengen an Inulonose enthält, einem Fructan ohne terminalen G‑Rest. Inulin, auch als Inulin bezeichnet, wird aus Pflanzen wie Topinambur und Chicorée gewonnen. Es ist ein funktionelles Fructan und eine der am besten wasserlöslichen Ballaststofffraktionen. Als reiner, natürlicher funktioneller Inhaltsstoff ist Inulin in mehr als 20 Ländern weltweit als Nahrungsergänzungsmittel zugelassen und wird breit in Milchprodukten, Getränken, fettarmen und kalorienreduzierten Lebensmitteln, Backwaren sowie Health-Food-Produkten eingesetzt.

Klassifizierung

Für Inulinase existieren unterschiedliche Klassifizierungsansätze.

• Je nach Lokalisation in der Mikroorganismenzelle wird zwischen intrazellulären Enzymen, zellwandgebundenen Enzymen und extrazellulären Enzymen unterschieden. Das jeweilige Verhältnis wird maßgeblich durch Stamm, Kohlenstoffquelle, Temperatur und pH-Wert beeinflusst.
• Nach Wirkmechanismus bzw. Spaltmodus der Fructankette wird in Endo‑ und Exo‑Inulinase unterschieden. Zur Abgrenzung wird üblicherweise das Verhältnis i/s herangezogen, wobei i die Enzymaktivität bei Verwendung von Inulin als Substrat und s die Enzymaktivität bei Verwendung von Saccharose als Substrat bezeichnet. Allgemein wird angenommen, dass der i/s‑Wert der Exo‑Inulinase niedriger ist als der der Endo‑Inulinase. Endo‑Inulinase hydrolysiert Inulin zur Gewinnung hochreiner Fructooligosaccharide und wird häufig aus Pilzen isoliert. Exo‑Inulinase ist intra‑, zellwandgebunden sowie extrazellulär verbreitet und ermöglicht durch Hydrolyse von Inulin die Gewinnung hochreiner Fructose.
• Nach Herkunft kann Inulinase in mikrobielle Inulinase und pflanzliche Inulinase eingeteilt werden.

Funktionen

Studien berichten, dass Inulinase nicht nur auf Inulin wirkt, sondern auch Saccharose und Raffinose umsetzen kann und dabei eine höhere Aktivität sowie Hydrolysekapazität zeigt. Die Verwendung von Topinambur-Extrakt oder Inulin als Kohlenstoffquelle kann die Inulinaseproduktion induzieren, wobei Topinambur-Extrakt als Substrat günstiger ist. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass der Extrakt neben Inulin mehr kurzkettige Polyfructosen enthält, was das Wachstum der Mikroorganismen und die enzymatische Hydrolyse begünstigt. Mit anderen Worten: Bestimmte Substrate können die Inulinaseproduktion induzieren, jedoch beeinflusst die Wahl unterschiedlicher Kohlenstoffquellen als Substrate die Enzymaktivität erheblich. Untersuchungen zeigen, dass bestimmte Konzentrationen von Inulin, Maltose sowie niedrige Fructosekonzentrationen die Inulinaseproduktion induzieren können; Stärke hat nur einen geringen Einfluss, während Glucose die Inulinaseaktivität deutlich hemmen kann. Dies weist auf eine Substratspezifität der Inulinase hin.

Anwendungen

Herstellung von Hochfructosesirup mittels Inulinase: Da Hochfructosesirup kostengünstig ist, eine hohe Süßkraft besitzt, als erfrischend wahrgenommen wird, einen hohen osmotischen Druck aufweist, gute Konservierungseigenschaften hat, einen niedrigen Kalorienwert besitzt, weniger kariogen ist und auch von Diabetikern verwendet werden kann, wird er in den USA, Japan und anderen Industrieländern breit in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie eingesetzt. Seit den 1970er-Jahren konzentrierten sich Länder auf die Herstellung von Fructose aus Inulin als Rohstoff mittels saurer und enzymatischer Hydrolyse. Obwohl das Säureverfahren hohe Ausbeuten liefert, entstehen zahlreiche Nebenprodukte, es kommt zu starker Pigmentbildung, und die Abtrennung sowie Aufreinigung sind schwierig. In den 1980er-Jahren begannen Forschende in den USA, Frankreich sowie Unternehmen wie Bristol‑Myers und Akteure in Kanada und weiteren Ländern, die Herstellung von Fructose unter Einsatz von Inulinase zu untersuchen. Das Verfahren ist einfach, die Umsetzungsrate hoch, das Produkt rein, und die Fructoseausbeute ist hoch. Es ermöglicht die direkte Herstellung von Ultra‑High‑Fructose‑Sirup (UHFGS) mit einem Fructosegehalt von über 90 %. Entsprechend wird in Industrieländern wie den USA, Großbritannien, Dänemark, Frankreich und Kanada intensiv geforscht. Dies zeigt, dass Inulinase ein hohes Entwicklungs- und Anwendungspotenzial für die Herstellung von Fructose und Fructosesirup besitzt. Die Abbauprodukte der Exo‑Inulinase bestehen überwiegend aus Fructose, wobei der Fructoseanteil hoch ist. International existieren zahlreiche Studien zur Herstellung von Hochfructosesirup mittels Inulinase; in China befindet sich die Forschung hierzu noch in einem frühen Stadium.