1. Grondstoffen

1.6. Enzymen

Inleiding

Eerst en vooral moet het duidelijk zijn dat enzymen eiwitten zijn en dat ze een specifieke reactie katalyseren voor een bepaald substraat. Met andere woorden een bepaald enzym zal slechts inwerken op een bepaald substraat en alleen ťťn welbepaalde reactie katalyseren. Ten tweede moet men onthouden dat het enzym, alhoewel het een belangrijke speler is in een chemische reactie, het zelf geen veranderingen ondergaat omwille van de reactie. Het zijn biologische katalysatoren die een chemische reactie mogelijk maken of ze versnellen.

Omdat het eiwitten zijn, zijn ze warmte gevoelig en alle enzymen hebben een optimum temperatuur en optimum pH voor wat betreft hun activiteit. En naast de optimale temperatuur en/of pH zijn zij actief binnen een bepaalde bandbreedte. In die bandbreedte zal hun activiteit stijgen tot zij de denaturatie temperatuur bereikt hebben. Dat is de temperatuur waarbij het eiwit vernietigd wordt en waarbij de functionaliteit van het enzym verloren gaat. De zelfde regel geldt voor de pH. Bij een bepaalde pH (te hoog of te laag) zal het enzym zijn functionaliteit verliezen. Naast temperatuur en pH is hun werking ook afhankelijk van de beschikbaarheid van water (zonder water doet het enzym niets), de beschikbaarheid van het substraat en de tijd. Voorbeeld: amylasen werken in op suikers maar als er geen suiker is zal de amylase niets doen.

Men moet echter in het oog houden dat het al dan niet nuttig zijn van een bepaalde enzymatische reactie, gedeeltelijk afhankelijk is van het op elkaar afstemmen van de optimum pH van het enzym met de pH van het deeg.

Samenvattend: enzymen zijn biologische stoffen, meestal eiwitten, die meewerken aan het omzetten van een bepaalde stof in een andere stof. Hun aanwezigheid versnelt de chemische reactie en ze zijn zeer specifiek. Ze werken in op ťťn bepaalde stof of ze katalyseren slechts een bepaalde soort reactie. Soms werken ze wel in op verschillende substraten die een zeer gelijkaardige chemische structuur hebben.

De activiteit van het enzym is afhankelijk van de temperatuur. Enzymen die in de bakkerij gebruikt worden zijn normaal stabiel bij kamertemperatuur. De snelheid waarmee een enzym werkt verdubbeld, algemeen gesproken, voor elke schijf van 10įC zolang tot het enzym gedenatureerd wordt. De meeste enzymen worden gedeactiveerd boven de 60įC. Een uitzondering op deze regel is bacteriŽle alfa-amylase, die actief blijft tot ongeveer 85įC maar die ook een residuele activiteit kan hebben na het bakken van het brood. Hierdoor wordt het brood na verloop van tijd echt kauwgomachtig.

Enzymatische activiteit is ook afhankelijk van de pH; er is een optimum pH (verschillend voor ieder type enzym) waarbij een maximum activiteit bereikt wordt. Enzymen zijn normaal stabiel tussen een pH van 4 tot 9 en de pH van een deeg ligt meestal tussen 5 en 6. Het is uitzonderlijk dat denaturatie omwille van de pH zich voordoet. Maar, de zuurtegraad heeft een effect op de ionisatie van de actieve groepen in de molecule van het enzym waardoor het enzym minder of meer functioneel wordt. De kunst bestaat er dus in om de pH van het deeg zo goed mogelijk af te stemmen op de optimale pH van het enzym

De activiteit van het enzym hangt ook af van de concentratie van het enzym en de concentratie van het substraat. Een hoger concentratie van enzym zal de reactiesnelheid verhogen maar dit is niet lineair met de hoeveelheid aanwezig substraat. De tijd dat het enzym en het substraat met elkaar in contact zijn beïnvloedt de duur en de intensiteit van de reactie.

De meeste enzymen functioneren alleen maar als er een co-enzyme aanwezig is. Dit co-enzyme is meestal geen eiwit. Er zijn ook stoffen die de werking van het enzym gaan vertragen of zelfs blokkeren omdat ze zich omkeerbaar of onomkeerbaar aan het enzym of aan het substraat vasthechten. Oxidatiemiddelen zoals bromaten hebben dit effect maar ook een aantal zware metalen.

scheme of enzymatic reaction

Er zijn 4 grote families enzymen die een rol spelen in het bakproces: amylases, proteases, pentosanases en lipoxygenases. Amylases kunnen onderverdeeld worden in α-amylase en β-amylase.

Twee amylasen komen veelvuldig voor in de bakkerij sector: alfa-amylase en beta-amylase die respectievelijk ook bekend zijn onder de namen alfa-1,4-glucaan glucanohydrolase en alfa-1,4-glucaan maltohydrolase.

Amylasen zetten zetmeel om in suiker: de α-amylase knipt het zetmeel door op willekeurige plaatsen (de zogenaamde 1-4 bindingen in het zetmeel) terwijl de β-amylase alleen twee suikermoleculen kan afsplitsen die zich aan de uiteinden van de zetmeelmolecule bevinden. Normaal gezien is er, van nature uit, voldoende β-amylase aanwezig in de bloem maar soms moet α-amylase toegevoegd worden. De α-amylase breekt het zetmeel af in kleinere moleculen, dextrinen genaamd, en hoe groter de α-amylase activiteit, des te beter de β-amylase gaat functioneren gewoon omdat er meer molecuul uiteinden beschikbaar zijn. Dus het substraat voor de β-amylase is zowel zetmeel als dextrinen en die worden op hun beurt afgebroken tot maltose.

Alfa-amylase is een "endo-enzyme" die verbindingen binnen in de zetmeel molecule gaat verbreken. Het splitst de zetmeelketen op een willekeurige plaatsen bij de alfa-1,4-glycoside binding en er ontstaan daarbij korte glucose ketens of dextrinen. Beta-amylase is een "exo-enzyme" dat maltose eenheden afsplitst van het niet-reducerende uiteinde van de zetmeel molecule.

Afhankelijk van hun herkomst, vertonen alfa- en beta-amylase verschillen in de optimale temperatuur en pH, hun resistentie tegen temperatuur en andere chemische toestanden. Ze hoeven geen co-enzyme om functioneel te zijn alhoewel het bewezen is dat de aanwezigheid van calcium de activiteit van alfa-amylase versterkt.

De optimale pH voor alfa-amylase is 4.5 en het enzym wordt gedeactiveerd bij een pH tussen 3.3 en 4.0. Deze pH afhankelijkheid vermindert de efficiëntie van het enzym in zuurdegen. Beta-amylase is actief in een grotere pH bandbreedte: 4.5-9.2, en heeft een optimum bij pH 5.3. alfa-amylase is is redelijk stabiel tot zo'n 70įC, terwijl beta-amylase ongeveer de helft van zijn functionaliteit verliest bij deze temperatuur. Amylase geproduceerd door schimmels heeft de kleinste thermoresistentie, gevolgd door amylasen uit graangewassen, terwijl amylase die geproduceerd werden door bacteriŽn stabiel is bij hogere temperaturen. Er bestaan ook "intermediaire" enzymen die actief blijven boven de verstijfselingstemperatuur van zetmeel (60įC), en die later in het bakproces volledig gedeactiveerd 80-90įC). Het objectief is het anti-staling effect te maximaliseren zonder een plakkerige, gummy-achtige kruin te krijgen.

Het toevoegen van amylase kan gebeuren in de molen of in de bakkerij. Er is trouwens een algemene tendens dat de bakker zelf de functionele ingrediŽnten die zich normaal in een verbeteraar bevinden toevoegt. Mout hetzij van gerst hetzij van tarwe wordt reeds meer dan een eeuw gebruikt in de bakkerij maar nu worden die langzaam maar zeker vervangen door enzymepreparaten. De reden hiervoor is dat mout een natuurlijk product is en dat de enzym activiteit van mout nogal eens kan variŽren. Door amylasen toe te voegen worden er meer suikers geproduceerd die dan op hun beurt door de gist omgezet worden in alcohol en CO2. De suikers gaan ook het aroma beÔnvloeden van het brood en de korstkleur. Door het afbreken van zetmeel verbeteren de amylasen de waterhuishouding in de kruim waardoor die op haar beurt malser wordt en het verouderingsproces anders verloopt.

De hoeveelheid α-amylase in bloem is meestal te laag en de molen zal de bloem bijsturen door α-amylase toe te voegen. De amylase activiteit van bloem wordt bepaald door het valgetal van Hagberg. Een goede bloem heeft een valgetal tussen de 200 en 250 seconden. De α-amylase die de molen toevoegt kan afkomstig zij van graangewassen (mout), geproduceerd door schimmels (Aspergillius oryzae) of een bacteriŽle oorsprong hebben (Bacillus subtilis). Amylase geproduceerd door bacteriŽn wordt op een hogere temperatuur gedenatureerd en kan in de kruim van het brood achterblijven. Het enzym zal actief blijven en zetmeel blijven omzetten. Aangezien zetmeel een belangrijke component is van het verouderingsproces worden bacteriŽle amylasen gebruikt om een malsere kruim te verkrijgen. Er is echter ook een keerzijde van de medaille. Als deze enzymen bijven nawerken in het brood, wordt de kruim gummy-achtige en in het slechtste geval gaat het brood inzakken terwijl het op het rek in de supermarkt staat.

Enzymen die verkregen worden via een fermentatie met schimmels gedragen zich op precies dezelfde manier als bacteriŽle enzymen of mout. Ze worden alleen bij een lagere temperatuur, dus vroeger in het bakproces, gedeactiveerd.

Protease reageert met proteÔnen en gaat de gluten structuur verzwakken. Kneedtijden worden korter, de verwerking op automatische lijnen gaat iets gemakkelijker en het deeg gaat beter de bakpan vullen. Dit is het gevolg van het afbreken van de lange eiwitketens, waarbij de peptide bindingen afgebroken worden.

ProteÔnen zijn lange ketens van aminozuren. Proteolytische enzymen, ook proteasen genoemd kunnen onderverdeeld worden in twee grote groepen: proteasen en peptidase. Proteasen splitsen eiwitten bij de CO-NH binding waardoor er polypeptiden, peptiden en peptonen gevormd worden. Deze worden dan verder gehydrolyseerd in aminozuren door peptidases.

Mout werd vroeger ook gebruikt niet alleen voor het toevoegen van amylasen, maar ook om extra proteolytische enzymen aan de bloem toe te voegen. Voor deze toepassing is mout vervangen door proteasen afkomstig van planten of schimmels. De toevoeging van proteasen vindt zijn oorsprong in automatische lijnen met een grote capaciteit. Proteasen werden (worden) gebruikt om de kneedtijd te verkorten en toch een soepel deeg te verkrijgen. Ze werken in op de glutenstructuur. Hun effect is gelijkaardig aan dat van reducerende stoffen, behalve dat het effect blijvend is en het is niet omkeerbaar door oxidatie middelen zoals vitamine C toe te voegen.

Pentosanen zijn polysachariden die hoofdzakelijk bestaan uit de suikers xylose en arabinose die beide 5-ringen zijn. Alhoewel ze slechts in kleine hoeveelheden aanwezig zijn in de bloem (2 - 3 %) zijn ze in grote mate verantwoordelijk voor de water absorptie door de bloem. Ongeveer ťťn vierde van het water dat men gebruikt in het recept, wordt door de pentosanen gebonden en de rest van het water door het (beschadigd) zetmeel en de eiwitten. Dit verhoogt de viscositeit van het deeg en beÔnvloedt op een negatieve manier het volume van het brood. Pentosanases splitsen de polysacharide ketens waardoor de viscositeit van het deeg vermindert en het brood volume verbeterd wordt.

Tenslotte wordt er ook lipoxygenase gebruikt in de bakkerij. Die wordt meestal toegevoegd onder de vorm van soja bloem. Dit enzym bleekt de bloem en geeft een wittere kruim. De bloem bevat gele pigmenten die afgebroken worden door lipoxygenase met het gevolg dat de kruim witter wordt.

De functie van enzymen in bakkerij producten

Veel productontwikkelaars in de voedingsindustrie denken dat het gebruik van enzymen een innovatieve manier is om nieuwe producten te ontwikkelen. En alhoewel dit juist is voor veel producten, de bakkerij heeft reeds een lange staat van dienst als het hem gaat over het gebruik van enzymen. De oudste referenties over het gebruik van enzymen in de bakkerij zijn meer dan 100 jaar oud.

Enzymen zijn aantrekkelijke functionele ingrediŽnten voor een aantal redenen. Om te beginnen komen ze op een natuurlijke wijze voor in de grondstoffen. Denk maar aan de amylasen die aanwezig zijn in de bloem. Ook interessant is het feit dat ze vernietigd worden door het bakproces, dus ze blijven niet achter in het brood. Hierdoor verkrijgt men een "clean label" (etiket of ingrediŽnten lijst zonder E-nummers) en toch kan men gebruik maken van de functionele voordelen die het gebruik van enzymen met zich meebrengt. Daarenboven zijn ze ook, zoals hierboven reeds uitgelegd, specifiek (ťťn substraat, ťťn welbepaalde reactie) waardoor men zich geen zorgen hoeft te maken over eventuele secondaire reacties of ongewenste neveneffecten (op voorwaarde dat het enzym zuiver is m.a.w. geen verontreinigingen bevat).

Wat zijn enzymen?

Omdat enzymen bestaan uit lange ketens aminozuren worden zij beschouwd als eiwitten en hebben zij vele eigenschappen gemeen met de groep van de eiwitten in het algemeen. De molecule van een enzym heeft echter een specifieke driedimensionale structuur. En binnenin deze structuur zijn er specifieke plaatsen waarin bepaalde delen van de molecule van het substraat - een vet, een ander eiwit of zetmeel bijvoorbeeld - precies past zoals een sleutel precies in een bepaald slot past.

Wanneer het actieve stuk van de molecule van het enzym zich vasthecht aan het substraat ontstaat er een enzym-substraat complex. Door de vorming van het complex is er minder energie nodig om een bepaalde reactie te laten plaats vinden. Die reactie van het substraat in stukken breken of het aan een andere molecule vasthechten. Het enzyme-substraat complex zorgt er ook voor dat de reactie beperkt blijft tot zeer specifieke bindingen in het substraat.

Enzym activiteit is dus uiterst specifiek. Afhankelijk van zijn driedimentionale structuur zal bijvoorbeeld een bepaald enzym slechts een bepaalde molecule hydroliseren. Andere enzymen gaan enkel en alleen bepaalde reacties doen verlopen en zolang het substraat bepaalde structuur elementen bevat, zal de reactie plaatsvinden. Wat de reactie ook zij, het enzym komt steeds onveranderd uit de reactie en dat is de reden waarom enzymen als katalysatoren beschouwd worden.

De naam van een enzym wordt gevormd door de uitgang "-ase" toe te voegen aan de naam van het substraat. Gemakshalve wordt de naam van het substraat meestal ingekort. De meest gebruikte enzymen in de bakkerij zijn carbohydrases, proteases en lipoxygenases.

Afbraak van zetmeel

Carbohydrases hydroliseren de glycoside bindingen in carbohydraten. Deze verbinding komt tot stand tussen het reducerende uiteinde van een suikermolecule en de hydroxyl (-OH) groep van een andere molecule, meestal ook een suikermolecule. Amylases zijn carbohydrases die een groot aantal toepassingen vinden in de bakkerij. Ze hydroliseren amylose en amylopectine niet alleen in zetmeel maar ook in de zetmeelderivaten zoals dextrinen en oligosacchariden.

Alfa-amylase zet zetmeel om in water oplosbare dextrinen. De dextrinen kunnen op hun beurt gehydrolyseerd worden door beta-amylase waardoor maltose ontstaat. De dextrinen kunnen ook gehydrolyseerd worden door amyloglucosidase waardoor glucose ontstaat. Omdat zetmeel een heel compacte structuur heeft ageren de amylases slechts op beschadigd zetmeel (zoals er ongeveer 5 - 6 procent gevormd wordt tijdens het maalproces) of wel op gegelatiniseerd zetmeel dat ontstaat door het "koken" van zetmeel met water, een proces dat uiteraard plaats vinden tijdens de broodbereiding.

De suikers die gevormd worden door amylase activiteit worden gebruikt door de gist in met gist  bereide producten. Het is evident dat de aanwezigheid van deze enzymen in de juiste proporties van groot belang is voor de productie van CO2 door de gist. Bloem bevat zoals reeds aangehaald zowel alfa als beta-amylase. Het is echter alleen deze laatste die van nature uit in voldoende hoeveelheid aanwezig is in de bloem. Dus om de CO2 productie tijdens het rijzen te kunnen sturen wordt er alfa-amylase (via de broodverbeteraar) toegevoegd aan het deeg. Men moet echter opletten want men kan via allerlei toevoegingen ook te veel amylase toevoegen en dit kan op zijn beurt leiden tot problemen bij het snijden van het brood (kruim begint te kleven aan de messen van de snijmachine).

Amylases beïnvloeden ook de consistentie van het deeg. Beschadigd zetmeel kan meer water absorberen dan zetmeel korrels die nog in takt zijn. Maar de amylases gaan ook eerst en vooral het beschadigd zetmeel omzetten zodanig dat de water absorptie van de bloem eventueel kan dalen, waardoor een iets meer plakkerigere deeg ontstaat.

Tenslotte gaan amylases ook het verouderingsproces vertragen. Tijdens het bewaren wordt de kruim van het brood harder. Dit is niet alleen een gevolg van complexe reacties tussen het zetmeel en de eiwitten maar ook van de herkristallisatie van de amylopectine. Door hydrolisatie van de amylopectine in kleinere glucose ketens, kan bacteriële alfa-amylase de malsheid van de kruim bevorderen en men kan op die manier een langere houdbaarheidsdatum bekomen.



e-mail
NoŽl Haegens

Home