Enzyme: Aufbau, Wirkung und Beispiele aus der Küche

Enzyme sind natürliche Biokatalysatoren, die chemische Reaktionen beschleunigen. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Verdauung, beim Stoffwechsel und bei zahlreichen Vorgängen in Lebensmitteln. In der Gastronomie beeinflussen Enzyme unter anderem die Reifung von Fleisch und Obst, die Herstellung von Brot und Käse sowie die Haltbarkeit und Qualität von Lebensmitteln.

Je nach Lebensmittel und Reaktion können Enzyme erwünscht sein oder unerwünschte Veränderungen wie Aromaverlust, Verfärbungen und Verderb verursachen.

Was sind Enzyme?

Enzyme sind Stoffe, die chemische Reaktionen beschleunigen, ohne dabei dauerhaft verbraucht zu werden. Sie werden deshalb als Biokatalysatoren bezeichnet. Die meisten Enzyme bestehen aus Eiweiß (Protein). Einige benötigen zusätzlich weitere Bestandteile, beispielsweise Metallionen oder sogenannte Cofaktoren.

Enzyme kommen in Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen vor. Auch der menschliche Körper bildet Enzyme, die beispielsweise bei der Verdauung und beim Stoffwechsel helfen. Sie können Stoffe aufbauen, umwandeln oder in kleinere Bestandteile zerlegen. Ihre Wirkung hängt unter anderem von Temperatur, pH-Wert und den verfügbaren Reaktionspartnern ab.

Aufbau und Wirkungsweise von Enzymen

Viele Enzyme besitzen ein aktives Zentrum. An dieser Stelle bindet das passende Substrat – also der Stoff, auf den das Enzym wirkt. Es entsteht vorübergehend ein Enzym-Substrat-Komplex. Anschließend wird das Substrat chemisch verändert und das Produkt freigesetzt.

Das Enzym kann danach erneut reagieren.

Zwei wichtige Eigenschaften sind:

• Substratspezifität: Ein Enzym setzt nur bestimmte Substrate oder eine begrenzte Gruppe ähnlicher Stoffe um.
• Wirkungsspezifität: Ein Enzym katalysiert eine bestimmte Art von chemischer Reaktion.

Enzyme sind keine beliebig austauschbaren Hilfsstoffe. Jedes Enzym hat bestimmte Aufgaben und benötigt geeignete Bedingungen, um wirksam zu sein.

Wie werden Enzyme benannt?

Viele Enzyme tragen Namen, die auf das Substrat oder die katalysierte Reaktion hinweisen. Häufig endet ihr Name auf „-ase“.

Beispiele:

• Amylase: baut Stärke ab.
• Laktase: spaltet Laktose (Milchzucker).
• Maltase: spaltet Maltose (Malzzucker).
• Saccharase: spaltet Saccharose (Haushaltszucker).
• Proteasen: spalten Proteine in kleinere Peptide und gegebenenfalls Aminosäuren.
• Lipasen: spalten Fette in ihre Bestandteile.

Was beeinflusst die Enzymaktivität?

Wie schnell ein Enzym arbeitet, hängt von mehreren Faktoren ab.

Temperatur

Jedes Enzym besitzt einen Temperaturbereich, in dem es besonders gut arbeitet. Die optimale Temperatur hängt vom jeweiligen Enzym und seiner natürlichen Umgebung ab.

• Niedrige Temperaturen: verlangsamen die meisten enzymatischen Reaktionen. Die Enzyme werden dadurch nicht automatisch zerstört.
• Geeignete Temperaturen: ermöglichen eine hohe Enzymaktivität.
• Zu hohe Temperaturen: können die räumliche Struktur des Enzyms verändern. Dieser Vorgang heißt Denaturierung und führt häufig zum Verlust seiner Funktion.

Beim Auftauen gefrorener Lebensmittel kann die Enzymaktivität wieder zunehmen. Auch wenn die Kälte die Reaktionen zuvor verlangsamt hat, können Enzyme nach dem Auftauen erneut Veränderungen im Lebensmittel verursachen.

pH-Wert

Der pH-Wert beeinflusst die Struktur und Aktivität eines Enzyms. Jedes Enzym besitzt einen bestimmten pH-Optimalbereich. Dieser kann sauer, neutral oder alkalisch sein.

Es gibt daher keinen einheitlichen Optimalwert für alle Enzyme. Änderungen des pH-Wertes können die Aktivität vermindern oder die Struktur des Enzyms dauerhaft verändern.

Wasseraktivität

Enzyme benötigen für viele Reaktionen ausreichend verfügbares Wasser. In trockenen Lebensmitteln laufen zahlreiche enzymatische Prozesse deshalb langsamer ab. Die Wasseraktivität, auch als aw-Wert bezeichnet, beschreibt, wie viel Wasser für chemische und mikrobielle Vorgänge verfügbar ist.

Eine geringe Wasseraktivität kann die Enzymaktivität einschränken, verhindert aber nicht grundsätzlich jede enzymatische Reaktion. Bestimmte Enzyme können beispielsweise auch in fettreichen Lebensmitteln Veränderungen verursachen.

Weitere Faktoren

Auch die Konzentration von Substraten, das Vorhandensein benötigter Cofaktoren und bestimmte hemmende Stoffe können die Enzymaktivität beeinflussen.

Erwünschte Enzymwirkungen bei Lebensmitteln

Enzyme sind bei vielen Herstellungs- und Reifungsprozessen unverzichtbar.

Fleischreifung

Fleischeigene Enzyme bauen nach der Schlachtung bestimmte Eiweißstrukturen ab. Dadurch wird das Fleisch mit der Zeit zarter. Gleichzeitig entstehen Stoffe, die zur Entwicklung des typischen Fleischgeschmacks beitragen.

Die Fleischreifung muss unter kontrollierten hygienischen und temperaturgerechten Bedingungen erfolgen.

Reifung von Obst

Enzyme beeinflussen während der Fruchtreifung unter anderem die Festigkeit, Farbe, Süße und das Aroma. Beispielsweise können Zellwandbestandteile abgebaut werden, wodurch das Fruchtfleisch weicher wird.

Bei zu weit fortgeschrittener Reifung können unerwünschte Veränderungen auftreten. Das Obst wird beispielsweise matschig oder verliert an Qualität.

Herstellung von Brot, Bier und Käse

Enzyme spielen eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung von Getreide, Milch und anderen Rohstoffen.

• Brot: Enzyme bauen Stärke teilweise zu Zucker ab. Dieser dient unter anderem als Nahrung für die Hefe und beeinflusst die Bräunung der Kruste.
• Bier: Enzyme bauen Stärke aus dem Malz in vergärbare Zucker um. Hefen wandeln diese Zucker anschließend in Alkohol und Kohlendioxid um.
• Käse: Enzyme, darunter Labenzyme und weitere eiweiß- oder fettspaltende Enzyme, sind an der Gerinnung und Reifung beteiligt.

Bei der alkoholischen und der Milchsäuregärung werden Zucker durch Mikroorganismen mithilfe ihrer Enzymsysteme umgewandelt.

Unerwünschte Enzymwirkungen und Lebensmittelverderb

Enzyme können auch Qualitätsverluste verursachen. Sie sind dabei von Mikroorganismen zu unterscheiden: Enzyme sind keine Lebewesen, können aber von Pflanzen, Tieren oder Mikroorganismen stammen.

Abbau von Eiweiß

Der Abbau von Eiweiß kann erwünscht sein, etwa bei der Fleischreifung. Bei fortschreitendem Verderb können jedoch unangenehme Geruchs- und Geschmacksstoffe entstehen. Dazu zählen unter bestimmten Bedingungen Ammoniak und schwefelhaltige Verbindungen.

Verfärbungen von Obst und Gemüse

Wenn Obst oder Gemüse angeschnitten wird, kann Sauerstoff mit pflanzlichen Enzymen reagieren. Dadurch verfärben sich beispielsweise Äpfel, Birnen oder Kartoffeln braun.

Je nach Lebensmittel lässt sich diese enzymatische Bräunung durch Säuern, rasches Erhitzen, geeignete Lagerung oder die Verringerung des Sauerstoffkontakts verlangsamen.

Abbau von Vitaminen und Aromastoffen

Während der Lagerung können enzymatische Reaktionen zur Veränderung von Farbe, Aroma und Nährstoffgehalt beitragen. Wie stark solche Veränderungen ausfallen, hängt vom Lebensmittel und den Lagerbedingungen ab.

Fettverderb

Lipasen können Fette spalten und dadurch Veränderungen des Geschmacks und Geruchs begünstigen. Der sogenannte Ranzigwerdeprozess kann allerdings auch durch Oxidation entstehen; nicht jeder Fettverderb ist ausschließlich enzymatisch bedingt.

Mikroorganismen und ihre Enzyme

Bakterien, Hefen und Schimmelpilze können Enzyme bilden, mit denen sie Bestandteile von Lebensmitteln abbauen. Dadurch kann es zu Verderb kommen. Einige Mikroorganismen bilden außerdem gesundheitsschädliche Giftstoffe.

Wichtig ist: Nicht alle Enzyme oder mikrobiellen Veränderungen sind gefährlich. Umgekehrt lässt sich die Sicherheit eines Lebensmittels nicht allein an seinem Aussehen oder Geruch erkennen.

Enzyme in der Küche gezielt nutzen

In der Gastronomie werden Enzyme gezielt eingesetzt, um bestimmte Eigenschaften von Lebensmitteln zu verändern.

Fleisch mürbe machen

Proteasen spalten Eiweißstrukturen und können dadurch Fleisch zarter machen. Ein bekanntes Beispiel ist Papain, ein eiweißspaltendes Enzym aus der Papaya. Auch Bromelain aus der Ananas besitzt eine solche Wirkung.

Bei zu langer Einwirkzeit kann das Fleisch allerdings eine weiche oder breiige Konsistenz entwickeln. Deshalb müssen Einwirkzeit und Dosierung zum jeweiligen Produkt passen.

Teige und Backwaren

Enzyme beeinflussen die Verarbeitung von Mehl und Teig. Amylasen bauen Stärke teilweise ab und stellen dadurch Zucker bereit. Diese Vorgänge wirken sich auf die Hefetätigkeit, die Bräunung und bestimmte Eigenschaften des Gebäcks aus.

Wichtig: Trockenhefe besteht nicht einfach aus Hefeenzymen. Sie enthält getrocknete, lebende Hefezellen, die unter geeigneten Bedingungen wieder aktiv werden und unter anderem mithilfe ihrer Enzyme Zucker vergären.

Milchprodukte und laktosefreie Lebensmittel

Das Enzym Laktase spaltet Milchzucker in Glukose und Galaktose. Es wird zur Herstellung laktosefreier Milchprodukte eingesetzt. Dadurch können Menschen mit Laktoseintoleranz diese Produkte häufig besser vertragen.

Obst und Gemüse verarbeiten

Enzyme können die Festigkeit und Farbe von Obst und Gemüse beeinflussen. Bei manchen Produkten ist das erwünscht, bei anderen möchte man enzymatische Veränderungen möglichst verhindern. Eine geeignete Kombination aus Temperatur, Säure und Lagerung hilft dabei, die gewünschte Qualität zu erhalten.

Wichtige Enzyme und ihre Aufgaben

Enzym	Substrat oder Ausgangsstoff	Wirkung
Amylase	Stärke	Spaltet Stärke in kleinere Kohlenhydrate
Laktase	Laktose	Spaltet Milchzucker in Glukose und Galaktose
Maltase	Maltose	Spaltet Malzzucker in Glukose
Saccharase	Saccharose	Spaltet Haushaltszucker in Glukose und Fruktose
Protease	Proteine	Spaltet Eiweiß in kleinere Peptide und gegebenenfalls Aminosäuren
Lipase	Fette	Spaltet Fette in Fettsäuren und weitere Bestandteile
Papain	Proteine	Spaltet Eiweißstrukturen und kann Fleisch mürbe machen

Fazit:

Enzyme sind wichtige Biokatalysatoren, die zahlreiche Vorgänge in Lebensmitteln ermöglichen. Sie tragen zur Reifung von Fleisch und Obst, zur Herstellung von Backwaren und Käse sowie zur Verdauung bei. Gleichzeitig können sie unerwünschte Veränderungen wie Bräunung, Aromaverlust und Fettabbau verursachen.

Für die Gastronomie ist es deshalb wichtig, die Wirkung von Enzymen zu verstehen und durch geeignete Temperaturführung, Lagerung und Verarbeitung gezielt zu beeinflussen.

Merke: Enzyme beschleunigen chemische Reaktionen, ohne selbst dauerhaft verbraucht zu werden. Ihre Aktivität hängt unter anderem von Temperatur, pH-Wert und Wasseraktivität ab. Kälte verlangsamt viele Enzymreaktionen, während zu hohe Temperaturen Enzyme denaturieren können.