Με την ονομασία ένζυμα νοούνται οι ειδικές πρωτεΐνες ή πρωτεϊνικής βάσης οργανικές ενώσεις, που αποτελούνται από πολυμερή των αμινοξέων, οι οποίες δρουν ως καταλύτες στις χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στο μεταβολισμό των οργανισμών, εξ ου και η συνώνυμη ονομασία τους βιοκαταλύτες.
Έχουν επίσης και μια μοναδική ιδιότητα να επηρεάζουν την ταχύτητα των χημικών αντιδράσεων (συνήθως να τις επιταχύνουν) χωρίς στην πραγματικότητα να συμμετέχουν σε αυτές. Χωρίς τα ένζυμα, αυτές οι αντιδράσεις θα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν μόνο σε κλίμακες χρόνου και σε θερμοκρασίες που θα ήταν ασυμβίβαστες με τη ζωή.
Σχεδόν όλες οι χημικές αντιδράσεις στα κύτταρα απαιτούν τη ρυθμιστική δράση των ενζύμων. Όπως όλοι οι καταλύτες, έτσι και τα ένζυμα λειτουργούν αυξομειώνοντας την ενέργεια ενεργοποίησης μιας αντίδρασης. Τα περισσότερα ένζυμα επιταχύνουν την αντίδραση εκατομμύρια φορές σε σχέση με την ταχύτητα της χωρίς αυτά να επηρεάζονται. Ωστόσο, τα ένζυμα διαφέρουν από τους υπόλοιπους καταλύτες ως προς την εξειδίκευση, καθώς, κάθε ένζυμο μπορεί να καταλύσει μια συγκεκριμένη μόνο αντίδραση.
Τα ένζυμα επιταχύνουν το ρυθμό των βιοχημικών αντιδράσεων (Εικ. 1) που λαμβάνουν χώρα στα κύτταρα όλων των ζωντανών οργανισμών: φυτά, ζώα, βακτήρια, μύκητες κ.λπ.
Ιστορία
Αν και η ζύμωση, ως έννοια, ήταν γνωστή από τις αρχές του 18ου αιώνα, ο μηχανισμός της ανακαλύφθηκε ένα αιώνα μετά. Πρώτος που φέρεται να προσδιόρισε την έννοια του ενζύμου ήταν ο Λουδοβίκος Παστέρ, ενώ ο πρώτος που έκανε τη χρήση του όρου, εκ της ελληνικής, «ένζυμο» ήταν ο Γερμανός φυσιολόγος (W. Kühne) Βίλελμ Κύνε (1837-1900), το 1877. Είκοσι χρόνια αργότερα, το 1897, ο Έντουαρντ Μπούχνερ, (που το 1907 τιμήθηκε με Βραβείο Νόμπελ Χημείας), ονομάζει το ένζυμο που διασπά τη σακχαρόζη «ζυμάση».
Σημειώνεται ότι τα ένζυμα λόγω της πρωτεϊνικής τους σύστασης είναι ευαίσθητες ουσίες και πολύ εύκολα μετουσιώνονται. Το πρόβλημα ως εκ τούτου της απομόνωσής τους και της μελέτης των ιδιοτήτων τους ήταν πολύ δύσκολο. Μόλις το 1922, ξεκίνησε τις έρευνες ο Τζέιμς Μπ. Σάμνερ και το 1926, κατέδειξε ότι το ένζυμο ουρεάση ήταν μια καθαρή πρωτεΐνη την οποία και απομόνωσε σε καθαρή κρυσταλλική κατάσταση. Στη συνέχεια ακολούθησαν οι Νόρθροπ και Στάνλεϊ οι οποίοι εργάστηκαν ομοίως στην απομόνωση της πεψίνης, θρυψίνης και χυμοθρυψίνης, λαμβάνοντας το 1946 το βραβείο Νόμπελ Χημείας.
Κατά τα αναφερόμενα από τη διεθνή βιβλιογραφία μέχρι το 1952 είχαν απομονωθεί σε καθαρή κατάσταση 50 ένζυμα. Στη δεκαετία του 1960 ο Ντέιβιντ Τσίλτον Φίλιπς και η ομάδα του με τη βοήθεια εφαρμογής κρυσταλλογραφίας ακτίνων-Χ κατάφερε να αποκαλύψει τις δομές της λυσοζύμης. Η επιτυχία του αυτή άνοιξε τελικά και τον δρόμο της πληρέστερης ανακάλυψής των και της πλήρους κατανόησης όχι μόνο των δομών των ενζύμων, αλλά και των μηχανισμών της καταλυτικής τους δράσης.
Ονομασία
Η ονομασία των ενζύμων εκτός από εκείνων που παρέμεινε από παλαιότερα (π.χ, θρεψίνη, πεψίνη κ.λπ.) έχει καθοριστεί, κατά παράδειγμα του Μπούχνερ, να λαμβάνει ως πρώτο συνθετικό τη θεματική ονομασία του υποστρώματος (της ένωσης επί της οποίας γίνεται η χημική μεταβολή) με την κατάληξη -άση. Έτσι το ειδικό ένζυμο που έχει λιπολυτική δράση ονομάζεται (λιπ + άση) λιπάση, το ένζυμο που καταλύει το άμυλο αμυλάση κ.λπ.
Από τι επηρεάζεται η δράση των ενζύμων;
Υπάρχει μια ποικιλία παραγόντων που επηρεάζουν τη δράση των ενζύμων. Oι πιο βασικές είναι:
- Θερμοκρασία (μέγιστη δραστηριότητα 30-40°C)
- Η οξύτητα (μέγιστη δράση σε pH 4.5 – 8)
- Η συγκέντρωση του ενζύμου και του υλικού-υποστρώματος που αντιδρούν
- Ελεύθερο νερό (υψηλή υγρασία ευνοεί ενζυμικές δράσεις)
- Παρουσία ενεργοποιητών και αναστολέων (κάποια μέταλλα όπως μόλυβδος και υδράργυρος εμποδίζουν την δράση των ενζύμων
Ταξινόμηση Ενζύμων
Τα ένζυμα τροφίμων μπορούν γενικά να ταξινομηθούν με δύο τρόπους: αυτά που προστίθενται στα τρόφιμα (εξωγενή πηγές) για να προκαλέσει μια επιθυμητή αλλαγή και εκείνες που υπάρχουν στα τρόφιμα (ενδογενείς πηγές) και οι οποίες μπορεί να είναι ή να μην είναι υπεύθυνα για αντιδράσεις που επηρεάζουν την ποιότητα των τροφίμων. Τα εξωγενή ένζυμα μπορεί να προστεθούν από διάφορες πηγές και οι επιλογές μεταξύ εξωγενών ενζύμων βασίζονται στο κόστος και λειτουργικότητα. Η κατάλληλη λειτουργικότητα σχετίζεται με την δραστηριότητα, και τις συνθήκες που επικρατούν κατά τη διάρκεια της συγκεκριμένης εφαρμογής. Τα ενδογενή ένζυμα θέτουν μεγαλύτερες προκλήσεις για τον έλεγχο, δεδομένου ότι μπορεί να υπάρχουν μέσα στα τρόφιμα από ελάχιστα έως πάρα πολλά. Σε ορισμένα τρόφιμα, ενδογενή ένζυμα μπορεί να είναι υπεύθυνα για αντιδράσεις που είτε βελτιώνουν την ποιότητα των τροφίμων είτε την μειώνουν.
Χρήσεις στην βιομηχανία τροφίμων
Η ευρεία χρήση τους στη βιομηχανία εξηγείται από τα πολλά πλεονεκτήματα που έφεραν στις παραγωγικές διαδικασίες που εφαρμόζουν οι βιομηχανίες τροφίμων όπως παραγωγή νέων προϊόντων με λιγότερο παραγωγικό κόστος, λιγότερα υποπροϊόντα (απόβλητα) και περιβαλλοντολογικά ασφαλή. Πάρα το ότι η χρήση τους ξεκινά από τα πρώτα χρόνια της εξέλιξης της ανθρωπότητας θα είναι και στο μέλλον πρωταγωνιστές σε νέα προϊόντα και τεχνολογίες που θα δημιουργήσουν καλύτερα και ασφαλέστερα προϊόντα για τον καταναλωτή.
Οι κύριες εφαρμογές των ενζύμων στην βιομηχανία τροφίμων έχουν σχέση με: Μετατροπή – παραγωγή προϊόντων (πχ παραγωγή ιμβερτοζάχαρου), μείωση ιξώδους, τεχνολογικά βοηθήματα στην εκχύλιση ουσιών (πηκτινολυτικά και κυταρινολυτικά ένζυμα στην επεξεργασία φρούτων), τροποποίηση γεύσεων και αρωμάτων. Επίσης, κάποια οικιακά είδη περιέχουν ένζυμα ώστε να αυξήσουν την ταχύτητα κάποιας αντίδρασης, όπως για παράδειγμα τα απορρυπαντικά.
Οι πηγές των ενζύμων που χρησιμοποιούνται στην παρασκευή του άρτου
Τα ένζυμα που χρησιμοποιούνται στην αρτοποιία προέρχονται από διάφορες πηγές. Ορισμένα ένζυμα υπάρχουν φυσικά σε κάποια δημητριακά. Ο κόκκος του σιταριού, για παράδειγμα, περιέχει τα ένζυμα που απαιτούνται για τη βλάστησή του ως αμυλάσες: βοηθούν στη διάσπαση του αμύλου (η πηγή ενέργειας του κόκκου) σε απλά σάκχαρα που θα χρησιμοποιηθούν από τα κύτταρα για να πολλαπλασιαστούν και να σχηματίσουν το νέο δενδρύλλιο.
Προκειμένου να εξομαλυνθούν οι διακυμάνσεις στα επίπεδα ενδογενών ενζύμων, είναι δυνατή η προσθήκη εξωγενών ενζύμων στη ζύμη. Για παράδειγμα, η περίπτωση της βύνης που λαμβάνεται από τη βλάστηση κόκκων, η οποία είναι πλούσια σε αμυλάσες. Καλλιέργειες ψυχανθών όπως είναι τα φασόλια συμπεριλαμβανομένης της σόγιας περιέχουν επίσης λιποξυγενάσες, ικανές να καταστρέψουν τις καροτενοειδή χρωστικές και έτσι έχουν λευκαντικό αποτέλεσμα στην ψίχα. Ωστόσο, τα εξωγενή ένζυμα που χρησιμοποιούνται στις μέρες μας παράγονται ουσιαστικά από ζυμώσεις που πραγματοποιούνται από μικροοργανισμούς που καλλιεργούνται in vitro.
(Η λατινική έκφραση « in vitro» (κυριολεκτικά «ἐν ὑάλῳ» δηλ. «μέσα στο γυαλί», ή «μέσα στο δοκιμαστικό σωλήνα»), είναι επιστημονικός όρος της Βιολογίας που αναφέρεται κυρίως στην τεχνική της πραγματοποίησης ενός δεδομένου πειράματος σε δοκιμαστικό σωλήνα ή γενικότερα για πειράματα που πραγματοποιούνται σε αυστηρά ελεγχόμενες συνθήκες έξω από τους ζωντανούς οργανισμούς.)
Μόλις ολοκληρωθεί η ζύμωση, κατά την παραγωγή των ενζύμων μπορεί να πραγματοποιηθεί μια σειρά φάσεων εκχύλισης, καθαρισμού και σύνθεσης με σκοπό την ειδική απομόνωση και ρύθμιση αυτών χωρίς να αφήνει κανένα υπολειμματικό ίχνος στους μικροοργανισμούς που τα παρήγαγαν.
Ανεξάρτητα από την προέλευση, τα ένζυμα υποβάλλονται σε αυστηρή διαδικασία αξιολόγησης πριν από την έγκρισή τους. Από νομοθετικής άποψης, στην περίπτωση των ειδών αρτοποιίας, τα ένζυμα δε θεωρούνται συστατικά που απαιτούν επισήμανση, αλλά ως βοηθήματα επεξεργασίας που εξαιρούνται από την επισήμανση σύμφωνα με τον Ευρωπαϊκό Κανονισμό.
Επίσης οι αρχές σε πολλές χώρες έχουν εισαγάγει αυστηρές διαδικασίες αξιολόγησης προτού μπορέσουν να εγκρίνουν τη χρήση ενός ενζύμου στην βιομηχανία τροφίμων. Οι κατασκευαστές ενζύμων πρέπει επομένως να υποβάλλουν αιτήσεις προκειμένου να αποδείξουν ότι η προτεινόμενη χρήση ανταποκρίνεται σε τεχνολογική ανάγκη και ότι το εν λόγω ένζυμο δεν παρουσιάζει κανένα κίνδυνο για την υγεία του καταναλωτή. Κάθε ένζυμο υποβάλλεται έτσι σε τοξικολογικές δοκιμές και αξιολογούνται τα γνήσια πλεονεκτήματά του και το ζήτημα της έκθεσης των καταναλωτών.
Οι λειτουργίες των ενζύμων στα προϊόντα αρτοποιίας
Μια μεγάλη ποικιλία ενζύμων χρησιμοποιείται στην αρτοποιία για τη δράση τους στα διάφορα συστατικά των αλεύρων, ιδιαίτερα σε υδατάνθρακες, πρωτεΐνες και λιπίδια.
Αμυλάσες Μία από τις κύριες οικογένειες ενζύμων που δρουν στους υδατάνθρακες Όπως υποδηλώνει το όνομά τους, διασπούν το άμυλο που υπάρχει στη ζύμη σε σάκχαρα, κυρίως γλυκόζη (ένας μονοσακχαρίτης) και μαλτόζη (ένας δισακχαρίτης). Αυτά τα σάκχαρα χρησιμεύουν ως ενεργειακά υποστρώματα για την μαγιά, και τα καταναλώνουν σε μεγάλες ποσότητες στη διαδικασία της ζύμωσης. Με την αύξηση της διαθεσιμότητας των σακχάρων, οι α-αμυλάσες διεγείρουν έτσι τη ζύμωση και την παραγωγή CO2 που απαιτείται για το σωστό φούσκωμα της ζύμης.
Μια άλλη λειτουργία των αμυλασών είναι η ικανότητά τους να καθυστερούν το μπαγιάτεμα. Με την πάροδο του χρόνου, στη ψίχα των αρτοκευασμάτων δημιουργείται ένα πολύπλοκο σύνολο αλλαγών που περιλαμβάνει την ανακρυστάλλωση (ή την ανάδρομη αποικοδόμηση) της αμυλοπηκτίνης στο άμυλο. Με την υδρόλυση της αμυλοπηκτίνης σε μικρότερες μονάδες, η βακτηριακή άλφα-αμυλάση μπορεί να διατηρήσει την απαλότητα και να παρατείνει τη διάρκεια ζωής.
Οι αμυλάσες δεν είναι τα μόνα ένζυμα στα προϊόντα αρτοποιίας. Οι πεντοσανάσες μπορούν επίσης να προστεθούν για τη βελτίωση της ποιότητας. Τόσο το αλεύρι σίτου όσο και σίκαλης περιέχουν πεντοσάνες. Αυτοί οι πολυσακχαρίτες είναι ιδιαίτερα υδρόφιλοι και συμβάλλουν σημαντικά στις ιδιότητες απορρόφησης νερού μιας ζύμης. Στα προϊόντα με βάση το αλεύρι σίτου, οι πεντοζάνες παρεμβαίνουν επίσης στην αύξηση του όγκου του ψωμιού.
Πρωτεάσες (ονομάζονται επίσης πρωτεϊνάσες ή πεπτιδάσες)
Οι πρωτεάσες δρούνε επι των πρωτεϊνών του αλεύρου και τις διασπούν, αποδυναμώνοντας έτσι το δίκτυο γλουτένης. Η χαλάρωση αυτή στο πλέγμα της γλουτένης, αυξάνει την εκτακτότητα της ζύμης. Αυτός ο τρόπος δράσης χρησιμοποιείται κυρίως στην παραγωγή κράκερ, μπισκότων και γκοφρετών. Η παραγωγή γκοφρέτας απαιτεί λεπτές ζύμες στις οποίες τα διάφορα συστατικά είναι ομοιογενώς διασκορπισμένα, χωρίς σβόλους που απλώνεται ομοιόμορφα πάνω στις μηχανές ψησίματος της γκοφρέτας. Επιπλέον, οι πρωτεάσες βοηθούν στη γεύση και χρώμα αυτά τα προϊόντα.
Υδρολάσες καρβοξυλικών εστέρων (λιπάσες, φωσφολιπάσες, γλυκοζιδάσες)
Οι υδρολάσες των καρβοξυλικών εστέρων μετατρέπουν τα λίπη και τις ουσίες που μοιάζουν με λίπος ή υπάρχουν φυσικά στο αλεύρι, καθώς και τα προστιθέμενα λιπαρά, σε ουσίες πιο εύκολα γαλακτωματοποιούμενες (π.χ. μονο- και διγλυκερίδια). Λόγω των αλληλεπιδράσεών τους με τα άλλα συστατικά της ζύμης, η χρήση λιπασών και ιδιαίτερα η φωσφολιπάση βοηθά έτσι στην αύξηση του όγκου του προϊόντος και τη βελτίωση της δομής της ψίχας. Επίσης με την ιδιότητα των λιπασών να ενισχύουν τη ζύμη, είναι δυνατή τη μείωση της χρήσης γαλακτωματοποιητών ή να αντικαταστήσουν τα βελτιωτικά ζύμης όπως το DATEM και το SSL
Η ημικυτταρινάση, μαζί με την κυτταρινάση, την πεντοσανάση και την ξυλανάση, λειτουργούν σε πεντοζάνες και κυτταρίνη, ίνες που υπάρχουν φυσικά στο σιτάρι και τη σίκαλη. Διασπά τις αδιάλυτες ίνες στο αλεύρι σίτου, στο αλεύρι σίκαλης και τα συμπληρώματα φυτικών ινών. Οι τύποι που χρησιμοποιούνται στην παρασκευή ψωμιού αφήνουν τις υδατοδιαλυτές ίνες ανέπαφες και απελευθερώνουν δεσμευμένο νερό στη ζύμη για να βελτιώσουν την ικανότητα επεξεργασίας, τη φρεσκάδα και τον όγκο του ψωμιού.
Η οξειδάση της γλυκόζης οξειδώνει το ασκορβικό οξύ σε δεϋδρο-ασκορβικό οξύ. Το δεϋδροασκορβικό οξύ ενισχύει το πλέγμα της γλουτένης σχηματίζοντας δεσμούς που αυξάνουν τη δύναμή της.
Η κατανόηση των ενζύμων στα προϊόντα αρτοποιίας είναι το πρώτο βήμα στην επιλογή αυτών.
Τα ένζυμα παρέχουν πολλά από τα ίδια οφέλη με τα χημικά βελτιωτικά ζύμης, αλλά μπορούν να παρέχουν μια επιλογή καθαρής ετικέτας. Συχνά, τα ένζυμα μετουσιώνονται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ψησίματος και ως βοηθητικά μέσα επεξεργασίας, δεν χρειάζεται να επισημαίνονται στο τελικό προϊόν
Τα ενζυμικά παρασκευάσματα που κυκλοφορούν στο εμπόριο είναι πολύπλοκα μείγματα που συνήθως περιέχουν περισσότερες από μία ιδιότητες.
Τα επίπεδα προσθήκης και οι συγκρίσεις προϊόντων θα πρέπει να βασίζονται σε πρακτικές δοκιμές αρτοποίησης και όχι μόνο στις γενικές προδιαγραφές χρήσης. Με αυτές θα διαπιστωθεί η ισχύς της ενζυμικής δραστηριότητας και το βέλτιστο αποτέλεσμα.
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
1.Lin Carson, “Dough Conditioners,” BAKERpedia.com,http://bakerpedia.com/ingredients/dough-conditioners/# (accessed September 28, 2017).
2. https://el.wikipedia.org/wiki/%CE%88%CE%BD%CE%B6%CF%85%CE%BC%CE%BF
3. H.-D. Belitz · W. Grosch · P. Schieberle ¨Food Chemistry¨ 4th revised and extended ed. -Verlag Berlin Heidelberg Springer 2009 149-155
4. Donna Berry, “Exact Tools,” BakingBusiness.com, November 1, 2010, http://www.bakingbusiness.com/News/News-Home/Features/2010/11/Enzymes.aspx?cck=1 (accessed September 28, 2017).
5. K. Kulp, “Enzymes as dough improvers,” in Advances in Baking Technology, eds. Basil S. Kamel and Clyde E. Stauffer (New York: Springer, 1993), 152-165.
6. Denisa Eglantina Duţă, Alina Culeţu, Nastasia Belc ¨Fortification of bread with wheat processing by-products¨ Trends in Wheat and Bread Making, 2021, pp. 343-369¨
7.https://www.lesaffre.uk/2021/03/17/understanding-enzymes-in-breadmaking-3/
