Phytase

Phytinsäure (Phytat) hat eine starke Komplexierungsfähigkeit und verbindet sich normalerweise mit Mineralstoffen wie Ca²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺ und K⁺, um unlösliche Salze zu bilden. Daher ist Phytinsäure ein antinutritiver Faktor, der die ernährungsphysiologische Wirksamkeit von Spurenelementen erheblich verringert. Diese Eigenschaft der Phytinsäure verursacht Ungleichgewichte in Elementen wie Calcium, Magnesium, Zink und Kalium bei Menschen und Tieren. Phytase ist ein allgemeiner Begriff für eine Klasse von Enzymen, die die Hydrolyse von Phytinsäure und ihren Salzen zu Inositol und Phosphat katalysieren. Die Zugabe von Phytase zu Tierfutter, um Phosphor aus Phytinsäure freizusetzen, kann nicht nur die Verwertung von Phosphor in Lebensmitteln und Futtermitteln verbessern, sondern auch Phytinsäure-Protein-Komplexe abbauen, die Chelatbildung von Phytat mit Spurenelementen reduzieren und die Verwertung von pflanzlichem Protein durch Tiere sowie den Nährwert des Futters verbessern.

Quellen

Phytase ist weit verbreitet in tierischen und pflanzlichen Geweben sowie in mikrobiellen Zellen. In Pflanzen ist Phytase hauptsächlich in den Samen vorhanden. Bei Tieren findet sich Phytase hauptsächlich in den roten Blutkörperchen und im Plasma von Wirbeltieren sowie im Dünndarm von Säugetieren. Mikroorganismen sind die bequemste und wirtschaftlichste Quelle für Phytase. Die phytaseproduzierenden Mikroorganismen umfassen hauptsächlich Bakterien, Pilze und Hefen. Unter ihnen ist die Menge an Phytase, die von Schimmelpilzen ausgeschieden wird, relativ hoch, insbesondere Aspergillus, das eine starke Fähigkeit zur Phytaseproduktion hat und als das Hauptproduzierende Enzym gilt.

Klassifikation

Phytase ist eine Klasse von Phosphatasen, die Phytinsäure hydrolysieren. Je nach ihrer Wirkung auf Substrate können sie in zwei Typen unterteilt werden, nämlich 3-Phytase (EC 3.1.3.8) und 6-Phytase (EC 3.1.3.26). 3-Phytase baut Phytat ab zu Phosphoinositid und Orthophosphorsäure, beginnend am 3. Kohlenstoffatom. 6-Phytase baut Phytat ab zu Phosphoinositid und Orthophosphorsäure, beginnend am 6. Kohlenstoffatom. Pflanzen und E. coli Phytase gehören zur 6-Phytase, während Pilze und die meisten bakteriellen Phytasen zur 3-Phytase gehören. Phytase kann in drei Kategorien unterteilt werden, basierend auf strukturellen Unterschieden und Hydrolysemethoden, nämlich Histidin-säure-Phosphatase (HAPs), β-Propeller-Phytasen (BPP) und lila Säure-Phosphatase (PAP).

Katalytischer Mechanismus

Phytase katalysiert den Abbau von Phytat (Phytinsäure) in Inositol und Phosphorsäure. Die Phytase spaltet die Phosphatgruppen an der Phytinsäure nacheinander ab, um die Zwischenprodukte IP5, IP4, IP3 und IP zu bilden, und die Endprodukte sind Inositol und Phosphorsäure. Die katalytischen Mechanismen von Phytase aus verschiedenen Quellen sind unterschiedlich. Wenn 3-Phytase auf Phytinsäure wirkt, hydrolysiert sie zuerst die Esterbindung vom 3. Kohlenstoffatom der Phytinsäure, um anorganischen Phosphor freizusetzen, und gibt dann nacheinander Phosphor von anderen Kohlenstoffatomen ab, bis die gesamte Phytinsäure esterifiziert ist. Dieses Enzym erfordert die Teilnahme von zweiwertigen Magnesiumionen (Mg²⁺) im katalytischen Prozess. 6-Phytase katalysiert zuerst die Phytinsäure am 6. Kohlenstoffatom, um anorganischen Phosphor freizusetzen. Der vollständige Abbau von 1 g Phytinsäure setzt theoretisch 281,6 mg anorganischen Phosphor frei. Phytase kann Phytinsäure nur in Inositolphosphat abbauen, das nicht vollständig in Inositol und Phosphorsäure zerlegt werden kann. Um Inositolphosphate vollständig abzubauen, ist eine Säurephosphatase erforderlich. Säurephosphatase kann Monophosphat und Diphosphat vollständig in Inositol und Phosphorsäure zerlegen. Der katalytische Mechanismus der meisten mikrobiell abgeleiteten Phytasen ist wie folgt:

Phytinsäure→D-myo-Inositol-1,2,4,5,6-pentaphosphat→D-myo-Inositol-1,2,3,4,5-pentaphosphat→D-myo-Inositol-1,2,5,6-tetraphosphat→D-myo-Inositol-1,2,5-triphosphat oder D-myo-Inositol-1,2,6-triphosphat→D-myo-Inositol-1,2-diphosphat→Myo-Inositol-2-phosphat

Abbildung 1. Die Hydrolyse von Phytat durch Phytase in Inositol, Phosphat und andere zweiwertige Elemente. (Yao, M.; et al. 2012)

Eigenschaften

Das Molekulargewicht von Phytase variiert stark je nach Quelle, und der Unterschied ist hauptsächlich auf die Glykosylierung von Phytase zurückzuführen. Der optimale pH-Wert von Phytase liegt im Allgemeinen zwischen 2 und 6. Pflanzliche Phytase hat einen optimalen pH-Wert von 4,0-7,5, wobei die meisten zwischen 5,0-6,0 liegen, was nicht für die Wirkung im Magen von Einmagenvieh geeignet ist. Der optimale pH-Wert für bakteriell abgeleitete Phytase ist im Allgemeinen neutral oder alkalisch. Der optimale pH-Wert der Pilzphytase liegt bei 2,5-7,0. Die optimale Temperatur für Phytase liegt im Bereich von 40-60°C, und die optimale Temperatur von Phytase aus verschiedenen Quellen ist ziemlich unterschiedlich. Die meisten zweiwertigen Kationen (Ca²⁺, Fe²⁺, Zn²⁺, Mg²⁺, Cu²⁺ usw.) hemmen die Aktivität des Enzyms aufgrund starker Komplexierung mit dem Substrat (Phytinsäure). Verbindungen wie Oxalsäure und Zitronensäure reduzieren ebenfalls die Enzymaktivität von Phytase, indem sie mit der Seitenkette von Schlüsselaminosäuren im aktiven Zentrum der Phytase reagieren. Das Vorhandensein von gemeinsamen substratkompetitiven Inhibitoren kann auch die Wirkung des Enzyms negativ beeinflussen.

Anwendungen

Die Behandlung von Lebensmitteln mit lebensmitteltauglicher Phytase kann Phytat abbauen, die Chelatbildung von Phytinsäure mit Spurenelementen reduzieren und den Nährwert von Lebensmitteln verbessern. Phytase kann Sojaprotein bei der Sojabohnenverarbeitung enzymatisch modifizieren, wodurch sein Nährwert und kommerzieller Wert verbessert werden. Die Zugabe von Phytase zum Brotbackprozess kann Phytinsäure aus dem Teig entfernen. Die Imprägnierung ist einer der Produktionsprozesse für Maissirup, um die Körner zu erweichen und die Zellwände zu brechen. Mikrobielle Phytase kann diesen Prozess beschleunigen, verbessert die Isolation von Embryonen, erzielt hohe Erträge an Stärke und Gluten und verbessert die Qualität von Maissirup.

Die Zugabe von Phytase zu Tierfutter, um Phosphor aus Phytinsäure freizusetzen, kann nicht nur die Verwertung von Phosphor in Lebensmitteln und Futtermitteln verbessern, sondern auch Phytinsäure-Protein-Komplexe abbauen, die Chelatbildung von Phytat mit Spurenelementen reduzieren und die Verwertung von pflanzlichem Protein durch Tiere sowie den Nährwert des Futters verbessern. Es reduziert auch die Menge an organischem Phosphor in tierischen Abfällen und verringert die Umweltverschmutzung.

Referenz