Proteasen Eigenschaften und Wirkungsweise in Lebensmitteln
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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. Tel: +49-33438-67005 FAX: +49-33438-67035 Funk: +49-177-55 35 722 www.ubf-research.com 1 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. Tel: +49-33438-67005 FAX: +49-33438-67035 Funk: +49-177-55 35 722 www.ubf-research.com 2 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- Tel: +49-33438-67005 FAX: +49-33438-67035 Funk: +49-177-55 35 722 www.ubf-research.com 3 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 © 2000 UBF Untersuchungs-, Beratungs-, Forschungslaboratorium GmbH Tel: +49-33438-67005 FAX: +49-33438-67035 Funk: +49-177-55 35 722 www.ubf-research.com 4
