Welche Anwendungen gibt es für immobilisierte Lipasen in Lebensmitteln?

Enzyme sind eine Klasse von Biokatalysatoren, die sich durch hohe Effizienz und Spezifität auszeichnen. Enzyme können innerhalb und außerhalb von Organismen biotransformiert werden und besitzen eine ausgezeichnete Stereoselektivität, Regioselektivität und Chemoselektivität. Lipase als grüner Biokatalysator findet breite Anwendung in der Chemie-, Lebensmittel-, Pharma-, Energie- und Umweltindustrie sowie in anderen Bereichen.
Dieser Artikel befasst sich mit der Anwendung von immobilisierter Lipase in der Lebensmittelindustrie.
Synthese von aromatischen Verbindungen

Kurzkettige Ester mit fruchtigen Aromen sind in der Lebensmittelindustrie als Aromastoffe beliebt, und diese Aromastoffe können chemisch synthetisiert oder aus natürlichen Quellen gewonnen werden.
Bei den Aromastoffen handelt es sich in der Regel um kurzkettige Fettsäuren und Alkohole wie Methylbutyrat, Butylbutyrat, Isoamylisobutyrat für ananas- oder apfelartige Aromen, Ethylbutyrat für ananas- oder erdbeerartige Aromen und Isoamylacetat/Isoamylbutyrat für bananenartige Aromen.
Immobilisierte Lipasen katalysieren die Synthese natürlicher Aromen unter milden Bedingungen. Sie sind sicherer und zuverlässiger als die chemische Synthese und bieten daher ein breites Anwendungsspektrum bei der Synthese von aromatischen Verbindungen.
Garlapati et al. untersuchten die Synthese von Methylbutyrat und Octylacetat durch immobilisierte Aspergillus oryzae NRRL3562 Lipase durch katalytische Veresterung unter lösungsmittelfreien Bedingungen. Die Wirkung verschiedener Veresterungsreaktionsparameter wie Alkohol-Molverhältnis, Reaktionszeit und Temperatur auf den molaren Umsatz (%) wurde untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass das immobilisierte Enzym eine relative Aktivität von mehr als 95% für Methylbutyrat und Octylacetat bis zum 5- bzw. 6-fachen beibehielt und eine hohe Lipaseaktivität aufwies.
Ghamgui et al. katalysierten die Synthese von Isoamylacetat (Bananenaroma) aus der Veresterungsreaktion von Essigsäure und Isoamylalkohol unter reinen Substratbedingungen unter Verwendung von immobilisierter Lipase aus nicht-kommerziellen Staphylococcus similars und untersuchten die Auswirkungen von Reaktionsparametern wie der Lipasedosierung und dem molaren Verhältnis von Essigsäure zu Isoamylalkohol auf die Reaktion. Die Ergebnisse zeigten, dass die Umwandlung von Essigsäure und Isoamylalkohol in 8 Stunden 64% erreichen konnte. Das immobilisierte Enzympräparat zeigte nach 4 Anwendungszyklen keine signifikante Abnahme der immobilisierten Enzymaktivität, und die Stabilität und Aktivität des immobilisierten Enzyms waren hoch.
Matte et al. immobilisierten Thermomyces lanuginosus-Lipase (TLL) auf natürlichem und modifiziertem Immobead 150, um Butylbutyrat und Isoamylbutyrat durch kovalente Mehrpunktverknüpfung mit Ethylendiamin zu synthetisieren. Die Ergebnisse zeigten, dass die an mehreren Stellen kovalent immobilisierte Lipase auf natürlichem Immobead 150 (EMULTI) eine Halbwertszeit von 5,32 Stunden bei 70 °C hatte, was etwa 30-mal stabiler war als ihre TLL-Lösung, und eine hohe Stabilität in Aceton, n-Hexan und Iso-Octan aufwies. Die Veresterungsreaktion konnte innerhalb von 24 Stunden eine Veresterungsrate von mehr als 60% erreichen. Von allen Immobilisierungsmethoden zeigte EMULI die beste thermische Stabilität, Lösungsmittelstabilität und Stabilität in ionischen Flüssigkeiten.
Verarbeitung von Öl- und Fettmodifikationen
Immobilisierte Lipase hat ein breites Anwendungspotenzial in der Öl- und Fettindustrie. Sie wird hauptsächlich bei der Fettverarbeitung eingesetzt, und die Fettmodifizierung ist ein sehr wichtiger Bestandteil der Lebensmittelverarbeitung.
Immobilisierte Lipase ist dem freien Enzym überlegen, da die Immobilisierung die Stabilität und Aktivität des Enzyms verbessern kann. In der immobilisierten Form kann das Enzym wiederverwendet werden. Die meisten Immobilisierungsmethoden nutzen nicht-kovalente Wechselwirkungen.
Natürliche Fette und Öle sind aufgrund ihrer langen verzweigten Ketten und der unterschiedlichen Sättigung der Fettsäuren weniger stabil, und Lipasen können als Biokatalysatoren zur Veränderung von Fetten und Ölen eingesetzt werden, indem sie ihre Positions- und Fettsäurespezifität nutzen.
Lipase-modifizierte Fette und Öle haben einen höheren Nährwert, eine höhere Stabilität und Qualität und ein größeres Marktpotenzial in der Lebensmittelverarbeitung.
Paula et al. immobilisierten handelsübliche nicht-regioselektive Pseudohyphomyces-Lipase (Novozym 435) und 1,3-Regioselektive Mycobacterium mycenae-Lipase in einer heterogenen organisch-anorganischen Polysiloxan-Poly(vinylalkohol)-Matrix, die im Reaktor als Biokatalysatoren fungierten, um die physikalischen Eigenschaften von Milchfetten durch enzymatische Umesterungsreaktionen zu modulieren und ein gesundes, für die industrielle Produktion geeignetes umgeestertes Fettgemisch zu erhalten.
Tecelão et al. synthetisierten Humanmilchfette (HMF) durch Kombination von Tripalmitin mit Ölsäure oder mehrfach ungesättigten Omega-3-Fettsäuren unter Bedingungen einer enzymkatalysierten Acidolyse in einem lösungsmittelfreien Medium bei 60°C. Vier immobilisierte Lipasen, Lipozyme RM IM, Theromyces Lanuginosa Lipase, Lipozyme TLIM und Novozym 435, wurden getestet, und die Ergebnisse zeigten, dass die Aktivität und Betriebsstabilität der Biokatalysatoren vom verwendeten Acyldonor abhängt.
Verbesserung der Fettlöslichkeit von Lebensmittelzusatzstoffen
Isoascorbinsäure wird in der Lebensmittelindustrie häufig als Antioxidationsmittel verwendet, kann jedoch aufgrund ihrer hohen Hydrophilie nur schwer in Lebensmitteln auf Lipidbasis eingesetzt werden.
Die Umwandlung von Ascorbinsäure in Ascorbatester, die durch immobilisierte Lipase katalysiert wird, kann die Lipophilie des Produkts wirksam verbessern, so dass es besser in fetthaltigen Lebensmitteln verwendet werden kann.
Santibáñez et al. verwendeten verschiedene Träger, um die Lipase TL von Pseudomonas aeruginosa für die enzymatische Veresterung von Ascorbylpalmitat aus Palmitinsäure und Ascorbinsäure in einem organischen Medium zu immobilisieren, und verglichen ihre Leistung mit der von kommerzieller Lipase Novozym 435. Die Ergebnisse zeigten, dass die Umwandlungsrate der Pseudomonas-Lipase TL bei 55 ℃ 57% erreichte, was höher war als die Substratumwandlungsrate der kommerziellen Novozym 435-Lipase bei 70 ℃.
Sun et al. wandelten Isoascorbinsäure durch immobilisierte Lipase in D-Isoascorbylpalmitat um, was die Öllöslichkeit von Isoascorbinsäure in organischem Medium verbesserte und eine hohe Umwandlungsrate mit einem Ertrag von 95,32% ergab.
Tang Luhong et al. werden Heptan und tertiären Amylalkohol und verschiedene Arten von Reaktionsmedien und verschiedene Arten von Lipase auf die Synthese von L-Ascorbylpalmitat Reaktion, die Ergebnisse zeigen, dass tert-Butanol ist geeignet für Ester-Synthese-Reaktion, und Novozym 435 Lipase hat gute katalytische Aktivität.
Synthese von Zuckerestern für Lebensmittelemulgatoren
Zuckerester sind nichtionische Tenside mit einer hydrophilen Gruppe aus einer Zuckergruppe und einer hydrophoben Gruppe aus einer Fettsäure sowie amphiphilen Eigenschaften. Sie können in einem einzigen enzymatischen Reaktionsschritt unter Verwendung von Lipasen synthetisiert werden, wobei nach Möglichkeit erneuerbare, billige und leicht verfügbare Rohstoffe verwendet werden.Zuckerester als Lebensmittelemulgatoren werden in der Lebensmittelindustrie aufgrund ihrer biologischen Abbaubarkeit, ihrer Ungiftigkeit und ihrer Unbedenklichkeit für die Umwelt häufig verwendet.
Zaidan et al. katalysierten die Synthese von Laktoseestern, indem sie Lipase durch kovalente Bindung und physikalische Adsorption mit einem Nanoreaktor (d. h. NER-CRL) vernetzten und zerknüllte Pseudoligactomyces lactis (CRL)-Lipase auf aminoaktiviertem Glimmer immobilisierten. Die Ergebnisse zeigten, dass NER-CRL und Amino-CRL eine hohe Betriebsstabilität mit Halbwertszeiten von mehr als dem 13- bzw. 10-fachen und eine 2,4- bzw. 2,6-fache Steigerung der spezifischen Aktivität gegenüber dem freien Enzym aufweisen.
Adnani et al. ahmten die fettkatalysierte Veresterungsreaktion von Xylit und Stearinsäure nach und katalysierten die Synthese von Xylit-Fettsäureestern mit Novozym 435 (makroporöses Harz-immobilisierte antarktische Pseudomalleiomyces-Hefelipase) in n-Hexan. Die Ergebnisse zeigten, dass die tatsächliche Ausbeute an Fettsäureestern 96,10% betrug.
Kapoor et al. katalysierten die Veresterung von Glycerin mit Palmitinsäure unter wasserarmen Bedingungen mit vernetzten Enzymaggregaten (CLEAS) der antarktischen Pseudomalleye-Lipase B (CALB). Die Ergebnisse zeigten, dass die Reaktion eine Umwandlung von 90,3% in 24 Stunden erreichen konnte. Die Ausbeute an Mono- und Diglyceriden betrug 87% bzw. 3,3%.
Synthetische Kakaobutter
Kakaobutter hat einen Schmelzpunkt von 37℃, hat die Eigenschaft, im Mund zu schmelzen, enthält Palmitinsäure und Stearinsäure und ist ein wichtiger Rohstoff für die Verarbeitung von Schokolade in der Lebensmittelindustrie.
Die Produktion von natürlicher Kakaobutter ist jedoch gering und relativ teuer, so dass immobilisierte Lipasen zur Katalyse der Umesterung von Fetten und Ölen verwendet wurden, um Kakaobutterersatzstoffe herzustellen, die in der Lebensmittelindustrie häufiger verwendet werden.Dutt et al. verwendeten den aus dem Boden isolierten Bacillus RK-3-Stamm zur Produktion von 1,3-Regionen-spezifischer Lipase für Umesterungsreaktionen unter Verwendung von Palmöl und Methylstearat als Rohstoffen. Die Ergebnisse zeigten, dass das Endprodukt ähnlich wie CB war und eine Umwandlung von 83,17% innerhalb von 24 h aufwies.
Gong Xin et al. untersuchten die katalytische Herstellung von kalorienarmer Kakaobutter aus Sapium sebiferum mit immobilisierter Lipase Lipozyme TLIM und stellten fest, dass die höchste Austauschrate von 34,9% bei einer Temperatur von 65 ℃, einem Aw von 0.06 und einer katalytischen Zeit von 15,5 h erreicht wurde. Das Produkt hatte einen SI-Wert von 0,55 und einen Schmelzpunkt von 37 ℃, was darauf hindeutet, dass kalorienarme Kakaobutter aus Sapium sebiferum-Lipiden hergestellt werden kann.
Hu Fang et al. verwendeten die Lipase Lipozyme TLIM, um die Umesterungsreaktion zur Synthese von Kakaobutter zu katalysieren, und das Ergebnis war, dass die Ausbeute an Kakaobutter 85,586% betrug, und die erweiterte Strukturanalyse zeigte, dass die Zusammensetzung und Struktur der Triglyceride im Produkt der von natürlicher Kakaobutter ähnlich war.