Pektinase

Pektinasen bezeichnen eine Gruppe von Enzymen, die den Abbau von Pektin katalysieren. Pektinasen sind in höheren Pflanzen und Mikroorganismen weit verbreitet und kommen auch bei einigen Protozoen und Insekten vor. Bei Mikroorganismen können Bakterien, Actinomyceten, Hefen und Schimmelpilze Pektinasen synthetisieren und metabolisieren. Die wirtschaftliche Bedeutung der industriellen Anwendung von Pektinasen hat deren Forschung und Entwicklung vorangetrieben. Weltweit stellen zahlreiche Hersteller Pektinasepräparate her. Mit dem technologischen Fortschritt sind die Produktionskosten schrittweise gesunken, und die Einsatzgebiete von Pektinasen haben sich weiter verbreitert.

Quellen

Viele Schimmelpilze sowie in geringerem Umfang Bakterien und Hefen können Pektinasen produzieren, vor allem Aspergillus und Bacillus; weitere sind u. a. Penicillium (Penicillium expansum, Penicillium griseoroseum usw.), Sclerotium rolfsii, Rhizoctonia solani, Mucor pusilus, Mucor mucedo, Cloctridium thermosaccharolyticum, Rhizopus stolonifer, Aureobasiduim pullulans, Neurospora rassa, Sporotrichum thermophile usw. Da Aspergillus niger bei Pilzen als GRAS (Generally Recognized As Safe) eingestuft ist, gelten seine Metabolite als sicher; daher stammt die derzeit im Markt verfügbare Pektinase in Lebensmittelqualität überwiegend aus Aspergillus niger, und der optimale pH-Wert liegt in der Regel im sauren Bereich. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung molekularbiologischer Methoden kann zudem die Genklonierung zur Expression von Pektinasen in anderen mikrobiellen Wirtsorganismen eingesetzt werden.

Klassifizierung

Pektinasen lassen sich in vier Typen einteilen: Protopektinase, Polygalacturonase, Pektinlyase (PL) und Pektinesterase (PE). Protopektinasen fördern die Solubilisierung von Pektin. Entsprechend ihrem katalytischen Mechanismus werden Protopektinasen in zwei Typen unterteilt: Typ-A-Pektinase und Typ-B-Pektinase. Erstere wirkt hauptsächlich auf den inneren Polygalacturonsäurebereich des Protopektins. Letztere wirkt vor allem auf die äußeren Polysaccharidseitenketten der Galacturonsäureketten sowie auf Komponenten der Zellwand. Polygalacturonase ist eine Pektinase, die die Hydrolyse der Galacturonsäurekette in wässriger Umgebung fördert. Je nach Hydrolysemechanismus werden zwei Typen unterschieden: eine pilzliche Exogalacturonase, deren Endprodukt monomere Galacturonsäure ist, und eine bakterielle Exogalacturonase, deren Endprodukt dimerisierte Galacturonsäure ist. Pektinlyase ist eine Pektinase, die pektische Polymere durch Transeliminierung spaltet. Dabei wird die glykosidische Bindung an der C-4-Position gespalten, während ein H-Atom von C-5 eliminiert wird, wodurch ein ungesättigtes Produkt entsteht. Abhängig von katalytischem Mechanismus und Substratspezifität kann Pektinlyase in Endogalacturonase (EndoPGL), Exogalacturonase (ExoPGL), Endopolymethylgalacturonase (EndoPMGL) und Exopolymethylgalacturonase (ExoPMGL) unterteilt werden. Pektinesterase kann Methoxygruppen abspalten und die Demethylierung von Pektin fördern.

Eigenschaften

Das Molekulargewicht von Pektinasen liegt in der Regel zwischen 20 kD und 60 kD; die meisten liegen als monomere Enzyme vor. Die Pektinaseaktivität erstreckt sich üblicherweise über einen pH-Bereich von 3,0 bis 9,0, bei einem isoelektrischen Punkt von 4,0 bis 9,0. Der optimale pH-Wert einer Hydrolase liegt bei 4,0 bis 6,5; für ihre Wirkung ist keine Beteiligung von Ca²⁺ erforderlich. Der optimale pH-Wert der Pektinlyase liegt bei 8,0 bis 10,0; ihre Wirkung erfordert die Beteiligung von Ca²⁺. Pektinasen aus unterschiedlichen Stämmen weisen unterschiedliche Eigenschaften auf. Zu den gängigen Reinigungsverfahren für Pektinasen zählen Ammoniumsulfatfällung, Acetonfällung, Ionenaustauschchromatographie und Gelfiltrationschromatographie.

Anwendungen

Pektinasen können die Zellwand pflanzlicher Zellen aufschließen und werden daher bei der Herstellung von Obst- und Gemüsesäften, der Klärung von Fruchtweinen, der Extraktion natürlicher Produkte, der biologischen Entschlichtung/Entbastung von Textilien sowie beim biologischen Aufschluss (Biopulping) in der Papierindustrie eingesetzt. Bei der Herstellung der meisten Direktsäfte und Konzentrate werden Pektinasen im Prozess verwendet. Da der Pektinanteil in verschiedenen Früchten stark variiert und sich auch die Pektinzusammensetzung geringfügig unterscheidet, sollte die Enzymzusammensetzung der Pektinase je nach Sorte und Verarbeitungsziel festgelegt werden. Das Vorhandensein von Pektin beeinflusst bzw. behindert die Freisetzung natürlicher Produkte in unterschiedlichem Ausmaß. Unter geeigneten Bedingungen kann die Autolyse pflanzlicher Zellen lytische Enzyme einschließlich Pektinasen erzeugen. Dieser Prozess kann jedoch Strukturveränderungen des abzutrennenden Produkts verursachen und in vielen Fällen sogar niedermolekulare Nebenprodukte erzeugen, die die Abtrennung erschweren. Daher ist die Extraktion natürlicher Produkte unter Nutzung des zelleigenen Enzymsystems pflanzlicher Zellen in der Regel nicht vorteilhaft. Üblicherweise sollte das intrazelluläre Enzymsystem vor der Auswahl des geeigneten Prozessenzymes durch Wärme inaktiviert werden. Der Einsatz alkalischer Pektinase anstelle von Lauge zur Behandlung von Baumwolle, Hanf und anderen Geweben kann pektinhaltige Bestandteile unter vergleichsweise milden pH- und Temperaturbedingungen entfernen und dem behandelten Gewebe einen weichen Griff verleihen. Dieses intensitätsstarke Verfahren ersetzt das traditionelle Heißlaugen-Entbastungsverfahren, das große Energiemengen verbraucht und mit hoher Umweltbelastung verbunden ist. Das Biopulping in der Papierindustrie ist der biologischen Entbastung von Textilien ähnlich. Pektinasen werden eingesetzt, um Pektin, Hemicellulose und Lignin in pflanzlichen Faserrohstoffen abzubauen und diese zu Bündelfasern oder Einzelfilamenten zu dispergieren, die unterschiedlichen Anforderungen der Papierindustrie entsprechen.