Enzimler Gıda Endüstrisine Nasıl Yardımcı Oluyor?

Enzimler, kimyasal reaksiyonların daha verimli bir şekilde gerçekleşmesini sağlayan biyokatalizörlerdir*. Katalize ettikleri reaksiyonlara göre enzimler oksidoredüktazlar* (EC1), transferazlar* (EC2), hidrolazlar* (EC3), liyazlar* (EC4), izomerazlar* (EC5) ve ligazlar* (EC6) olmak üzere 6 sınıfta incelenmektedir. IUBMB* tarafından gerçekleştirilen bu sınıflandırmaya 2018 yılında translokazlar* (EC7) olarak kabul edilen enzim grubu eklenmiştir. Enzim komisyonu, sayı sistemi sınıflandırması bizlere enzim moleküllerinin yapısı ve işlevleri hakkında pek çok fikir vermektedir[1].

Kimyasal reaksiyonların devamlılığını sağlayan doğal enzimlerin kullanımı, endüstriyel alanlara taşınmaktadır. Tarım, tekstil, biyoyakıt, hayvan yemi, temizlik, hijyen ürünleri ve gıda gibi pek çok alanda enzimlerin kullanımı görülmektedir. Dünyanın artan ihtiyacına ve tüketimine göre sürdürülebilir gıdaların üretiminin desteklenmesi için ticari enzimler kullanılabilmektedir. Gıda israfının önlenmesini sağlamak ve taze ürün tüketimini artırmak için verimlilik oluşturulmalıdır ve daha fazla gıda üretilebilir hale getirilmelidir[2].

Enzimlerin kullanımı; gıda endüstrisinde birçok alanda üretim süreçlerini hızlandırmak, prosesleri iyileştirmek, üretimde verimlilik sağlamak, tüketiciye sunulan nihai ürünü olumlu yönde etkilemek ve duyusal özellikleri değiştirmek amaçlarıyla gözlemlenmektedir. Gıda üretimi sürecinin aşamalarında doğal olarak elde edilen enzimlere ek olarak ticari enzim uygulamaları gerçekleştirilebilmektedir. Bu enzimlerin elde edilmesinde bitkiler, hayvanlar ve mikroorganizmalar kaynak olarak kullanılmaktadır[2, 3]. 

Gıda sektöründe ticari enzim uygulamaları ile gerçekleştirilen çalışmalar arasında; meyve sularında berraklık ve standart ürün elde edilmesi, et ürünlerinde yumuşak doku sağlanması, peynirde olgunlaştırma sürecinin kısaltılması, ekmeğin hacminin artırılması[3], renk bileşiminde ve ağızda bıraktığı hissiyatta değişikliklerle daha kaliteli bir şarap üretiminin gerçekleştirilmesi[4] ve bira üretiminde maltlama* işleminden maksimum verim elde edilmesi ve bulanıklığın giderilmesi[5] bulunmaktadır.

Enzimlerin Uygulama Alanları İçin Örnekler

• α-amilaz* enzimi; fırıncılık uygulamalarında, meyve sularının arıtılmasında kullanılmaktadır.
• Glukoamilaz* enzimi; glikoz ve fruktoz şuruplarında, bira üretimi proseslerinde kullanılmaktadır.
• Proteaz* enzimi; et dokusunun yumuşatılması işlemlerinde, sütün pıhtılaştırılmasında, ekmek kalitesinin artırılmasında kullanılmaktadır.
• Lipaz* ve fosfolipaz* enzimleri; peynir üretiminde daha kaliteli bir son ürün elde edilmesinde kullanılmaktadır.
• Asparaginaz* enzimi; yüksek sıcaklıklarda akrilamid* oluşumunun azaltılmasında kullanılmaktadır.
• Peroksidaz* enzimi; gıdaların besin, aroma ve renk yönünden iyileştirilmesinde kullanılmaktadır[6].

Kimyasal reaksiyonlara göre enzim odaklı prosesler, sürdürülebilirliğe sağladığı katkılardan ve daha güvenli olduklarından çevre dostu olarak kabul edilebilmektedir. Ayrıca enzim uygulamaları, doğru tercihlerle gıda üretiminde verimlilik sağlayarak üreticinin maliyetini düşürmektedir.

Enzimlerin Üretimi
Enzim üretiminde çoğunlukla mikroorganizmalar kaynak olarak kullanılmaktadır ve mikroorganizmalardan enzim üretimi için fermantasyon tekniği içeren pek çok yöntem bulunmaktadır. Kontrol altında uygun koşullar sağlandıktan sonra fermantasyon ile enzim üretiminin gerçekleştirilmesi sağlanır. 

Enzim üretiminde daha verimli ve güvenilir sonuçlar elde etmek amacıyla rekombinant DNA teknolojisi* ile rekombinant mikroorganizmalardan enzim üretimi sağlanabilmektedir. Gelişmekte olan bu teknolojik uygulama, endüstride üretimin daha hızlı bir şekilde gerçekleşmesine ve arzu edilen optimum özelliklerin modifikasyonunun* sağlanmasına yardımcı olmaktadır[7]. Ayrıca enzimlerden maksimum verim alabilmek için gıda endüstrisinde enzimlerin tekrar kullanılabilirliğinden yararlanılarak bazı uygulamalar yapılmaktadır. 

Enzimler, immobilizasyon* uygulamaları ile çözünmeyen taşıyıcılarda immobilize edilerek defalarca kullanılabilir ve diğer enzimlerle birlikte kullanılarak birçok reaksiyonun aynı anda gerçekleşmesi sağlanabilir. Bu uygulamayla enzimler reaksiyonun gerçekleştiği ortamdan kolaylıkla ayrılabilmektedir ve üretilen ürüne zarar vermeden saf halde nihai ürün elde edilebilmektedir[8]. 

Hareketsizleştirilmiş enzimlerin üretimindeki teknikler arasında kovalent bağlama*, tutuklama*, çapraz bağlama* gibi geri döndürülemez yöntemler; adsorpsiyon* ve disülfür bağlama gibi tersine çevrilebilir yöntemler bulunmaktadır. Bu yöntemler dışında da birçok yöntemden bahsetmek mümkündür[9].

Sonuç olarak; gıda üretim proseslerinde, ticari enzimlerin kullanılmasıyla ekonomik öncelikler elde edilebilmektedir. Ayrıca enzimlerde immobilizasyon yöntemlerinin uygulanmasıyla enzimlerin geri kazanımı sağlanarak gıda üretim aşamalarında verimlilik artırılabilmektedir. Teknolojinin de gelişmesiyle, verimliliğin etkisinin uzun süre devam edebilmesi için immobilize enzim uygulamalarının kullanımı artmaktadır.

Sözlük
*Biyokatalizör: Organizmalarda kimyasal tepkimeleri uyaran veya hızlandıran maddelerdir[1].
*IUBMB: Uluslararası Biyokimya ve Moleküler Biyoloji Birliği[1].
*α-amilaz enzimi (EC3.2.1.1): polisakkaritlerin α-1, 4 glikosidik bağlarını hidrolize eden, kısa zincirli dekstrinlerin üretimini sağlayan, hidrolaz sınıfında incelenen, nişasta parçalayıcı enzimler[6].
*Glikoamilaz (EC3.2.1.3): nişastanın indirgeyici olmayan uçtan hidrolizini gerçekleştiren, hidrolaz sınıfında incelenen enzimler[6].
*Proteaz: Proteinlerde bulunan peptit bağlarının hidrolizini gerçekleştiren enzimler[6].
*Lipaz: Uzun zincirli trigliseritlerin hidrolizini gerçekleştiren enzimler[6].
*Fosfolipaz: Fosfolipitlerin yağ asitlerine ve diğer lipofilik maddelere ayrılmasını gerçekleştiren enzimler[6].
*Asparaginaz: İnsanlar için gereksiz bir aminoasit olan asparajinin parçalanmasını sağlayan enzimler[6].
*Peroksidaz (EC1.11.1.7): Peroksitlerin indirgenmesini gerçekleştiren ve inorganik ve organik bileşiklerin oksidasyonunu sağlayan enzimler[6].
*Modifikasyon: İstenilen genin konakçı hücreye rekombinant dna teknolojisi kullanılarak aktarılması işlemi[7].
*Oksidoredüktaz (EC1): Elektronların bir molekülden (indirgeyici, elektron vericisi) diğerine (oksidan, elektron alıcısı) transferini katalize eden enzim grubu[10].
*Transferaz (EC2): Bir donörden bir fonksiyonel grubu uygun bir alıcıya aktaran enzim grubu[10].
*Hidrolaz (EC3): Hidroliz reaksiyonlarını katalize edilmesini gerçekleştiren enzim grubu[10].
*Liyaz (EC4): Hidroliz ve oksidasyon dışındaki yollarla çeşitli bağları parçalayan enzim grubu[10].
*İzomeraz (EC5): Substratlar üzerinde bir veya daha fazla grubun yeniden düzenlenmesine neden olan enzim grubu[10].
*Ligaz (EC6): İki molekül arasındaki bağı oluşturan, kovalent bağı reaksiyonlarını katalize eden enzim grubu[10].
*Translokaz (EC7): Moleküllerin hücresel zarlar üzerinde hareketini ve ayrılmasını sağlayan sınıflandırılmaya sonradan dahil edilen enzim grubu[11].
*Rekombinant DNA teknolojisi: İstenen özelliklerin elde edilebilmesi için, istenen gen dizisine sahip DNA moleküllerinin eklenmesi ve kombinasyonlarının gerçekleştirilip yeni gen dizilerinin elde edilmesini sağlayan teknoloji[12].
*İmmobilizasyon: Enzimlerin yeniden kullanılabilmesi için organik/inorganik taşıyıcılarda tutulmasını gerçekleştiren uygulama[13].
*Kovalent bağlama: Enzimlerin inorganik taşıyıcılara tutunmasını kovalent bağlarla enzimin hareketsizleştirilmesinin sağlayan yöntemler[14].
*Çapraz bağlama: Enzim molekülleri arasında çapraz bağların oluşturulmasıyla enzimin hareketsizleştirilmesinin sağlandığı yöntemler[14].
*Tutuklama: Matriste serbest enzim veya hücrelerin yakalanmasının polimerik bir ağ gerçekleştirildiği yöntemler[14].
*Adsorpsiyon: Enzimlerin hareketsizleştirilmesi için iyonik adsorpsiyonu baz alan yöntemler[14].
*Maltlama: Bira üretiminde tahılın çimlendirilip enzimatik aktivite gerçekleştirildikten sonra kurutulması işlemidir[15].
*Akrilamid: Aminoasit ve indirgen şekerin yüksek sıcaklıklarda reaksiyona girmesiyle oluşan bileşik[16].

Kaynakça
[1] Tao, Z., Dong, B., Teng, Z., & Zhao, Y. (2020). The classification of enzymes by deep learning. IEEE Access, 8, 89802-89811. doi: 10.1109/ACCESS.2020.2992468
[2] Chapman, J., Ismail, A. E., & Dinu, C. Z. (2018). Industrial applications of enzymes: Recent advances, techniques, and outlooks. Catalysts, 8(6), 238. 1-20.
[3] Fadiloğlu, S., & Erkmen, O. (2004). Gıda Sanayiinde Enzimlerin Önemi. Gıda, 29(5). 393-400.
[4] Espejo, F. (2021). Role of commercial enzymes in wine production: a critical review of recent research. Journal of Food Science and Technology, 58(1), 9. https://0-doi-org.divit.library.itu.edu.tr/10.1007/s13197-020-04489-0
[5] Gomaa, A. M. (2018). Application of enzymes in brewing. J Nutri Food Sci Forecast. 2018; 1 (1), 1002.
[6] Raveendran, S., Parameswaran, B., Ummalyma, S. B., Abraham, A., Mathew, A. K., Madhavan, A., Rebello, S., & Pandey, A.. (2018). Applications of microbial enzymes in food industry. Food Technology and Biotechnology, 56(1), 16–30. https://0-doi-org.divit.library.itu.edu.tr/10.17113/ftb.56.01.18.5491
[7] Çerçi, B., Koçyiğit, A., & Karaboz, İ. (2011). Gıdaların İşlenmesinde Kullanılan Enzimlerin Rekombinant DNA Teknolojisi ile Üretimi. Elektronik Mikrobiyoloji Dergisi. 9(3). 1-7.
[8] Yushkova, E. D., Nazarova, E. A., Matyuhina, A. V., Noskova, A. O., Shavronskaya, D. O., Vinogradov, V. V., Skvortsova, N. N., & Krivoshapkina, E. F. (2019). Application of immobilized enzymes in food industry. Journal of agricultural and food chemistry, 67(42), 11553-11567.
[9] Guisan, J. M. (2013). Immobilization of Enzymes and Cells. [electronic resource] : Third Edition (3rd ed. 2013.). Humana Press. 1-67.
[10] Eslahi, H. A. S. S. A. N., Ghaffari-Moghaddam, M. A. N. S. O. U. R., Khajeh, M. O. S. T. A. F. A., Omay, D. I. D. E. M., Zakipour-Rahimabadi, E. S. H. A. G. H., & Motalleb, G. H. O. L. A. M. R. E. Z. A. (2014). General biography, structure and classification of enzymes. Research and Reviews in Materials Science and Chemistry, 3, 1-83.
[11] De Keyzer, J., Van Der Does, C., & Driessen, A. J. M. (2003). The bacterial translocase: a dynamic protein channel complex. Cellular and Molecular Life Sciences CMLS, 60(10), 2034-2052.
[12] Khan, S., Ullah, M. W., Siddique, R., Nabi, G., Manan, S., Yousaf, M., & Hou, H. (2016). Role of recombinant DNA technology to improve life. International journal of genomics. 1-14.
[13] Yushkova, E. D., Nazarova, E. A., Matyuhina, A. V., Noskova, A. O., Shavronskaya, D.O., Vinogradov, V. V., ... & Krivoshapkina, E. F. (2019). Application of immobilized enzymes in food industry. Journal of agricultural and food chemistry, 67(42), 11553-11567.
[14] Di Cosimo, R. ( 1 ), Mc Auliffe, J. ( 2 ), Poulose, A. J. ( 2 ), & Bohlmann, G. ( 2 ). (n.d.). Industrial use of immobilized enzymes. Chemical Society Reviews, 42(15), 6437–6474. https://0-doi-org.divit.library.itu.edu.tr/10.1039/c3cs35506c
[15] Gomaa, A. M. (2018). Application of enzymes in brewing. J Nutri Food Sci Forecast. 2018; 1(1), 1002. 1-2.
[16] Mottram, D. S., Wedzicha, B. L., & Dodson, A. T. (2002). Acrylamide is formed in the Maillard reaction. Nature, 419(6906), 448-449.