Enzymer og brødbagning

Introduktion: Dette projekt handler om enzymer og deres anvendelse i brødproduktion.

Enzymer er biologiske katalysatorer, der bruges til at accelerere biokemiske reaktioner. Enzymer anvendes i dag overalt, f.eks. i fødevareindustrien, hvor de bruges til modning af ost og til at give brød en sprødere skorpe, og i tekstilindustrien, hvor de bruges til at indfarve læder og til at forarbejde bomuld.
Enzymer er et bæredygtigt alternativ i forhold til brugen af kemisk katalyse. I modsætning til kemisk katalyse, der ofte kræver et ekstremt miljø, virker enzymer under milde forhold, f.eks. neutral pH og/eller stuetemperatur. Dvs. anvendelse af enzymer kan reducere energiforbruget. Derudover vil produktionen af biprodukter være minimal, da enzymer er meget specifikke og typisk kun katalyserer en reaktion eller nært beslægtede reaktioner. De biprodukter, der er, vil i modsætning til kemisk affald sjældent være skadelige for mennesker og naturen. Det gør dem forholdsvis nemme at komme af med på en forsvarlig måde; det kan være, at de kan bruges til noget andet.

Danisco og Institut for Systembiologi byder dig velkommen til dette projekt, der handler om enzymer og deres anvendelse ved brødproduktion. Projektet er udarbejdet af Luise C. Kristiansen. Formålet med projektet er at vise dig et af de spændende arbejdsfelter inden for bioteknologi, nemlig enzymteknologi. Enzymer anvendes i dag overalt i industrien, f.eks. til at gøre juice mindre grumset og til at lette indfarvning af læder. Den moderne bioteknologi har banet vejen for produktion af enzymer med nye eller tilpassede egenskaber, og der er ingen tvivl om, at brugen af enzymer vil blive endnu mere udbredt i fremtiden.

Projektets opbygning
Projektet består af en teoretisk del, der indledes med en introduktion til emnet. Herefter følger seks teoriafsnit, hvor du vil lære, hvad enzymer er, og hvordan de fungerer, samt hvilke enzymer, man anvender ved brødproduktion. Sidste teoriafsnit beskriver de analysemetoder, som man benytter til at se enzymernes effekt. Der tages udgangspunkt i de analysemetoder som Danisco benytter.
Efter at du har læst og forstået det teoretiske materiale er du klar til at lave øvelser, hvor du med egne øjne vil se effekten af tre af de enzymer, som man anvender ved brødproduktion.

God fornøjelse!

Teori:

Enzymer er biologiske katalysatorer, der bruges til at accelerere biokemiske reaktioner. Enzymerne anvendes i dag overalt i fødevareindustrien, f.eks. til modning af ost, til at gøre juice mindre grumset og til at give brød en sprødere skorpe. Den moderne bioteknologi har banet vejen for produktion af enzymer med nye eller tilpassede egenskaber. Udviklingen af disse enzymer foregår bl.a. hos Danisco. Mere end hvert fjerde industrielt fremstillede brød i verden indeholder ingredienser fra Danisco. Det er f.eks. enzymer, der bruges til at gøre skorpen gylden (Fig. 1), til at give en mere ensartet krummestruktur og til at bevare friskheden af brødet i holdbarhedsperioden.

Figur 1. Enzymer kan bl.a. bruges til at give brød en gylden skorpe. Foto fra Danisco.

At lave et brød

For at lave et godt brød skal man som minimum bruge mel, vand, salt og gær. Selve fremgangsmåden varierer, men følger typisk nogle bestemte trin (Fig. 2).

Hvedemel er den vigtigste ingrediens i det meste brød. Melet indeholder unikke proteiner, der ved blanding med vand og efter æltning danner et proteinnetværk kaldt gluten, som gør, at dejen både er viskøs (flydende) og elastisk. Dette proteinnetværk betyder, at dejen kan holde på den carbondioxid, der produceres af gæren ved fermenteringen. Dermed hæver dejen, og man opnår den porøse krummestruktur, der kendetegner et brød. I Figur 3 ses en oversigt over bestanddelene i hvedemel.

Enzymer og brødproduktion

Enzymer har ved brødproduktion en vigtig rolle gennem modifikation af nogle af dejens molekyler. Det kan f.eks. være nedbrydning af stivelse og andre polysakkarider. I mel findes allerede enzymer (endogene enzymer) som f.eks. amylaser, men som regel i for små mængder til at kunne frembringe de optimale effekter. Tilsætning af enzymer (exogene enzymer) sker altså for at optimere dejens egenskaber og forbedre kvaliteten af det bagte brød. Bl.a. kan man ved tilsætning af enzymer:

Øge dannelsen af fermenterbare sukkere i dejen
Reducere den tid, det tager at blande ingredienserne
Ændre dejens konsistens og evne til at hæve
Stabilisere dejen
Øge den sensoriske kvalitet af brødet (krumme, smag og farve)
Bevare friskheden af brødet i holdbarhedsperioden

Da strukturen og funktionaliteten af brød er stærkt afhængig af makromolekylære vekselvirkninger, er det ikke overraskende, at man tilsætter enzymer, der modificerer makromolekylerne i dejen. Disse enzymer tilsættes enten til melet før bagning og/eller sammen med de andre ingredienser, når dejen blandes.

Figur 2. Ved brødproduktion blandes vand, mel og gær der tilsammen danner dejen. Dejen sættes til hævning, hvor gæren nedbryder sukre til CO₂, der får dejen til at udvide sig. Proteiner i hvedemelet danner et netværk af gluten, der holder på CO₂‘en.

Anvendte enzymer

De mest anvendte enzymer i forbindelse med brødproduktion er enzymer, der katalyserer reaktioner med hhv. stivelse og ikke-stivelses polysakkaridet arabinoxylan. Dvs. enzymer, der øger reaktionshastigheden af reaktioner, hvori der indgår stivelse eller arabinoxylan. Disse enzymer kaldes amylaser og xylanaser, og er begge hydrolaser. Ud over amylaser og xylanaser anvendes også andre enzymer, der modificerer gluten (proteindelen i mel) og lipiderne.
Hvis man vha. af enzymer ønsker at modificere og optimere bageprocesser samt det færdige brøds karakteristika, er det først og fremmest nødvendigt at have et kendskab til opbygningen af de molekyler, der påvirkes.

Figur 3. Hvedemel består hovedsageligt af polysakkarider, hvoraf hovedbestanddelen er stivelse. Derudover indeholder hvedemel også proteiner og lipider.

Derfor vil hver af de artikler, som beskriver de forskellige anvendte enzymer, indledes med en introduktion, der omhandler opbygningen af hhv. stivelse, gluten, ikke-stivelses polysakkaridet arabinoxylan samt lipiderne i dejen. Tilgå artiklerne ved at trykke på knapperne nedenunder.

Øvelser og videre læsning:

Øvelser

Til dette projekt hører på nuværende tidspunkt tre øvelser. Formålet med de tre øvelser er, at du med egne øjne skal se effekten af tre af de enzymer, man anvender i forbindelse med brødproduktion. De tre enzymer er:

En α-amylase, der nedbryder stivelse.
En endo-β-(1,4)-xylanase, der nedbryder uopløseligt arabinoxylan.
En endopeptidase, der nedbryder gluten.

Enzymerne kan bestilles via bestillingsformularen her.

I alle øvelser skal enzymerne tilsættes en dej. Dejen skal hvile og i to af øvelserne også hæve. Det betyder, at selvom øvelserne er forholdsvis simple, tager de noget tid.

Faglig forberedelse:
Før du udfører øvelserne er det vigtigt, at du ved, hvad enzymer er. Du skal vide, hvad de tre enzymer, som indgår i øvelserne, gør ved dejen og evt. brødet. Af denne grund er det også nødvendigt at vide hvilke molekyler, der findes i mel. Alt dette kan du lære ved at læse det teoretiske materiale, der hører til projektet.

Praktiske informationer:
Såfremt det af tidsmæssige eller andre årsager ikke er muligt at gennemføre alle øvelserne, kan de enkelte øvelser sagtens stå alene.

Øvelsesvejledninger til de enkelte øvelser finder du her:

Forsøgsvejledning – Effekten af xylanase

Forsøgsvejledning – Stivelse og effekten af amylase

Forsøgsvejledning – Gluten og effekten af protease

En lærervejledning er tilgængelig her:

Lærervejledning – Enzymer og brødbagning

Herunder kan du se vejledningsvideoer til øvelserne

Gluten og effekten af protease

Effekten af xylanase

Hvis du har nogle spørgsmål eller kommentarer til øvelserne, er du meget velkommen til at kontakte os. Så vil vi forsøge at hjælpe bedst muligt og hurtigst muligt.

Artikler

Nedenfor ses to tidsskrifter, hvori der er blevet bragt artikler med relevans i forhold til dette projekt.

Download og læs relevante og interessante artikler fra:

Ingeniøren
Aktuel Naturvidenskab

Ingeniøren
Aktuel Naturvidenskab

Ingeniøren

Artikler fra Ingeniøren

Nyt Danisco-enzym får brød til at holde længere
Ingen har lyst at spise en hotdog, hvor brødet går i stykker. Danisco har lanceret et enzym, der gør brødet blødere og mere fleksibelt.

Nye dufte i forsøgsbageriet
Hver år kommer der op til flere nye brød på hylderne i supermarkedet. Denne artikel handler om hvordan Danmarks største brødvirksomhed Lantmännen Schulstad udvikler nye brød.

Kartoffel- og roepulp bliver til sunde fibre
Ud over at forlænge mæthedsfølelsen og fremme væksten af gavnlige bakterier i tarmfloraen tyder det på, at kostfibre har en positiv virkning på immunforsvaret. Professor Anne Meyer fra DTU arbejder på at nedbryde restprodukter fra industriel produktion af sukker og kartoffelstivelse til kostfibre vha. enzymer.

Dansk hvede med indbygget nedbrydningsenzym
Bakterier fundet i varme kilder på Island har gener, der koder for en xylanase, som er aktiv ved høje temperaturer. Disse gener er blevet indsat i hvedestrå. Idéen er, at enzymerne ved opvarmning nedbryder hvedestrået indefra

Dansk enzym bremser farligt stof i brød
Det kræftfremkaldende stof akrylamid dannes, når stivelsesholdige fødevarer opvarmes, f.eks. når brød bages. Tilsætning af et enzym fra Novozymes kan reducere dannelsen af akrylamid.

Aktuel Naturvidenskab

Artikler fra Aktuel Naturvidenskab

Kunstige enzymer
Ønsker man at gøre kemiske processer mere miljøvenlige, kan man med stor fordel bruge enzymer. Enzymerne er mere specifikke end de kemiske katalysatorer, og de producerer langt færre biprodukter.

Ordliste

Herunder er en alfabetisk ordliste med forklaring til mange af de ord, der optræder i artiklerne, og som måske ikke er kendt på forhånd.

Aktive center: Det sted på enzymet, hvor katalytiske grupper, der kan bryde eller danne bindinger, befinder sig, og hvor substratet bindes.

Aktiveringsenergi E_a: Energiinput, der kræves for at få en bestemt reaktion til at forløbe.

Amylase: Enzym, der hydrolyserer glykosidbindinger i polysakkarider som f.eks. stivelse (amylose og amylopektin).

Arabinoxylan: Et ikke-stivelses polysakkarid, der bl.a. findes i hvedemel. Først og fremmest opbygget af monosakkariderne xylose og arabinose. Opdeles i opløseligt arabinoxylan (WEAX) og uopløseligt arabinoxylan (WUAX).

Assay: Ordet assay er et vidt begreb, der dækker over mange forskellige procedurer, der bl.a. kan bruges til at bestemme mængden eller tilstedeværelsen af en given komponent, f.eks. antistoffer (ELISA) i en blanding. Et assay kan også bruges til bestemmelse af aktiviteten og effekten af et udvalgt stof, f.eks. et enzym.

ATP: Adenosintrifosfat. Meget energirig kemisk forbindelse. Består af adenin (base), ribose (sukker) og tre fosfatgrupper.

Co-faktor: Nogle enzymer har brug for en co-faktor, der har betydning for, om enzymet er katalytisk aktivt. Co-faktoren kan være et metal eller et lille organisk molekyle. I det tilfælde, hvor co-faktoren er et organisk molekyle benævnes dette et co-enzym. Et enzym uden sin co-faktor kaldes for at apoenzym og for et holoenzym, når co-faktoren er til stede, og enzymet katalytisk aktivt. Visse co-faktorer sidder permanent fast til enzymet. I så fald kaldes de prostetiske grupper.

Depolymerisering: Depolymerisering er den proces, hvor en polymer bliver nedbrudt.

Dityrosinbinding: Binding mellem to tyrosin-aminosyrer.

Endergon reaktion: En reaktion, hvor der kræves energitilførsel for at reaktionen forløber. Sker en stigning i Gibbs fri energi, hvilket betyder at ΔG > 0. Reaktionen er ikke spontan.

Endoamylase: Amylase, der hydrolyserer α-(1,4)-glykosidbindinger inde i stivelsesmolekylerne.

Endopeptidase: Protease, der hydrolyserer peptidbindinger inde i proteiner. Endopeptidaserne genkender bestemte aminosyre-sidegrupper og hydrolyserer peptidbindingen ved siden af disse.

Exergon reaktion: En reaktion, hvor der frigives energi. Sker et fald i Gibbs fri energi, hvilket betyder at ΔG < 0. Reaktionen er spontan.

Exoamylase: Amylase, der hydrolyserer α-(1,4)-glykosidbindinger fra den ikke-reducerende ende af stivelsemolekylerne.

Exopeptidase: Protease, der hydrolyserer peptidbindinger mellem terminale aminosyrer og selve proteinet. Det kan enten være fra den ene ende, hvor der er en fri aminogruppe eller det kan være fra den anden, hvor der er en fri carboxylsyregruppe. Hhv. amino-peptidaser og carboxy-peptidaser.

Fermentering: Fermentering er det samme som gæring. Ved fermentering sker der en omdannelse af sukkere til alkohol (ethanol) og carbondioxid. Processen sker anaerobt, dvs. den foregår, uden at der er oxygen til stede.

Ferulinsyredimer: Binding mellem to ferulinsyremolekyler. Ferulinsyre er en fenolsyre, der kan være bundet til arabinosemolekylerne i arabinoxylan.

Fosfatgruppe-overførselspotentiale: Molekyler, der har et højt fosfatgruppe-overførselspotentiale, har en meget stærk binding til en fosfatgruppe. Dette vil sige, at når bindingen brydes – når fosfatgruppen overføres til et andet molekyle – frigives der en stor mængde energi, der kan bruges til f.eks. at drive en energikrævende (endergon) reaktion.

Gelatinisering: Gelatinisering eller forklistring er det, der sker, når stivelseskorn under vandoptagelse og varmepåvirkning svulmer op.

Gibbs fri energi: Energiindhold. Ændringen i den fri energi (ΔG) ved en reaktion er givet som den fri energi i produkterne minus den fri energi i reaktanterne. Hvis den fri energi i reaktanterne er højere end den fri energi i produkterne, bliver ændringen i fri energi negativ (ΔG < 0). Hvis den fri energi i reaktanterne er mindre end den fri energi i produkterne, bliver ændringen i fri energi positiv (ΔG > 0).

Globulært: At et protein er globulært betyder, at det er meget kompakt foldet, og næsten har en kugleform.

Glykosidbinding: Etherbinding (-R-O-R-) mellem to sukkere, som er dannet ved sammenkædning af to hydroxylgrupper (-OH) under fraspaltning af vand.

Hydrofil: Vandelskende.

Hydrofob: Vandskyende.

Ikke-reducerende ende: Stivelse (både amylose og amylopektin) har en reducerende ende og en ikke-reducerende ende. Det skyldes, at glukosemolekylet i den ene ende kan åbnes, og den fremkomne aldehyd kan oxideres til en carboxylsyre, hvorved et andet stof reduceres. Denne ende kaldes derfor den reducerende ende.

Induced fit: Når enzymet ændrer form ved binding af substrat. Substratet ændrer ofte også form.

Intra- og intermolekylære svovlbroer: Intramolekylære svovlbroer er bindinger mellem to svovlatomer, der sidder i det samme protein. Intermolekylære svovlbroer er bindinger mellem to svovlatomer, der sidder i hvert sit protein.

Katalysator: En katalysator er i stand til at øge hastigheden af en reaktion uden selv at blive forbrugt eller omdannet.

Krumme: Krummen skal forstås som den indre, bløde del af et brød – den del, der omsluttes af brødskorpen. Ordet krumme er altså her ikke det, der er tilbage, når man har spist et brød!

Maillard reaktion: Reaktion mellem en aminosyre og et sukkermolekyle. Sker som regel under opvarmning. Ligesom karamellisering, er den et eksempel på ikke-enzymatisk bruning. Slutproduktet giver smag og duft.

Maltose: Maltose er et disakkarid, der består af to glukosemolekyler.

Polymer: En polymer er et makromolekyle, der er opbygget af flere identiske underenheder kaldet monomerer. F.eks. er et protein en polymer, der er opbygget af aminosyrer.

Porøs: Fuld af porer eller huller.

Protease: Enzym, der hydrolyserer peptidbindinger i proteiner, og derved nedbryder dem. Kaldes også et proteolytisk enzym. Kan deles op i endo- og exopeptidaser.

Retrogradering: Retrogradering sker, når der gendannes bindinger mellem stivelsesmolekylerne i forklistrede stivelseskorn.

Ribozymer: RNA-molekyler med katalytiske egenskaber.

Sterisk: Ordet sterisk henviser til den rumlige struktur.

Stivelse: Stivelse dækker over to typer kulhydrater – henholdsvis amylose og amylopektin.

Svovlbro: En svovlbro er en binding mellem to svovlatomer i to forskellige cystein-aminosyrer.

Transition state: En overgangstilstand. Når reaktanterne har passeret energibarrieren og er blevet aktiveret (har fået tilført aktiveringsenergi). Reaktanterne befinder sig på en mere ustabil form.

Viskositet: Et udtryk for f.eks. en væskes modstand mod at flyde. Dvs. viskositet er et mål for, hvor flydende noget er. Jo højere viskositet, jo mere tyktflydende og omvendt.

WEAX: Opløseligt arabinoxylan. Water extractable arabinoxylan.

WUAX: Uopløseligt arabinoxylan. Water un-extractable arabinoxylan.

Xylanase: Enzym, der hydrolyserer ß-(1,4)-glykosidbindinger mellem to xylosemolekyler i arabinoxylan.

Kildehenvisning:
Dette projekt blev udgivet i november 2008. Det er udarbejdet af Biotech Academy og er blevet opdateret løbende.

Projektet er udarbejdet af Luise C. Kristiansen. Luise har en bachelor i Human Life Science Engineering og en master i Matematisk Modellering og Computing.

Luise C. Kristiansen

Rie Mejdal er uddannet kemiingeniør fra DTU og arbejder som Application Specialist hos Danisco. Hun har været sparringspartner på denne artikel.

Rie Mejdal

Susanne Jacobsen var lektor ved Institut for Systembiologi, DTU. Susanne arbejder med enzymer og proteiner i korn.

Susanne Jacobsen

Thomas Blicher har lavet figurerne af de tredimensionelle enzymstrukturer på denne side. Thomas er lektor på Center for Biologisk Sekvensanalyse ved Institut for Systembiologi.

Thomas Blicher

Danisco er en af verdens førende producenter af fødevareingredienser og enzymer baseret på naturlige råvarer, som bliver brugt i en lang række industrielt forarbejdede produkter eksempelvis brød. Danisco har været sponsor og partner på dette projekt.

Danisco

Institut for Systembiologi har Danmarks største biovidenskabelige og bioteknologiske forskning på universitetsniveau.
Instituttet har været partner og sponsor på projektet.