Xylanase enzymen toegepast in graanverwerkende industrie: in welke mate geremd door inhibitoren?

Graangewassen bevatten verschillende types xylanase-inhibitoren. In haar doctoraatswerk ontrafelde Ellen Fierens (K.U.Leuven) hun inhibitiemechanisme en keek hierbij naar de gevoeligheid van verschillende xylanase enzymen voor deze inhibitoren.

Xylanasen: enzymen die (hetero)xylan hydrolyseren

Het op één na meest voorkomende polysacharide op aarde, namelijk (hetero)xylan, vormt één van de belangrijkste bestanddelen van de plantencelwand en wordt in grote mate afgebroken door xylanasen. Deze enzymen worden aangemaakt door planten, maar de best bestudeerde xylanasen zijn afkomstig van bacteriën en schimmels, waar ze vermoedelijk een rol spelen bij de infectie van planten en bij de afbraak van dood organisch materiaal. Ze behoren immers tot het arsenaal van enzymen dat micro-organismen aanwenden om de plantencelwand af te breken en zo de plant binnen te dringen. Naast hun rol bij plantinfectie, genieten xylanasen ook bijzondere aandacht vanuit degraanverwerkende industrie. Doordat ze in staat zijn het heteroxylan in graan, met name arabinoxylan (AX), af te breken en hierdoor de eigenschappen van het graan te wijzigen, worden xylanasen dikwijls gebruikt als proces- en productverbeteraar in een brede waaier van uiteenlopende processen.

Toepassingen van xylanasen in graanverwerking

Xylanasen maken vandaag de dag standaard deel uit van broodverbetermiddelen. Arabinoxylan heeft namelijk een invloed op verschillende deegkarakteristieken zoals gasretentie, deegconsistentie, waterdistributie maar ook op broodeigenschappen zoals het volume, de hardheid van de korst en de kruimstructuur. Meer specifiek zorgt water extraheerbaar arabinoxylan (WE-AX) met een grote moleculaire massa voor een hoge viscositeit en zo voor een stabielere vloeistoffilm rond gascellen. Dit resulteert in een groter broodvolume en een betere kruimstructuur. WE-AX met een klein moleculair gewicht heeft een licht negatieve of geen invloed op het broodvolume en de kruimstructuur. In tegenstelling tot WE-AX heeft niet-water extraheerbaar arabinoxylan (NWE-AX) een negatieve invloed op het broodvolume en de kruimstructuur. Zij kunnen namelijk een fysische barrière vormen voor het glutennetwerk waardoor dit zich minder goed kan ontwikkelen tijdens de deegbereiding. NWE-AX absorbeert ook een grote hoeveelheid water die bijgevolg niet meer beschikbaar is voor een optimale glutenontwikkeling en voor de vorming van vloeistoffilmen die de gascellen omgeven. Dit zal een negatieve invloed hebben op het broodvolume. Het gebruik van xylanasen bij de broodbereiding leidt tot een betere fermentatiestabiliteit, een groter broodvolume alsook een verbeterde kruimstructuur, wanneer de gebruikte enzymen selectief actief zijn tegen NWE-AX en zo hun negatieve effecten verlagen. Wanneer echter te veel endoxylanase wordt toegevoegd, zal het waterhoudend vermogen van AX sterk afnemen en zal dit leiden tot een kleverig deeg.

Xylanasen worden ook aangewend in de industriële, tarwe gebaseerde gluten-zetmeel scheiding. De geïsoleerde glutenproteïnen worden onder andere gebruikt als broodverbeteraar, terwijl het zetmeel bij voorbeeld gebruikt wordt bij de productie van suikerstropen. Bij de gluten-zetmeel scheiding is het belangrijk om een zo hoog mogelijke glutenopbrengst en een zo zuiver mogelijke glutenfractie te bekomen. Vooral WE-AX zullen de glutenagglomeratie bemoeilijken en zo een een negatief effect uitoefenen op de scheiding . Het gebruik van xylanasen met een voorkeur voor de degradatie van WE-AX zal daarom tot een betere scheiding leiden, aangezien door degradatie van WE-AX de viscositeit in de oplossing zal dalen. Xylanasen die in hoofdzaak NWE-AX in oplossing brengen en zo de viscositeit van het systeem verhogen, hebben een negatieve invloed op de scheiding.

Een andere belangrijke toepassing van xylanasen is hun gebruik in dierenvoeding. Dieren zoals kippen hebben vaak problemen met de vertering van op graan gebaseerde veevoeders. De aanwezige WE-AX zorgen namelijk voor een hoge viscositeit in het verteringskanaal en daaruit afgeleide problemen. Door toevoegen van endoxylanasen die preferentieel WE-AX degraderen, zal de viscositeit afnemen, waardoor de opname van proteïnen en zetmeel verbeterd wordt. Een daling in de viscositeit zorgt ook voor een snellere darmtransit. Dit zal de microbiële groei en fermentatie op het einde van de dunne darm verlagen. Door afbraak van NWE-AX in de celwanden wordt daarenboven een fysische barrière verbroken waardoor proteïnen en zetmeel beter beschikbaar worden voor proteasen en amylasen in het verteringsstelsel.

Tijdens de bewaring van gekoelde degen treedt stroopvorming op, namelijk afscheiding van bruingekleurde vloeistof uit het deeg. Stroopvorming wordt veroorzaakt door de enzymatische degradatie van de AX populatie, wat resulteert in een verlies van waterhoudend vermogen.

In het brouwproces heeft toevoegen van xylanasen eveneens een positieve impact. De degradatie van AX leidt immers tot een verminderde troebelvorming en een gereduceerde wortviscositeit. Zowel de filtratie van het wort als de filtratie van het bier wordt bevorderd door dit viscositeitsverlagend effect.

Impact van xylanase-inhibitoren

Naast (arabino)xylan en xylanasen is er nog een derde belangrijke speler in dit domein, namelijk de xylanase inhibitor. Dit zijn eiwitten die de werking van xylanasen tegenwerken. Ongeveer 10 jaar geleden werd de aanwezigheid van deze inhibitoren in tarwe aangetoond door het Laboratorium voor Levensmiddelenchemie en –biochemie (K.U.Leuven). Sindsdien zijn er twee verschillende types van xylanase inhibitoren bestudeerd, met nameTriticum aestivum xylanase inhibitor (TAXI)-type en xylanase inhibitor protein (XIP)-type. Tijdens het onderzoek naar deze twee inhibitoren werd een aantal jaren later een derde type van xylanase inhibitoren in tarwe ontdekt. Omdat deze nieuwe inhibitor qua structuur verwant is met thaumatine, een zoetsmakend eiwit uit de vruchten van de tropische Katemfe struik, Thaumatococcus daniellii, werd hij thaumatin-like xylanase inhibitor (TLXI) genoemd.

Niet alle xylanasen worden echter door alle xylanase inhibitoren geïnhibeerd. De verschillende xylanase inhibitoren hebben een verschillende inhibitiespecificiteit. Zo is TAXI enkel actief tegen bepaalde xylanasen van glycoside hydrolase familie 11 en niet tegen xylanasen van familie 10. Voor TLXI geldt ongeveer dezelfde specificiteit, maar TLXI is selectiever en is dus actief tegen minder xylanasen dan TAXI. XIP daarentegen is actief tegen xylanasen van beide families, maar enkel als ze van fungale oorsprong zijn.

De sterke aanwezigheid van xylanase inhibitoren in granen heeft uiteraard een invloed op de efficiëntie van de toegevoegde xylanasen in bovengenoemde processen. Zo zal er een (veel) grotere hoeveelheid van het xylanase toegevoegd moeten worden om het vooropgesteld effect te bekomen. Aangezien deze xylanase inhibitoren niet enkel in tarwe, maar ook in o.a.gerst en rogge teruggevonden worden, zijn ze van belang in vele graanverwerkende processen. Bij gekoelde degen heeft de aanwezigheid van de xylanase inhibitoren een positieve impact. De xylanasewerking wordt vertraagd waardoor de stroopvorming later en in mindere mate optreedt. Om de negatieve effecten van xylanase inhibitoren te omzeilen kan er gekozen worden voor het toevoegen van een xylanase dat zij het van nature, zij het na ‘moleculair engineering’ niet (meer) geïnhibeerd wordt.

Bronnen

  • Ellen Fierens en Christophe Courtin
  • Doctoraatsthesis Ellen Fierens (2007): TLXI, een thaumatine-achtige xylanase-inhibitor: opzuivering, karakterisering en vergelijking met andere xylanase-inhiberende proteïnen uit tarwe (Triticum aestivum L.) – promotoren Prof. Jan Delcour en Prof. Christophe Courtin (K.U.Leuven)

Interessante links

  • Laboratorium voor levensmiddelenchemie en –biochemie, Katholieke Universiteit Leuven
  • STW artikel 2007/12/20 ‘Variaties in tarwekwaliteit: in hoeverre veroorzaakt door arabinoxylanen, xylanasen en xylanase-inhibitoren?