• Wie entsteht der braune Farbstoff (Biosynthese)?
• Welche Reaktionen treten analog in einem tierischen Organismus auf?
• Wie kann die Bräunung verhindert werden?

Enzymatische Bräunung bei Pflanzen

Werden Kartoffeln angeschnitten, färben sie sich nach kurzer Zeit bräunlich. Dieses Phänomen beruht auf der enzymatischen Bräunung, welche in Pflanzen durch das Enzym Polyphenoloxidase über Luftsauerstoff katalysiert wird.

Die Polyphenoloxidase (PPO) oxidiert mit Sauerstoff phenolische Verbindungen zu Chinonen. Phenole sind Stoffe, die einen Benzolring mit einem oder mehreren OH-Substituenten enthalten. Bei Chinonen handelt es sich um Benzolderivate, bei welchen das π-Elektronen-System durch doppelbindigen Sauerstoff aufgehoben wurde. Je nach Aufbrechen der Aromatizität des Benzolringes wird Licht unterschiedlicher Wellenlängen absorbiert, was einen anderen farblichen Eindruck erzeugt. Häufig bewirken Chinone eine gelbliche bis bräunliche Färbung.

Kartoffelzellen enthalten natürlicherweise die nicht-essentielle Aminosäure Tyrosin. Dabei handelt es sich um eine phenolische Verbindung. 100g Kartoffel enthalten ungefähr 80mg der Aminosäure Tyrosin. Tyrosin ist ein Substrat der Polyphenoloxidase, welche die Aminosäure über Sauerstoff zu Chinonen oxidieren kann.

In den Kartoffelzellen sind die Enzyme Polyphenoloxidase und die entsprechenden Substrate physikalisch voneinander getrennt. Die Polyphenoloxidase befindet sich in den Plastiden der Zellen, während sich die Phenole in Vakuolen aufhalten. Wird das Pflanzengewebe beispielsweise durch ein Schnitt verletzt, treten die Enzyme mit ihren Substraten in Kontakt, wobei Letztere über Sauerstoff zu Chinonen oxidiert werden.

Wie auf der Abbildung ersichtlich ist, wird nur der erste Schritt der Reaktion über die Polyphenoloxidase katalysiert. Dabei entsteht ein sehr reaktives Produkt, welches nicht-enzymatisch weiter zu Dopachrom und Indol-5,6-chinon reagiert und zuletzt zu braun-schwarzen Melanin-Pigmenten polymerisiert.

Diese Pigmente spielen eine wichtige Rolle in der Abwehr von Pflanzen gegen Mikroorganismen. Werden Pflanzenzellen verletzt, tritt die enzymatische Bräunung ein. Die dadurch entstehenden Melanine bilden eine Art Schorf, welcher das verletzte Pflanzengewebe vor dem Eindringen von Mikroorganismen schützt. Zusätzlich denaturieren die während der Reaktion gebildeten Chinone Proteine von Mikroorganismen und die polymeren Phenolkomplexe können mikrobielles Wachstum hemmen.

Industriell findet die enzymatische Bräunung vor allem in der Fermentation von Tee und Kakao ihre Verwendung. Dabei entsteht die dunkle Farbe und der charakteristische Geschmack des Tees bzw. Kakaos durch die Oxidation bestimmter Polyphenole (Catechine), welche ursprünglich in den Pflanzen vorhanden sind.

In anderen pflanzlichen Lebensmitteln, wie beispielsweise Äpfeln oder Kartoffeln, bewirkt die enzymatische Bräunung häufig eine Verschlechterung des optischen und geschmacklichen Eindrucks sowie der Textur der Esswaren. Deshalb wird industriell die Bräunung von pflanzlichen Nahrungsmitteln durch verschiedene Behandlungen verhindert, was im folgenden Unterkapitel beschrieben wird.

Inhibition der enzymatischen Bräunung

Die durch Enzyme katalysierte Bräunung kann auf verschiedene Weisen verlangsamt oder verhindert werden. Dazu gehören:

• Verhinderung von Sauerstoffkontakt
• Denaturierung der Enzyme
• Oxidation anderer Stoffe mit tieferem Redoxpotential als Phenole

Damit die Kartoffelzellen nicht mit Sauerstoff in Kontakt treten, können diese in Wasser getränkt werden. So werden sie nahezu vollständig vom Luftsauerstoff isoliert.

Die Polyphenoloxidase kann auf verschiedene Weisen denaturiert werden. Einerseits können die Kartoffeln gekocht werden. Durch die auftretende Hitze werden die Sekundär- und Tertiärstruktur der Proteine verändert und so sind die Enzyme nicht mehr funktionsfähig.

Andererseits kann die Polyphenoloxidase auch durch Stoffe mit bestimmten Eigenschaften denaturieren. Enzyme sind nur in einem definierten pH-Bereich aktiv. Säuren wie Essig-, Citronen- und Ascorbinsäure können durch die Abgabe von Protonen die Ladungsverteilung in Proteinen verändern. Ebenfalls können Carboxylat-Gruppen im Protein mit den abgegebenen Protonen zu Carboxy-Gruppen reagieren. Durch diese veränderte Ladungsverteilung werden Wasserstoffbrücken teilweise zerstört und das Enzym faltet sich in einen energetisch günstigeren Zustand um. So verliert das Enzym ebenfalls seine Funktionalität.

Anorganische Salze wie Natriumchlorid, Calciumchlorid, Zinkchlorid oder Natriumcarbonat bewirken bei Proteinen ebenfalls eine Denaturierung. Ein möglicher Vorgang, durch welchen Proteine denaturieren, ist das Aussalzen. Dabei binden die gelösten Ionen der Salze viele Wassermoleküle, welche den gelösten Proteinen letztlich nicht mehr zur Verfügung stehen. Durch diesen Wassermangel werden beispielsweise Wasserstoffbrücken im Protein aufgebrochen und es denaturiert.

Letztlich kann die enzymatische Bräunung durch Zugabe eines Stoffes mit einem tiefen Redoxpotential verhindert werden. Ascorbinsäure, als Beispiel, hat bei pH7 ein Redoxpotential von -0,04V. Diese Säure wird also eher oxidiert als die Phenole in den Kartoffelzellen und so findet die Bräunung bzw. Oxidation der Phenole erst statt, wenn alle Moleküle Ascorbinsäure zur Dehydroxyascorbinsäure oxidiert sind.

Enzymatische Bräunung bei Tieren

Analog zur enzymatischen Bräunung in Pflanzen werden auch in tierischen Organismen zum Schutz Phenole zu Melaninpigmenten oxidiert. Die Reaktion wird über das Enzym Tyrosinase katalysiert.

Die Melanine in der Haut oder den Haaren des Menschen sind eine Mischform aus den braun-schwärzlichen Eumelaninen und den helleren, gelblich-rötlichen Phäomelaninen. Je nach Mischverhältnis der beiden Farbpigmente entsteht ein anderer Haut- bzw. Haartyp.

Rötliches Haar, als Beispiel, enthält verhältnismässig viel Phäomelanin, während bei braunem bis schwarzem Haar eher das Eumelanin überwiegt.

Die beiden Farbpigmente werden aus der nicht-essentiellen Aminosäure Tyrosin synthetisiert. Die Reaktionen, welche zu den Melaninen führen, sind äusserst komplex und in den folgenden Abbildungen dargestellt.

Schutzfunktion des Melanins

Melanin schützt die Haut vor allem vor starker UV-C (λ = 200-280nm) und UV-B Strahlung (λ = 215-315nm). Angeregt wird die Melaninproduktion jedoch hauptsächlich durch UV-A Strahlung (λ = 315-380nm), was durch eine Bräunung der Haut ersichtlich ist. Licht im VIS-Bereich (λ ≥ 380nm) hat kaum Einfluss auf die Bräunung.

Die inaktive Tyrosinase wird zuerst in den Pigmentzellen der Haut synthetisiert und in das raue Endoplasmatische Reticulum (ER) transportiert. Diese Pigmentzellen werden auch Melanozyten genannt. Danach sammelt sich das Enzym im Golgi-Apparat an und wird in Vesikel abgeschnürt. Wie bereits erwähnt, wird die Tyrosinase dann durch Licht im UV-A Bereich aktiviert.