Enzymy

Enzymy to związki biologiczne, przeważnie białkowe. Uaktywniają się w pewnych warunkach i zaczynają wykonywać określoną pracę. Nazywane są biologicznymi katalizatorami, ponieważ przyspieszają i ułatwiają specyficzne reakcje chemiczne – głównie przekształcają jedne substancje w inne.

Skoro enzymy są białkami, to są wrażliwe na ciepło. Wszystkie enzymy mają optymalną temperaturę działania oraz odpowiednie pH (kwasowość). Aktywność enzymów rośnie wraz z temperaturą, dopóki nie zostanie przekroczony punkt denaturacji, po którym aktywność ich drastycznie spada. Niezależnie od temperatury i pH, aktywność enzymów zależy również od dostępności wody, ilości enzymów, dostępności substratu¹ i czasu reakcji.

Zasadniczo enzymy mogą hydrolizować² polimerowe³ substraty na dwa sposoby:

• egzo-enzymy – usuwają jedną jednostkę polimeru z końca łańcucha polimeru;
• endo-enzymy – przerywają wewnętrzne wiązania w sposób losowy, w dowolnym punkcie wzdłuż łańcucha.

1 substrat – związek chemiczny, który ulega przemianie w wyniku reakcji chemicznej. W odróżnieniu od produktu, który są wynikiem reakcji.
2 hydroliza – reakcja podwójnej wymiany, która przebiega między wodą a rozpuszczoną w niej substancją. W jej wyniku powstają nowe związki chemiczne.
3 polimery naturalne (biopolimery) – są to polimery wytwarzane w 100% przez organizmy żywe; są to m.in. celuloza, białka, kwasy nukleinowe.

Temperatura, pH, koncentracja

Aktywność enzymów zależy od temperatury. Enzymy wykorzystywane w kuchni zazwyczaj są stabilne w temperaturze pokojowej. Aktywność enzymów rośnie dwukrotnie wraz z każdym zwiększeniem temperatury o 10°C aż do denaturacji, kiedy enzym staje się nieaktywny. Większość enzymów jest nieaktywna powyżej 60°C z wyjątkiem α-amylazy, pochodzenia bakteryjnego, która zachowuje swoją aktywność aż do 85°C.

Aktywność enzymów zależy od pH otoczenia. Maksymalna aktywność enzymów występuje przy optymalnym pH. Enzymy stabilne są zazwyczaj przy pH 4-9. Większość ciast ma pH w granicach 5-6.

Aktywność enzymów zależy od koncentracji enzymu i substratu. Wysoka koncentracja enzymu zwiększa tempo reakcji bez względu na dostępność substratu.

Wiele enzymów wymaga obecności nie-białkowych grup, lub koenzymów aby rozpocząć reakcję.

Enzymy wykorzystywane w procesie pieczenia chleba możemy podzielić pod względem działania na 3 grupy:

• hydrolizujące węglowodany (amylaza, celulaza, pentozany)
• hydrolizujące białka (proteaza)
• wpływające na tłuszcze i oleje (lipaza, lipooksygenaza)

Nazwy zwyczajowe enzymów zwykle pochodzą od substratów, na które te enzymy działają. Enzymy rozkładające białka, czyli proteiny to proteaza; rozkładające amylozę to amylaza; rozkładające pentozany to pentozanaza; celuloza rozkładana jest przez celulazę.

Hydroliza węglowodanów

amylaza

Amylaza zamienia skrobię w cukry. Składnikiem skrobi jest amyloza – stąd nazwa enzymu.

Skrobia jest węglowodanem, polisacharydem (składa się z powtarzających cząsteczek glukozy). W skali wiązań molekularnych skrobia jest długim łańcuchem wiązań (α-glikozydowych), który się czasem rozgałęzia. Amyloza jest jednym ze składników skrobi i stanowi ok 10-35%, pozostałą część stanowi amylopektyna. Amyloza jest prostym, śrubowo skręconym łańcuchem złożonym z merów D-glukozy połączonych ze sobą wiązaniami α-1,4 glukozydowymi.

Amylaza dzieli się na

• α-amylaza (4-glukanohydrolaza-α-1,4-glukanu)
• β-amylaza (maltohydrolaza,1,4-glukanu)

α-Amylaza rozszczepia skrobię przypadkowo i działa w środku łańcucha wiązań, natomiast β-amylaza odcina 2 jednostki cukrów jednocześnie z końca łańcucha skrobi. Zwykle w mące występuje wystarczająca ilość β-amylazy ale czasem potrzeba dodać α-amylazę. α-Amylaza tnie łańcuchy skrobi na mniejsze kawałki zwane dekstrynami, wówczas β-amylaza może lepiej działać, gdyż ma więcej końcówek dostępnych. Substratem dla β-amylazy to skrobia lub dekstryny a produktem jest maltoza.

Optymalne pH dla α-amylazy to 4.5 a przy pH 3.3-4.0 staje się nieaktywna. β-Amylaza jest aktywna w szerszych zakresach 4.5-9.2 pH (optymalne pH to 5.3). α-Amylaza jest termostabilna do 70°C, podczas gdy β-amylaza zmniejsza swoją aktywność o połowę przy tej temperaturze. Grzybowa oraz zbożowa amylaza jest mniej stabilna temperaturowo, podczas gdy bakteryjna amylaza jest stabilna przy wysokich temperaturach.

Amylaza jest źródłem cukrów potrzebnych dla fermentacji drożdży. Zwiększona ilość cukrów poprawia smak i zapach a także kolor skórki. W trakcie modyfikacji skrobi amylaza poprawia utrzymywanie wilgoci, ma działanie zmiękczające miękisz i obniża czerstwienie. Za czerstwienie pieczywa odpowiada właśnie skrobia.

Mąka zwykle ma mało α-amylazy i młyny niekiedy suplementują mąkę dodatkową α-amylazą. α-Amylaza, którą młynarz dodaje może pochodzić od trzech różnych źródeł: zboża (słód jęczmienny), grzybów (Aspergillius oryzae) oraz bakterii (Bacillus subtilis). Bakteryjna amylaza denaturyzuje się przy relatywnie wysokich temperaturach, a niektóre mogą przetrwać nawet po wypieczeniu chleba. Enzym będzie rozczłonkowywał skrobię w pieczonym chlebie. Skrobia jest jednym z głównych czynników czerstwienia chleba. Enzymy bakteryjne są stosowane jako zmiękczacze miękiszu, ponieważ będą one w dalszym ciągu działały, gdy chleb będzie już leżał na półce w supermarkecie. Jeśli pozostanie za dużo bakteryjnej amylazy w chlebie, stawał będzie się on coraz miększy, bardziej gumowaty oraz może się zapadać, leżąc na półce.

Celulaza

Również celulaza należy do tej grupy enzymów, które produkują, tak jak amylaza, glukozę. Celulaza jednak rozkłada celulozę. Celuloza jest także polimerem glukozy. Zbudowanym liniowo z 3000 – 14000 cząsteczek glukozy połączonych wiązaniami β-1,4-glikozydowymi. Łańcuchy te mają długość ok. 7 μm. Wiązanie β przyczynia się do utworzenia sztywnych, długich nitek. Pozornie mała różnica w wiązaniach w celulozie robi dużą różnicę w fizycznej strukturze polimeru i jej podatności na enzymy. α-Glikozydowe wiązania w skrobi, nadają skręconą, helikalną strukturę, natomiast β-1,4-glikozydowe wiązania powodują rozszerzoną liniową strukturę.

Amylaza może hydrolizować skrobię ale nie może hydrolizować celulozy w ogóle. By przerwać celulozę, potrzebna jest celulaza. Enzymy są selektywne, mogą działać tylko ze specyficznym substratem: amylaza ze skrobią (wiązania α) a celulaza z celulozą (wiązania β).

W przeciwieństwie do celulozy skrobia jest w kilku formach chemicznych i wymaga znacznie większej ilości enzymów i procesów w celu rozbicia jej do glukozy. Przykładowo celulozę przekształca się z postaci krystalicznej, do stanu amorficznego, a następnie przez konwersję do celobiozy. Wreszcie, celobioza jest przekształcana do dwóch jednostek glukozy.

pentozany

Pentozany to też polisacharydy. Składają się głównie z pięciowęglanu cukru ksylozy i arabinozy. Są one obecne w mące pszennej w bardzo małych ilościach około 2-3% lecz absorbują wodę w 25%. Zwiększają lepkość ciasta i negatywnie wpływają na objętość bochenka. Enzym pentozanaza rozszczepia łańcuchy polisacharydów zmniejszając lepkość i poprawiając objętość bochenka.

Hydroliza białek

Enzym, który hydrolizuje białka (proteiny), to proteaza. Proteaza dokonuje rozbicia wiązania peptydowego pomiędzy grupą aminową a grupą karboksylową aminokwasu.

Wyróżniamy dwa typy i podtypy:

• egzo-proteaza
  • karboksyl-peptydaza (jeśli działa na karboksylowej grupie białka)
  • amino-peptydaza (jeśli działa na aminowej grupie molekuły)
• endo-proteaza

Proteaza reaguje z białkiem i osłabia go. W trakcie mieszania ciasta długie łańcuchy białkowe zostaną zerwane, wiązania peptydowe zostaną pocięte na mniejsze części. Obrabialność ciasta ulegnie poprawie, stanie się ono bardziej płynne.

Białka są zbudowane z długich łańcuchów aminokwasów. Enzymy proteolityczne lub inaczej proteaza składa się z proteinazy i peptydazy. Proteinaza dzieli białka na wiązania CO-NH, tworząc polipeptydazy, peptydy i peptony. Są one później hydrolizowane na aminokwasy i peptydazy.

Proteaza jest “bardziej” specyficzna od amylazy. Specyficzność rozkładu skrobi zależy od rodzaju wiązania pomiędzy poszczególnymi jednostkami glukozy. W białkach jednak wszystkie wiązania są takie same, są peptydowe, ale białka są zbudowane z 20 różnych aminokwasów a nie z jednego chemicznej jednostki jak glukoza w skrobi. To oznacza że białka są dużo bardziej złożone niż glukoza. Dlatego specyficzność enzymu proteazy jest na “wyższym” poziomie.

Proteazę można suplementować z roślin lub grzybów. Dodanie proteazy umożliwia szybsze wyrabianie chleba, ponieważ skraca się czas mieszania, aby uzyskać odpowiednią giętkość ciasta. Proteaza umożliwia szybsze wiązanie glutenu. Działa tak samo jak czynniki redukujące lecz ich efekt jest trwały i nie może być odwrócony przez dodanie środka utleniającego.

Hydroliza tłuszczy i olejków

Liczba atomów węgla w łańcuchu kwasu tłuszczowego, może wahać się od 4 do 24. Nasycone kwasy tłuszczowe zawierają wszystkie pojedyncze wiązania między atomami węgla. Nienasycone kwasy tłuszczowe mają jedno lub więcej wiązań podwójnych pomiędzy atomami węgla. Jednonienasycone kwasy tłuszczowe zawierają tylko jedno wiązanie podwójne, a wielonienasycone kwasy tłuszczowe mają więcej niż jedno. W wiązaniu podwójnym kwasy te dzielimy na cis i trans. Postać cis jest często spotykana w naturze, podczas gdy forma trans, mniej reaktywna chemicznie, zwykle jest wynikiem procesu uwodorniania.

Lipaza usuwa kwasy tłuszczowe z łańcucha glicerolu. Jej optymalne pH wynosi zazwyczaj 7-8. Większość enzymów lipazy usuwa dwie zewnętrzne jednostki kwasów tłuszczowych, pozostawiając środkową przymocowaną do glicerolu. W wyniku powstają dwa wolne kwasy tłuszczowe i monoglicerydy. Wolne kwasy tłuszczowe są zwykle chemicznie reaktywne, zwłaszcza gdy są nienasycone. Wolne nienasycone kwasy tłuszczowe mogą reagować z tlenem z powietrza i powodować jełczenie.

Lipoksygenazy stosowane są w piekarni, stwierdzono też ich obecność w mące sojowej. Enzym ten wybiela mąkę. Mąka zawiera naturalnie żółtawy pigment, który rozkłada się na lipooksygenazę. W wyniku czego uzyskiwany jest bielszy miękisz chleba.