Vanilleextrakt ist einer der am häufigsten verwendeten Aromastoffe in Lebensmitteln und Kosmetika. Der angenehme und süße Geruch dieses klassischen Geschmacks wird durch die chemische Verbindung „Vanillin“ verliehen, die in den Samenkapseln von Vanillepflanzen aus der Familie der Orchideen vorkommt. In Pflanzen wird Vanillin durch die Umwandlung von Ferulasäure durch das Enzym VpVAN synthetisiert. Allerdings liefert die Laborbiosynthese von Vanillin aus pflanzlichem VpVAN nur sehr geringe Mengen an Vanillin und ist daher kommerziell unpraktisch.
Darüber hinaus sind chemisch gewonnene Vanilleessenzen zwar günstig erhältlich, schmecken aber nicht mit natürlichem Vanilleextrakt und die Nachfrage nach letzterem bleibt weiterhin hoch. Darüber hinaus haben klimatische Einschränkungen beim Anbau von Vanillepflanzen und der relativ geringe Ertrag pro Pflanze zu einem schwindenden Angebot und einem Preisanstieg bei natürlichem Vanilleextrakt geführt.
Um diese Herausforderungen anzugehen, haben Professor Toshiki Furuya von der Abteilung für Angewandte Biowissenschaften der Fakultät für Naturwissenschaften und Technologie der Universität der Wissenschaften Tokio und seine Doktoranden Shizuka Fujimaki und Satsuki Sakamoto erfolgreich ein Enzym entwickelt, das Vanillin aus pflanzlicher Ferulasäure erzeugt.
„Ferulasäure, der Rohstoff, ist eine Verbindung, die in großen Mengen aus landwirtschaftlichen Abfällen wie Reiskleie und Weizenkleie gewonnen werden kann. Vanillin wird einfach durch Mischen von Ferulasäure mit dem entwickelten Enzym bei Raumtemperatur erzeugt. Das kann die etablierte Technologie.“ bieten eine einfache und umweltfreundliche Methode zur Herstellung von Aromastoffen“, erklärt Prof. Furuya. Ihr Studium war veröffentlicht am 10. Mai 2024, in Angewandte und Umweltmikrobiologie.
Die Forscher nutzten gentechnische Ansätze, um die molekulare Struktur eines Enzyms – „Ado“ – zu verändern. Ado ist ursprünglich ein Oxidaseenzym, das dem Substrat Isoeugenol ein Sauerstoffatom hinzufügt.
Im natürlichen Zustand ist es nicht in der Lage, Ferulasäure in Vanillin umzuwandeln. Mithilfe einer Strukturmodellanalyse konnten die Forscher Aminosäureveränderungen in Ado vorhersagen, die dessen Wechselwirkung mit Ferulasäure ermöglichen würden.
In diesem Sinne führten sie eine Reihe von Experimenten durch, indem sie Phenylalanin- und Valin-Aminosäurereste an bestimmten Positionen in der Struktur von Ado durch verschiedene andere Aminosäuren ersetzten. Anschließend untersuchten sie die Fähigkeit der verschiedenen manipulierten mutierten Proteine, Ferulasäure umzuwandeln.
Nach mehreren Versuchen und Irrtümern fanden sie heraus, dass ein mutiertes Protein, in dem nur drei spezifische Phenylalanin- und Valinreste durch Tyrosin und Arginin ersetzt waren, stabil mit Ferulasäure reagierte und eine hohe Umwandlungsaktivität aufwies. Bemerkenswert ist, dass das manipulierte Enzym im Gegensatz zu anderen Oxidasen keine Cofaktoren für die Umwandlung benötigte und Vanillin im Grammmaßstab pro Liter Reaktionslösung produzierte, mit einer höheren katalytischen Effizienz und Affinität als das Wildtyp-Enzym.
Die Reaktion erforderte lediglich das Mischen des Enzyms, der Ferulasäure und der Luft (molekularer Sauerstoff) bei Raumtemperatur, was sie zu einem einfachen, nachhaltigen und wirtschaftlich skalierbaren Prozess machte. Darüber hinaus zeigte das molekular entwickelte Enzym auch eine Umwandlungsaktivität in Bezug auf p-Cumarsäure und Sinapinsäure, Verbindungen, die beim Abbau von Lignin – einem häufigen landwirtschaftlichen Abfallprodukt – entstehen.
Bisher haben keine mikrobiellen oder pflanzlichen Enzyme die Fähigkeit gezeigt, Ferulasäure im industriellen Maßstab in Vanillin umzuwandeln. Daher weist das in der aktuellen Studie entwickelte Enzym ein erhebliches Potenzial auf, die kommerzielle und wirtschaftlich sinnvolle Produktion von natürlichem Vanillin zu ermöglichen.
Prof. Furuya erklärt die langfristigen Auswirkungen ihrer Forschung und erklärt: „Die Nutzung des Potenzials von Mikroorganismen und Enzymen zur Gewinnung wertvoller Verbindungen unter milden Bedingungen aus erneuerbaren pflanzlichen Ressourcen bietet einen nachhaltigen Ansatz zur Minimierung des ökologischen Fußabdrucks.“
„Derzeit konzentrieren sich unsere Forschungsbemühungen in Zusammenarbeit mit einem Unternehmen darauf, die Vanillinproduktion durch den Einsatz des neu entwickelten Enzyms in die Praxis umzusetzen.“
Mehr Informationen:
Shizuka Fujimaki et al., Entwicklung einer Coenzym-unabhängigen Dioxygenase für die einstufige Produktion von Vanillin aus Ferulasäure, Angewandte und Umweltmikrobiologie (2024). DOI: 10.1128/aem.00233-24