Pullulanase

Pullulanase ist eine Enzymklasse, die die Hydrolyse von α‑1,6‑glykosidischen Bindungen in Stärke und anderen Polysacchariden katalysiert und dabei Amylose bildet. In Abhängigkeit von Unterschieden in der Proteinstruktur und gemäß der Klassifikationsgrundlage der Glycoside‑Hydrolase‑Familien (GH) lässt sich Pullulanase im Allgemeinen zwei unterschiedlichen Glycosid‑Hydrolase‑Proteinfamilien zuordnen: der GH13‑Familie und der GH57‑Familie. Die meisten Pullulanasen gehören zur GH13‑Familie, nur wenige zur GH57‑Familie. Hinsichtlich der räumlichen Proteinstruktur weist Pullulanase der GH13‑Familie die für diese Familie typische (α/β)₈-Barrel‑Struktur auf. Pullulanase der GH57‑Familie besitzt eine (α/β)₇-Barrel‑Struktur.

Abbildung 1. Proteinstruktur der Pullulanase.

Eigenschaften

Pullulanasen unterschiedlicher Herkunft weisen eine unterschiedliche Substratspezifität auf, die sich vor allem in der Fähigkeit zur Spaltung verschiedener Pullulan‑Oligosaccharide zeigt. Unterschiedliche Pullulanase‑Typen erfordern unterschiedliche Reaktionsbedingungen, z. B. Hefe‑Pullulanase, Pullulanase aus Aerogenes sowie Pullulanase aus Actinomyceten. Der optimale pH‑Wert beträgt jeweils 6,2, 5,6–7,2 bzw. 5,0; die optimale Temperatur liegt bei 20 °C, 45–50 °C bzw. 60 °C. Metallionen beeinflussen die Aktivität der Pullulanase: Ca²⁺ kann die pH‑Stabilität und Thermostabilität der Isoamylase verbessern, während Hg²⁺, Cu²⁺, Fe³⁺, Al³⁺ u. a. eine inhibitorische Wirkung zeigen.

Herkunft

Pullulanase ist in der Natur weit verbreitet und kommt in nahezu allen Organismengruppen vor. Abgesehen von einem kleinen Anteil, der aus Tieren, Pflanzen und anderen Organismen stammt, liegt der überwiegende Teil der natürlichen Pullulanase in Mikroorganismen vor. Pullulanasen unterschiedlicher Herkunft unterscheiden sich in einer Reihe von Eigenschaften, u. a. in der Aminosäuresequenz, Substratspezifität, enzymatischen Eigenschaften sowie der räumlichen Proteinstruktur.

Anwendungen

Pullulanase wird in der Industrie breit eingesetzt. Bei der Stärkehydrolyse kann die Zugabe von Pullulanase die Abbaurate der Rohstoffe erhöhen, die Reaktionszeit verkürzen, die Umsetzungsrate steigern sowie die Bildung anderer Nebenprodukte hemmen und reduzieren. Bei der Herstellung von Glukosesirup mit hohem Glukosegehalt wird der erwartete DE‑Wert häufig nicht erreicht, da Glukoamylase α‑1,6‑glykosidische Bindungen nicht spalten kann. Zwar lässt sich die Umsetzungsrate durch Erhöhung der Dosierung des Verzuckerungsenzyms oder durch Absenkung der Stärkeaufschlämmungskonzentration steigern; dies erhöht jedoch nicht nur die Herstellungskosten, sondern führt auch zur Bildung des Nebenprodukts Isomaltose, was nachgelagerte Prozessschritte erschwert. Die Zugabe von Pullulanase zum Verzuckerungsenzym im Verzuckerungsschritt zur synergistischen Wirkung kann neben der Hemmung und Reduktion der Isomaltosebildung auch die erforderliche Menge an Verzuckerungsenzym verringern, die Stärkenutzung verbessern, den Verzuckerungsprozess beschleunigen und Produktionszeit einsparen. Maltose zeichnet sich durch einen süßen Geschmack, geringe Kristallinität und Hygroskopizität sowie eine geringe Süßkraft aus. Maltit, das durch Hydrierung von Maltose hergestellt wird, hat einen geringeren Kaloriengehalt und kann in Speziallebensmitteln für bestimmte Patientengruppen als Zuckerersatz eingesetzt werden. Bei der Herstellung von Hochmaltosesirup werden traditionell α‑Amylase und ein exo‑wirkendes Verzuckerungsenzym (d. h. β‑Amylase) kombiniert. Da diese beiden Enzyme jedoch ausschließlich α‑1,4‑glykosidische Bindungen spalten, entsteht während des Herstellungsprozesses zwangsläufig eine große Menge Dextrin, sodass der Maltosegehalt 60 % nicht überschreitet. Im traditionellen Verfahren zur Herstellung von Hochmaltosesirup kann durch Zugabe einer bestimmten Menge Pullulanase der Maltoseertrag auf bis zu 90 % gesteigert werden.

Referenz