Enzimatik Reaksiyonların Kinetiği

Enzim nedir?

Enzimler, hücrelerde sıcaklık, pH, basınç gibi çeşitli koşullar altında kimyasal reaksiyonların yüksek hızda gerçekleşmesini sağlayan katalizörlerdir. Reaksiyonlara kattıkları verimlilik ve etki ettikleri maddeye özel yapıları ile karakterize edilmektedirler. Enzimlerin etki ettikleri bu maddelere substrat denmektedir. Enzimlerin isimlendirilmesi etki ettikleri substrat veya katalize ettikleri reaksiyon türüne göre sonuna “-az” eklenerek yapılır. Bu kural enzimlerin çoğunluğu için geçerlidir fakat pepsin ve tripsin gibi bazı istisnalar da vardır [1].

 Enzimler, katalize edilen reaksiyon tipine göre altı kategoriye ayrılır [1]:

·     Oksidoredüktazlar*
·     Transferazlar*
·     Hidrolazlar*
·     Liyazlar*
·     Ligazlar*
·     İzomerazlar*

Yapısal olarak enzimlerin büyük çoğunluğu proteindir. Koenzimler* ise küçük, kendi başına bir reaksiyonu kataliz edemeyen ama enzimlerin bunu yapmasına yardım eden ve protein olmayan moleküllerdir. Genelde koenzimler vitaminlerden oluşur ya da vitaminlerin bir türevidir. Koenzimler ve katalitik aktiviteye sahip protein kısmı (apoenzim) holoenzimi oluşturur. Apoenzim, enzimin substrat özgüllüğünden sorumludur. Koenzimler substratta meydana gelen dönüşümleri telafi etmek için değişikliklere uğrar [1,2].

Reaksiyon kinetiği nedir?

Reaksiyon kinetiği; kimyasal reaksiyon hızlarının, bu hızlara etki eden çeşitli faktörlerin ve kimyasal reaksiyon mekanizmalarına göre hız sistemlerinin açıklanması üzerine kuruludur ve fiziksel kimyanın bir yan dalıdır. Reaksiyon hızlarının belirlenmesi; endüstriyel üretimde proses optimizasyonu, ürün kalitesi ve maliyeti konularının iyi yönetilmesi için oldukça önemlidir. Ayrıca, gıda endüstrisinde ürün dizaynı ve reaktör tasarımı gibi konularda kullanılması kritik bir önem taşır. Reaksiyon kinetiği termodinamikten farklı olarak ara durumları veya zamanı dikkate almaz, reaktanların veya ürünlerin konsantrasyonundaki değişim oranını zaman takip eder. Bu nedenle reaksiyon kinetiği uygulamaları sayesinde kimyasal reaksiyonların hızının yanı sıra konsantrasyon, sıcaklık, katalizör ve benzeri gibi çeşitli faktörlerin etkisi nicel olarak belirlenir [3].

Gıdalarda en sık görülen enzimatik reaksiyonlardan biri enzimatik esmerleşmedir. Bunun dışında gıdaların raf ömrü boyunca enzimatik reaksiyonlara bağlı olarak çeşitli bozulmalar görülebilmektedir [4].

Enzimatik Esmerleşme

Enzimatik esmerleşme, birçok meyve ve sebzede yaygın olarak görülen doğal bir reaksiyondur. Meyveler ve sebzeler zedelenme, kesilme ve soyulma gibi durumlara maruz kaldığında içeriklerinde bulunan fenolik bileşiklerin oksidasyonu sonucu melanin adındaki kahverengi bir kimyasal oluşumu ile beraber hızla kararırlar. Çoğu meyve ve sebzede ve bazı deniz ürünlerinde bulunan polifenol oksidaz (PPO*), enzimatik esmerleşmeden sorumludur. PPO'ya ek olarak, benzer bir oksidatif enzim olan peroksidazın varlığı da meyve ve sebzelerde enzimatik esmerleşmeyi başlatabilir [4].

Bu enzimatik esmerleşme reaksiyonunun kinetiği birkaç adımda açıklanabilir. İlk olarak, oksijen varlığında, PPO enzimi, fenolik bileşikler olarak bilinen maddeleri (bir oksidasyon süreci yoluyla) kinonlar adı verilen farklı bileşiklere dönüştürür. Kinonlar* daha sonra melanin oluşturmak için diğer bileşiklerle reaksiyona girer. Melanin, aynı zamanda saçı ve cildi de renklendiren koyu kahverengi pigmenttir. Bunun yanında meyve ve sebzelerde kahverengi rengin oluşmasına sebep olur. Bu reaksiyonun taze meyve ve sebzelerde gerçekleşmeme sebebi PPO ve fenolik bileşiklerin bitki hücresinde farklı yerlerde konumlandırılmış olmasıdır. Enzimatik esmerleşme süreci yalnızca PPO, fenolik bileşikler ve oksijen birbiriyle temas ettiğinde tetiklenir. Meyve dokusu fiziksel darbe, sıcağa veya soğuğa maruziyet nedeniyle zarar gördüğünde hücreleri açılır ve boşluklardan yayılan fenolik bileşikler ve enzim havadaki oksijenle karışır. Sonuç olarak, hasarlı doku kahverengiye döner [5].

Gıdalarda Enzimatik Reaksiyonlara Bağlı Bozulma

Gıdalarda depolanma süreci boyunca çeşitli reaksiyonlar meydana gelmektedir. Enzimatik olmayan, enzimatik ve mikrobiyal olarak sınıflandırılabilecek bu reaksiyonlar; gıdalarin görünüş, doku, aroma, tat ve besleyici özelliklerini ciddi anlamda etkilemektedir. Enzimler biyokatalizörler olarak gıdalarda bulunan tüm büyük biyomoleküllerin spesifik manipülasyonunu yapabilmektedir ve meydana gelen bu reaksiyonlar gıda kalitesinin hızlı bir şekilde bozulmasına neden olabilmektedir [6,7].

Süt ve Süt Ürünleri

Süt ve süt ürünlerinin depolama sıcaklıkları psikrotroflar için uygun derecelerde olduğunda, fermentatif bakteriler büyümeye başlar ve bu bakteriler çeşitli enzimler üretir. Bu durum enzimatik bozulmaya yol açar. Çiğ süt ısıl işlemden önce uzun süre düşük sıcaklıkta depolandığında, psikrotrof* bakteriler çoğalabilir ve hücre dışı ısıya dayanıklı enzimler üretebilir. Çiğ sütte psikrotrof bakteriler tarafından üretilen proteazlar* ve lipazlar*, 3-7 gün içinde proteinlerin ve lipitlerin fark edilir düzeyde hidrolizine neden olur. Psikrotrof bakteriler tarafından üretilen ısıya dayanıklı bu enzimler ürün kalitesini ciddi oranda etkilemektedir. Krema ve tereyağı ise, proteinazlara göre ısıya daha dayanıklı olan lipazlar tarafından bozulmaya karşı daha hassastır [7].

Et ve Et Ürünleri

Et ve et ürünlerinin enzimatik olarak bozulması kesimden sonra hayvanın kas hücrelerindeki otolitik enzimatik reaksiyonlar sonucu oluşabilir. Et işleme prosesindeki her adım mikrobiyal kontaminasyonu etkileyebilir ve saklama koşulları bakteri topluluklarının yapısını şekillendirebilir. Sonuç olarak zaman içinde mikrobiyal ve enzimatik bozulma oluşumunu etkileyebilir [8]. Kesilen hayvanların kas hücrelerinde enzimatik reaksiyonlar doğal olarak gerçekleşir ve sonunda etin kendi kendine bozulmasına neden olan kimyasal reaksiyonlar için katalizör görevi görürler. Kompleks bileşiklerin (karbonhidratlar, yağlar ve protein) enzimatik olarak dokularda bozulması ve bu bozulmaya bağlı olarak ette yumuşama ve yeşilimsi renk oluşumu görülür [9].

Sonuç olarak;
Enzimatik reaksiyonlar gıdaların üretimini, kalitesini ve ürün fikri geliştirilmesini doğrudan etkileyen reaksiyonlardır. Bu reaksiyonlarin kinetiğini anlamak ise, proseslerin maksimum verimde gerçekleşmesini sağlamak için çok önemlidir.

Sözlük

*Oksidoredüktaz: Bir elektronun bir molekülden bir diğerine aktarılmasını katalizleyen enzimdir.
*Transferaz: Bir molekülden diğer bir moleküle fonksiyonel grup aktaran enzimdir.
*Hidrolaz: Kimyasal bağların hidroliz reaksiyonunu katalizleyen enzimdir.
*Liyaz: Bir organik moleküldeki grupların hidrolitik veya oksidatif olmayarak ayrılmasını kataliz eden enzimdir.
*Ligaz: İki molekulun birleşmesini kataliz eden enzimdir.
*İzomeraz: İzomerlerin yapısal olarak yeniden düzenlenmesini sağlayan enzimdir.
*Koenzim: Enzimlerin aktivitesini artıran bir substrat.
*PPO: Meyve kahverengileşmesinde rol oynayan bir enzimdir.
*Kinon: Benzenden tureyen, oksidasyon ve redüksiyon sistemlerinde görev yapan bir bileşiktir [10].
*Proteaz: Proteinlerin parçalanmasından sorumlu enzimdir.
*Lipaz: Yağların parçalanmasından sorumlu enzimdir.

Yazar : Dilara Gürkaynak

Kaynakça

[1].Blanco, A., & Blanco, G. (2017). Medical Biochemistry, Enzymes, In Medical biochemistry (p. 154). London, United Kingdom: Academic Press.
[2]. Linderstrom-Lang, K. (1937). Enzymes. Annual Review of Biochemistry, 6(1), 43-72.
[3]. Bokhari, A., Yusup, S., Asif, S., Chuah, L. F., & Michelle, L. Z. Y. (2020). Process intensification for the production of canola-based methyl ester via ultrasonic batch reactor: optimization and kinetic study. In Bioreactors (pp. 27-42)
[4].Martinez, M. V., & Whitaker, J. R. (1995). The biochemistry and control of enzymatic browning. Trends in Food Science & Technology, 6(6), 195-200.
[5]. Whitaker, J. R., & Lee, C. Y. (1995). Recent advances in chemistry of enzymatic browning: an overview.
[6]. Ashie, I. N. A., Simpson, B. K., & Smith, J. P. (1996). Mechanisms for controlling enzymatic reactions in foods. Critical Reviews in Food Science & Nutrition, 36(1-2), 1-30.
[7].Erkmen, O., & Bozoglu, T. F. (2016). Enzymatic and Nonenzymatic Food Spoilage. Food Microbiology Set: Principles into Practice. Vol. 3, p. 401.
[8].Luong, N. D. M., Coroller, L., Zagorec, M., Membré, J. M., & Guillou, S. (2020). Spoilage of chilled fresh meat products during storage: A quantitative analysis of literature data. Microorganisms, 8(8), 1198.
[9]. Dave, D., & Ghaly, A. E. (2011). Meat spoilage mechanisms and preservation techniques: a critical review. American Journal of Agricultural and Biological Sciences, 6(4), 486-510.
[10]. Science Direct (2019). Quinones. 4 Temmuz 2021 tarihinde https://www.sciencedirect.com/topics/neuroscience/quinones adresinden erisildi.