Stärkeverzuckerung

Enzyme für die Stärkehydrolyse - Gewinnung von HFCS-Sirup und Maltodextrinen


Enzymatische Stärkehydrolyse


Die Stärkehydrolyse gehört volumenmäßig mit zu den größten biotechnologischen Verfahren. Noch Mitte des letzten Jahrhunderts erfolgte die Spaltung der glycosidischen Bindungen in einer Säurehydrolyse; heute fast ausschließlich nur noch mit Hilfe von Enzymen. Der Prozess der Stärkeverzuckerung ist mit Hilfe der Gentechnik effektiver, umweltfreundlicher und kostengünstiger geworden. Mit Hilfe der Gentechnik meint hier die Verwendung von Lebensmittelenzymen, die mit gentechnisch veränderten Mikroorganismen gewonnen werden.


Für den Prozess kann jede Stärke eingesetzt werden, wobei in den USA vornehmlich Maisstärke und in Europa Weizen- und Kartoffelstärke verwendet wird.

Stärke ist ein Polysaccharid, das ausschließlich aus Glucose-Einheiten aufgebaut ist. Sie besteht aus dem linearen Anteil, der Amylose und dem verzweigten Anteil, dem Amylopektin. Je nach Herkunft variiert ihr Verhältnis (4:1). In der Amylose sind die Glucosemoleküle über eine ꭤ-1,4-glycosidische Bindung verknüpft, die Verzweigungen erfolgen über eine ꭤ-1,6-glycosidische Bindung.

           Amylose -Amylopektin

Herkunft        Amylose    Amylopektin

    Mais               28%        72% 

   Weizen            28%        72%

   Kartoffeln        21%        79%

Der Prozess der Stärkeverzuckerung gliedert sich grundsätzlich in drei Schritte:


1.  Stärkeverflüssigung: Die Stärkesuspension wird mit Hilfe von - meist hitzestabiler ꭤ-Amylasen - in Maltodextrine hydrolysiert.

2.  Verzuckerung der Maltodextrine unter Verwendung von Glucoamylasen und Pullulanasen.

3.  Isomerisierung der Glucose zu Fructose.  

Enzyme für die Stärkeverzuckerung

 

► ꭤ-Amylasen hydrolysieren die ꭤ-1,4-glycosidischen Bindungen statistisch in den linearen Bereichen der Stärke. Die     Verzweigungspunkte in der Stärke, die ꭤ-1,6-glycosidischen Bindung werden „übersprungen“. Diese Amylasen akzeptieren keine   ꭤ-1,6-glycosidischen Bindungen. Die Hydrolyseprodukte sind -je nach Inkubationsdauer- Maltodextrine , Grenzdextrine (Bereiche um die  "Verzweigungsstellen“ der Stärke und Oligosaccharide mit Kettenlängen von bis sechs Maltoseeinheiten.

 

► β-Amylasen spalten vom reduzierenden Ende schrittweise Maltoseeinheiten ab. An den Verzweigungspunkten, den ꭤ-1,6-   

glycosidischen Bindungen bleibt die enzymatische Reaktion stehen. Amylose – die lineare Stärke – kann vollständig in Maltose hydrolysiert werden. Amylopektin wird nur partiell abgebaut (Grenzdextrine).

 

►Glucoamylasen / Glucan-1,4-ꭤ-Glucosidasen spalten in der Stärke vom reduzierten Ende her schrittweise Glucose ab. Sie hydrolysieren Dextrine und Gluco-Oligosaccharide fast vollständig in Glucose.  Glucoamylasen akzeptieren auch ꭤ-1,6- sowie ꭤ-1,3.glycosidische Bindungen. (Endpunkt: Glucose)

 

► Pullulanase stellt ein „Entzweigungsenzym“ dar. Pullulanasen spalten die ꭤ-1,6-glycosidischen Bindung in den kurzkettigen Grenzdextrinen und gemeinsam mit den Glucoamylasen werden sie in Glucose hydroysiert. (Endprodukt: Glucose)

 

► Isoamylasen sind ebenfalls „Entzweigungsenzyme“. Sie akzeptieren nur langkettige Grenzdextrine. Auch sie hydrolysieren ꭤ-1,6-glycosidischen Bindungen.

 

► Glucoseisomerase / Xyloseisomerase isomerisiert Glucose in Fructose (Endprodukt: Glucose-Fructose-Sirup)


Weitere Enzyme (nicht standardmäßig eingesetzt):


► Maltogene Amylase spaltet in Amylose von reduzierenden Ende her schrittweise Maltose ab. 



► Glucan-1,4-ꭤ-Maltotetrahydrolase spaltet in Amylose von reduzierenden Ende her schrittweise Maltotetraose ab. 


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