Die Nutzung von Enzymen in der Stärke-Hydrolyse

Die Nutzung von Enzymen in der Stärke-Hydrolyse
stärken

Stärke ist das häufigste Kohlenhydrat-Speicher in den Pflanzen. Es wird von den Pflanzen selbst, die von Mikroben und höheren Organismen, so gibt es eine große Vielfalt von Enzymen in der Lage, zu katalysieren deren Hydrolyse. Die Stärke von allen pflanzlichen Quellen erfolgt in form von Körnchen, die unterscheiden sich deutlich in Größe und physikalischen Eigenschaften von Spezies zu Spezies. Chemische Unterschiede sind weniger ausgeprägt. Der wesentliche Unterschied ist das Verhältnis von amylose zu Amylopektin; z.B. mais-Stärke aus Wachsmais enthält nur 2% amylose aber von amylomaize ist über 80% amylose. Einige Stärke, beispielsweise aus Kartoffeln, enthalten kovalent gebundene Phosphat in geringen Mengen (0.2% in etwa), was erhebliche Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften der Stärke aber nicht stören mit Ihrer Hydrolyse. Saure Hydrolyse von Stärke hat weit verbreiteten Einsatz in der Vergangenheit. Es ist jetzt weitgehend ersetzt durch enzymatische Prozesse, wie es erforderlich, die Verwendung von korrosionsbeständigen Materialien, gab Anlass zu hohen Farb-und saltash Inhalt (nach neutralisation), benötigt mehr Energie für Heizung und war relativ schwer zu kontrollieren.

Abbildung 4.2. Die Verwendung von Enzymen bei der Verarbeitung von Stärke. Typische Bedingungen sind gegeben.

Von den beiden Komponenten der Stärke Amylopektin stellt die große Herausforderung der hydrolytischen Enzym-Systeme. Dies ist aufgrund der Rückstände, die die beteiligten in ein -1,6-glycosidische Verzweigung Punkte darstellen, etwa 4 – 6% der glucose vorhanden ist. Die meisten hydrolytischen Enzyme sind spezifisch für die a-1,4-glucosidic links noch die a-1,6-glucosidic links müssen auch gespalten werden für die vollständige Hydrolyse von Amylopektin glucose. Einige der beeindruckendsten letzten übungen in die Entwicklung von neuen Enzymen beschäftigen entzweigenden Enzymen.

Es ist notwendig, um die hydrolyse von Stärke in eine Vielzahl von Prozessen, die m verdichtet werden in zwei grundlegende Klassen:

  1. Prozesse, in denen die Stärke-Hydrolysat verwendet werden, die durch Mikroben oder Mann, und
  2. Prozesse, in denen es notwendig ist, zu beseitigen Stärke.

In der ehemaligen Prozesse, wie glucose-Sirup, Produktion, Stärke ist in der Regel die wichtigsten Komponenten der reaktionslösungen, wobei im letzteren Prozesse, wie die Verarbeitung von Zuckerrohr Saft, kleine Mengen von Stärke, die kontaminieren nicht-stärkehaltige Stoffe entfernt werden. Enzyme verschiedener Arten verwendet werden, die in diese Prozesse. Obwohl die Stärke von verschiedenen Pflanzen kann genutzt werden, mais ist die weltweit am häufigsten vorkommende Quelle und bietet die meisten substrate, die bei der Herstellung von Stärke-hydrolysate.

Es gibt drei Phasen bei der Umwandlung von Stärke (Abbildung 4.2):

  1. gelatinisierung, mit der Auflösung der nanogram-große Stärkekörner in form einer viskosen suspension;
  2. Verflüssigung, an denen die partielle Hydrolyse der Stärke, mit einhergehender Verlust an Viskosität; und
  3. verzuckerung, der sich mit der Produktion von Glukose und maltose durch weitere Hydrolyse.

Gelatinisierung wird erreicht durch erhitzen von Stärke mit Wasser, und tritt auf, unbedingt und natürlich, wenn stärkehaltige Lebensmittel gekocht werden. Gelatinised Stärke wird leicht verflüssigt, durch partielle Hydrolyse mit Enzymen oder Säuren und saccharified durch weitere saure oder enzymatische Hydrolyse.

Die Stärke und Glukose-Sirup Industrie verwendet den Ausdruck dextrose-äquivalent (DE, ähnlich wie in der definition, die DH-Einheiten der Proteolyse, um dessen Produkte zu beschreiben, in denen:

(4 .2)

In der Praxis ist dies in der Regel analytisch bestimmt, die durch die Nutzung der eng verwandt, aber nicht identisch, Ausdruck:

(4 .3)

So, DE stellt den Prozentsatz der Hydrolyse der glycosidischen Verknüpfungen vorhanden. Reine Glukose hat einen DE von 100, Reine maltose hat einen DE von etwa 50 (je nach analytischen Methoden; siehe Gleichung (4.3)) und die Stärke besitzt ein DE von praktisch gegen null. Während Stärke-Hydrolyse, DE gibt an, inwieweit die Stärke wurde gespalten. Saure Hydrolyse von Stärke hat lange gebraucht um zu produzieren ‘glucose-Sirup’ und sogar Kristalline glucose (dextrose-Monohydrat). Sehr erhebliche Beträge, die von 42 DE-Sirupe hergestellt mit Säure und sind in vielen Anwendungen in der Süßwaren. Weitere Hydrolyse mit Säure ist nicht zufriedenstellend, weil unerwünscht farbige und aromatisierte Abbauprodukte. Saure Hydrolyse scheint ein völlig zufälliger Prozess ist, der nicht beeinflusst durch das Vorhandensein von a-1,6-glucosidic linkages.

Tabelle 4.2 Enzyme verwendet, in der Stärke-Hydrolyse

Nur a-1,4-Oligosaccharid-links erzeugt werden, die geben, a-Dextrine und überwiegend maltose (G2), G3, G6 und G7-Oligosaccharide

Nur a-1,4-Oligosaccharid-links erzeugt werden, die geben, a-Dextrine und überwiegend maltose, G3 -, G4-und G5-Oligosaccharide

Aspergillus oryzae, A. niger

Nur eine -1,4 Oligosaccharid-links erzeugt werden, die geben, a-Dextrine und überwiegend maltose-und G3-Oligosaccharide

Saccharifying a-amylase

B. subtilis (amylosacchariticus)

Nur a-1,4-Oligosaccharid-links erzeugt werden, die geben, a-Dextrine mit maltose, G3, G4 und bis zu 50% (w/w) glucose

Nur a-1,4-verknüpft sind gespalten, vom nicht-reduzierenden enden, geben limit-Dextrine und b -maltose

eine -1,4 und a-1,6-Verknüpfungen gespalten werden, von der nonreducing endet, zu geben, b -glucose

Nur eine -1,6-Verknüpfungen erzeugt werden, die zu geben, straight-chain maltodextrins

Die Nomenklatur der Enzyme kommerziell genutzt für die Stärke-Hydrolyse ist etwas verwirrend und die EC-Nummern manchmal Klumpen zusammen Enzyme mit subtil verschiedene Aktivitäten (Tabelle 4.2). Zum Beispiel, a-amylase kann subclassified als Verflüssigung oder saccharifying Amylasen aber auch diese Einteilung ist nicht ausreichend, um umfassen alle Enzyme, die in der kommerziellen Stärke-Hydrolyse. Ein Grund für die Verwirrung in der Nomenklatur ist die Nutzung der anomeric form der freigesetzten reduzierenden Gruppe in der Produkt, anstatt dass der Anleihe wird hydrolysiert; die Produkte des Bakterien-und Pilz-Amylasen sind in der a-Konfiguration und die Produkte von b -Amylasen sind in der b -Konfiguration, obwohl alle diese Enzyme Spalten zwischen a-1,4-verknüpften glucose-Reste.

Die a-Amylasen (1,4 – a-D-glucan glucanohydrolases) sind endohydrolases die cleave 1,4 – a-D-glucosidic Anleihen und umgehen können, aber nicht die hydrolyse der 1,6 – a-D-glucosidic branchpoints. Kommerziellen Enzymen für die industrielle Hydrolyse von Stärke hergestellt werden, die von Bacillus amyloliquefaciens (geliefert von verschiedenen Herstellern) und B. licheniformis (geliefert von Novo Industri A/S als Termamyl). Sie unterscheiden sich hauptsächlich in Ihrer Toleranz gegenüber hohen Temperaturen, Termamyl halten mehr Aktivität auf bis zu 110�C, in Gegenwart von Stärke als der B. amyloliquefaciens -amylase. Die maximale DE erhältlich mit Bakterien-a-Amylasen ist um die 40, aber eine längere Behandlung führt zur Bildung von maltulose (4 – a-D-glucopyranosyl-D-fructose), die resistent gegenüber der Hydrolyse durch glucoamylase und a-Amylasen. DE-Werte von 8-12 sind in den meisten kommerziellen Verfahren, bei denen die weitere verzuckerung erfolgt. Die wichtigste Anforderung für die Verflüssigung insofern ist die Verringerung der Viskosität des gelatinised Stärke zu erleichtern nachträgliche Bearbeitung.

Verschiedene Hersteller verwenden unterschiedliche Ansätze zur stärkeverflüssigung mit a-Amylasen, aber die Prinzipien sind die gleichen. Granulare Stärke ist slurried bei 30-40% (w/w) mit kaltem Wasser auf pH 6.0-6.5, mit 20-80 ppm Ca 2+ (die stabilisiert und aktiviert das Enzym) und das Enzym zugesetzt wird (über eine Dosierpumpe). Die a-amylase erfolgt normalerweise bei hohen Aktivitäten, so dass die Enzym-Dosis beträgt 0,5-0,6 kg tonne -1 (über 1500 U kg -1 Trockenmasse) von Stärke. Wenn Termamyl verwendet wird, wird die Aufschlämmung von Stärke plus Enzym gepumpt wird kontinuierlich durch eine Düse Herd, welcher beheizt bis 105�C mit Hilfe der live-steam. Man verkleisterung erfolgt sehr schnell und die enzymatische Aktivität, kombiniert mit den erheblichen Scherkräfte, beginnt die Hydrolyse. Die Verweilzeit in den jet-Kocher ist sehr kurz. Die teilweise gelatinised Stärke übergeben wird in einer Reihe von hält Rohre konstant auf 100-105�C and held for 5 min zum Abschluss der gelatinisierung Prozess. Hydrolyse zu den gewünschten DE erfolgt in tanks bei 90-100�C für 1 bis 2 Stunden. Diese tanks enthalten die kulissen zu entmutigen rückvermischung. Ähnliche Verfahren können verwendet werden, mit der B. amyloliquefaciens -amylase, aber die maximale Temperatur von 95�C darf nicht überschritten werden. Dies hat den Nachteil, dass eine endgültige “Kochen” – Phase eingeführt werden muss, wenn die gewünschte DE erreicht wurde, um gelatinise die widerspenstige Stärkekörner vorhanden in einigen Arten von Stärke, die sonst verursachen Trübungen in den Lösungen des Endprodukts.

Die verflüssigte Stärke ist in der Regel saccharified, aber vergleichsweise kleine Beträge sind-spray-getrocknet zum Verkauf als “maltodextrins”, um die food-Branche vor allem für den Einsatz als Füllstoffe und in baby-Nahrung. In diesem Fall Verbleibende enzymatische Aktivität zerstört werden können durch eine Senkung der pH-Wert gegen Ende der Heizperiode.

Pilz-a-amylase findet auch Verwendung in der Backwarenindustrie. Es muss Häufig Hinzugefügt werden, zum Brot-Herstellung von Mehlen für die Förderung angemessener gas-Produktion und der Stärke Veränderung während der fermentation. Dies ist notwendig geworden, seit der Einführung von Mähdreschern. Reduzieren Sie die Zeit zwischen schneiden und dreschen von Weizen, die bisher ausreichend waren, um eine begrenzte sprießen so erhöhen sich die Mengen der endogenen Enzyme. Die Pilz-Enzyme werden verwendet, eher als denen von Bakterien, wie Ihre Wirkung ist leichter zu kontrollieren, wegen Ihrer relativen Wärme Labilität, die Denaturierung während Sie schnell Backen.

Diese Seite wurde im Jahr 2004 gegründet und zuletzt aktualisiert von Martin Chaplin
auf 6 August, 2014

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