Aktivierung endogener Enzyme in Rohstoffen und deren Nutzung zur Herstellung getreidebasierter Lebensmittel Peter Köhler 1,2 1 Deutsche Forschungsanstalt für Lebensmittelchemie, Lise-Meitner-Straße 34, 85354 Freising 2 Hans-Dieter-Belitz-Institut für Mehl- und Eiweißforschung, Lise-Meitner-Straße 34, 85354 Freising 17. April 2012 Übersicht Definitionen Beispiele Vergleich endogene exogene Enzyme Mögliche Forschungsprojekte 2 1
Definitionen Endogene Enzyme bzw. Enzymaktivitäten Sind Enzymaktivitäten, die bereits im Rohstoff vorliegen oder durch besondere Behandlung (z.b. Zerkleinerung, Keimung) induziert werden Als endogen zählen auch Enzymaktivitäten, die durch anhaftende oder zugegebene Mikroorganismen induziert werden (Spontanfermentation/Starterkulturen) Exogene Enzyme bzw. Enzymaktivitäten Sind Präparate, die in angereicherter oder reiner Form aus anderen Quellen als dem Lebensmittel gewonnen werden und dem Lebensmittel zur Erzielung bestimmter (technologischer, ernährungsphysiologischer) Effekte zugesetzt werden 3 Amylasen: Keimung Weizen cv. Tommi (Keimdauer 102 h) cv. Contra -Amylaseaktivität (ICC-Units/g) 600 500 400 300 200 100 0 15 C 20 C 25 C 30 C -Amylaseaktivität (ICC-Units/g) 600 500 400 300 200 100 0 15 C 20 C 25 C 30 C 0 20 40 60 80 100 Keimdauer (h) 0 20 40 60 80 100 Keimdauer (h) -Amylaseaktivität steigt um das 500-fache an (Köhler et al., AiF 14360 N) 4 2
Amylasen - und -Amylase -Amylase: Starke Erhöhung der Aktivität durch Keimung -Amylase: Aktivität von Keimung nicht beeinflussbar Stärkeabbau zu Dextrinen und Oligosacchariden Vorläufer für Farb-, Geschmacks- und Aromastoffe Derzeitige und mögliche Anwendungen: Herstellung von Bier: Abbau polymerer, unlöslicher Verbindungen zu niedermolekularen, löslichen und ggf. vergärbaren Verbindungen Herstellung von Spezialmalzen zur Generierung bestimmter Aromastoffe in (glutenfreien) Backwaren 5 Peptidasenaktivität: Keimung Weizen cv. Tommi Aktivität (nkat/kg Mehl) 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 15 C 20 C 25 C 30 C 1.5 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Keimdauer (h) Anstieg der Aktivität nur um Faktor 2 5! (Köhler et al., AiF 14360 N) 6 3
Peptidasen Erhöhung der Aktivität durch Keimung Verschiedene Peptidasentypen mit unterschiedlichen Spezifitäten werden zu bestimmten Keimzeitpunkten induziert (Asparaginsäurepeptidasen, Serinpeptidasen, Metallopeptidasen, Cysteinpeptidasen) Bisher nur geringe Nutzung in Lebensmitteln (Proteinabbau bei der Bierherstellung) Vorläufer für Farb-, Geschmacks- und Aromastoffe, die in der Maillard-Reaktion gebildet werden können 7 Endogene Peptidasen: Anwendungsmöglichkeiten Glutenabbau zur Herstellung glutenfreier Lebensmittel Weizen, Roggen, Gerste, Mais Kei mung: 7 Tage, 15/30 C Kleie / Mehl in vitro-verdau von Gliadin Natriumace tat-puffer Rohextrakt optional: Ammoniumsulfat fällung Aufgereinigter Extrakt (Hartmann, G. et al. (2006) J Cereal Sci 44, 368-371) 8 4
Endogene Peptidasen: Eigenschaften Bestimmung der Halbwertszeit Abbau des Gliadinpeptids 2 (58-88) bei 37 C mit einem Kleieextrakt aus gekeimtem Roggen (7 d, 15 C) 2 (58-88) (nmol) 5 80 µg Peptid + Extrakt aus 20 mg Kleie ph 4.5: ~ 5 min ph 6.5: ~ 2 min ph 4.5 ph 6 Halbwertszeit 0 0 20 40 60 Inkubationszeit (min) (Hartmann, Dissertation TUM, 2009 9 Endogene Peptidasen Optimales Gemisch aus Exo- und Endopeptidasen (keine weiteren Enzyme erforderlich) Abbau von Peptiden und Proteinen Kurze Abbauzeiten In breitem Temperatur- und ph-bereich aktiv Keimlinge sind Naturprodukte mit hoher Akzeptanz Keine Gentechnik erforderlich Etablierter industrieller Produktionsprozess (z.b. Malz) Preisgünstige Herstellung 10 5
Peptidasen: Mögliche Anwendungen Detoxifizierung von Weizenstärke für den Einsatz in glutenfreien Lebensmitteln Speisekleie Bier (Schaum?) nichtalkoholischen Getränken (Malzbier, Brottrunk) Milchhydrolysaten (Casomorphine) Totalhydrolyse von Proteinen zur Herstellung von Würzen hypoallergenen Lebensmitteln (Entbitterung) Hydrolysaten für die Aminosäureanalyse 11 Xylanasen: Keimung Lösliche Ballaststoffe (mg/g) i. T. 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 15 C 20 C 25 C 30 C 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Keimdauer (h) Anstieg lösl. Ballaststoffe erst nach langer Keimdauer (Koehler et al. (2007) J Agric Food Chem 55, 4687) 12 6
Xylanasen Erhöhung der Aktivität durch Keimung Bei langer Keimdauer deutlicher Anstieg löslicher Ballaststoffe Arabinoxylan-Oligosaccharide (AXOS) weisen präbiotische Wirkungen auf Mögliche Nutzung in Lebensmitteln Induktion endogener Xylanasen in Getreide durch Keimung oder Fermentation mit bestimmten Mikroorganismen Einsatz als Zutat in einer Brotrezeptur zur in-situ Produktion (während der Brotherstellung) von AXOS Getreide enthält Xylanase-Inhibitoren, deren Aktivität beachtet werden muss 13 Kombination Keimung/Fermentation Fermentation von gekeimtem Material: Nutzung von Enzymen aus dem Rohstoff und den Mikroorganismen Zusatznutzen durch die Entstehung von ernährungsphysiologisch aktiven Inhaltsstoffen Folatgehalt steigt an (Korn/Brot) Gehalt löslicher Ballaststoffe steigt an (Korn/Brot) Insulinsensitivität von Probanden wird erhöht 14 7
Folatgehalt von gekeimtem Weizen 250 Gesamtfolat (µg/100 g) 200 150 100 50 Kontrolle 48 h 72 h 96 h 102 h 168 h 0 15 C 20 C 25 C 30 C Weizen cv. Tommi: Zunahme des Gehaltes an Gesamtfolaten um das bis zu 3,6-fache (Koehler et al. (2007) J Agric Food Chem 55, 4687) 15 Folat-angereichertes Brot nach Fermentation mit Lactobac. brevis 1cm Kontrolle Folat-angereichert Gesamtfolatgehalt (i.t.) 20 µg/100g 42 µg/100g (Köhler et al., AiF 14360 N) 16 8
Oxidoreduktasen in Weizenmehl Enzym Vorkommen Aktivität Substrat Peroxidase Kleie 7000 µkat/kg 17000 µkat/kg Katalase Keimling 5000 µkat/kg Wasserstoffperoxid Glutathiondehydrogenase Keimling, Endosperm Ferulasäure Guajacol 400 µkat/kg Glutathion, Dehydroascorbinsäure Lipoxygenase Keimling 40 µkat/kg Linolsäure Ascorbinsäureoxidase Aleuronschicht 0,7 µkat/kg Ascorbinsäure Polyphenoloxidase Kleie 0,08 µkat/kg Dihydroxyphenylalanin (Aus: Brijs und Delcour, in: Wheat Chemistry and Technology, 2009, ISBN 978-1-891127-55-7 ) 17 Oxidoreduktasen Benötigen entweder Sauerstoff oder Wasserstoffperoxid als Substrat Verfestigen die Konsistenz des Teiges Mechanismen der Wirkung wenig untersucht Bildung neuer kovalenter Cross-Links in Kleberproteinen oder Pentosanen? Viele oxidierbare Substrate (ungesättigte Fettsäuren, Phenole, Thiole, reduzierende Zucker.) Konkurrenz der einzelnen Enzyme um die zur Verfügung stehenden Substrate (Sauerstoff, Reduktionsmittel) im Teig Es ist unklar, wie die Primärprodukte im Teig wirken (Radikale aus Lipiden, Sauerstoff haltige Radikale, Chinone, Semichinone, ) 18 9
Vergleich endogene exogene Enzyme Endogen Clean Label Keine Gentechnik erforderlich Hohe Akzeptanz beim Verbraucher Einsatz bei traditioneller Herstellung von Lebensmitteln In der Regel keine Aufreinigung durchgeführt Exogen Clean Label (bei Backwaren) Meist rekombinante Herstellung Geringe Akzeptanz beim Verbraucher Moderne Lebensmittelproduktion Aufreinigung und Isolierung erforderlich 19 Vergleich endogene exogene Enzyme Endogen Schwer standardisierbar, weil rohstoffabhängig Enzymaktivitäten in der Regel gering Sorgfältige Rohstoffkontrolle/-auswahl erforderlich Meist werden Enzymgemische aktiviert Spezifität durch Rohstoff/ Mikroorganismus vorgegeben Exogen Reproduzierbar herstellbar, standardisierte Aktivität Hohe Enzymaktivität (ca. 100 1000x endogen) Enzymzugabe gleicht Rohstoffschwankungen aus Eine Hauptaktivität, ggf. mehrere Nebenaktivitäten Erzielung neuer Spezifitäten durch Molecular Engineering 20 10
Mögliche Forschungsprojekte Aussagen gelten für endogene und exogene Enzyme Aufklärung der Wirkungsweise von Oxidoreduktasen Einsatz von Xylanasen zur Produktion von AXOS während der Brotherstellung Erzeugung bioaktiver Inhaltsstoffe durch Kombination spezieller Rohstoffe mit Keimung und/oder Fermentation Fermentation von Getreidesubstraten mit geeigneten Mikroorganismen 21 11