Proteasen Eigenschaften und Wirkungsweise in Lebensmitteln

Proteasen
Eigenschaften und Wirkungsweise in Lebensmitteln
PROTEASEN ................................................................................................................................................. 1
ERNÄHRUNGSPHYSIOLOGIE .................................................................................................................. 2
TECHNOLOGISCHE ASPEKTE - ANWENDUNGEN IN LEBENSMITTELN ....................................... 3
TECHNOLOGISCHE ASPEKTE - UNERWÜNSCHTE WIRKUNGEN ................................................... 3
ANALYTIK .................................................................................................................................................... 4
WEITERFÜHRENDE LITERATUR ............................................................................................................ 4
Proteasen
Proteasen sind definitionsgemäß proteinspaltende Enzyme. Es wird zwischen Endopeptidasen
und Exopeptidasen unterschieden. Erstgenannte spalten innerhalb der Proteinketten (Abb.1),
vorzugsweise sehr spezifisch zwischen bestimmten Aminosäuren, und führen somit zu einer
Verkleinerung der Proteinmoleküle. Das Kettenende der Peptidkette wird dabei nicht angegriffen. Als Reaktionsprodukt bleiben im Anfangsstadium Peptide, später Oligopeptide erhalten. Diese Endopeptidasen werden auch als Proteinasen oder einfach Proteasen bezeichnet. Zu
ihnen zählen u.a. auch die Verdauungsenzyme Pepsin, Trypsin und Chymotrypsin. Exopeptidasen spalten vom Kettenende
beginnend die Proteine, wobei
diese vom Carboxylende wirkende als Carboxypeptidasen
und die an der Aminogruppe
wirkenden als Aminopeptidasen bezeichnet werden. In der Regel werden einzelne Aminosäuren abgespalten, als Reaktionsprodukte sind also Aminosäuren und Restpeptide zu erwarten.
Im Vergleich von tierischen, pflanzlichen und mikrobiellen Proteasen ist zu beobachten, daß
die Spezifität und Selektivität in der genannten Reihenfolge abnehmen. Insbesondere unter den
mikrobiellen Proteasen ist eine Vielzahl von Enzymen mit sehr breitem Wirkungsspektrum zu
finden.
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Wichtige tierische Proteasen sind neben den o.g noch das Labferment des Kälbermagens (Rennin, Chymosin) welches das Milchcasein zum Paracasein sehr selektiv spaltet. Unter den
pflanzlichen Proteasen sind z.B. das Papain (aus Papaya), das Bromelain (aus Ananas) oder das
Ficin (aus Feige) zu nennen. Diese Enzyme besitzen, insbesondere gegenüber pflanzlichen
Proteinen, eine sehr starke, spaltende Wirkung und beeinflussen in hohem Maße Lebensmittel
in denen sie vorkommen. Bromelain als Endopeptidase ähnelt in ihren Eigenschaften den
pflanzlichen Proteasen Papain und Ficin. Bromelain ist ein Gemisch aus basischen und sauren
Proteinen. Die genaue Strukturen der einzelnen Komponenten ist noch nicht in allen Einzelheiten geklärt. Das Enzym spaltet Proteine im pH-Bereich zwischen 4,5 und 10. Das PhOptimum liegt bei 7-8, der maximale Temperaturbereich bei 60-70°C. Es ist empfindlich gegenüber Sauerstoff und Schwermetallen. Bromelain ist noch bei 75°C stabil.
Neben diesen Enzymen sind aber auch Proteaseinhibitoren in Lebensmitetln von Bedeutung.
Das sind hochmolekulare Eiweiße, die im Pflanzenreich weit verbreitet sind und proteinspaltende Enzyme inaktivieren. Dazu gehören beispielsweise Proteine aus Erdnuß, Hafer, Johannesbrotbaum, Sojabohne, Reis, Roggen und Kartoffel.
Ernährungsphysiologie
Proteasen sind für den menschlichen Organismus als Verdauungsenzyme bedeutungsvoll. Das
sie nicht zu einer Zerstörung des Körpergewebes führen hat eine Reihe von Ursachen. So werden die körpereigenen Enzyme in der Bauchspeicheldrüse in Form inaktiver Vorstufen bereitgestellt, die erst unter den pH Bedingungen des Magens (sauer) aktiv werden oder durch
Spaltung erst in eine aktive Form übergeführt werden müssen. Körperfremde Enzyme kommen
in der Regel nur in kleinen Mengen in unseren Körper, werden durch unsere körpereigenen
Enzyme abgebaut und außerdem durch das Immunsystem erkannt und inaktiviert. Die Magenschleimhaut besitzt außerdem einen aktiven Schutzmechanismus der durch Ausbildung einer
komplexen Schutzschicht die Körpersubstanzen vor der Proteolyse schützt. Trotzdem können
hohe proteolytische Fremdaktivitäten mit gesundheitlichen Risiken verbunden sein. Zu bedenken ist allerdings, daß gegarte Lebensmittel durch thermische Denaturierung keine oder nur
eine wesentlich verminderte enzymatische Aktivität aufweisen. Von frischen Feigen oder Ananas ist bekannt, daß es bei längerem Kontakt mit der Haut zu Rötungen kommen kann.
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Technologische Aspekte - Anwendungen in Lebensmitteln
Proteine werden mit verschiedenen Zielsetzungen in Lebensmitteln angewendet. Der Abbau
von Proteinen spielt zum Beispiel in der Backwarenindustrie bei der Reduzierung der Kleberstärke von Mehlen, zorzugsweise Weizenmehl, eine Rolle und wird zur Normierung der Backeigenschaften eingesetzt. Bei der Teigbereitung unter Wasserzugabe bildet das Gluten des
Weizenmehles ein Netz, das für die Eigenschaften des Teiges, insbesondere dessen Elastizität,
verantwortlich ist. Seine Wirksamkeit hängt von Menge und Qualität des Glutens ab. Endopeptidasen lockern die Klebestruktur der Teige auf, wenn eine begrenzte Zahl von Bindungen
gespalten wird. Mit der Peptidasewirkung nehmen die emulgierenden Eigenschaften zu. Für die
Wirkung der Peptidasen bei der Teigbereitung ist ein bestimmtes Verhältnis zu
-Amylasen
und Hemicellulasen (1:2 bis 1:7) günstig. Unterschiedliche getreideeigene Enzymaktivitäten
bestimmen die Backeigenschaften mit. Die Ermittlung der noch zu tolerierenden Peptidaseaktivität kann nur in Versuchen ermittelt werden (Messung der Enzymaktivität parallel zur Messung der Viskosität).
Zum anderen können Proteasen zur Erweichung der Zellstrucktur von Fleisch - sogenannte
Zartmacher - eingesetzt werden. Bromelain dient entweder in Form der angeritzten Blätter
oder Fruchtgewebescheiben oder als daraus hergestelltes Trockenpräparat u.a. zum Zartmachen von Fleischstücken und zur Herstellung von Proteinhydrolysaten. Als Aktivatoren setzt
man hier Cystein, 2-Mercaptoethanol, als Inhibitoren SH-bindende Substanzen ein. BromelainLösung werden aber auch in der Medizin als entzündungshemmende Enzym durch Immobilisierung an Verbands- und Behandlungsmaterial eingesetzt, was für die Breite der Einsatzmöglichkeiten von Proteasen spricht.
Technologische Aspekte - unerwünschte Wirkungen
Proteasen können neben erwünschten Wirkungen auch den Verderb von proteinhaltigen Lebensmitteln verursachen. Bei mikrobiellen Prozessen wird zum Beispiel eine schmierige Konsistenz von Fleisch, Genußuntauglichkeit von Eipulver o.a. beobachtet. Neben diesem Verderb
können aber auch technologisch Eigenschaften verändert werden, die die Erreichung der angestrebten Eigenschaften des Produktes verhindern. Beispiele können hier die Erweichung von
Zellstrukturen, z.B. bei Obst und Gemüse, verschlechterte Backeigenschaften in Backwaren,
Instabilitäten von Eiweißschäumen u.v.a. sein. Die Vermeidung dieser Effekte kann bei be-
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stimmten Produkten durch eine thermische Denaturierung der Proteine erreicht werden, ist
aber bei anderen z.B. wegen des Verlustes funktioneller Eigenschaften anderer Proteine derart
nicht Möglich. Varianten der Lösung derartiger Fragestellungen können vom Einsatz von Inhibitoren über die Beeinflussung von pH und Ionenstärke des Mediums bis hin zur gezielten
Auswahl der Rohstoffe reichen.
Analytik
Klassische Enzymanalytik zielt vorzugsweise auf zwei Fragestellungen:
• Welches Enzym oder welche Enzyme wirken?
• Wie hoch ist die Aktivität der Enzyme?
Die erste Frage ist insbesondere aus Sicht der Ursachenklärung von Bedeutung und läuft auf
eine Proteinanalytik hinaus (z.B. mit Elektrophorese). Hier ist zu bedenken, daß in den meisten
Fällen nicht ein einzelnes proteolytisch aktives Protein / Enzym sondern mehrere vorliegen.
Die Bestimmung der Aktivität ist eine sehr komplexe Fragestellung. In der Grundlagenforschung wählt man in der Regel das optimale / typische Substrat und die optimalen Medienbedingungen (Temperatur, pH, Ionenstärke). Das ist für praktische Fragestellungen oft nicht
günstig, daß es unter den realen Bedimngungen zu bewerten gilt. Die Vergleichbarkeit von
laboranalytischen Befunden hängt also von einer exakten Definition der Parameter ab. Eine
weitere Schwierigkeit liegt in der Angabe der Aktivität. Nach SI Nomenklatur ist die Einheit
der Enzymaktivität das Katal (kat) welches sich auf den Umsatz von 1 Mol je s bezieht. Für
Proteine, in denen an verschiedenen Stellen gespalten werden kann ist das nicht exakt zu definieren weshalb man sich auf den Umsatz definierter Substrate (z.B. Hämoglobin) und eine charakteristische Meßgröße (z.B die Freisetzung einer Aminosäure, die Änderung physikalischer
Größen etc.) unter exakt bestimmten Medienbedingungen festlegt. Beim Vergleich von Ergebnissen ist das zu berücksichtigen
Weiterführende Literatur
1.
2.
3.
4.
Ruttloff,H., Industrielle Enzyme, Behr´s Verlag 1994
Reed, G., Enzyms in Food Processing, Academic Press 1966
Franzke, C., Lehrbuch der Lebensmittelchemie, Akademie-Verlag Berlin 1990
Täufel/Ternes/Tunger/Zabel, Lebensmittel-Lexikon, Behr´s Verlag 1993
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