Bei der Enzymimmobilisierung werden Enzymmoleküle an einen festen Träger oder eine feste Matrix gebunden und gleichzeitig ihre katalytische Aktivität beibehalten. Immobilisierte Enzyme bieten gegenüber freien Enzymen in der industriellen Lebensmittelverarbeitung mehrere Vorteile: Sie können mehrfach zurückgewonnen und wiederverwendet werden, was eine kontinuierliche Verarbeitung und eine erhebliche Kostenreduzierung ermöglicht; sie weisen häufig eine verbesserte thermische und betriebliche Stabilität auf; Die Produkttrennung wird vereinfacht, da das Enzym im Reaktor zurückgehalten wird. und das Endprodukt enthält kein restliches Enzym, wodurch thermische Inaktivierungsschritte entfallen, die die Produktqualität beeinträchtigen könnten.
Immobilisierungsmethoden werden in physikalische und chemische Ansätze unterteilt. Zu den physikalischen Methoden gehören die Adsorption, bei der Enzyme durch hydrophobe Wechselwirkungen, Van-der-Waals-Kräfte oder elektrostatische Wechselwirkungen an Trägermaterialien binden, und Einschluss, bei dem Enzyme physikalisch in einer Polymermatrix wie Alginat- oder Polyacrylamidgelen eingeschlossen oder in semipermeablen Membranen eingekapselt sind. Chemische Methoden umfassen die kovalente Bindung über funktionelle Gruppen auf der Enzymoberfläche (typischerweise Amino-, Carboxyl- oder Thiolgruppen) an aktivierte Träger oder die Vernetzung mithilfe bifunktioneller Reagenzien wie Glutaraldehyd, um vernetzte Enzymaggregate (CLEAs) zu erzeugen.
Trägermaterialien für die Enzymimmobilisierung müssen inert, unter Verarbeitungsbedingungen stabil, mechanisch robust und zu angemessenen Kosten verfügbar sein. Zu den natürlichen Polymeren gehören Alginat (Kalziumalginatkügelchen), Chitosan, Agarose und Carrageen. Zu den synthetischen Polymeren gehören Polyacrylamid-, Polyurethan- und Polymethacrylatharze. Zu den anorganischen Trägern gehören Siliziumdioxid, Zeolithe und magnetische Nanopartikel. Die Wahl des Trägers hängt vom Enzym, den Reaktionsbedingungen und der Reaktorkonfiguration ab. Magnetische Nanopartikel bieten den zusätzlichen Vorteil einer einfachen Rückgewinnung mithilfe eines externen Magnetfelds, sodass keine Zentrifugation oder Filtration erforderlich ist.
Zu den wichtigsten industriellen Anwendungen immobilisierter Enzyme gehören Glucoseisomerase zur kontinuierlichen Herstellung von Maissirup mit hohem Fructosegehalt aus Glucose, dem umfangreichsten Enzymprozess in der Lebensmittelindustrie; immobilisierte Laktase (Beta-Galaktosidase) zur Hydrolyse von Laktose in Milch und Molke zur Herstellung laktosefreier Milchprodukte; immobilisierte Lipasen zur Herstellung strukturierter Lipide, Aromaester und transfreier Fette; und immobilisierte Invertase zur kontinuierlichen Produktion von Invertzucker. Zu den Reaktortypen gehören Festbettreaktoren für den Substratfluss durch eine Säule mit immobilisiertem Enzym, Wirbelschichtreaktoren für einen verbesserten Stofftransfer und Membranreaktoren, die Enzymretention mit Produkttrennung kombinieren. Die Immobilisierung erhöht den Nutzen von industriellen Enzymen und kann für eine optimale Leistung mit Enzym-Engineering kombiniert werden. Zu den Anwendungen gehört die kontinuierliche Herstellung von Glukosesirup zum Backen und Brauen.
