Enzimlerin mutfaktaki mucizeleri

Enzimlerin, yüzyıllar sürecek reaksiyonları dakikalar hatta saniyeler içinde gerçekleştirebileceği biliniyor.

Enzimler tek bir kimyasal reaksiyonu veya aynı tip benzer reaksiyonları katalizleme özelliğine sahip olan, reaksi­yon sonunda tükenmeyen ve hiçbir değişikliğe uğramayan protein yapısındaki moleküllerdir [1].

Ayrıca canlı organizmalarda hücre içindeki maddelerin değişimi, hidrolizi ve biyosentezi gibi biyokimyasal reaksiyonlarda da etkilidir [2]. Bu kapsamda biyo­lojik katalizör ya da biyokatalizör olarak da isimlendirilir [3]. Enzimlerin yaklaşık 5000’den fazla biyokimyasal reaksiyonu katalize ettiği bilinmektedir [4].

Uygun koşullar sağlandığında reaksiyon hızını 106 ila 1020 kat arasında artıran enzimlerin, yüzyıllar sürecek reaksiyonları dakikalar hatta saniyeler içinde gerçekleştirebileceği bilinir [5]. Ancak burada önemli olan, enzimin etki edeceği maddeye (substrata) uygun olması ve bulunduğu ortamın pH ve sıcaklık koşullarının eşlenikliğidir [6]. 

Enzimler canlı hücrelerin içinde üretilmesine rağmen hücre dışında da aktif olarak ça­lışabilir. Bu özellik sayesinde çeşitli endüstriyel üretim alanlarında yaygın olarak kullanılırlar [4]. Bu endüstriyel üretim alanlarından biri de gıda ürünlerinin üretimidir. Gıdaların işlenmesi sırasında ham maddenin özelliklerini değiştirmek için kontrollü kim­yasal ve/veya fiziksel modifikasyonlar yaratılır. Enzimlerin bu kimyasal modifikasyonlarda önemli roller üstlendiği söylenebilir. Bu amaçla enzim kullanımı, geleneksel gıda üretiminden modern uygulamalara kadar çeşitli şekillerde yer alır [3].

Enzimlerin geleneksel gıda üretimde kullanımı yüzyıllar öncesine dayanır. Ancak bilim insanları 18. yüzyılın sonlarından itibaren konuyu daha sistematik şekilde incelemeye başlamıştır [7].

19. yüz­yılın başlarında Louis Pasteur, şekerlerden alkol üretilmesinde mayanın etkili olduğunu açıklayarak, ma­yayı tanımlamak için “ferment” terimini kullanmıştır.

Alman fizyolog Wilhelm Kühne ise “maya içinde” anlamına gelen, Yunanca en (içinde) ve zume (maya) kelimelerinden türeyen “enzim” terimini kullanmıştır. Böylelikle fermantasyonda etkili olan bu biyomoleküle bilimsel bir terminoloji kazan­dırılmıştır [8, 9]. Enzim çalışmaları esasen 20. yüzyılın başlarında hızlanmış ve bu alanda önemli gelişmeler yaşanmıştır [2].

Teknolojinin gelişmesiyle birlikte enzimler gıda üretimi, kozmetik, ilaç gibi çeşitli endüstriyel alanlarda araştırma-geliştirme araçları olarak yaygın kulla­nılan önemli bir molekül hâline gelmiştir. Gıdalarda protein, karbonhidrat ve yağ gibi bileşenleri daha küçük yapı taşına ayırmak (hidroliz) için yaygın olarak kullanılır. Özellikle et ürünleri, süt ürünleri, unlu mamuller, meyve suyu ve fermente alkollü içecek üretiminde; mey­ve, sebze ve yumurta gibi gıdaların işlenmesinde, protein hidrolizinde, tatlandırı­cı üretiminde ve lipid modifikasyonu gibi birçok uygulamada yer alır. Burada enzimler; fermantasyon için substrat üretimi sağlamak, son ürünü istenilen şekilde değiştirmek ve duyusal özelliklerini geliştirmek, hızlı bir üretim süreci sağlamak ve enerji kullanımını azaltmak amacıyla önemli rol üstlenir. Bunların yanı sıra kullanıldığı alanlar giderek artmaktadır [10,11].

Endüstriyel gıda üretiminde yaygın kulla­nımın yanı sıra mutfak uygulamaları açısından incelendiğinde, enzimlerin aslında antik çağlardan beri pek çok geleneksel gıdanın üretilmesinde rol oynadığı görülür. Antik dönemlerde peynir, yoğurt, kefir, ekmek, bira, sirke, şarap ve diğer fermente içeceklere ait kalıntılara rastlanmıştır. Bu gıdaların üretiminde enzimlerden yararlanıldığına inanılır. Eski Mısırlılarda, yiyecek ve içeceklerin muhafazası için kullanıldığı bilinirken, Homeros’un İlyada Destanı’nda peynir yapmak için bir çocuğun midesinden yararlanıldığı söylenmektedir [8]. Özellikle Roma, Yunan, Mısır, Çin ve Hint uygarlıklarına ait kalıntılarda enzimlerin yer aldığı fermantasyon ürünlerinin yaygın olduğu gö­rülmektedir [12].

Enzimlerin elde edildiği kaynaklar

Günümüzde, mutfak uygulamaları ve gıdaların üretiminde çeşitli en­zimlerden yararlanılır. Bu enzimler, gıdaların yapısında doğal olarak bulunabildiği (endojen kaynaklar) gibi reaksiyonu gerçekleştirmek için bilinçli olarak dışarıdan (ekzojen kaynaklar) da eklenebilir [13]. Ekzojen enzimler bitki, hayvan ve mikroorganizmalar gibi çeşitli kaynaklardan elde edilebilir. Hayvansal kaynaklı olanlar arasında tükü­rük salgısından amilaz, mide salgısından pepsin ve proteaz, pankreas salgısından amilaz ve lipaz gibi enzimler sayılabilir. Bitki­sel kaynaklı olanlar arasında a-amilaz (tahıllar), β-amilaz (tatlı patates), bromelain (ananas), papain (papaya), fisin (incir özü), aktinidin (kivi) ve zingibain (zencefil) yaygın olarak bilinir [14].

Bitkisel ve hayvansal kaynaklı enzimler daha çok geleneksel uygulamalarda kullanılmakla birlikte endüstriyel alanda kullanılan ticari enzim preparatları çoğunlukla mikroorganizmalardan üretilmektedir [15]. Mikroorganiz­ma kaynaklı enzimlerin katalizör yeteneği daha yüksektir, daha stabil ve ucuzdurlar ve daha yüksek verim sağlarlar [16].

Etki mekanizmaları

Enzimin spesifik olarak etki ettiği madde substrat, reaksiyon sonucu oluşan madde ise ürün adını almaktadır. Enzimlerin aktif bölgeden substrata bağlanması anahtar kilit ilişkisine benzetilir (Şekil 1) [16].

Enzimlerin bir reaksiyonu katalizlemesi birkaç aşamada gerçekleşir [11] (Şekil 2):

1. Substrat molekülü, enzimin aktif bölgesiyle temas eder.

2. Substrat ve enzim, bir enzim-substrat (ES) kompleksi oluşturur.

3. Substrat molekülü, bir ürüne dö­nüştürülür ve enzim-ürün (EÜ) kompleksi oluşur.

4. Enzim-ürün kompleksinin parçalanması ile enzim ve ürün serbest hale geçer.

5. Enzimin yapısı aynı kalır ve reaksiyon tamamlanır.

Mutfak uygulamalarındaki etkileri

Gıda uygulamalarında işlem sürecini iyileştirmek ve ürün kalitesini, raf ömrünü, stabiliteyi artırmak için çok sayıda enzim kullanılır. Bu enzimler endojen kaynak olarak gıdaların yapısında yer alabileceği gibi endüstriyel gıda üretiminde olduğu gibi ekzojen kaynak olarak dışarıdan da eklenebilir [17]. Gıda endüstrisinde, hammaddelerin son ürüne dönüştürülmesinde kontrollü koşullar altında kullanılan ekzojen enzimler, gıdaların tat, doku, renk, raf ömrü, işlenebilirlik gibi özelliklerini iyileştirme ve yeni ürün geliştirme amacıyla kullanılır [7]. Ancak, mutfak uygulamalarında, çoğunlukla endojen enzimler kullanılır ve daha sınırlı kullanım alanına sahiptir [18]. Bunların yanı sıra bazı enzimler, gıdalarda istenmeyen değişikliklere de neden olabilmektedir ve bu değişiklikler çeşitli uygulamalar ile önlenebilmektedir [19].

Enzimler, mutfak uygulamalarında et ve et ürünlerinde, süt ve süt ürünlerinde, meyve ve sebzelerde, unlu mamullerde ve alkollü içeceklerde kullanılır.

Meyve ve sebzelerin işlenmesinde, özellikle endüstriyel meyve suyu üretiminde pektinaz, selülaz, hemiselülaz ve tannaz enzimleri daha yüksek verim, berraklaştırma ve sıvılaştırma amacıyla kullanılır [20]. Özellikle miksoloji alanında kokteyl yapımında pektinaz enziminin önemi büyüktür [21]. Selülaz enzimi ise selülozun hidrolizini sağlar ve meyve suyu verimini artırır. Bu sebeple genellikle endüstriyel üretimlerde ticari enzim karışımı olarak diğer enzimlerle birlikte kullanılır [22]. Bunların yanı sıra enzimler, meyve ve sebzelerde istenmeyen değişiklere de neden olur. Meyve ve sebzeler kesildiği/parçalandığı zaman yapısındaki polifenol oksidaz enzimi aktif hâle gelir ve kararma gerçekleşir. Kararmanın önlenmesi için asitliği artırma, serbest su miktarını azaltma, oksijen ile temasını kesme, sıcaklık uygulamaları gibi çeşitli yöntemler uygulanır. Patatesin soyulduktan sonra pişirilmeden önce suda bekletilmesi ile oksijen temasının kesilmesi, enginarın ve mantarın limonlu su içerisinde bekletilmesi ve sarı renkli kuru kayısı için kurutma öncesinde kükürtdioksit gazına maruz bırakma, piştikten sonra sıcaklığın etkisiyle kararmanın önlenmesi örnek olarak verilebilir [23]. Ayrıca elma ve armut dilimlerindeki kararma reaksiyonları, vakum paketleme yapılarak ya da mutfak tipi kurutucularda kurutularak da önlenebilir [24].

Et ve et ürünlerinin işlenmesinde, tekstürü iyileştirmek için bitki, hayvan ve mikroorganizmalardan elde edilen çeşitli ekzojen enzimler kullanılır [25]. Papain, bromelain, fisin, aktinidin ve zingibain gibi bitki kaynaklı proteaz enzimleri, ete marinasyon işlemi ile ya da enjekte edilerek uygulanabilir [26]. Bu enzimler, protein yapısındaki kovalent bağların ayrılmasını katalize eder ve peptit veya ami­no asitler üreterek et yapısını değiştirir [27].

Transglutaminaz enzimi ise proteinlerin yapısında bulunan glutamin ve lizin arasında yeni veya farklı kovalent bağların oluşumunu sağla­yarak kemikten ayrılan tıraşlama artığı et parçalarının değerlendirilmesini ve yeni ürünler oluşturulmasını sağlar [28, 29]. Deniz ürünlerinde de özellikle surimi üretiminde jel oluşturma yeteneği ve vis­koelastik özellikleri geliştirme açısından önemlidir [30].

Süt ve süt ürünlerinin işlenmesinde, geleneksel olarak sütün pıhtılaşması için rennet enzimi kullanılır. Rennet, memelilerin midesinde veya bazı bitkilerde doğal olarak bulunan peynir ma­yasıdır. MÖ 6000’den beri peynir üretimi için kullanılmaktadır [31].

Ayrıca yabani enginar (Cynara cardunculus) ve ısırgan otu gibibitkisel kaynaklarda bulunan proteaz enzimlerin de sütü pıhtılaştırma amacıyla kullanıldığı bilinir [32, 33, 34]. Bunun yanı sıra enzimler, çeşitli peynirlerde aroma ve doku gibi özellikleri geliştirmek ve olgunlaşmayı sağlamak için de kullanılır. Lipaz enzimi, süt yağının hidrolize ederek Cheddar, Roquefort ve Manchego gibi peynirlerde acılık oluşumunu engeller ve karakteristik özellikler kazandırır. Lipaz enzimleri, proteaz enzimleri ile kombinasyon hâlinde kullanılır [35, 31]. Ayrıca vegan ve vejetaryenler için üretilen peynirler nişasta ile yapılmakta olup, istenilen peynir dokusunu elde etmek için bu nişastaların amilaz gibi enzimlerle parçalanarak modifiye edilmesi gerekir [36]. Süt endüstrisinde yaygın olarak kullanılan bir diğer enzim, laktozu hidrolize eden laktazdır. Laktozsuz süt üretimi sağlayarak intoleransı olan bireyler için tüketilebilir süt üretiminde, ürünle­rin tatlılık oranını ve dokusal özelliklerini arttırdığı için yoğurt ve dondur­malarda kullanılır [37].

Unlu mamullerin üretiminde, ekmek ve diğer mayalı ürünlerde, nişastanın maya tarafından daha iyi kullanılabilir olması için daha küçük yapılara parçalanması gerekir. Nişasta hidrolizi için amilaz enzimi kullanılır [8]. Ayrıca ekmek yapımında kullanılan unun beyaz olması istenildiği için, renk ağartmak amacıyla lipoksigenaz enzimi kullanılır. Bu amaçla zengin bir lipoksigenaz kaynağı olan soya fasulyesi yaygın olarak kullanılır [38]. Bisküvi üretiminde, ısıl işlemin etkisiyle karakteristik koyu rengi elde etmek için indirgen şekere ihtiyaç vardır. Bu amaçla amilazlar, nişastanın indirgen şeker formuna dönüştürülmesini sağlar [39].

Alkollü içeceklerin üretiminde, biranın geleneksel üretiminde amilaz enzimi arpanın kendisinden sağlanır. Ancak nişasta bileşiklerini tamamıyla fermente olabilir şekerlere dönüştüremediği için ekzojen kaynak olarak amilaz ve glukoamilaz enzimleri eklenir [40]. Ayrıca arpadan gelen proteinler ve yapısındaki diğer bileşiklerin neden olduğu bu­lanıklığı gidermek için papain veya diğer bazı proteolitik enzimler kullanılır [41].  Şarap üretiminde hammaddeden kaynaklanan bulanıklığı önlemek amacıyla β-glukosidaz ve pektinaz enzimi kullanılır [42].

Kaynaklar

1. Berg, J. M., Tymoczko, J.L., & Stryer, L. (Eds.) (2002). Enzymes: Basic concepts and kinetics. In Biochemistry, (5th Edition) (pp. 189-225). New York: WH Freeman.
2. Robinson, P. K. (2015). Enzymes: Principles and biotechnological applications. Essays Bioche­mistry, 59, 1–41.
3. Tanaka, T. (2018). Enzyme applications in food processing: traditional uses to new develop­ments. In L. Melton, F. Shahidi, & P. Varelis (Eds.) Encyclopedia of Food Chemistry (pp. 85-95). Elsevier.
4. Schomburg, I., Chang, A., Placzek, S., Sohngen, C., Rother, M., Lang, M., Munaretto, C., Ulas, S., Stelzer, M., Grote, A., Scheer, M. & Schomburg, D. (2013). BRENDA in 2013: Integrated re­actions, kinetic data, enzyme function data, improved disease classification: New options and contents in BRENDA. Nucleic Acids Research, 41(D1), 764-772.
5. Kuddus, M. (2015). Cold-active microbial enzymes. Biochemistry & Physiology, 4(1), e132.
6. Kumar, K. S., Varma G. M., Kiran, V. A., Mahesh, E., Kanth L. D., Sekhar, S. C., & Parvathi, L. A. (2012). Industrially Produced Enzymes and their Applications- An Overviev. International Journal of Pharmaceutical and Chemical Sciences, 1(3), 1418-1421.
7. Sutay-Kocabaş, D. (2021). Gıda endüstrisinde enzimlerin rolü ve ilgili yasal düzenlemeler. In Z. B. Ögel (Ed.) Gıda Biyoteknolojisi (pp. 29-38). Ankara: Türkiye Klinikleri.
8. Gurung, N., Ray, S., Bose, S., & Rai, V., (2013). A broader view: Microbial enzymes and their relevance in industries, medicine, and beyond. Biomed Research International, Special Issue, 1-18.
9. Van Oort, M. (2010). Enzymes in food technology-introduction. In M. Van Oort, & R. J. White­hurst (Eds.) Enzymes in Food Technology (2nd Edition) (pp.1-16). Chichester: Wiley-Blackwell.
10. Avendano, K.A., Anguiano, M., Lopez, C.E., Montanez, L.E., Sifuentes, L., & Balagurusamy, N. (2016). Microbial enzymes applications in food processing. Agro FOOD Industry Hi-Tech, 27(4), 63-67.
11. Raghul-Subin, S., & Bhat, S. G. (2015). Enzymes: Concepts, nomenclature, mechanism of action and kinetics, characteristics and sources of food-grade enzymes. In M. Chandrasekaran (Ed.) Enzymes in Food and Beverage Processing (pp. 4-38). USA: CRC Press, Taylor & Francis Group.
12. Schäfer, T. (2007). Discovering new industrial enzymes for food applications. In R. Rastall (Ed.) Novel Enzyme Technology for Food Applications (pp.3-15). New York: Woodhead Publishing.
13. Dayısoylu, K. S., & Yeşiltoprak, B. (2020). Recent developments of industrial enzyme production in food biotechnology. International Journal of Agriculture Forestry and Life Sciences, 4(1), 21-28.
14. Meshram, A., Singhal, G., Bhagyawant, S.S., & Srivastava, N. (2019). Plant-derived enzymes: A treasure for food biotechnology. In M. Kuddus (Ed.) Enzymes in Food Biotechnology: Production, Applications, and Future Prospects (pp. 482-502). UK: Academic Press.
15. Guerrand, D. (2018). Economics of food and feed enzymes: Status and prospectives. In C. S. Nunes, & V. Kumar (Eds.) Enzymes in Human and Animal Nutrition (pp. 487-514). UK: Academic Press.
16. Kuddus, M. (2019). Introduction to Food Enzymes. In M. Kuddus (Ed.) Enzymes in Food Biotech­nology: Production, Applications, and Future Prospects (pp.1-18). USA: Academic Press.
17. Kaur, H., & Gill, P. K. (2019). Microbial enzymes in food and beverages processing. In A. M. Grumezescu, & A. M. Holban (Eds.) Engineering Tools in the Beverage Industry (pp. 255-282). UK: Woodhead Publishing.
18. Collados, A., Conversa, V., Fombellida, M., Rozas, S., Kim, J. H., Arboleya, J. C., Román, M., & Perezábad, L. (2020). Applying food enzymes in the kitchen. International Journal of Gastronomy and Food Science, 21, 100212.
19. Zhang, Y., He, S., & Simpson, B. K. (2018). Enzymes in food bioprocessing—novel food enz­ymes, applications, and related techniques. Current Opinion in Food Science, 19, 30-35.
20. Verma, H., Narnoliya, L.K., & Jadaun, J.S. (2018). Pectinase: a useful tool in fruit processing industries. Nutrition and Food Science International Journal, 5(5), 555673.
21. Steen, D., & Ashurst, P.R. (Eds.). (2008). Carbonated Soft Drinks: Formulation and Manufacture. USA: John Wiley & Sons, p. 349.
22. Kashyap, D. R., Vohra, P. K., Chopra, S., & Tewari, R., (2001). Applications of pectinases in the commercial sector: a review. Bioresource Technology, 77(3), 215–227.
23. Queirós, R.P., Gouveia, S., Saraiva, J.A., & Lopes-da-Silva, J.A. (2019). Impact of pH on the high-pressure inactivation of microbial transglutaminase. Food Research International, 115, 73-82.
24. Myhrvold, N., Young, C., & Bilet, M. (2011). Modernist Cuisine-The Art and Science of Cooking Volume 2, Techniques and Equipment, Cooking Lab, p. 487.
25. Bekhit, A.A., Hopkins, D.L., Geesink, G., Bekhit, A.A., & Franks, P. (2014). Exogenous proteases for meat tenderization. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 54(8), 1012-1031.
26. Huff Lonergan, E., Zhang, W., & Lonergan, S. M. (2010). Biochemistry of postmortem muscle d lessons on mechanisms of meat tenderization. Meat Science, 86, 184-195.
27. Woinue, Y., Ayele, A., Hailu, M., & Chaurasiya, R.S. (2019). Comparison of different meat ten­derization methods: a review. Journal of Food Science, 4(3), 571-577.
28. Weiss, J., Gibis, M., Schuh, V., & Salminen, H. (2010). Advances in ingredient and processing systems for meat and meat products. Meat Science, 86(1), 196-213.
29. Uran, H., Yılmaz, İ., & Özabravcı, A. (2018). Et ve su ürünlerinde transglutaminaz enziminin kullanim olanaklari. Uluslararaso Hakemli Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi, 12, 71-90.
30. Venugopal, V., Lakshmanan, R., Doke, S.N., & Bongirwar, D.R. (2000). Enzymes in fish proces­sing, biosensors and quality control. Food Biotechnology, 14(1-2), 21-27.
31. Roy, U., Kumar, R., Kumar, S., Puniya, M., & Puniya, A.K. (2016). Enzymes in milk, cheese, and associated dairy products. In M. Chandrasekaran (Ed.) Enzymes in Food and Beverage Processing (pp.341-352). USA: CRC Press, Taylor & Francis Group.
32. Shah, M.A., Mir, S.A., & Paray, M. A. (2014). Plant proteases as milk-clotting enzymes in cheese­making: a review. Dairy Science & Technology, 94(1), 5-16.
33. Almeida, C.M., Gomes, D., Faro, C., & Simões, I. (2015). Engineering a cardosin B-derived rennet for sheep and goat cheese manufacture. Applied Microbiology and Biotechnology, 99(1), 269-281.
34. Fiol, C., Prado, D., Mora, M., & Alava, J.I. (2016). Nettle cheese: Using nettle leaves (Urtica dioica) to coagulate milk in the fresh cheese making process. International Journal of Gastronomy and Food Science, 4, 19-24.
35. Aravindan, R., Anbumathi, P., & Viruthagiri, T. (2007). Lipase applications in food industry. Indian Journal of Biotechnology, 6(2), 141-158.
36. Kiziloz, M. B., Cumhur, O., & Kilic, M. (2009). Development of the structure of an imitation cheese with low protein content. Food Hydrocolloids, 23(6), 1596-1601.
37. Skryplonek, K., Gomes, D., Viegas, J., Pereira, C., & Henriques, M. (2017). Lactose-free frozen yogurt: Production and characteristics. Acta Scientiarum Polonorum Technologia Alimentaria, 16(2), 171-179.
38. Junqueira, R.M., Rocha, F., Moreira, M.A., & Castro, I.A. (2007). Effect of proofing time and whe­at flour strength on bleaching, sensory characteristics, and volume of French breads with added soybean lipoxygenase. Cereal Chemistry, 84(5), 443-449.
39. Starowicz, M., & Zieliński, H. (2019). How Maillard reaction influences sensorial properties (co­lor, flavor and texture) of food products? Food Reviews International, 35(8), 707-725.
40. Guerra, N. P., Torrado-Agrasar, A., López-Macías, C., Martínez-Carballo, E., García-Falcón, S., Simal-Gándara, J., & Pastrana-Castro, L. M. (2009). Use of Amylolytic enzymes in brewing. In V. R. Preedy (Ed.) Beer in Health and Disease Prevention (pp. 113-126). Academic Press.
41. Afaq, S., & Iqbal, J. (2001). Immobilization and stabilization of papain on chelating sepharose: A metal chelate regenerable carrier. Electronic Journal of Biotechnology, 4(3), 1-2.
42. Ducruet, J., Canal, R.M., & Glories, Y. (2000). Mécanisme d’action et utilisation raisonnée d’une préparation enzymatique de macération. Revue des oenologues et des techniques vitivinicoles et oe­nologiques: magazine trimestriel d’information professionnelle, 27(96), 17-19.