Lipasen in Lebensmitteln
Wirkungen, Biochemie, Anwendungen

 

 

Lipasen *

Ernährungsphysiologie *

Technologische Aspekte - Anwendungen in Lebensmitteln *

Technologische Aspekte – unerwünschte Effekte *

Analytik *

Weiterführende Literatur *

 

Lipasen

Lipasen sind fettspaltende Enzyme und gehören definitiongemäß zu den Esterhydrolase. Im Unterschied zu den meisten anderen Enzymen wirken sie an der Phasengrenze zwischen Fett- und Wasserphase. Diese Eigenschaft ermöglicht zum einen die Spaltung des nicht wasserlöslichen Substrates Fett und zum anderen ihre Löslichkeit in der wäßrigen Phase. Lipasen katalysieren die Hydrolyse von Fetten, vorzugsweise von Triglyceriden zu freien Fettsäuren und zu Glycerol (Abb.1).

Neben dieser typischen Reaktion sind aber auch viele Lipasen in der Lage andere Esterbindungen zu spalten. Daneben können im geeigneten Milieu (geringer Wassergehalt <1%) auch Veresterungen katalysiert werden.

Lipasen besitzen teilweise eine Positionspezifität für die 1- und 3-Position in den Triglyceriden (z.B. Pankreaslipase) daneben sind auch Lipasen bekannt, die eine Fettsäurespezifität, z.B. für Ölsäure (geotrichum candidum Lipase) aufweisen. Zum Funktionsmechanismus der Lipasekatalyse wurden in den letzten Jahren viele neue Erkenntnisse gewonnen. Man weiß heute, daß das aktivie Zentrum der Lipase, welches lipophile Eigenschaften besitzt, durch eine Proteinseitenkette (als "Deckel" oder "lid" bezeichnet) verschlossen ist und erst an der Phasengrenze geöffnet wird. Ionen, welche die gebildeten freien Fettsäuren entfernen, z.B. Ca2+ wirken als Aktivatoren, hohe Konzentrationen an freien Fettsäuren dagegen als Inhibitoren. Lipasen werden von lipophilen Oberflächen leicht adorptiv gebunden, so also z.B. aus dem Reaktionsmedium entfernt oder immobilisiert. Diese Lipophilie hat auch die Möglichkeit der Hemmung von Lipasen durch geeignete Substanzen zur Folge.

Ernährungsphysiologie

Lipasen sind für den menschlichen Organismus als Verdauungsenzyme essentiell. Eine Unterversorgung führt zu Stoffwechselstörungen, kann durch geeignete Auswahl der Nahrungsfette oder durch Enzymsupplementierung jedoch therapiert werden. Die Spaltung der Fette durch die Lipasen erfolgt im alkalischen Medium im Darm.........

Die körpereigenen Lipasen haben eine relativ geringe pH- und Substratspezifität. Sie sind jedoch vorzugsweise zur Spaltung der Triglyceride in der 1- und 3 Position geeignet. Als Reaktionsprodukte werden also 2-Monoglyceride und Fettsäuren zur Absorption bereitgestellt. Lipasen als kontaminierender Bestandteil von Lebensmitteln spielen in der Regel keine Rolle. Ausnahmen können individuelle Unverträglichkeiten und Allergien (allerdings nur unwesentlich) sein. Das Auftreten hoher Gehalte an freien Fettsäuren auf Grund eines lipolytischen Fettabbaus spielt eher aus sensorischer, als aus ernährungsphysiologischer Sicht eine Rolle. Die Verdaulichkeit von Fetten wird durch Lipasen verbessert.

Technologische Aspekte - Anwendungen in Lebensmitteln

Lipasen finden in der Lebensmittelherstellung derzeit nur in untergeordnetem Maßstab eine direkte Anwendung. Bei der Herstellung von Aromen und anderen Naturstoffen dienen Sie z.T. zur Trennung racemischer Gemische. Umfangreiche Arbeiten wurden zur Synthese von Triglyceriden oder zur Umesterung von Fetten mittels Lipasen durchgeführt. Es gibt patentierte Anwendungen zur Herstellung von Spezialfetten (z.B. Kakaobutteraustauschfette, MCT – medium chain triglycerides). In welchem Umfang diese praktisch Anwendung finden ist unklar. Zum Entfetten von Eiweißprodukten, z.B. Hühnereiklar, können Lipasen ebenfalls wirkungsvoll eingesetzt werden.

Technologische Aspekte – unerwünschte Effekte

Die Spaltung von Fetten durch Lipasen als unerwünschte Nebenwirkung ist in der Lebensmittelherstellung ein ernstes Problem. Besonders laurische Fette unterliegen schnellem hydrolytischen Verderb. Die freigesetzten Fettsäuren werden, in Abhängigkeit von Kettenlänge und Medium durch ihren seifigen Geschmack auch in niedrigen Konzentrationen erkannt und als unangenehm empfunden. Der dadurch verursachte Verderb von Produkten macht sich vor allem bei Lagerung über längere Zeiträume bemerkbar.

Der lipolytische Verderb tritt auch bei geringen Lipaseaktivitäten, also im Spurenbereich auf. Aktivitäten im nkat – Bereich (1kat ‚Katal‘ entsprich 1 mol/s) können zur Verringerung der Lagerfähigkeit unter ˝ Jahr führen. Um diese geringen Aktivitäten im Lebensmittel zu hemmen oder zu eliminieren bedarf es einer exakten Lkoalisierung der kontaminierenden Quelle. In vielen Fällen handelt es sich um essentiell im Produkt oder Zutaten enthaltene Enzyme. Es können aber auch mikrobielle Kontaminationen Ursache sein. Problematisch ist, daß bei einer Pasteurisation / Sterilisation von Produkten zwar die Mikroorganismen abgetötet werden, die Lipasen aber aktiv bleiben oder zumindest eine Restaktivität erhalten bleibt. Ursache hierfür ist die relativ hohe thermische Stabilität von Lipasen. So sind experimente bekannt in denen Lipasen bei Temperaturen von 100 °C über Stunden aktiv blieben. Vor allem im wasserfreien oder –armen Medium sowie in immobilisierter Form sind diese Effekte relevant. Als Beispiel können geröstete Getreideerzeugnisse (z.B. Haferflocken) dienen, in denen oft lipolytische Aktivitäten gefunden werden.

Neben der Freisetzung von Fettsäuren als primäres Problem ist auch noch die damit verbundene Bildung von ranzig riechenden Verbindungen aus den freien Fettsäuren zu nennen. Dieser sekundäre Prozeß führt zu einer weiteren Verschlechterung der Qualität lipolytisch geschädigter Produkte. Esterspaltungsreaktionen die auch von Lipasen katalysiert werden spielen in Lebensmitteln z.B. hinsichtlich aromaintensiver Komponenten eine Rolle.

Hydrolysen von Fetten sollten in wasserarmen Lebensmitteln (Gehalte unter 5 ) aufgrund des Fehlens des Reaktionspartners Wasser, als auch der für die Wirksamkeit von Enzymen notwendigen Wasseraktivität, nur von untergeordneter Bedeutung sein. In der Praxis zeigt sich jedoch, daß auch solche Lebensmittel (insbesondere laurische Fette enthaltende) von hydrolytischem Fettverderb betroffen sind. Auch bei Wassergehalten unter 3 % wurden noch Aktivitäten, allerdings im nkat - Bereich gemessen.

Analytik

Die Bestimmung der Lipasen in Lebensmittelsystemen konzentriert sich auf zwei Fragestellungen – die Identifizierung der Lipase und die Bestimmung der Aktivität derselben. Erstgenannte Fragestellung ist u.U. sehr aufwendig, schließ0t eine Proteinisolierung und Charakterisierung ein und muß zur Vollständigkeit auch die Identifizierung der Enzymquelle, z.B. über Bestimmung der Sequenz des Eiweißes o.ä. beinhalten. Es wird deshalb häufig nur der Anwesenheitsnachweise angestrebt. Dieser sollte mit einem Assay erfolgen, welches sicher zwischen Lipasen und Esterasen unterscheidet um Fehlinterpretationen der Ergebnisse zu vermeiden. Speziell die Wahl der Substrate ist hier besonders sorgfältig vorzunehmen.

Die Bestimmung geringer Aktivitäten ist z.B. mit spektrophotometrischen Methode mit geeigneten, optimierten Aufarbeitungsschritten möglich. In der Literatur ist z.B. von Kwon und Rhee eine Methode beschrieben, die in optimierter Form die Bestimmung der Lipaseaktivität mit einer Nachweisgrenze von 1 nkat ermöglicht. Darüber hinaus wurden elektrochemische Detektionsverfahren für eine teilautomatisierte Bestimmung getestet. Diese sind jedoch mit z.T. erheblichem apparativem Aufwand verbunden. Es sollte an dieser Stelle betont werden, daß für die Bestimmungen auf die Fragestellung zugeschnittene Versuchsansätze gewählt werden müssen. Temperatur, Reaktionsmedium, pH und Konzentrationen der Systembestandteile sind von entscheidendem Einfluß auf die Aussagekraft der Ergebnisse.

Zwar läßt sich der Einfluß der Lipasen im Lebensmittel nie vollständig ausschließen aber eine optimiertes Design kann viele Probleme vermeiden oder mindern.

Weiterführende Literatur

  1. Ruttloff,H., Industrielle Enzyme, Behr´s Verlag 1994
  2. Reed, G., Enzyms in Food Processing, Academic Press 1966
  3. Franzke, C., Lehrbuch der Lebensmittelchemie, Akademie-Verlag Berlin 1990
  4. G. Glowacz, M. Bariszlovich, M. Linke, P. Richter, C. Fuchs, J.-Th. Mörsel
    Chemistry and Physics of Lipids 79(1996) 101-106
  5. Kwon, D.Y. and J.S. Rhee (1985) Korean J. Food Sci. Technol. 17:490

 

 

 

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