Izomeraza ksylozowa jest enzymem wewnątrzkomórkowym katalizującym izomeryzacje ksylozy we fruktozę. Oznacza to, że znaczna część tego enzymu znajduje się wewnątrz oraz w ścianie komórkowej mikroorganizmu go wytwarzającego. Większość dostępnych w handlu izomeraz ksylozowych izolowana jest z mezofilnych drobnoustrojów takich jak Steptomyces, Actinoplanes, Flavobacterium oraz gatunków Bacillus, czyli bakterii, które mogą wykorzystywać ksylozy, monosacharydy wchodzące z skład hemiceluloz, jako substrat węglowy niezbędny do wzrostu.[1,2] Hemicelulozy wynoszą do 40% biomasy roślinnej i często są jedynym źródłem węgla dla mikroorganizmów. Metabolizm ksylozy polega na transporcie przez egzoenzymy D-ksylozy do wnętrza komórki. Następnie izomeraza ksylolowa przeprowadza izomeryzację D-ksylozy do D-ksylulozy, która następnie jest fosforyzowana do ksylozo-5-fosforanu. Produkt ten jest następnie przenoszony na szlak pentozo fosforanowy. [2,5,15] W warunkach laboratoryjnych wykorzystuje się zdolność izomerazy do wykorzystywania glukozy jako substratu w reakcji izomeryzacji do fruktozy. Stąd też enzym ten w warunkach in vitro określany jest jako izomeraza glukozowa [13] Aktywność izomerazy ksylozowej mieści się w optimum pH równym 7,5 – 9. Temperatura w jakiej prowadzi się reakcje izomeryzacji glukozy do fruktozy to 60 C ze względu na powstawanie produktów ubocznych w wyższych temperaturach. [4,5] Izomerazy wymagają jonów metali, które wpływają na ich aktywność oraz stabilność. Pomimo optimum działania równym pH 7,5 – 9, w obecności jonów dwuwartościowych Mn2+ Co2+ i Mg2+ enzym uznawany jest za stabilny zarówno w kwaśnych jak i zasadowych zakresach pH. [1,2,4,5]
Fruktoza jest cukrem prostym, izomerem glukozy o wzorze empirycznym C6H12O6.
Jest stosowana szeroko w przemyśle spożywczym m.in. jako środek słodzący w żywności i napojach, czy specjalna żywność dla diabetyków, ponieważ jest ona powoli wchłaniana do żołądka i nie wpływa na poziom glukozy we krwi. Głównym powodem dla którego na skale przemysłową wykorzystuje się fruktozę jest fakt, iż jest ona postrzegana jako najsłodszy cukier występujący w naturze (70-75%słodszy od glukozy, dwukrotnie słodszy od sacharozy), przy czym koszt jej produkcji jest stosunkowo niski.[6,7,9] Do celów przemysłowych izomerazę glukozową wykorzystuje się jako wysoko produktywne źródło wysoko fruktozowego syropu kukurydzianego (HFC), zwanego także syropem glukozo-fruktozowym.[3,7,8,11,13] HFC jest używany szeroko w branży spożywczej jako alternatywa dla sacharozy i cukrów inwertowanych. Techniczną zaletą HFC jest jego lepsza rozpuszczalność w stosunku do sacharozy, przez co ma mniejszą tendencję do krystalizowania. Na szeroką skalę stosuje się go w dżemach, galaretkach, lodach, konserwach, pieczeniach, marynatach, sosach [7] Pierwszą firmą która wpowadziła na skalę przemysłową izomeryzację glukozy do fruktozy była firma Clinton Corn Processing company w 1974r. [8,13] Dodatkowym zastosowaniem izomerazy ksylozowej w przemyśle jest produkcja etanolu przez drożdże S.C. Ponieważ ksyloza nie jest bezpośrednio metabolizowana przez drożdże, proces produkcji etanolu korzysta z im mobilizowanego enzymu izomerazy ksylozowej, która pozwala na konwekcje ksylozy w ksylulozę, co dalej umożliwia produkcję etanolu przez drożdże [3,14,15]
Przemysłowa produkcja syropu wzbogaconego opiera się na wykorzystaniu unieruchomionego enzymu izomerazy ksylozowej. Immobilizacja enzymu znacząco wpływa na jego właściwości fizykochemiczne. Odpowiednie nośniki mogą zmniejszyć optymalne pH działania enzym i zwiększyć jego termostabilność. Zdolność do wykonywania procesu izomeryzacji w wyższych temperaturach w neutralnym, bądź lekko kwaśnym pH pozwala na zwiększenie szybkości reakcji. Dodatkowo unieruchomienie pozwala na odzyskiwanie enzymu i jego powtórne wykorzystanie, co pozwala na prowadzenie reakcji w sposób ciągły i obniża koszty prowadzenia procesu. [3,7,9,10,12,13] Również jedną z ważnych cech preparatów enzymatycznych jest ich trwałość podczas przechowywania. Enzymy przechowywanie są w postaci zim mobilizowanej w celu zwiększenia ich czasów półtrwania [13]
Literatura:
[1] Sriprapundh D., Vieille C., Zeikus J.G., Directed evolution of Thermotoga neapolitana xylose isomerase: high activity on glucose at low temperature and low pH, Protein Engineering, 2003, 16:683-690
[2] Lama L., Nicolaus B., Calandrelli V., Romano I., Basile R., Gambacorta A, Purification and characterization of thermostable xylose(glucose) isomerase from Bacillus thermoantarcticus, Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, 2001, 27:234-240
[3] Ravikumar S., Vikramathithan J., Srikumar K., Purification and Characterization of a Novel Thermostable Xylose Isomerase from Opuntia vulgaris Mill Appl Biochem Biotechnol, 2011, 164:593-603
[4] Mishra A.,Debnath M., Effect of pH on Simultaneous Saccharification and Isomerization by Glucoamylase and Glucose Isomerase, Applied Biochemistry and Biotechnology, 2002, 102-103:193-199
[5] Ravikumar S., Srikumar K., Xerophytic Cereus pterogonus xylose isomerase is a thermostable enzyme, Chemistry of Natural Compounds,2008, 44: 213-215
[6] Yu D.,Wu H., Zhang A., Tian L., Liu L., Wang C., Fang X., Microwave irradiation-assisted isomerization of glucose to fructose by immobilized glucose isomerase, Process Biochemistry, 2011, 46:599-603
[7] Tukel S.S., Alagoz D., Catalytic efficiency of immobilized glucose isomerase in isomerization of glucose to fructose, Food Chemistry, 2008, 111:658–662
[8] Khalilpour R., Roostaazad R., Development and verification of a model to describe an immobilized glucose isomerase packed bed bioreactor, Biochemical Engineering Journal, 2008, 40:328–336
[9] Yu H., Guo L., Wu D., Zhan W., Lu G., Immobilization of glucose isomerase onto GAMM support for isomerization of glucose to fructose, Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 2011, 72:73-76
[10] Rodrigues M.T.A, VilacËa P.R, Garbuio A., Takagi M, Barbosa Jr S., Leo P., Laignier N.S., Silva A.A.P., Moro A.M., Glucose uptake rate as a tool to estimate hybridoma growth in a packed bed bioreactor, Bioprocess Engineering, 1999, 21:543-546
[11] Scaringi A., Carbone D., Converti A., Fisichella A., Riscolo A., Borghi Del M., Simulation of a reactor for glucose isomerization to fructose by immobilized glucose isomerase with continuous enzyme renewal, Biotechnology Technique, 1997, 11:99-103
[12] Song Y.S., Kim J.E., Park C., Kim S.W., Enhancement of glucose isomerase activity by pretreatment with substrates prior to immobilization, Korean J. Chem. Eng, 2011, 28:1096-1100
[13] Sapunova L.I., Lobanok A.G., Parakhnya E. V., Kazakevich I.O., Some Properties of the Xylose/Glucose Isomerase of Immobilized Arthrobacter sp. Cells, Microbiology, 2003, 72:352-355
[14] Silva C.R., Matugi K., Rodrigues D.S., Zangirolami T.C., Giordano R.C., Giordano R.L.C., Simultaneous isomerization and fermentation of xylose with glucose isomerase immobilized in chitosan, Special Abstracts / Journal of Biotechnology, 2010, 150:125
[15] Sybirny W., Puchalski C., Sybirny A., Metaboliczna inżynieria drobnoustrojów do konstruowania wydajnych producentów bioetanolu z lignocelulozy, Biotechnologia, 2007, 79:38-54